З такої нагоди naked science розповість вам, звідки беруться космічні нейтрино, як астрономи їх ловлять і чому це взагалі важливо для дослідження всесвіту.
життя під зливою
Навіть сама самотня людина в світі ніколи не буває один. Його завжди оточує натовп нейтрино-надзвичайно легких частинок, що не мають електричного заряду. За розрахунками теоретиків, кожен кубічний сантиметр простору заповнений сотнями реліктових нейтрино, що утворилися незабаром після великого вибуху. У всесвіті їх на кілька порядків більше, ніж протонів або електронів. Але ж джерел цих частинок вистачає і в сучасному космосі.
Нейтрино народжуються при вибухах наднових, в зіткненнях космічних променів з міжзоряним газом і земною атмосферою, в околицях надмасивних чорних дір і, звичайно, в зірках. Кожен квадратний сантиметр земної поверхні щомиті пронизують десятки мільярдів нейтрино, народжених термоядерними реакціями в центрі сонця. І не сподівайтеся відпочити від нейтринного зливи вночі, коли світило сяє над іншим півкулею: нейтрино проходять крізь товщу нашої планети легше, ніж гарячий ніж крізь масло. До речі, розпад урану і торію в надрах землі теж породжує потік всюдисущих частинок.
На щастя, нейтрино не можна озброїти. Ці частинки не ранять людини, вони його ігнорують (в якомусь сенсі це болючіше, зізнайтеся). Справа в тому, що нейтрино просто пролітають повз атомних ядер і електронів, майже ніколи не стикаючись з ними. Тому-то від них не тільки неможливо, а й нема чого ховатися. Але з тієї ж причини ці» нетовариські » частинки вкрай важко зареєструвати.
Тим часом астрономам ну дуже потрібно ловити космічні нейтрино. Саме здатність пронизувати величезні товщі речовини, залишаючись незмінними, робить цих невидимок безцінним джерелом інформації. Наприклад, фотон, що вибирається з центру сонця до його поверхні, незліченну безліч разів поглинається речовиною і знову перевипромінюється. У підсумку на цю подорож у нього йде близько 100 тисяч років (що ви знаєте про труднощі еміграції!), він відчуває на собі вплив всіх шарів зірки і з гамма-кванта перетворюється в частинку видимого світла. А ось народжені в тих же реакціях нейтрино пронизують товщу сонця, немов порожнечу, і приносять безпосередню інформацію про те, що відбувається в термоядерній топці світила.
Так, в 2018 році завдяки нейтринному телескопу borexino вчені «розібрали по кісточках» pp-цикл — головний ланцюжок термоядерних реакцій в надрах сонця. Дослідники виміряли потік нейтрино для кожної з п’яти нейтриноутворюючих реакцій окремо і переконалися, що він збігається з прогнозами теорії. А в 2020-му спостерігачі виділили з потоку сонячних нейтрино частинки, що утворюються в побічному для сонця cno-циклі.
До речі, здатність нейтрино проносити інформацію крізь будь-які перешкоди цікавить не тільки астрономів. Завдяки цим нестримним частинкам одні фахівці вимірюють кількість радіоактивних елементів в мантії землі, а інші збираються контролювати, чи не напрацьовується в якомусь реакторі збройовий плутоній.
гонитва за невловимим
Як же фізики ловлять частинки, майже ніколи не взаємодіють з атомами? справа в тому, що «майже ніколи» не означає «зовсім ніколи». Іноді нейтрино все-таки врізається в нейтрон атомного ядра, і тоді той перетворюється в протон. Через це ядро перетворюється в ядро іншого хімічного елемента (наступного в таблиці менделєєва). Перші нейтринні телескопи відловлювали саме такі трансмутації. Зараз у світі залишилася тільки одна діюча установка такого роду-галій-германієвий нейтринний телескоп у баксанській нейтринній обсерваторії (кабардино-балкарія). Баксанський приймач нейтрино містить 50 тонн рідкого галію. Кожен день приблизно один атом нерадіоактивного галію — 71 перетворюється в ньому в атом радіоактивного германію-71 через те, що в нейтрон ядра потрапило нейтрино і перетворило його в протон.
Виловити 30 радіоактивних атомів, що з’явилися за місяць в 50 тоннах речовини, — то ще розвага, враховуючи, що в одній склянці води більше атомів, ніж склянок води в світовому океані. Звичайно, терпіння і праця і атоми зберуть, але вже точно не в реальному часі. Про будь космічної спалаху, що породила потік нейтрино, можна дізнатися лише постфактум. Значить, такий телескоп неможливо вбудувати в мережу швидкого реагування, коли один інструмент, який виявив щось цікаве, автоматично сповіщає «колег», що непогано б відвідати цю ж область неба.
У зв’язку з цим вже в 1970-х почалися розмови про нейтринних телескопах, що працюють в реальному часі. Ось як вони діють: коли нейтрон під ударом нейтрино перетворюється в позитивно заряджений протон, за законом збереження заряду зобов’язана народитися негативно заряджена частинка. Вона і народжується, раз зобов’язана. Ця частинка-мюон. Мюон, в свою чергу, врізається в інше атомне ядро, і відбувається реакція, в якій народжується нова частинка, і так далі. В результаті одне енергійне нейтрино, що прийшло з глибин всесвіту, породжує цілий потік заряджених частинок.
Далі починається найцікавіше. Якщо заряджена частинка рухається крізь прозору середу швидше, ніж в тому ж середовищі поширюється світло, вона випускає фотони. Це називається ефектом вавилова-черенкова. Так-так, не дивуйтеся: тільки в вакуумі світло рухається з граничною з можливих в природі швидкостей. У будь-якому іншому середовищі (будь то повітря, вода або скло) він поширюється повільніше, і досить енергійна частка може його обігнати — і сама, завдяки ефекту вавилова — черенкова, стати джерелом світла. Мюони, що народжуються в атомних ядрах під ударами нейтрино, досить швидкі, щоб обігнати світло в товщі води або льоду (але не повітря). Світло, народжене цими частинками, і сигналізує про те, що зареєстрований космічний гість — нейтрино.
Перша в світі реєстрація космічних нейтрино таким способом відбулася в 1994 році на російському телескопі нт-200. Він представляв собою кілька грон фотодетекторів, підвішених на тросах в прозорій воді байкалу.
Нинішній байкальський нейтринний телескоп, він же baikal-gvd (gigaton volume detector) —спадкоємець нт-200. Це, як сказав би відомий кіногерой, та ж ластівка, тільки зовсім в іншому масштабі. Сьогодні він складається з восьми кластерів (перший запустили в 2016 році). Кожен кластер містить вісім вертикальних гірлянд по 36 фотодетекторів. Таким чином, у всьому телескопі 8 × 8 × 36 = 2304 детектора (у нт-200 їх було всього 200). Це найбільший нейтринний телескоп на землі після icecube.
До речі, про останній. Icecube працює за тим же принципом, але використовує не воду, а антарктичний лід. Будівництво інструменту почалося в 2005-му і закінчилося в 2010 році. Телескоп має більше п’яти тисяч фотодетекторів, що охоплюють цілий кубічний кілометр льоду. Втім, астрономам важливий не номінальний обсяг установки, а ефективний: він завжди менше номінального, а конкретне значення залежить як від конструкції телескопа, так і від того, нейтрино з якою енергією передбачається ловити.
І icecube, і baikal-gvd націлені в першу чергу на енергійні нейтрино (десятки і сотні тераелектронвольт), що породжують цілі зливи вторинних частинок. Як пояснив naked science керівник проекту baikal-gvd член-кореспондент ран григорій домогацький, ефективний обсяг icecube і baikal-gvd для цього завдання один і той же: 0,4 кубічного кілометра. У той же час є інші цікаві завдання, для яких байкальський телескоп поступається антарктичному за ефективним обсягом.
Втім, байкальський інструмент планують добудовувати. Якщо все піде за планом, до кінця 2020-х його ефективний (не номінальний!) обсяг складе один кубічний кілометр.
Завершуючи розмову про методи реєстрації нейтрино, зауважимо, що є й інші способи зловити примхливу частинку. Так, згаданий вище borexino реєструє зіткнення нейтрино не з атомними ядрами, а з електронами (так зване розсіювання нейтрино на електронах). В результаті подібних зіткнень електрони ні в що не перетворюються, але отримують додаткову енергію. Правда, borexino призначений для вивчення нейтрино низької енергії, перш за все сонячних.
разом веселіше
Восьмого грудня 2021 року байкальський телескоп зафіксував частинку з енергією 43 тераелектронвольта. Так, всього одну. Навіть тисячі фотодетекторів, розподілені по сотням мільйонів кубометрів води або льоду, забезпечують реєстрацію лише декількох високоенергетичних нейтрино на рік. Не так-то просто ловити невловиме.
За кілька годин до цього icecube зафіксував іншу частинку з енергією 172 тераелектронвольта. Обидва нейтрино прийшли з області неба, деРозташований один з найяскравіших блазарів (трохи нижче ми розповімо, що це таке). І треба ж такому статися, що саме в цей момент блазар випробував найяскравішу спалах світла і гамма-випромінювання за всю історію спостережень за ним. Спалах помітили також в рентгенівських променях і радіохвилях. «збіг? — могли б запитати вчені. — не думаємо!»звичайно, немає стовідсоткової впевненості, що обидва нейтрино прийшли саме від цього небесного тіла: нейтринні телескопи визначають напрямок на джерело не дуже точно. Але ймовірність досить висока.
Цей результат став ще одним важливим свідченням, що нейтрино високих і надвисоких енергій приходять від активних ядер галактик, в тому числі квазарів і блазарів. І вперше такі докази були отримані на двох установках одночасно (раніше подібними новинами нас радував тільки icecube). Спостереження на двох інструментах підвищує ймовірність того, що нейтрино не «привиділося» телескопу (ми ж розуміємо, що корисний сигнал будь-якого наукового приладу доводиться виділяти з шумів, і іноді шуми можуть складатися в помилковий сигнал). До того ж спостереження з двох точок дозволяє точніше визначити координати джерела.
Ймовірно, два телескопи ще не раз заспівають дуетом. А коли в середземному морі добудують інструмент km3net з тим же принципом дії, дует перетвориться в тріо.
художнє зображення блазара. /(с) nasa/jpl-caltech / gsfc.
привіт від чорних дір
У 2018 році вчені ототожнили джерело енергійних нейтрино з блазаром txs 0506 + 056. А через два роки російські астрономи встановили, що майже половина всіх нейтрино надвисоких енергій (від 200 тераелектронвольт), прийнятих обсерваторією icecube за десять років, прийшла від самих радіоярких галактичних ядер.
Активне ядро галактики — чорна діра масою від мільйонів до десятків мільярдів сонць, оточена диском поступово падаючого на неї речовини. Цей диск обертається з величезною швидкістю (поблизу горизонту подій — «поверхні» чорної діри — вона порівнянна зі світловою). Тертя між шарами диска розігріває матерію до сотень мільйонів градусів.
Кожна порція газу і пилу, перш ніж впасти на чорну діру, виділяє енергію близько 10 відсотків від mc2 — повного запасу енергії, укладеного в речовині. Це в десятки разів більше, ніж при термоядерному синтезі, що живить зірки. Не дивно, що найактивніші з галактичних ядер (квазари) — найпотужніші у всесвіті джерела випромінювання. Саме такий атракціон небаченої щедрості потрібен, щоб надати навіть найлегшим нейтрино енергію, яка і не снилася куди більш важким протонам на великому адронному колайдері.
Залишилося розповісти, що таке блазар. Деякі квазари викидають в навколишній простір струменя речовини, розігнаного до навколосвітньої швидкості-джети. Блазар-квазар, розташований так, що його джети спрямовані на землю. Цей незвичайний ракурс відкриває спостерігачам багато цікавого. Але ось випускають блазари нейтрино високих енергій частіше, ніж інші квазари, — питання дискусійне.
У астрономів є ще безліч питань до енергійних і невловимих посланців космосу. Які саме процеси в околицях чорної діри породжують нейтрино? як далеко від її «поверхні» вони протікають? чи є у всесвіті інші джерела нейтрино високих і надвисоких енергій, крім активних галактичних ядер? можливо, байкальський і антарктичний телескопи допоможуть вченим знайти відповіді вже в найближчі роки.
