• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
07.01.2022
Анатолий Глянцев
4
30 757

Долгожданный дуэт: космические нейтрино впервые отметились сразу на двух телескопах

7.1

Под занавес 2021 года произошло радостное событие: Байкальский нейтринный телескоп и детектор IceCube в Антарктиде одновременно зарегистрировали нейтрино, пришедшие от одной и той же черной дыры. Это первый случай, когда космические нейтрино высоких энергий от одного источника регистрируют сразу два телескопа.

Фотодетектор, защищённый от давления воды прозрачным шаром./(c) Baikal-GVD.

По такому случаю Naked Science расскажет вам, откуда берутся космические нейтрино, как астрономы их ловят и почему это вообще важно для исследования Вселенной.

Жизнь под ливнем

Даже самый одинокий человек в мире никогда не бывает один. Его всегда окружает толпа нейтрино — чрезвычайно легких частиц, не имеющих электрического заряда. По расчетам теоретиков, каждый кубический сантиметр пространства заполнен сотнями реликтовых нейтрино, образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Во Вселенной их на несколько порядков больше, чем протонов или электронов. А ведь источников этих частиц хватает и в современном космосе.

Нейтрино рождаются при взрывах сверхновых, в столкновениях космических лучей с межзвездным газом и земной атмосферой, в окрестностях сверхмассивных черных дыр и, конечно, в звездах. Каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно пронзают десятки миллиардов нейтрино, рожденных термоядерными реакциями в центре Солнца. И не надейтесь отдохнуть от нейтринного ливня ночью, когда светило сияет над другим полушарием: нейтрино проходят сквозь толщу нашей планеты легче, чем горячий нож сквозь масло. Кстати, распад урана и тория в недрах Земли тоже порождает поток вездесущих частиц.

К счастью, нейтрино нельзя вооружить. Эти частицы не ранят человека, они его игнорируют (в каком-то смысле это больнее, признайтесь). Дело в том, что нейтрино просто пролетают мимо атомных ядер и электронов, почти никогда не сталкиваясь с ними. Поэтому-то от них не только невозможно, но и незачем укрываться. Но по той же причине эти «необщительные» частицы крайне трудно зарегистрировать.

Между тем астрономам ну очень нужно ловить космические нейтрино. Именно способность пронзать огромные толщи вещества, оставаясь неизменными, делает этих невидимок бесценным источником информации. Например, фотон, выбирающийся из центра Солнца к его поверхности, бессчетное множество раз поглощается веществом и снова переизлучается. В итоге на это путешествие у него уходит порядка 100 тысяч лет (что вы знаете о трудностях эмиграции!), он испытывает на себе влияние всех слоев звезды и из гамма-кванта превращается в частицу видимого света. А вот рожденные в тех же реакциях нейтрино пронзают толщу Солнца, словно пустоту, и приносят непосредственную информацию о том, что происходит в термоядерной топке светила.

Так, в 2018 году благодаря нейтринному телескопу Borexino ученые «разобрали по косточкам» pp-цикл — главную цепочку термоядерных реакций в недрах Солнца. Исследователи измерили поток нейтрино для каждой из пяти нейтринообразующих реакций по отдельности и убедились, что он совпадает с предсказаниями теории. А в 2020-м наблюдатели выделили из потока солнечных нейтрино частицы, образующиеся в побочном для Солнца CNO-цикле.

Кстати, способность нейтрино проносить информацию сквозь любые преграды интересует не только астрономов. Благодаря этим неудержимым частицам одни специалисты измеряют количество радиоактивных элементов в мантии Земли, а другие собираются контролировать, не нарабатывается ли в каком-нибудь реакторе оружейный плутоний.  

Погоня за неуловимым

Как же физики ловят частицы, почти никогда не взаимодействующие с атомами? Дело в том, что «почти никогда» не означает «совсем никогда». Иногда нейтрино все-таки врезается в нейтрон атомного ядра, и тогда тот превращается в протон. Из-за этого ядро превращается в ядро другого химического элемента (следующего в таблице Менделеева). Первые нейтринные телескопы отлавливали именно такие трансмутации. Сейчас в мире осталась только одна действующая установка такого рода — Галлий-германиевый нейтринный телескоп в Баксанской нейтринной обсерватории (Кабардино-Балкария). Баксанский приемник нейтрино содержит 50 тонн жидкого галлия. Каждый день примерно один атом нерадиоактивного галлия-71 превращается в нем в атом радиоактивного германия-71 из-за того, что в нейтрон ядра попало нейтрино и превратило его в протон.

Выловить 30 радиоактивных атомов, появившихся за месяц в 50 тоннах вещества, — то еще развлечение, учитывая, что в одном стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. Конечно, терпение и труд и атомы соберут, но уж точно не в реальном времени. О любой космической вспышке, породившей поток нейтрино, можно узнать лишь постфактум. Значит, такой телескоп невозможно встроить в сеть быстрого реагирования, когда один инструмент, обнаруживший нечто интересное, автоматически оповещает «коллег», что неплохо бы навестить эту же область неба.

В связи с этим уже в 1970-х начались разговоры о нейтринных телескопах, работающих в реальном времени. Вот как они действуют: когда нейтрон под ударом нейтрино превращается в положительно заряженный протон, по закону сохранения заряда обязана родиться отрицательно заряженная частица. Она и рождается, раз обязана. Эта частица — мюон. Мюон, в свою очередь, врезается в другое атомное ядро, и происходит реакция, в которой рождается новая частица, и так далее. В результате одно энергичное нейтрино, пришедшее из глубин Вселенной, порождает целый поток заряженных частиц.

Дальше начинается самое интересное. Если заряженная частица движется сквозь прозрачную среду быстрее, чем в той же среде распространяется свет, она испускает фотоны. Это называется эффектом Вавилова — Черенкова. Да-да, не удивляйтесь: только в вакууме свет движется с предельной из возможных в природе скоростей. В любой другой среде (будь то воздух, вода или стекло) он распространяется медленнее, и достаточно энергичная частица может его обогнать — и сама, благодаря эффекту Вавилова — Черенкова, стать источником света. Мюоны, рождающиеся в атомных ядрах под ударами нейтрино, достаточно быстры, чтобы обогнать свет в толще воды или льда (но не воздуха). Свет, рожденный этими частицами, и сигнализирует о том, что зарегистрирован космический гость — нейтрино.

Первая в мире регистрация космических нейтрино таким способом произошла в 1994 году на российском телескопе НТ-200. Он представлял собой несколько гроздей фотодетекторов, подвешенных на тросах в прозрачной воде Байкала.

Нынешний Байкальский нейтринный телескоп, он же Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector) —наследник НТ-200. Это, как сказал бы известный киногерой, та же ласточка, только совсем в другом масштабе. Сегодня он состоит из восьми кластеров (первый запустили в 2016 году). Каждый кластер содержит восемь вертикальных гирлянд по 36 фотодетекторов. Таким образом, во всем телескопе 8 × 8 × 36 = 2304 детектора (у НТ-200 их было всего 200). Это крупнейший нейтринный телескоп на Земле после IceCube.

Кстати, о последнем. IceCube работает по тому же принципу, но использует не воду, а антарктический лед. Строительство инструмента началось в 2005-м и закончилось в 2010 году. Телескоп имеет более пяти тысяч фотодетекторов, охватывающих целый кубический километр льда. Впрочем, астрономам важен не номинальный объем установки, а эффективный: он всегда меньше номинального, а конкретное значение зависит как от конструкции телескопа, так и от того, нейтрино с какой энергией предполагается ловить.

И IceCube, и Baikal-GVD нацелены в первую очередь на энергичные нейтрино (десятки и сотни тераэлектронвольт), порождающие целые ливни вторичных частиц. Как пояснил Naked Science руководитель проекта Baikal-GVD член-корреспондент РАН Григорий Домогацкий, эффективный объем IceCube и Baikal-GVD для этой задачи один и тот же: 0,4 кубического километра. В то же время есть другие интересные задачи, для которых байкальский телескоп уступает антарктическому по эффективному объему.

Впрочем, байкальский инструмент планируют достраивать. Если все пойдет по плану, к концу 2020-х его эффективный (не номинальный!) объем составит один кубический километр.

Завершая разговор о методах регистрации нейтрино, заметим, что есть и другие способы поймать капризную частицу. Так, упомянутый выше Borexino регистрирует столкновение нейтрино не с атомными ядрами, а с электронами (так называемое рассеяние нейтрино на электронах). В результате подобных столкновений электроны ни во что не превращаются, но получают дополнительную энергию. Правда, Borexino предназначен для изучения нейтрино низкой энергии, прежде всего солнечных.

Вместе веселее

Восьмого декабря 2021 года байкальский телескоп зафиксировал частицу с энергией 43 тераэлектронвольта. Да, всего одну. Даже тысячи фотодетекторов, распределенные по сотням миллионов кубометров воды или льда, обеспечивают регистрацию лишь нескольких высокоэнергетических нейтрино в год. Не так-то просто ловить неуловимое.

За несколько часов до этого IceCube зафиксировал другую частицу с энергией 172 тераэлектронвольта. Оба нейтрино пришли из области неба, где расположен один из самых ярких блазаров (чуть ниже мы расскажем, что это такое). И надо же такому случиться, что именно в этот момент блазар испытал самую яркую вспышку света и гамма-излучения за всю историю наблюдений за ним. Вспышку заметили также в рентгеновских лучах и радиоволнах. «Совпадение? — могли бы спросить ученые. — Не думаем!» Конечно, нет стопроцентной уверенности, что оба нейтрино пришли именно от этого небесного тела: нейтринные телескопы определяют направление на источник не слишком точно. Но вероятность весьма высока.

Этот результат стал еще одним важным свидетельством, что нейтрино высоких и сверхвысоких энергий приходят от активных ядер галактик, в том числе квазаров и блазаров. И впервые такие доказательства были получены на двух установках одновременно (раньше подобными новостями нас радовал только IceCube). Наблюдение на двух инструментах повышает вероятность того, что нейтрино не «привиделось» телескопу (мы же понимаем, что полезный сигнал любого научного прибора приходится выделять из шумов, и иногда шумы могут складываться в ложный сигнал). К тому же наблюдение с двух точек позволяет точнее определить координаты источника.

Вероятно, два телескопа еще не раз споют дуэтом. А когда в Средиземном море достроят инструмент KM3NeT с тем же принципом действия, дуэт превратится в трио.

Художественное изображение блазара. /(с) NASA/JPL-Caltech/GSFC.

Привет от черных дыр

В 2018 году ученые отождествили источник энергичных нейтрино с блазаром TXS 0506+056. А через два года российские астрономы установили, что почти половина всех нейтрино сверхвысоких энергий (от 200 тераэлектронвольт), принятых обсерваторией IceCube за десять лет, пришла от самых радиоярких галактических ядер.

Активное ядро галактики — черная дыра массой от миллионов до десятков миллиардов солнц, окруженная диском постепенно падающего на нее вещества. Этот диск вращается с огромной скоростью (вблизи горизонта событий — «поверхности» черной дыры — она сравнима со световой). Трение между слоями диска разогревает материю до сотен миллионов градусов.

Каждая порция газа и пыли, прежде чем упасть на черную дыру, выделяет энергию порядка 10 процентов от mc2 — полного запаса энергии, заключенного в веществе. Это в десятки раз больше, чем при термоядерном синтезе, питающем звезды. Неудивительно, что самые активные из галактических ядер (квазары) — мощнейшие во Вселенной источники излучения. Именно такой аттракцион невиданной щедрости нужен, чтобы придать даже легчайшим нейтрино энергию, которая и не снилась куда более тяжелым протонам на Большом адронном коллайдере.

Осталось рассказать, что такое блазар. Некоторые квазары выбрасывают в окружающее пространство струи вещества, разогнанного до околосветовой скорости — джеты. Блазар — квазар, расположенный так, что его джеты направлены на Землю. Этот необычный ракурс открывает наблюдателям много интересного. Но вот испускают ли блазары нейтрино высоких энергий чаще, чем другие квазары, — вопрос дискуссионный.

У астрономов есть еще множество вопросов к энергичным и неуловимым посланникам космоса. Какие именно процессы в окрестностях черной дыры порождают нейтрино? Как далеко от ее «поверхности» они протекают? Есть ли во Вселенной другие источники нейтрино высоких и сверхвысоких энергий, кроме активных галактических ядер? Возможно, байкальский и антарктический телескопы помогут ученым найти ответы уже в ближайшие годы.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 11:02
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

12 часов назад
Полина

Распространено мнение, что, чтобы справиться с гневом, необходимо дать волю негативным эмоциям. Исследователи из США доказали, что такой метод не позволяет снизить уровень агрессии.

Вчера, 13:48
Университет «Дубна»

В поле внимания ученых университета «Дубны» оказался Z-бозон — фундаментальная частица слабого взаимодействия. Они провели анализ различных вращательно инвариантных величин с помощью экспериментальных данных по рассеянию мезонов на фиксированной мишени из вольфрама. Результат анализа — их хорошая согласованность с теоретическими предсказаниями: качественно показано, что инварианты не изменяются при вращении системы отсчета, в которой рассеиваются частицы. Это значит, что такие инварианты можно с высокой точностью применять в будущих научных исследованиях, связанных с поиском новых частиц и проверкой теоретических моделей.

Позавчера, 08:39
Михаил Орлов

Глобальные изменения климата сказываются как на природе, так и на населении Земли. Среди последствий потепления — волны жары и увеличение числа жарких дней, которые напрямую влияют на здоровье людей и повседневную жизнь. Российские ученые из Высшей школы экономики и Института географии РАН спрогнозировали, как летний зной будет влиять на жителей России в ближайшие десятилетия. Они назвали регионы РФ, которые могут пострадать от жары сильнее всего, и выявили ведущие факторы таких изменений.

Вчера, 11:02
Игорь Байдов

Грузовой самолет будут использовать для перевозки 90-метровых лопастей ветряных турбин, которые невозможно доставить по суше из-за размеров. Предполагается, что этот аппарат произведет революцию в сфере возобновляемых источников энергии.

15 марта
Юлия Трепалина

Рассмотрев опыт ферм по выращиванию крупных питонов в Азии, ученые пришли к выводу, что это один из эффективных, но в то же время наименее вредных для экологии видов животноводства. По мнению исследователей, людям стоит всерьез задуматься о его внедрении в массовых масштабах.

11 марта
Игорь Байдов

Американская компания Stratolaunch сообщила об успешном завершении летных испытаний прототипа гиперзвукового аппарата Talon-A, оснащенного ракетным двигателем. Во время беспилотного полета планер развил сверхзвуковую скорость.

13 марта
Алиса Гаджиева

Древние переселенцы из Анатолии не только устроили геноцид в Скандинавии, но и одарили выживших новыми болезнями.

20 февраля
Полина

В Российской академии наук завершили первый Большой словарь ударений, его издадут к концу года. Лингвисты собрали наиболее современные нормы произношения привычных слов и зафиксировали ударение для лексики, которая появилась в русском языке недавно.

[miniorange_social_login]

Комментарии

4 Комментария

Anton Kalanov
09.01.2022
-
0
+
Великолепная статья, наконец соединились все точки и стало многое понятно - спасибо большое, Анатолий! (пишите больше :) Хотелось бы ещё понять, почему блазары выбрасывают в окружающее пространство струи вещества. Я думал, черные дыры только поглощают материю, ну и немного испускают излучение Хокинга
    Анатолий
    18.01.2022
    -
    0
    +
    Спасибо на добром слове. Джеты выбрасываются не из самой черной дыры, а из кружащегося вокруг нее диска вещества (аккреционного диска). Из него еще можно улететь, если получить достаточную энергию, он же не под горизонтом событий. Энергии в аккреционном диске хватает: огромные температуры, огромные скорости вращения, огромные электромагнитные поля (там же с атомов срывает электроны и они превращаются в электрически заряженную плазму). В том числе эта энергия тратится и на истечение струй вещества (джетов). Как они образуются, ещё не вполне ясно, хотя модели есть.
    +
      ещё комментарии
Nikolaj Skomorochov
07.01.2022
-
0
+
невероятно интересная статься, спасибо
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: