НЕЙТРИНО ИЗ ЧЕРНОЙ ДЫРЫ. НАЙДЕН АДРЕС РОЖДЕНИЯ ЗАГАДОЧНОЙ ЧАСТИЦЫ
Российские астрофизики впервые установили источник мельчайших космических частиц — нейтрино. Оказалось, что нейтрино высоких энергий рождаются вблизи черных дыр в центрах далеких активных галактик. Эта работа российских ученых может стать прорывом в физике, ведь речь идет о самой разыскиваемой в истории физики элементарной частице – нейтрино. Без нее во Вселенной, кроме света, не было бы ничего – ни материи, ни людей. Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции длиной в световые года, нейтрино могут доставлять нам ценную информацию о всех процессах из самых дальних закоулков космоса.
Нейтрино – крошечная частица, покорившая Вселенную. Когда-то ее считали лишь «частицей без свойств», странствующим космическим фантомом. Теперь же обсерватории мира бросают все свои силы на исследование ее характеристик. Составляющая темной материи, источник энергии расширения Вселенной, причина гравитационной нестабильности эпохи Большого взрыва.
Сейчас мы стоим на пороге новой эпохи в космологии – эпохи нейтрино. За открытия в сфере взаимодействия этих частиц присуждают Нобелевскую премию, а область знаний о них даже планируется выделить в отдельный раздел науки о небесных телах – нейтринную астрофизику. Эти частицы беспрепятственно пронзают насквозь Солнце, нашу планету, нас! В этом «неуловимой» частице помогает и ее чрезвычайно маленькая масса: приближаясь к массивным телам, ее скорость ни на йоту не уменьшается, и она преодолевает гигантские небесные объекты легче, чем луч света преодолевает стекло. Оглянитесь вокруг: все, что вас окружает сейчас, в эту секунду пропускает через себя сотни триллионов нейтрино, и вы в том числе. Но почувствовать нейтринные потоки невозможно. Это то, что называется интенсивностью взаимодействия: чем больше длина свободного пробега частицы (то есть расстояния, которое частица может преодолеть без смещений, столкновений и т. д.), тем слабее ее взаимодействие с веществом. У нейтрино это расстояние измеряется в астрономических единицах (среднее расстояние от Земли до Солнца, принятое за единицу измерения). А это значит, что, чтобы поймать частицу-призрак, иногда нужно ждать невероятно долго, пока одна из них не удосужится задеть один из атомов какой-нибудь молекулы. Поэтому астрофизики идут на все, чтобы не только не упустить этот шанс, но и увеличить вероятность его наступления. Так, чтобы отсеять другие фоновые процессы и не перепутать, к примеру, частицу из космического луча с нейтрино, установки по регистрации последних размещают глубоко под землей (японский детектор Super-Kamiokande – 1 км от поверхности; канадский детектор SNO –– 2 км) или и того лучше – в толщи льда Антарктиды (детектор Ice Cube).
Нейтрино, несмотря на всю непримечательность своих физических характеристик, является самой распространенной частицей во Вселенной. Их настолько много, что на все остальное «не нейтринное» вещество приходится всего около 3–10 % Вселенной!
Также это открытие проливает свет и на многие процессы, происходившие в период Большого взрыва. Долгое время было неясно, каким же именно образом распределялась материя, составляющая теперь все небесные тела. Вначале она представляла собой однородное раскаленное вещество – плазму. Но что заставило ее так перераспределиться в местах, где в дальнейшем были образованы галактики? И ответ снова – нейтрино. Дело в том, что уже по истечению 1 секунды после Большого взрыва плазма перестала быть для этих частиц препятствием – они вышли за ее пределы, перестав участвовать во внутреплазменных реакциях. Тогда эти частицы, полные энергии, двигались со скоростью света и, взаимопревращаясь, с легкостью влетали и вылетали из «нейтринных облаков». Но со временем (приблизительно 300 лет) нейтрино растратили свою энергию, и их скорость уже не позволяла им так просто покидать «нейтринные сгустки». Так образовались плотнейшие скопления нейтрино. К этому времени плазма уже приостыла и стала менее плотной. Тут и сработала сила тяготения скоплений нейтрино, которая и нарушила однородное вещество. Таким образом скопления вещества распределились по «нейтринным облакам», в дальнейшем превратясь в целые системы из небесных тел. Так в космическом пространстве появились галактики, размещенные в «нейтринных ячейках».
Все это делает так называемую «частицу-фантом» невероятно интересной и важной для изучения. Если нам удастся с ней «подружиться», мы сможем намного ближе познакомиться с космосом и процессами, протекающими в его глубинах. Ведь в отличие от электромагнитных волн, излучений и т. п. нейтрино поступают к нам из самого центра событий – сердцевины звезд, например таких, как Солнце, где участвуют в термоядерных реакциях. Беспрепятственно преодолевая огромнейшие дистанции длиной в световые года, они могут доставлять нам ценную информацию о всех этих процессах из самых дальних закоулков космоса.
Ловушки на нейтрино – а это установки стоимостью многие десятки миллионов долларов – расставлены по всей планете. Но нейтрино попадает в сети очень редко, так как для нее почти вся материя прозрачна, пролетает через Вселенную, никак себя не проявив. Но время от времени детекторам удается поймать сигнал. Но загадок у этой частицы еще очень много. Одну из них удалось раскрыть ученым из Физического института имени П. Н. Лебедева, Московского Физико-технического института и Института ядерных исследований Российской академии наук.
Исследователи нашли ответ на вопрос: где и как рождаются нейтрино высоких энергий. Над этим давно бьются ученые всего мира. Интерес очевиден. Дело в том, что такие суперэнергичные нейтрино рождаются с участием протонов только при одном условии: протоны должны быть разогнаны почти до скорости света. Это очень непросто, ведь масса протона примерно в 2000 раз больше, чем у электрона. На Земле для такого разгона строят гигантские ускорители.
А как их разгоняют в космосе? Теоретики давно назвали один из предполагаемых адресов: это квазары – галактики со сверхмассивными черными дырами в центре. Когда материя падает к черной дыре, протоны могут ускоряться почти до скорости света и выбрасываться в космос. Часть из них превратится в энергичные нейтрино. Теоретики дали одну наводку для поиска нейтрино – гамма-лучи, которые должны рождаться вместе с нейтрино.
Поиском связи нейтрино и гамма-излучения наука занималась много лет. И в 2018 году было объявлено об удаче: были зарегистрированы одновременная гамма-вспышка и приход нейтрино от одного квазара. Этот единственный за много лет результат вызвал огромный интерес, опубликованы статьи в самых престижных журналах. Но многие авторитетные ученые встретили эту сенсацию скептически. Говорили, что единственное событие по единственному квазару за 10 лет надо подтверждать новыми доказательствами. Вдруг это случайное совпадение? Время шло, а они так и не появились.
Такова была ситуация к моменту, когда российские ученые начали проводить свое исследование. Была выдвинута новая гипотеза: искать связь нейтрино не с гамма-лучами, а с радиоизлучением квазаров. Для ее подтверждения ученые использовали данные из IceCube, американской нейтринной обсерватории, погребенной под 2 километрами льда в Антарктиде. Моменты регистрации нейтрино ученые сравнили с данными о положениях и вспышках радиоизлучения квазаров, полученными с помощью радиотелескопов по всему миру и российского РАТАН-600, расположенного на Северном Кавказе в Карачаево-Черкессии. Всего ими было проанализировано около полусотни нейтрино высоких энергий, зарегистрированных IceCube.
Результаты подтвердили, что космические нейтрино сверхвысоких энергий образуются в центрах квазаров с массивными черными дырами, аккреционными дисками и выбросами очень горячего газа.
И они совпали. Когда регистрируется нейтрино, то видна и вспышка радиоизлучения от квазара, наблюдаемого в том же направлении. Все красиво сошлось. Вероятность того, что совпадение случайно, составляет всего 0,2 %. Теперь этот результат требует подробного теоретического анализа. Исследование опубликовано в Astrophysical Journal.