Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Нейтринная кухня

Откуда же берутся все эти нейтрино? Они могут образовываться везде, где синтезируются или распадаются частицы. Некоторые из них, возможно, существуют с начала Вселенной, со времён, когда начали происходить первые субатомные реакции. Миллиарды нейтрино приходят от Солнца, в глубине которого водород при термоядерном синтезе преобразуется в гелий. Благодаря участию сил слабого взаимодействия одним из важных побочных продуктов этого процесса является нейтрино. Кроме них и более знакомых нам фотонов Солнце посылает в нашу сторону и высокоэнергетические протоны. Космические лучи из разных источников врезаются в молекулы атмосферы; в результате происходят реакции такого же вида, как те, ради которых инженеры строят гигантские ускорители частиц. В каскадах этих реакций рождаются ливни нейтрино ещё более высоких энергий. Мы, будто в сцене из научно-фантастического кино, постоянно купаемся в потоках бесчисленных призрачных частиц, которые проходят сквозь нас незамеченными.

На фоне этого постоянного нейтринного ливня, непрерывно омывающего Землю и проникающего сквозь неё, наблюдаются кратковременные всплески – рост числа регистрируемых частиц. Это вестники звёздных взрывов. Выражение можно понимать буквально: связанные с этими процессами нейтрино могут достигать нас гораздо раньше, чем мы сможем увидеть – иногда даже невооружённым глазом – сами фотоны оптической вспышки.

Как взрывающиеся звёзды производят нейтрино? Рассмотрим очень массивную звезду, с массой раз в 10 больше солнечной. Мы уже видели, что ядерные печи в недрах таких звезд могут за за несколько десятков миллионов лет, последовательно выплавляя в своих ядерных топках всё более и более тяжёлые ядра, преобразовать исходные запасы водорода в железо, после чего термоядерное горение прекратится и внешние оболочки звезды обрушатся к центру. Мы говорили и о том, что в экстремальных условиях этого коллапса образуются и более тяжёлые элементы. Но в разрушающихся звёздных ядрах происходит и кое-что ещё.

Вспомним, что до самого затухания термоядерной печи центральная часть звезды представляет собой гигантский шар, состоящий из ядер железа. На Земле каждый его атом содержит 26 окружающих ядро электронов на своих орбиталях. Но при огромной температуре, которая достигается в центре звезды перед самым окончанием горения, никаких электронов вокруг железных ядер, конечно, нет: ядра не в силах их удержать. Тем не менее, сами эти маленькие отрицательно заряженные частицы в раскалённой плазме присутствуют. И, как только термоядерный пожар затухает, они начинают играть очень важную роль в разрушении звезды.

Когда внешние слои звезды обрушиваются к центру, железные ядра под огромным давлением прижимаются друг к другу настолько близко, что теряют индивидуальность. Ядро звезды, в сущности, становится гигантским атомным ядром, колоссальным шаром из протонов и нейтронов. Но, в отличие от обычного атомного ядра, в их смеси присутствуют и электроны.

В этой невероятной среде, условия которой мы никогда не сможем воспроизвести на Земле, электроны при посредстве слабого взаимодействия втискиваются в протоны, образуя нейтроны. И при каждом таком маленьком акте творения в виде побочного продукта образуется нейтрино. Общее число образуемых нейтронов достигает гигантского значения: почти 1060, а это значит, что ядро звезды испускает такое же огромное количество нейтрино. Самое поразительное – то, что физики действительно зарегистрировали нейтрино, созданные в ходе таких катаклизмов.

Обозначение SN1987A[47], скорее всего, ничего не говорит 99,99 % населения Земли. Но все астрономы узнают его мгновенно. Так была названа сверхновая, вспыхнувшая в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике в окрестности нашего Млечного Пути. И в конце февраля 1987 года, впервые в истории астрономии, на Земле были зарегистрированы пришедшие от неё нейтрино. Это, кстати, была самая яркая сверхновая, наблюдавшаяся с Земли за почти четыре столетия: в течение нескольких недель её можно было видеть даже простым глазом. Она и сейчас остаётся объектом изучения для многих астрономов.

Но погодите минутку. Как это – «были зарегистрированы нейтрино от SN1987A»? Как можно было зарегистрировать то, что, по всей видимости, не может быть зарегистрировано? Напомним ещё раз: одиночное нейтрино может пролететь сквозь свинцовую стену толщиной в несколько световых лет, не провзаимодействовав ни с одним атомом свинца. Каким же, спрашивается, образом, удалось изловить эти нейтрино? При помощи изощрённых физических экспериментов. Кроме приёмников, размещённых вблизи источников искусственно созданных нейтрино – ускорителей частиц и ядерных реакторов – существует много нейтринных обсерваторий, занятых поисками космических источников высокоэнергетических нейтрино. Один из примеров – так называемый Супер-K или Супер-Камиоканде, нейтринный приёмник в Японии, расположенный на глубине 1 км под землёй. В него залито более 50000 тонн чистой воды. Другой нейтринный телескоп – Айскьюб (IceCube) на Южном полюсе, глубоко скрытый под антарктическими льдами. Эти и другие эксперименты – передний край науки и техники.

Учёные, которые надеются уловить сигнал от регистрации космического нейтрино, понимают, что такой сигнал должен быть очень слабым. Большинство нейтрино, как мы уже знаем, прошивают земной шар насквозь, так что слой почвы и камня над глубоко упрятанными под ним приёмниками действует как естественная защита от всех других частиц, на фоне которых сигнал от нейтрино был бы неразличим. Но даже при таких мерах предосторожности сигнал от нейтрино еле заметен. В случае SN1987A три нейтринных обсерватории на Земле зарегистрировали огромное число этих частиц – 25! Это, конечно, ничтожные крохи от ста триллионов, которые проходят через каждого из нас в одну секунду. Но и величина энергии этих 25 избранников, и тот факт, что они пришли одновременно друг с другом и с другими наблюдениями SN1987A, выполненными методами обычной астрономии, убедительно свидетельствовали: источником этих нейтрино было ядро коллапсирующей звезды.

Нейтрино играют в недрах умирающей звезды двойную роль. Как мы уже говорили, они пришли на Землю ещё до того, как мы увидели вспышку SN1987A в наши телескопы – на целых три часа раньше! Именно после этого была создана Система раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS) – сеть нейтринных обсерваторий, предназначенная для регистрации самых первых сигналов о предстоящем взрыве сверхновой в нашей или в одной из окрестных галактик. Нейтрино приходят на Землю раньше, чем свет и другие частицы, – именно потому, что могут пройти сквозь сверхплотное железное ядро умирающей звезды. Свет и частицы вещества взаимодействуют с веществом ядра гораздо сильнее и поэтому тормозятся, вырываясь в межзвёздное пространство значительно позже. Однако, именно огромное количество нейтрино в конечном счёте и вызывает рвущуюся наружу взрывную ударную волну, так как лишь небольшая её часть необходима, чтобы разогреть выброшенное вещество звезды и межзвёздный газ.

При взрыве сверхновой образуется огромное число нейтрино. Для каждой индивидуальной частицы вероятность провзаимодействовать со звёздными атомами ничтожно мала; большинство частиц уходят в глубины Вселенной. Но количество нейтрино настолько невообразимо велико, что даже той их крохотной части, которая всё же сталкивается с атомами, оказывается достаточно, чтобы могучим толчком разорвать вещество звезды и расшвырять его во все стороны.

Когда этот грандиозный фейерверк заканчивается, от звезды, превратившейся в сверхновую, едва ли что-то остаётся. Как мы уже говорили, ядра самых массивных звёзд исчезают из виду, образуя чёрные дыры. Об этих экзотических объектах мы ещё поговорим.

Ядра менее массивных звёзд продолжают существовать. Во время взрыва они подвергаются чудовищному сжатию, вследствие которого масса, превышающая солнечную, оказывается стиснута в шар поперечником всего около 20 километров. Такие объекты состоят почти исключительно из очень плотно упакованных нейтронов. Бесхитростно называемые нейтронными звёздами, они относятся к экстремальным по своим параметрам объектам во Вселенной. На их поверхности силы гравитации достигают невероятных значений – в сотни миллиардов раз больше, чем гравитация на Земле. Мы пока совершенно не понимаем подробностей строения нейтронных звёзд; условия в их центральных областях могут быть настолько экстремальными, что даже нейтроны разрываются на части и образуют среду из свободно блуждающих кварков. Мы наблюдаем эти тела в виде разбросанных по Галактике пульсаров, подмигивающих нам регулярными частыми всплесками радиоволн. В конце концов, на временных интервалах, значительно превышающих нынешний возраст Вселенной, они остынут и погрузятся во тьму.

Но их тайна остаётся неразгаданной. В нейтронной звезде нет ядерного горения. В отличие от обычной звезды, её равновесие не поддерживается направленными наружу потоками энергии из звёздного ядра.

Что же тогда противодействует гравитации, не даёт ей победить и в конечном счёте стиснуть нейтронную звезду ещё сильнее, превратив её в чёрную дыру? Как вы, возможно, уже догадались, здесь в игру снова вступают кванты, но об этом речь пойдёт позже.