Нейтринная астрономия

2
103
views

Черная материя…Обсерватория мало походила па обычную. Не было ни традиционных башен с вращающимися куполами, ни телескопов, ни даже причудливых антенн радиотелеско­пов, улавливающих далекие радиоголоса Вселенной. Вместо всего этого в стороне от главного здания выси­лось какое-то огромное сооружение, отдаленно напоми­нающее гигантскую бетономешалку. Массивные колон­ны поддерживали огромный металлический резервуар с раструбом, обращенным в землю. Резервуар плавно вра­щался, и его тень в лучах полной Луны медленно полз­ла по бетонированной площадке.

Мы подошли к пульту управления инструментом. Здесь не было ни окуляров, как у обычных телескопов, ни телеэкрана. Вместо этого зеленый луч чертил на эк­ране осциллографа замысловатую кривую, да ритмич­но вспыхивали неоновые лампочки.

— Это и есть наш новый телескоп, — сказал один из сотрудников обсерватории, — сейчас мы ведем наблю­дение за Солнцем.

И он показал пальцем куда-то в Землю, туда, куда был направлен раструб телескопа.

Не правда ли, странно? Наблюдать за Солнцем в ночное время, да еще сквозь толщу земного шара…

Пока что подобных обсерваторий не существует, по вполне вероятно, что они появятся в самом недалеком будущем. Рождается еще один новый метод изучения Вселенной — нейтринная астрономия.

Расшифровка информации, содержащейся в косми­ческих электромагнитных волнах: световых, радио, уль­трафиолетовых, рентгеновских, гамма-лучах — как мы уже знаем, позволяет решать ряд важных задач изуче­ния Вселенной.

Но подобные методы страдают существенным недо­статком. Они не дают возможности заглянуть внутрь звезд и выяснить характер происходящих там процес­сов. Дело в том, что электромагнитные излучения, ко­торые рождаются в недрах звезды, не могут «пробить­ся» сквозь толщу ее вещества к поверхности и до нас не доходят. В связи с этим астрономы вынуждены до­вольствоваться лишь чисто теоретическими способами изучения источников могучей звездной энергии.

Что происходит в центральной части звезды? В ка­ком состоянии находится ее вещество? Какие именно ядерные реакции протекают в ее глубинах? На все эти вопросы до сих пор нет однозначного ответа.

И только в самые последние годы благодаря успе­хам современной ядерной физики наметился новый, весьма перспективный путь проникновения в тайны внутреннего строения звезд.

Он связан с открытием и изучением особой ядерной частицы — нейтрино. История ядерной физики знает немало примеров блестящих теоретических предвидений. Так, например, в конце 20-х годов нашего столетия зна­менитый английский физик Поль Дирак разработал тео­рию движения электронов в атомах, быстро завоевав­шую всеобщее признание. Эта теория, между прочим, утверждала, что элементарные частицы материи могут отличаться друг от друга не только массой, но также своими электрическими и магнитными свойствами. В ча­стности, она предсказывала, что в природе наряду с электронами должны существовать «антиэлектроны», т. е. частицы с массой электрона, но обладающие положи­тельным зарядом. Прошло всего четыре года, и при изучении космических лучей был обнаружен позитрон — частица, в точности совпадающая с антиэлектроном Ди­рака. В настоящее время физикам известны также ан­тинейтроны, антипротоны и многие другие античастицы.

Станция для улавливания нейтрино в толще льда

В 1931 г. была теоретически открыта еще одна эле­ментарная частица. Изучая процессы так называемого радиоактивного бета-распада, физики выяснили, что нейтрон может самопроизвольно распадаться на протон и электрон. Однако при этом обнаружилось явное несо­ответствие с законом сохранения энергии. Измерение энергии вылетающего электрона каждый раз давало новые результаты, а в ряде случаев общей энергии про­дуктов реакции явно недоставало по сравнению с теоретическими подсчетами.

Куда же может исчезать энергия?

Ответ на этот вопрос дал известный швейцарский физик Вольфганг Паули. Закон сохранения энергии, — рассуждал ученый, — не может не выполняться. Значит, недостающая энергия только кажется нам исчезнувшей. В действительности ее уносит с собой какой-то мате­риальный носитель — неизвестная нам частица. Но эта частица неуловима, ее никак не удается обнаружить. Сле­довательно, она чрезвычайно мала, обладает ничтож­ной массой и не должна иметь электрического заряда. В связи с этим знаменитый итальянский физик Энрико Ферми предложил называть новую частицу «нейтрино», что на итальянском языке одновременно означает и «ма­ленький» и «нейтральный».

Если нейтрино действительно реальная частица, то в природе должна существовать и соответствующая ему античастица — антинейтрино. Однако «поймать» новые частицы долгое время не удавалось. Чтобы обнаружить нейтрино, надо было заставить его вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами и зафикси­ровать полученный эффект. Но благодаря своим свой­ствам нейтрино может совершенно беспрепятственно проходить сквозь гигантские толщи вещества. Как го­ворят физики, длина свободного пробега этой частицы, т. е. среднее расстояние, которое она способна пройти в веществе, не испытывая соударений с другими части­цами, исчисляется миллионами миллиардов километров.

Это означает, что нейтрино, вылетевшее по направ­лению к Земле, например с Полярной звезды, находя­щейся от нас на расстоянии около 600 световых лет, легко преодолело бы это расстояние даже в том случае, если бы все пространство между Полярной звездой и Землей было сплошь заполнено чугуном. Более того, совершив такой «подвиг», нейтрино могло бы, продол­жая свое движение, преодолеть еще несколько подоб­ных препятствий.

Представим себе на минуту фантастический живой организм, состоящий из одних только нейтрино. Взаи­модействие такого «нейтринного существа» с обычным веществом было бы чрезвычайно слабым. Оно проникало бы с необычайной легкостью сквозь закрытые двери и толстые стены.

Недавно один американский физик подсчитал, что для заметного поглощения нейтрино веществом необхо­димо, чтобы его плотность достигала чудовищной вели­чины: 1012—1015 граммов в одном кубическом сантимет­ре. Это значит, что даже такие сверхплотные звезды, как белые карлики (плотность которых составляет око­ло 108 граммов в кубическом сантиметре), являются «прозрачными» для нейтрино.

Как же все-таки уловить нейтрино? Для этого, пре­жде всего, очевидно, необходим мощный источник таких частиц, который создавал бы интенсивный нейтринный поток. Подобные источники в распоряжении современ­ных физиков имеются. Это ядерные реакторы определен­ных типов, во время работы которых создается сильное антинейтринное излучение: до 10 млрд. частиц за каж­дую миллиардную долю секунды. Поток этот направ­ляют на вещество, содержащее ядра атомов водорода — протоны. Взаимодействуя с ними, антинейтрино вызы­вают ядерную реакцию — протоны превращаются в ней­троны. Случается это не часто. В целой тонне водородо-содержащего вещества в течение часа происходит всего около 100 превращений. Но и этого уже достаточно, чтобы современная экспериментальная техника могла зарегистрировать соответствующий эффект. Именно та­ким путем и удалось, наконец, изловить неуловимое ней­трино.

Не может ли нейтринное излучение послужить но­вым «вестником далеких миров»? Эту многообещающую идею, дающую начало новой области знания — нейтрин­ной астрономии, высказали несколько лет назад венгер­ские физики Георг Маркс и Нора Менихард.

И в самом деле, новые частицы обладают всеми не­обходимыми для этого качествами. Колоссальная про­никающая способность нейтрино позволяет им пронизы­вать толщи звездных тел, словно пустое пространство, а длина их свободного пробега в космосе в миллиарды миллиардов раз превышает радиус доступной совре­менным методам исследования области Вселенной.

В то же время нейтрино являются непосредственны­ми «участниками» ядерных превращений, протекающих в недрах звезд. Они могут сообщить нам множество ценнейших сведений об этих процессах. Уже сейчас из­вестно, например, что различным типам ядерных реак­ций соответствует испускание нейтрино и антинейтрино различных энергий. И если бы удалось, например, изу­чить нейтринный поток, идущий к нам от Солнца, мы, возможно, узнали бы, наконец, какой именно тип тер­моядерной реакции преобладает в его недрах. Некото­рые ученые полагают, что «нейтринное солнце», т. е. внутреннее ядро нашего дневного светила, которое ис­пускает нейтрино, в сто раз меньше видимого Солнца,

С теоретической точки зрения колоссальные позна­вательные возможности нейтринной астрофизики не вы­зывают сомнений. Но каким образом регистрировать и исследовать нейтринные потоки, приходящие к нам из космоса? Ведь тот метод обнаружения нейтринного из­лучения, о котором мы говорили, позволяет фиксиро­вать его только в тех случаях, когда на каждый квад­ратный сантиметр поверхности ежесекундно падает не менее миллиарда миллиардов частиц. Между тем рас­четы показывают, что нейтринный поток, идущий от Солнца, примерно в тысячу раз меньше, а общий фон нейтринной радиации еще ниже. Все же и эта задача разрешима.

Когда вы приходите в поликлинику, чтобы сделать рентгеновский снимок, вас подводят к аппарату, уста­навливают фотопленку, что-то включают и выключают. Вы ничего не чувствуете, потому что рентгеновские лучи невидимы и неощутимы. Но, действуя на чувствитель­ную фотоэмульсию, они заставили ее почернеть в опре­деленных местах. Получился снимок.

Улавливатель нейтрино

Нейтрино тоже нельзя наблюдать непосредственно. Но и эти частицы можно обнаружить косвенным путем. Надо только заставить их вступить в какое-либо взаи­модействие с другими частицами и зарегистрировать ре­зультат.

На помощь астрофизикам должна прийти ядерная реакция с участием «неуловимых» частиц. При взаимо­действии нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, последнее превращается в ядро изотопа аргона и, кро­ме того, образуется один электрон. В отличие от нейт­рино, эти частицы можно регистрировать обычными ме­тодами. В то же время можно через определенные про­межутки времени определять радиоактивным методом количество образовавшегося аргона.

В качестве «объектива» нейтринного телескопа мо­жет быть использован резервуар, содержащий несколь­ко десятков тонн четыреххлористого углерода. Фанта­стическое описание такого инструмента и было приве­дено в начале главы. Подобное устройство позволило бы регистрировать нейтринные потоки интенсивностью до 10 млрд. частиц на квадратный сантиметр в секунду. Такая чувствительность тоже еще не вполне достаточна, но имеются возможности чисто технических усовершен­ствований, способных значительно ее увеличить.

Вторая трудность, с которой придется встретиться нейтринной астрономии, — это помехи со стороны других космических излучений. Однако от этих помех можно избавиться весьма оригинальным способом. В отличие от обычных оптических и радионаблюдений, изучение нейтринных потоков Солнца будет, очевидно, произво­диться не в дневное время, а ночью, когда наше дневное светило погружается под горизонт. При этом нейтрин­ный телескоп должен смотреть не в небо, а… в землю. Таким образом, наблюдения будут осуществляться сквозь всю толщу планеты. Поглощая все другие излу­чения, кроме нейтринного, Земля послужит отличным фильтром.

Есть все основания ожидать, что уже в сравнитель­но недалеком будущем «нейтринные наблюдения» Солн­ца станут реальностью. Дальнейшее увеличение чувст­вительности приемных устройств позволит приступить к исследованию нейтринного излучения космического про­странства и отдельных галактик.

В последние годы в связи с открытием античастиц много говорится о возможности существования косми­ческих миров, целиком построенных из антиматерии. Но есть ли такие миры в действительности?

Ответить на этот вопрос необычайно трудно. Дело в том, что внешне звезда или даже галактика, целиком состоящая из антивещества, ничем не отличалась бы от обычной. Ее «антиприрода» обнаружилась бы только в случае столкновения с обычной звездой, но подобные столкновения практически невозможны, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, во много раз превышающими их собственные размеры. Примерно то же самое можно сказать и относительно галактик.

Единственный реальный путь, позволяющий полу­чить ответ на поставленный вопрос, указывает нейтрин­ная астрономия. При ядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца и других обычных звезд, излучаются потоки антинейтрино. Но если бы Солнце состояло из антиматерии, оно испускало бы нейтрино. Поэтому если удастся установить, что какая-либо галактика излучает поток нейтрино, мы сможем с полной уверенностью утверждать, что эта галактика состоит из антивещества. Разумеется, практическое решение этой задачи необы­чайно сложно, так как антимиры, если они действитель­но существуют, должны находиться от нас на колос­сальных расстояниях и их нейтринные потоки чрезвы­чайно слабы.

Нейтринная астрономия рождается на наших гла­зах. И очень может быть, что уже в ближайшем буду­щем этот новый метод станет едва ли не самым могучим орудием познания Вселенной.

 

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

Комаров В. Н. «Увлекательная астрономия» 1968 год. «Наука»

 

2 КОММЕНТАРИИ

  1. я в шоке на сколько далеко шагнула наука в этой области, а так же верю, что это не предел ее возможностей. надеюсь мне хватит отведенного времени моей жизни для того, чтобы проследить дальнейшие шаги науки в этой области.

  2. Верно,такого рода явление существует,но в этой статье не довели ,либо скрывают весь спектор явления,по касательной-он описан в:Библии,поговорках,мифах,сказаниях,;и это явление можно наблюдать в жизни

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here