Долгожданный дуэт: космические нейтрино впервые отметились сразу на двух телескопах

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.

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.