Нейтрино — призрачная частица из глубин космоса

В середине 2018 года произошло знаковое для астрофизики событие. Было объявлено об обнаружении за пределами Солнечной системы источника «призрачных» частиц. Эта новость вызвала грандиозный ажиотаж в научном сообществе, и сегодня мы попытаемся понять, почему она была так важна, и о чём вообще идёт речь. «Призрачная частица» — это нейтрино, которое известно уже давно.

У него нет электрического заряда и почти нет массы. Именно из-за отсутствия заряда оно и получило своё название. Благодаря этим физическим характеристикам, нейтрино практически не взаимодействуют с объектами и явлениями окружающего мира, что чрезвычайно затрудняет его изучение.

Нейтрино и космические лучи

Пытаться его найти – это как искать чёрную кошку в чёрной комнате, да ещё и с завязанными глазами. Впервые существование нейтрино было постулировано в 30-х годах прошлого века, но учёным потребовалось ещё два десятилетия, чтобы засечь эти элементарные частицы на практике. Ирония заключается в том, что они повсюду. Они окружают нас со всех сторон. Каждую секунду сквозь наши тела проходят триллионы нейтрино.

Что же их порождает? Откуда, грубо говоря, они такие берутся? Подавляющее большинство производится Солнцем, однако есть и такие, источники которых находятся где-то в очень далёком космосе. Нейтрино тесно связаны с так называемыми «космическими лучами» — обладающими высокой энергией частицами, чей источник также долгое время оставался загадкой для учёных, и чьё взаимодействие с другими атомами может производить нейтрино.

В отличие от нейтрино, траектория движения которых сквозь Вселенную представляет собой идеально прямую линию, космические лучи на своём пути взаимодействуют с различными магнитными полями, коих в этой бездне, как понятно, огромное количество. Первые намёки на существование космических лучей были получены в 1909 году немецким учёным Теодором Вульфом. Он создал устройство для обнаружения заряженных частиц и обнаружил, что на вершине Эйфелевой башни они фиксируются чаще, чем у основания этого замечательного инженерного сооружения.

Три года спустя, в 1912 году, австро-американский физик Виктор Гесс поднялся в небо на воздушном шаре и, используя уже более совершенный электрометр, подтвердил, что уровень радиации там выше, чем у поверхности Земли. Этот эксперимент проводился во время солнечного затмения, благодаря чему удалось сделать вывод, что источником излучения должно быть не только Солнце.

IceCube

В течение многих десятилетий учёные строили догадки о том, что может испускать эти нейтрино и космические лучи. Но определить это удалось лишь после появления специализированного оборудования – а именно детекторов нейтринной обсерватории «IceCube», заработавшей в 2010 году в Антарктиде, на станции «Амундсен-Скотт». Они предназначены исключительно для того, чтобы обнаруживать и фиксировать параметры частиц-призраков. Датчики «IceCube» — это оптические сферы, которые называются также «цифровыми оптическими модулями». На специальных кабелях они опущены на глубину до 2450 метров под поверхность ледяного континента. Двое сотрудников непрерывно следят за мониторами, на которые выводятся их показания.

Один из немногих способов взаимодействия нейтрино с чем бы то ни было — это порождение вторичных заряженных частиц после прямых столкновений с атомами. И в 2017 году одно подобное событие было зафиксировано на антарктической станции. Оно тут же получило имя собственное «IceCube-170922а». Сразу после этого в восемнадцать других обсерваторий было отправлено оповещение с просьбой помочь определить место происхождения этой частицы.

TXS0506+056

Коллеги исследователей, работающие в том числе с телескопом «MAGIC» на Канарах и с гамма-телескопом «Fermi», находящимся в космосе, собрали данные о возможном источнике этого нейтрино и прошлись по всему электромагнитному спектру — от радиоволн до гамма-лучей. После обработки полученной информации удалось установить, что призрачную частицу изверг объект, числящийся в каталогах как TXS0506+056. Это блазар — один из самых ярких объектов во Вселенной. Поначалу эти небесные тела считались звездами, находящимися в нашей галактике, однако затем оказалось, что это центры других галактик, которые испускают мощнейшие потоки гамма-лучей и иррегулярное электромагнитное излучение.

Сегодня предполагается, что блазары питаются энергией от черных дыр, находящихся в их центре. Как, известно, последние образуются в конце жизненного цикла массивных звезд, когда они коллапсируют в сверхплотные объекты с всепоглощающей гравитацией. Аккреционный диск, опоясывающий их, генерирует огромное количество энергии. Благодаря этому блазары фактически являются гигантскими ускорителями частиц, выбрасывающими потоки излучения во Вселенную.

Отследив источник одного-единственного нейтрино «IceCube-170922а», ученые убили одним выстрелом двух зайцев. Они стали лучше понимать природу как «призрачных» частиц, так и космических лучей. Сегодня уже известно, что и те, и другие порождаются блазарами. Это гигантский шаг к пониманию того, как работает Вселенная. Нейтрино — один из объектов изучения так называемой «многоканальной астрономии». Это новое направление науки, которое интерпретирует четырех основных типа несолнечных энергий — нейтрино, электромагнитное излучение, космические лучи и гравитационные волны.

Вместе они могут многое рассказать нам о космосе. Уравнения, описывающие Вселенную, пока далеко не полны и не точны, но в них проглядывает всё больше смысла. Сегодня потрясающее время для астрофизики. Его можно сравнить, наверное, с эпохой Великих географических открытий. Только масштаб здесь, как понятно, иной — гораздо более крупный.