Сверхновые и нейтрино

Сверхновые – самые распространённые и мощные ядерные бомбы природы. А также это одни из самых полезных явлений для физики частиц и астрофизики.

В сверхновых, у которых коллапсирует ядро, огромное количество протонов через поглощение электронов превращается в нейтроны, с последующим выходом наружу нейтрино. Осуществление этого процесса – одна из важнейших ролей слабого ядерного взаимодействия в природе. Каким-то образом – учёные пока работают над этим вопросом – результирующие ударные волны (возможно, им помогает неизвестная пока нам сила?) разрывают звезду на части.

Одним из наиболее захватывающих событий, произошедших в истории астрономии, был взрыв гигантской голубой звезды в крупнейшей из наших спутниковых галактик, Большом Магеллановом Облаке, произошедший в 1987 году. Это яркое пятно легко увидеть к югу от экватора. Астрономы, смотревшие на небо невооружённым глазом в феврале 1987 года, увидели в Облаке звезду, которой там не должно было быть. Это простое наблюдение породило величайшую волну астрономической активности, прокатившуюся по южной половине Земли, поскольку каждый астроном, у которого были такие возможности, спешил воспользоваться таким случаем, возникающим раз в жизни.

Сверхновая сияет так ярко, что её свет на время способен превзойти свечение всей содержащей её галактики. Однако же лишь малая часть её энергии излучается в виде света, или в виде других форм энергии, которые в итоге превращаются в свет. Большая часть энергии сверхновой устремляется вовне в невидимой форме упомянутых выше нейтрино.

Вот несколько потрясающих цифр, взятых с обучающего сайта Стивена Майерса, работающего астрономом в Национальной радиоастрономической обсерватории Сокорро (Нью-Мексико).

Почти вся энергия сверхновой 1987 года преобразовалась в легковесные слабо взаимодействующие нейтрино. В результате коллапса ядра было создано 10⁵⁸ нейтрино. 24 февраля 1987 года порядка 10¹³ нейтрино с этой сверхновой прошли через ваше тело! Тела порядка миллиона человек на Земле провзаимодействовали с этими нейтрино, хотя, конечно, без каких-либо последствий.

Да, именно так – сквозь ваше тело прошло 10 триллионов нейтрино, получившихся в результате взрыва звезды, расположенной в 160 000 световых годах – в несколько раз дальше, чем центр Млечного пути. Какая всё-таки удивительная у нас Вселенная.

Тысячи триллионов нейтрино прошли через несколько детекторов нейтрино, и из них всего лишь пара десятков прореагировала с чем-либо. Эти столкновения были зарегистрированы в течение 13 секунд. В этот момент никто особенно внимательно не присматривался к этому событию, но после того, как сверхновую заметили, экспериментаторы вернулись к данным и обнаружили в данных этот шквал нейтрино. Он случился примерно за 20 часов до первого наблюдения неожиданной звезды в Большом Магеллановом Облаке. Это открытие стало рождением нейтринной астрономии, которая сегодня является активной областью исследований.

Изучение старых фотографий привело к обнаружению одной из них, на которой виден свет сверхновой, зафиксированный всего через 3 часа после прибытия нейтрино на Землю. Поскольку ударная волна сверхновой должна была пробраться изнутри взрывающейся звезды наружу перед тем, как осколки могли бы начать сиять, а нейтрино, порождённые взрывом, могли мгновенно пробраться сквозь слои звезды, то задержки между прибытием нейтрино и прибытием света стоило ожидать.

Эта история чудесна и интересна, но почему я заговорил о ней? Тому есть две причины.

Во-первых, недавно [оригинал статьи датирован 2011 годом – прим. перев.] мы обнаружили относительно близко расположенную сверхновую, что очень интересовало астрономов. Но пресса показала отсутствие понимания масштабов.

• Множество заголовков писало про «Ярчайшую сверхновую за 40 лет«, «Самую молодую и ближайшую сверхновую за десятилетия«. Не думаю, что для подсчёта времени, прошедшего со сверхновой 1987 года вам нужна учёная степень по физике.
• Эта сверхновая расположена в 20 млн световых лет – более, чем в 100 раз дальше, чем сверхновая 1987 года.
• Эту сверхновую могут увидеть любители, но только в очень хороший телескоп или в очень хороший бинокль тёмной ночью – невооружённого глаза будет недостаточно. Сверхновая 1987 года была достаточно яркой для того, чтобы разглядеть её невооружённым взглядом.

Отчего получились такие несоответствия? Сверхновые бывают разных типов. В 1987 мы видели сверхновую типа II, у которой ядро звезды коллапсирует, и протоны, как описано выше, превращаются в нейтроны, с вылетом нейтрино. А недавняя сверхновая относится к типу Ia, который взрывается другим, не до конца понятным пока, образом. Сверхновые Ia крайне важны для астрономии – они показывают высокую регулярность, которую можно использовать для измерения расстояния до них с Земли. Этот факт сыграл центральную роль в открытии того, что космологическая константа Вселенной, которую иногда называют «тёмной энергией», не равна нулю. Поэтому астрономы очень рады возможности исследовать сверхновую типа Ia во всех деталях и при помощи современного оборудования – особенно такую, которую открыли вскоре после взрыва.

В общем, то самая яркая и ближайшая и наиболее полезная для науки сверхновая типа Ia за несколько десятилетий (мы не считаем сверхновую 1986 года, которую было сложно увидеть и изучить) – хотя она вовсе не такая яркая или близкая, какой была сверхновая 1987 года типа II.

Во-вторых, в блогосфере ходили слухи о нейтрино, передвигавшихся быстрее скорости света [позднее их опровергли, обнаружив ошибку эксперимента – прим. перев.]. Луч высокоэнергетических нейтрино из лаборатории ЦЕРН якобы прибыл в итальянскую лабораторию в Гран-Сассо раньше, чем ожидалось – это наблюдали в эксперименте OPERA,

Но к таким заявлениям стоит относиться со здоровой долей скептицизма. В частности, это следует из наблюдений за сверхновой 1987 года.

Как я уже говорил, все нейтрино от сверхновой 1987 года прибыли на Землю в промежутке 13 секунд, а затем за ними почти через три часа пришёл и свет от сверхновой. Эта задержка оказалась примерно равной ожидаемой. Такие совпадения явно свидетельствуют в пользу того, что нейтрино передвигались ни сильно медленнее, ни быстрее света – они двигались примерно с одной скоростью. Задумайтесь: эти нейтрино летели 168 000 лет, порядка 5 трлн секунд, и прибыли на Землю с разбросом не более 13 секунд друг от друга, и на 3 часа (10 000 секунд) раньше света. Если бы нейтрино двигались на одну миллионную часть быстрее света, они прибыли бы за многие месяцы до света. Если на одну миллионную долю медленнее – они бы прибыли через несколько месяцев после света. А если бы по скорости нейтрино отличались друг от друга на одну миллиардную, то они прибыли бы с разбросом не в 13 секунд, а в часы.

Короче, эти данные свидетельствуют о том, что нейтрино перемещались со скоростью света с чрезвычайно высокой точностью – до нескольких частей на миллиард.

Чтобы измерить эффект разницы в несколько частей на миллиард на скорости нейтрино, перемещавшихся из ЦЕРН в Гран-Сассо – на расстояние в 730 км, которое свет может пройти за 1/400 секунды, потребовалось бы измерять время путешествия нейтрино с точностью в доли наносекунды (одной миллиардной доли секунды). Очень сложно измерить время точнее наносекунды; координация часов, расположенных в 730 км друг от друга, сама по себе была бы достижением. В физических экспериментах измерение пикосекунд (одной триллионной доли секунды) проводится очень редко – типичный промежуток для экспериментов на БАК составляет 100 пикосекунд или более.