Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Конечно, нам удалось зарегистрировать буквально считаные нейтрино, образовавшиеся при взрывах сверхновых. Тем не менее такие нейтрино позволили выяснить некоторые важные аспекты того, как именно взрывается массивная звезда на закате своего существования. Астрофизики, участвовавшие в этих исследованиях, с удовлетворением обнаружили, что количество зарегистрированных ими нейтрино и энергии этих частиц согласуются с прогнозируемыми характеристиками взрыва, полученными в результате теоретических расчетов. Поскольку теория и наблюдения в данном случае превосходно соответствовали друг другу, исследователи заключили, что сверхновая отнюдь не теряет энергию в ходе какого-то таинственного процесса. В частности, удалось исключить спекуляции о том, что нейтрино сами испускают гипотетические экзотические частицы, так называемые «аксионы», либо просачиваются в загадочные иные измерения. Прибытие некоторых нейтрино с запаздыванием в несколько секунд относительно основной массы подтвердило, что им требуется некоторое время, чтобы вырваться из исключительно плотного сжатого ядра – как и предполагалось.

Эти измерения не только поведали ценную информацию, касающуюся динамики сверхновых звезд, но и помогли ученым лучше понять природу самих нейтрино. Поскольку нейтрино попали на Землю более чем за три часа до того, как взрыв сверхновой удалось сфотографировать и наблюдать в оптические телескопы, можно было сделать вывод, что скорость нейтрино очень близка к скорости света. Чем легче частица, тем быстрее она перемещается, поэтому ученые предположили, что масса нейтрино очень мала. Исходя из того, сколько времени нейтрино затратили на путь от сверхновой 1987А до Земли, ученые пришли к выводу, что, несмотря на подлинное изобилие нейтрино, вряд ли именно из них состоит таинственная темная материя, наполняющая всю Вселенную. Более того (как вы уже знаете из главы 1), когда в 2011 г. в СМИ развернулась шумиха о том, что нейтрино якобы летят быстрее скорости света, один из наиболее серьезных контраргументов был связан именно с наблюдениями этой сверхновой. Если бы скорость нейтрино действительно превышала скорость света (о чем изначально сообщили ученые из коллаборации OPERA), то нейтрино со сверхновой 1987А должны были опередить видимый свет на целые годы, а не на три часа.

Сверхновая 1987А подогрела интерес астрофизиков к тому, какие именно процессы протекают в недрах умирающих звезд. «Вообразите, как много нового мы бы узнали, если бы смогли отловить тысячи нейтрино от какой-нибудь сверхновой, которая взорвалась бы поблизости от Земли», – размышляет Алекс Фридленд. Такое экстраординарное явление позволило бы нам не только проследить всю череду событий, разворачивающихся при таком взрыве, но и точно узнать, что же останется после взрыва: черная дыра или нейтронная звезда. Специалисты по физике частиц также интересуются нейтрино, приходящими от сверхновых, поскольку возникает редчайшая возможность наблюдать, как ведут себя эти частицы в экстремальных условиях, которые невозможно смоделировать в лаборатории.

Как астрофизики, так и специалисты по физике частиц смогут достичь многих упомянутых целей, если коллапс звездного ядра, сопровождаемый взрывом сверхновой, произойдет в нашей Галактике. Однако в Млечном Пути таких взрывов не наблюдалось с 1604 г., когда звездочеты (а также немецкий математик Иоганн Кеплер) заметили «новую звезду» в созвездии Змееносец. В апогее взрыва сверхновая сияла настолько ярко, что была видна даже днем. Современные телескопы – оптические, рентгеновские и радиотелескопы – позволяют наблюдать остатки этой сверхновой, которые представляют собой оболочку из раскаленного газа. Всего за три десятилетия до того, как в 1604 г. Кеплер наблюдал сверхновую, европейцы видели еще один такой взрыв. Легендарный датский астроном Тихо Браге наблюдал другую сверхновую в 1572 г. в созвездии Кассиопеи, о чем писал так: «Я заметил, что новая и необычная звезда, превосходящая все остальные звезды по блеску, сияет почти прямо над моей головой. Я был настолько изумлен этим зрелищем, что мне даже не было стыдно усомниться в достоверности моих собственных глаз. Но когда я увидел, что другие, когда им указывалось на место, могли видеть, что там действительно есть звезда, у меня не было больше сомнений». На самом деле наблюдения сверхновой, тщательно выполненные Тихо в 1572 г., впервые позволили понять, что небеса не неизменны – несмотря на то, что Аристотель утверждал обратное, а в XVI в. аристотелевскую точку зрения еще разделяли многие европейские философы.

Исторические документы и петроглифы позволяют заключить, что за последние несколько тысячелетий можно было наблюдать невооруженным глазом еще несколько сверхновых. Пожалуй, древнейшее такое свидетельство найдено в Китае: это запись, вытравленная на кости около 1300 г. до н. э. В ней упоминается «Великая новая звезда», которая была видна в небе рядом с другой яркой звездой – Антаресом. В китайской хронике «История династии Поздняя Хань» говорится о «звезде-гостье», которая появилась в 185 г., а затем медленно угасала в течение нескольких месяцев. В 1006 г. о сияющей сверхновой сообщают европейские монахи и египетский астролог; вероятно, это было самое зрелищное из когда-либо зафиксированных астрономических явлений. Хронист из бенедиктинского монастыря в швейцарском кантоне Санкт-Галлен так описывал это событие: «Явилась новая звезда невиданного размера, которая все время мерцала и слепила глаза, вызывая панику… она была видна около трех месяцев у южного края неба, за пределами всех созвездий, какие есть в небесах». Ученый Али ибн-Ридван, находившийся в Каире, писал: «Это чудо явилось в зодиакальном созвездии Скорпиона, в противостоянии Солнцу… Небо заметно посветлело из-за света звезды. Сила ее света немного превосходила четверть силы лунного». Сверхновая 1054 г., из расплывшихся остатков которой образовалась знаменитая Крабовидная туманность в созвездии Тельца, упоминается в китайских, японских и арабских хрониках. Некоторые ученые полагают, что и индейцы анасази, жившие на юго-западе североамериканского континента также запечатлели ее на своих наскальных рисунках.

В 1930-е гг. астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что, поскольку сверхновые отлично видны на межгалактических расстояниях, они должны быть невероятно яркими. Бааде, родившийся в Германии, был щепетильным наблюдателем и вежливым любезным человеком. В Гамбурге он познакомился с Вольфгангом Паули, и они навсегда стали друзьями[31]. Паули и Бааде даже написали в соавторстве научную статью об изогнутых формах хвостов комет. Бааде перебрался в Калифорнию в 1931 г. и стал работать в обсерватории Маунт-Вилсон. В годы Второй мировой войны Бааде сохранил немецкое гражданство, поэтому находился под наблюдением спецслужб как потенциальный лазутчик. Он провел множество ночей за окуляром 2,5-метрового телескопа Хукер (на тот момент – крупнейшего в мире), делая снимки тусклых далеких галактик. Шла война, поэтому в расположенном неподалеку Лос-Анджелесе действовала светомаскировка, и заниматься астрономией было особенно удобно. Опираясь на работы Эдвина Хаббла, Бааде установил, что Вселенная гораздо обширнее, чем предполагалось ранее.

Цвикки, в отличие от своего коллеги, был человеком склочным и самоуверенным, любил называть своих врагов «сферическими ублюдками» («сферическими», объяснял он, так как они кажутся ублюдками, с какой стороны на них ни взгляни). Цвикки родился в Болгарии, но родители его были швейцарцами. Цвикки провел детство в Швейцарии у бабушки и дедушки, в Швейцарии же впоследствии познакомился с Вольфгангом Паули и Альбертом Эйнштейном. Защитив докторскую диссертацию в Цюрихе, он отправился в Калифорнийский технологический институт для повышения квалификации и остался в Калифорнии на должности профессора. Цвикки увлекался горнолыжным спортом и альпинизмом, ценил соревновательный дух как в спорте, так и в науке. Среди многообразных открытий Цвикки следует отметить такое: он установил, что бо́льшая часть массы в скоплениях галактик приходится на так называемую «темную материю». Он также предположил, что галактики, расположенные поблизости от нас, могут действовать как «гравитационные линзы», искривляя и усиливая свет других галактик, расположенных дальше, но находящихся на той же оптической оси. Несмотря на столь разные характеры, Бааде и Цвикки как-то смогли сработаться (хотя позже Бааде опасался, что Цвикки может учинить над ним физическую расправу).

В провидческой статье, опубликованной в 1934 г., Бааде и Цвикки писали: «Со всеми подобающими оговорками мы выдвигаем гипотезу, что сверхновая представляет собой переходную стадию от обычной звезды к нейтронной, состоящей главным образом из нейтронов. Такая звезда может обладать очень малым радиусом и чрезвычайно высокой плотностью». Их озарение кажется тем более примечательным, учитывая, что нейтрон был открыт всего двумя годами ранее. Затем Цвикки решил найти как можно больше сверхновых, вооружившись для этого телескопом с широким полем обзора. За всю жизнь Цвикки открыл более 120 сверхновых.