Охотники за нейтрино. Захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей - Рэй Джаявардхана

Сверхновая была замечена и в Австралии – новую звезду обнаружил Роберт Макнот, работавший в обсерватории Сайдинг-Спринг, расположенной примерно в 400 км от Сиднея. Макноту посчастливилось сфотографировать Большое Магелланово Облако в ту же ночь, что и Шелтону в Чили. Макнот сразу проявил фотопластинки с изображениями Облака, но был слишком занят другими делами, поэтому не успел их сразу как следует рассмотреть. Когда ему сообщили о сверхновой по телефону, Макнот помчался к своим пластинкам. На его фотографиях (некоторые из них были отсняты на 15 часов раньше шелтоновских) также просматривался небесный маяк, который было невозможно с чем-либо спутать. Макнот сравнил его положение с более ранними снимками этой области неба и заключил, что звезда расположена ровно на том же месте, где ранее находился голубой сверхгигант Sanduleak –69° 202; эта звезда давно фигурировала в каталогах, и астрономы ее изучали. Таким образом, впервые в истории удалось точно определить, какая именно звезда взорвалась; иными словами, в распоряжении ученых оказались фотографии звезды «до» и «после» взрыва. Астрономы смогли проследить последние стадии эволюции огромной звезды так точно, как никогда ранее.

К 10.00 24 февраля об этом открытии уже знали исследователи со всего мира – кому-то успели позвонить воодушевленные коллеги, другие получили телеграмму из Международного астрономического союза. Всеобщее ликование было связано и с тем, что сверхновая 1987А (именно под таким названием стала известна новая звезда) оказалась первой сверхновой, взорвавшейся в непосредственной близости от нашей Галактики со времен изобретения телескопа – то есть примерно за последние 400 лет. Это была самая яркая и близкая к нам сверхновая, которую удалось увидеть за последние 383 года – с тех пор как в 1604 г. Иоганн Кеплер невооруженным глазом наблюдал в нашей Галактике взрыв другой сверхновой. У астрономов появилась беспрецедентная возможность лицезреть агонию умирающей звезды. В течение следующих часов и дней остатки звезды постепенно растекались с места взрыва, смешиваясь с газом и пылью окружающего межзвездного пространства. Сама сверхновая становилась в нашем небе все менее и менее яркой.

Астрономы спешно задействовали в Южном полушарии целый арсенал мощных оптических, инфракрасных и радиотелескопов. К работе подключилось множество специалистов, особенно из Чили, Австралии и Южной Африки, где располагаются многочисленные современные наземные обсерватории. Исследования велись и при помощи специальной аппаратуры, установленной на борту космических кораблей, – речь идет о телескопах ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов. Объективы всех этих аппаратов были устремлены на Большое Магелланово Облако, где разворачивались беспрецедентные события. В этот период ученые работали не покладая рук, лишь немногие из них могли припомнить подобный аврал. Как восторженно выразился один астрофизик, работа кипела «словно под Рождество».

Джон Бакал, признанный эксперт по моделированию процессов, протекающих в глубине звезд, в тот период работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. Открытие сверхновой произвело на Бакала такое глубокое впечатление, что он даже потерял сон. Причем неслучайно: ведь Бакал знал, что самые первые и, пожалуй, наиболее важные предвестники этого космического катаклизма должны были появиться за несколько часов до того, как астрономы заметили в свои телескопы взрыв сверхновой. Бакал отлично понимал, что, согласно теоретическим моделям звездной эволюции, коллапс звездного ядра (финал существования массивной звезды) должен сопровождаться обильным выбросом нейтрино, которые мчатся из эпицентра взрыва, не встречая на пути практически никаких преград. Последний салют озарит небо позже, когда разлетится внешняя оболочка звезды. Спустя всего несколько минут после известия о сверхновой 1987А Бакал и двое его коллег взялись за расчеты: они собирались вычислить, сколько нейтрино должны были зафиксировать различные детекторы, расположенные по всей Земле. Изначально предполагалось, что эта сверхновая могла быть «ненастоящей»: то есть мы могли наблюдать не окончательную гибель огромной звезды, а так называемую «сверхновую типа 1а». В этом случае взрывается звездный огарок, так называемый белый карлик; это происходит, если он сможет перетянуть на себя достаточно много вещества от крупной звезды-соседки и в результате достигнет критической массы. Но астрономические наблюдения свидетельствовали об обратном, поэтому трое теоретиков взялись за дело. Они определили, что классический взрыв сверхновой должен дать небывалый улов нейтрино – как минимум несколько десятков зарегистрированных частиц. Не прошло и недели, как физики отправили статью с такими выводами в журнал Nature – поэтому их прогноз оказался опубликован раньше, чем были получены результаты из нейтринных обсерваторий.

Тем временем физики-экспериментаторы приступили к анализу данных, записанных на нескольких подземных детекторах по всему миру. Самые благоприятные условия для регистрации нейтрино от этой сверхновой сложились на детекторе Kamiokande; он представлял собой огромный резервуар чистой воды, в стенах которого находились тысячи ФЭУ, которые регистрировали вспышки света, возникающие при столкновении нейтрино с атомами в молекулах воды.

К счастью, этот детектор уже эксплуатировался на полную мощность после коренной доработки, законченной всего двумя месяцами ранее. Многие астрофизики не скрывали волнения, дожидаясь, пока члены коллаборации Kamiokande просканируют в Токио свои магнитные ленты с данными. Поскольку расчеты Бакала и других ученых позволяли предположить, что аппаратура действительно обладает достаточной чувствительностью, чтобы зарегистрировать нейтрино от сверхновой 1987А, отсутствие признаков нейтрино означало бы, что мы в корне неправильно представляем себе механизмы возникновения сверхновых.

Внутри нейтринного детектора Kamiokande

(Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo)

Пришли результаты. К огромному облегчению ученых во всем мире, в данных четко прослеживались нейтринные сигналы, в происхождении которых не приходилось сомневаться. Таким образом, Джон Бакал и его коллеги-астрофизики совершенно верно описывали, какие именно процессы протекают при взрыве сверхновой. ФЭУ в детекторе Kamiokande зафиксировали 11 вспышек за время всплеска, продолжавшегося несколько секунд. Это произошло примерно на три часа раньше, чем сверхновую наблюдали в оптические телескопы астрономы в Чили и Новой Зеландии. На другом краю света, близ Кливленда, аналогичный детектор нейтрино, расположенный в неглубоком соляном руднике под озером Эри, зафиксировал восемь вспышек – одновременно с Kamiokande. Позже стало известно, что еще один детектор (с керосином в качестве сцинтиллятора), расположенный в Баксанской нейтринной обсерватории на Кавказе, в России, зарегистрировал пять вспышек. Две дюжины вспышек, зафиксированных в ходе этих трех экспериментов, – следы лишь некоторых нейтрино, миллиарды и миллиарды которых пронеслись через недра нашей планеты, а возникли в самом сердце звездного взрыва, произошедшего в Большом Магеллановом Облаке. Все три упомянутые обсерватории расположены в Северном полушарии, а Магеллановы облака видны в Южном. Это означает, что нейтрино прошли нашу планету насквозь, прежде чем попали в детекторы. Бакал, воодушевленный экспериментальным подтверждением своих теоретических прогнозов, признался журналу Time, что участие в бурных научных событиях, связанных со сверхновой 1987А, казалось ему сказкой.

Может показаться, что общий улов в 24 частицы – не повод для гордости. Но важность этих нейтринных событий подчеркивается хотя бы тем, что впоследствии о них были написаны сотни научных статей. При взрыве сверхновой 1987А мы впервые наблюдали нейтрино, пришедшие к нам не с Солнца, а из другого звездного источника. Поэтому стоит ли удивляться, что японский физик Масатоси Косиба, лидер коллаборации Kamiokande, в 2002 г. получил четверть Нобелевской премии по физике – во многом за измерения этих нейтрино. Призрачные частицы, которые несколькими десятилетиями ранее на кончике пера открыл Вольфганг Паули, пытавшийся объяснить бета-распад, к концу XX в. стали для астрономов важными космическими посланцами, которые помогли понять жизненный цикл Солнца и других, более массивных звезд.

Адам Барроуз, физик из Принстонского университета, писал, что после обнаружения этих нейтрино «мы впервые смогли осознать, какие дикие спазмы сопровождают гибель звезды, тогда как ранее это было просто невозможно». Полученные результаты подтвердили общую картину гибели массивной звезды, израсходовавшей запасы ядерного топлива; физики-теоретики обрисовали этот процесс за десятилетия работы. Вот что сказал об этом Джон Биком, физик-теоретик из государственного Университета Огайо, изучающий связи между физикой частиц, астрофизикой и космологией: «Нейтрино позволяют нам заглянуть в недра огромных звезд, находящихся на пороге гибели. В подобных ситуациях астрофизики могут наблюдать явления, принципиально недоступные для обычной астрономии».