Загадочное нейтрино

Открытие нейтрино – частицы с удивительными свойствами – является очень важным и вместе с тем довольно трудным этапом в освоении учеными мира элементарных частиц, а значит, и Вселенной.

А происходило все следующим образом. В самом начале XX века, исследуя бета-распад нейтрона, физики пытались свести баланс энергии в этих процессах. Однако их попытки постоянно завершались неудачей: какая-то часть энергии неизвестно куда пропадала. Возможно, в другой ситуации этот факт не очень смутил бы ученых, но в данном случае дамоклов меч завис над фундаментальным законом физики – законом сохранения энергии.

Выход из возникшего тупика нашел швейцарский физик Вольфганг Паули, который в 1930 году выдвинул гипотезу, что при бета-распаде кроме электрона появляется еще какая-то трудноуловимая частица, которая «крадет» и уносит с собой недостающую часть энергии. А «незримой» она остается по той причине, что у нее нет электрического заряда и она не в состоянии отрывать электроны от атома или расщеплять ядра. То есть, иначе говоря, не может заявить о своем существовании теми особенностями, которые позволяют фиксировать появление частицы.

Энрико Ферми в 1932 году дал официальное название новой частице – нейтрино («нейтрончик»)

Кроме того, не имея заряда, эта частица очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую его толщу, не оставляя следов своего присутствия.

В 1932 году частица получила свое официальное название – нейтрино, что буквально означает «нейтрончик». А «окрестил» ее Энрико Ферми, после того как была открыта тяжелая нейтральная частица – нейтрон.

Как выяснилось позднее, гипотеза о существовании нейтрино «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. А сама гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию бета-распада, созданную Ферми в 1934 году.

Однако прошло немало времени, прежде чем нейтрино из гипотетической элементарной частицы перешло в разряд реально существующей. И хотя без этой частицы нельзя было объяснить многие превращения в физике элементарных частиц, тем не менее саму ее в течение 20 лет зафиксировать не удавалось. И только тогда, когда были построены ядерные реакторы, появилась возможность наблюдать реакции, в которых участвует нейтрино.

Правда, сначала было обнаружено не само нейтрино, а его античастица – антинейтрино. Именно антинейтрино в огромном количестве испускаются при бета-распаде осколков делящегося урана во время работы реактора. Установили этот факт в 1953 году американские физики Фредерик Рейнес и Клайд Коуэн.

А вообще к 2000 году было теоретически рассчитано и экспериментально доказано существование трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино. Но, конечно же, на этом исследования частиц-невидимок не прекратились. В настоящее время ученые пытаются выяснить, обладают ли они массой.

И это важно знать не только физикам-ядерщикам, но и астрофизикам, поскольку ответ на этот вопрос помог бы разобраться с парадоксом «скрытой массы» и разрешить ряд проблем, связанных с судьбой Вселенной, а также ответить на некоторые другие вопросы астрономии.

Дело в том, что нейтрино появляется из трех различных источников. Первым из них был так называемый Большой взрыв. Он оставил после себя реликтовое нейтрино. И хотя ученым известно, что в одном кубическом сантиметре пространства присутствует около 400 этих частиц, практических способов их регистрации пока не разработано.

Еще одним «поставщиком» нейтрино являются ядерные реакции внутри звезд. Например, Солнце ежесекундно производит количество нейтрино, которое равно 1 с 38 нулями. А сверхновые звезды каждую секунду «выбрасывают» во Вселенную в тысячу раз больше частиц-невидимок, чем наше Солнце производит их за 10 миллиардов лет.

Третьим «творцом» частиц-невидимок являются космические лучи, которые со всех сторон пронизывают Землю.

Как известно, большая часть современных знаний о Вселенной была получена в основном благодаря наблюдениям за фотонами. И связано это прежде всего с тем, что фотоны в огромном количестве вырабатываются различными космическими объектами, они стабильны и электрически нейтральны. Кроме того, спектры фотонов могут дать весьма значительную и точную информацию о химическом составе и физических свойствах их источников. Но беда в том, что плотные области внутри звезд, ядра активных галактик, а также многие другие объекты для фотонов непрозрачны, а значит, никакой информации об этих космических телах они дать не могут. Справиться же с этими задачами могли бы помочь нейтрино. Поэтому физики и астрономы и пытаются «поймать» нейтрино внеземного происхождения.

 

Темные пятна в темной материи

На исходе минувшего столетия астрофизики пришли к удивительному выводу: оказывается, видимая материя, то есть та, которую можно потрогать, увидеть или услышать, представлена во Вселенной лишь в небольшом количестве. Остальная же часть космического пространства занята так называемыми темными материей и энергией, и обнаружить их современными методами довольно сложно.

Для исследователей Вселенной такой вывод стал полной неожиданностью. И первое время они даже не представляли себе, как подступиться к этой проблеме. Но вскоре все-таки появились некоторые надежды на то, что и к загадочным темным «силам» удастся подобрать ключик.

Теперь уже известно, что в мировом пространстве той материи, из которой сформированы звезды и межзвездный газ, всего лишь порядка 4 %. Остальную же часть Вселенной занимает скрытая масса и темная энергия, причем на скрытую массу приходится 25 %, а на темную энергию – 71 %.

Таинственная скрытая масса волнует ученых с 1931 года. Именно тогда швейцарский астрофизик Фриц Цвикки определил полную массу группы галактик. А сделал он это довольно простым способом: подсчитал количество звезд в галактике, а затем полученное число умножил на среднюю массу звезды. Казалось бы, все достаточно надежно.

После этого по красному смещению спектральных линий ученый определил вариацию скоростей галактик. И к своему немалому удивлению, установил, что скорости очень велики и рассчитанного по светимости количества материи явно не хватает, чтобы порожденным ею гравитационным полем удержать галактики в скоплении. То есть выходило, что они должны разлететься, но они, тем не менее оставались на месте. Почему?

Американская исследовательница Вселенной Вера Рубин больше всего сделала для исследования темной материи

И тогда Цвикки предположил, что в скоплениях звезд находится скрытая масса, которая и удерживает галактики.

Но большинство ученых к гипотезе швейцарца отнеслись скептически.

Не поверил ученый мир и датчанину Яну Оорту, который на основании расчетов пришел к выводу, что масса видимой материи составляет всего 30—50 % от той, которая необходима для удержания звезд в скоплении.

Но все резко изменилось в последней четверти минувшего столетия. Именно в это время у специалистов появилась возможность измерять скорости вращения звезд вокруг центра галактики. Кроме того, в эти же годы астрономы научились определять скорость вращения вещества в галактике в зависимости от расстояния до ее центра.

Больше же всего для представлений о темной материи сделала американская исследовательница Вселенной Вера Рубин. Просканировав с помощью спектрометра галактические диски от центра к краю, она построила кривые вращения, из которых следовало, что скорости заметно возрастают.

Это в свою очередь означало, что каждая галактика окружена оболочкой из несветящейся материи. Невидимое вещество этой оболочки силой притяжения не позволяет звездам вырваться за пределы галактики и тем самым спасает ее от распада.

Сегодня кривые вращения – наиболее веский аргумент в пользу существования темной материи.

В 1998 году астрофизики сделали еще одно удивительное открытие: они установили наличие во Вселенной «темной энергии». А обнаружена она была следующим образом. Дело в том, что именно в 1998 году астрономы получили кривую блеска для сверхновой звезды, которая взорвалась в галактике, находящейся на очень далеком расстоянии от Земли.

Когда ученые определили расстояние до этой галактики, то оно оказалось намного больше того, которое ожидалось в расчетах. Кроме того, звезда во время максимальной светимости выглядела более тусклой, чем предполагалось. Из этого следовал вывод, что Вселенная расширяется с ускорением. Но любое ускоренное движение возможно лишь под действием некоторой силы. В таком случае какая же сила вызывает расширение Вселенной? Именно эту силу астрономы и стали именовать «темной энергией». Но вот что она представляет, никто пока сказать не может.

Сегодня известно лишь то, что «темная энергия» распределена в космическом пространстве равномерно: ее плотность как в скоплениях, так и за их пределами одинаковая. А из этого следует, что «темная энергия» не связана ни с обычным веществом, ни с темной материей…

Но к чему же все-таки привязана «скрытая масса», что является ее носителем? Оказывается, таких структур не одна, а несколько. Всех их ученые разделяют на две группы: массивные астрономические объекты (MACHOs) и элементарные массивные частицы (WIMPs).

Расчеты, а также практика показывают, что массивные объекты практически не светятся, в противном случае их бы давно зафиксировали. Кандидатами на роль MACHOs принято считать черные дыры, нейтронные звезды, а также коричневые и, вероятно, белые карлики.

Но если массивные объекты не излучают световой энергии, то как же их обнаружить вообще? Оказывается, с помощью современных технических средств сделать это хоть и трудно, но можно.

Так, например, когда был выведен на орбиту телескоп «Хаббл», который фиксирует не только видимые, но и инфракрасные лучи, астрономы смогли выявить много коричневых карликов, причем не только в нашей, но и в соседних галактиках. Правда, они составляли всего 6 % от общей массы галактической короны!

Ученые также считают, что искажения картины звездного неба тоже являются следствием присутствия скрытой массы. Это доказали американские исследователи, которые проанализировали изображения 145 000 очень далеких галактик. Итогом этой колоссальной работы стало доказательство существования скрытой массы на огромных межгалактических просторах.

В арсенале астрономов есть еще один способ, с помощью которого можно определить наличие MACHOs. И основан он на гравитационном поле этих объектов.

Так, если исследователь установит, что какая-то из звезд вращается вокруг какого-то невидимого центра, то он делает вывод, что обнаружен новый массивный астрономический объект. Поскольку именно он создает гравитационное поле, в котором перемещается обнаруженная звезда. А если же рассчитать радиус орбиты и скорость вращения данного объекта, то нетрудно найти и его массу.

А вот физики появление темной материи объясняют тем, что пространство внутри галактик заполнено особого рода частицами (WIMPs), которые в сумме и образуют недостающую, или скрытую, массу.

Появились они, как считают ученые, еще в самом начале развития Вселенной, то есть в то время, когда она была молодой и очень горячей. Почему же тогда мы не можем их увидеть? И почему они не образуют скоплений типа белых карликов? Скорее всего это связано с тем, что они не взаимодействуют друг с другом и с обычными частицами, а также не излучают фотонов. И лишь наличие гравитации говорит об их существовании. По этим причинам и доказать существование этих частиц довольно сложно.

 

Какое оно, межзвездное вещество?

Если рассматривать Вселенную в мощные телескопы, то можно подумать, что все пространство между скоплениями звезд и туманностей – это сплошная пустота. На самом же деле все далеко не так, как может показаться. В межзвездном пространстве вещество все-таки имеется.

И доказал это в начале прошлого века швейцарский астроном Роберт Трюмплер, открывший ослабление светового потока от звезд к Земле. При этом, как выяснилось позже, свет по пути к земному наблюдателю от голубых звезд теряется интенсивнее, чем от красных.

Швейцарский астроном Роберт Трюмплер, открывший ослабление светового потока от звезд к Земле

Дальнейшее изучение межзвездного вещества показало, что в пространстве оно распределено в виде рваной ткани, то есть имеет клочковатую структуру, и собрано в эти сгустки поблизости от Млечного Пути.

Состоит межзвездное вещество из микроскопических пылинок, физические свойства которых к настоящему времени довольно хорошо изучены.

Кроме мельчайших пылинок, в межзвездном пространстве находится огромное количество невидимого холодного газа. Как показывают расчеты, его масса почти в сотню раз больше массы пылинок.

Как же астрономы установили, что в межзвездном пространстве присутствует этот газ? Помогли в этом атомы водорода, излучающие радиоволны длиной 21 сантиметр. А радиотелескопы это излучение зафиксировали. В результате были открыты огромной протяженности облака атомарного водорода.

Что же они собой представляют? Во-первых, они очень холодные: их температура около 200 градусов Цельсия. Во-вторых, у них удивительно малая плотность: несколько десятков атомов в кубическом сантиметре пространства. По сути, для жителя Земли – это глубокий вакуум. Размеры этих облаков – от 10 до 100 парсек (пк), в то же время среднее расстояние между звездами равняется 1 парсеку. А 1 парсек равен 206265 а. е., или 3263 световым годам.

В ходе последующих исследований водородных облаков были открыты области молекулярного водорода, которые холоднее и в сотни и тысячи раз плотнее облаков, состоящих из атомарного водорода. А потому они практически непрозрачны для видимого света. И хотя по размерам они такие же, как и атомарные облака, но именно в них сконцентрирована основная масса холодного межзвездного газа и пыли. И достигать она может сотен тысяч и даже миллионов масс Солнца.

Кроме молекул водорода, в этих облаках в незначительных количествах присутствуют и более сложные молекулярные соединения, в том числе и простые органические вещества.

Доказано, что определенные области межзвездного вещества имеют очень высокую температуру и поэтому излучают как ультрафиолетовые, так и рентгеновские лучи.

Именно рентгеновское излучение характерно для самого горячего так называемого коронального газа. Его температура достигает миллиона градусов. Плотность же коронального газа невероятно низкая: приблизительно один атом вещества на кубический дециметр пространства.

Появляется же этот газ при мощных взрывах сверхновых звезд. В ходе этого процесса в космическом пространстве рождается ударная волна огромной силы, которая и нагревает газ до температуры, при которой он «светится» рентгеновским излучением.

Следует отметить, что разряженные облака имеют также незначительные по мощности магнитные поля, которые перемещаются вместе с ними. И хотя эти поля примерно в 100 тысяч раз слабее магнитного поля Земли, тем не менее благодаря им происходит образование наиболее плотных и холодных облаков газа, из которых формируются звезды.

Помимо простых и сложных молекул, в межзвездном пространстве находится и огромное количество мельчайших пылинок, имеющих размеры всего около одной стотысячной доли сантиметра.

Плотность пылинок в межзвездном пространстве очень и очень мала. Насколько незначительна эта цифра, говорит следующее сравнение: если в окрестностях Солнца в одном кубическом сантиметре пространства находится в среднем один атом газа, то одна пылинка приходится на сто миллиардов атомов! И отделены эти микроскопические частицы друг от друга расстоянием в несколько десятков метров.

Относительная масса пыли в межзвездном пространстве Галактики тоже незначительна и составляет всего один процент от массы газа и одну десятитысячную долю массы Галактики. Однако и этой пыли хватает, чтобы значительно ослабить свет.

Межзвездные пылинки, как показали исследования, не просто однородная масса: в их составе были обнаружены соединения углерода, кремния, замерзшие газы, водяной лед, а также простейшие органические молекулы.

В целом же в ходе многочисленных сравнительных наблюдений было установлено, что межзвездная пыль представлена двумя видами частиц: углеродными и силикатными, то есть содержащими соединения кремния.

Как же ученые изучают космическую пыль? В этом им помогает поляризация света. От каждой звезды в космическое пространство обычно распространяются волны во всех направлениях. И когда на пути светового потока появляется сферическая пылинка, все волны она поглощает одинаково.

Когда же пылинка имеет удлиненную форму, то есть вытянута вдоль оси, то волны, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем падающие на поверхность пылинки перпендикулярно. Иначе говоря, излучение становится поляризованным. И как раз-то степень поляризации света, исходящего от звезд, и дает информацию о размерах и форме пылинок.

Размеры же пылинок варьируют в довольно широких пределах: от одной миллионной до одной десятитысячной доли сантиметра. Но все-таки в общей массе преобладают мелкие пылинки.

Оба типа пылинок, то есть графитовые и силикатные, формируются в наружных оболочках старых холодных звезд.

Когда звезда стареет, она постепенно теряет и вес. А газообразное вещество, покидающее звезду, с расстоянием остывает. И когда его температура становится меньше температуры плавления вещества, составляющего пылинку, молекулы газа начинают «объединяться» в миниатюрные «комки», образуя зародыши пылинок.

В первое время жизни частичка увеличивается в размерах очень медленно. Но когда температура начинает падать, рост пылинки ускоряется. Длится этот процесс ее «развития» несколько десятилетий. А когда газ достигает высокой степени разрежения, рост частичек прекращается.

Часто пылинки вкупе с газом концентрируются в облака, плотность вещества в которых иногда в миллионы раз выше окружающего пространства.

«Юная» пылинка имеет сравнительно простое строение. В связи с тем, что окружающее пылинку пространство особым разнообразием не отличается, ее химический состав и строение тоже относительно примитивны.

Так, химия микроскопической частички напрямую определяется тем элементом, который превалировал в оболочке звезды, то есть кислородом или углеродом. Связано это с тем, что в процессе охлаждения вещества, «покинувшего» звезду, углерод и кислород соединяются в прочные молекулы окиси углерода.

Так вот, когда после этого остаются излишки углерода, формируются графитовые частицы. И наоборот, если весь углерод окажется в окиси углерода, то избыточный кислород соединится с кремнием, и в результате появятся силикатные пылинки. Это, можно сказать, моногамные частицы, то есть состоящие из однородного вещества, которые формируются в очень разреженном пространстве.

Но когда плотность межзвездного газа достигает тысяч атомов на кубический сантиметр, пылинки ведут себя уже совсем по-другому: на их поверхности появляется оболочка из легкоплавких соединений, которые представлены чаще всего замерзшей водой, формальдегидом и аммиаком. То есть иначе говоря, пылинка «одевается» в ледяную корку.

Но поскольку этот «лед» сам по себе довольно хрупок, то при внешнем излучении и взаимных соударениях пылинок он преобразуется в более устойчивые органические соединения, образующие вокруг частицы особую пленку.

И третий тип пылинок появляется в настолько плотных молекулярных облаках, что звездное излучение туда уже не может проникнуть. А раз так, то и лед на поверхности пылинок не разрушается. В этом случае они состоят из трех слоев: ядра, слоя из органических соединений и ледяной корки.

Существует гипотеза, согласно которой такие частички, сконденсировавшись в громадные комья, формируют ядра комет-реликтов, которые образовались еще тогда, когда Солнечная система представляла собой плотное непрозрачное облако…

 

Круговорот вещества во Вселенной

Итак, нам уже известно, что в разных областях межзвездного пространства плотность газа и пыли очень неравномерна. В некоторых же местах эти вещества скапливаются в более концентрированные структуры, образуя гигантские облака и сверхоблака.

Однако межзвездный газ – это не просто разреженное вещество, представленное атомным и молекулярным водородом, а материал, из которого формируются новые звезды. А происходит этот процесс следующим образом. Сначала в некоторых зонах газового облака в результате сил гравитации появляются плотные сгустки вещества – зародыши новых звезд.

Образовавшийся «комок» продолжает сжиматься. И длится этот процесс до тех пор, пока в центре этого сгустка температура и плотность не поднимутся до той критической отметки, после которой начинаются термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий. Как только эти процессы пойдут, сгусток газа становится звездой.

Кроме газа, активную роль в образовании звезд играет и межзвездная пыль. Именно благодаря ей газ быстрее остывает. Связано это, во-первых, с тем, что пыль поглощает выделяющуюся во время сжатия облака энергию; во-вторых, эту энергию она перераспределяет по другим диапазонам спектра, тем самым влияя на энергетический обмен между звездой и окружающим пространством. И от того, каковы свойства пыли, а также какое ее количество в протозвездном облаке, зависит, сколько звезд в нем появится, а также каковой будет их масса.

Раскаленное облако межзвездного газа, похожее на пламя огня от костра и названное «Хаббл-V»

Когда в той или иной области молекулярного облака появились звезды, то они уже начинают оказывать существенное влияние на окружающий их газ. Это влияние проявляется в том, что начинают также уплотняться и соседние газовые облака, что приводит к формированию в них новых звезд.

То есть звездообразование в молекулярных облаках подобно цепной реакции: оно сначала «вспыхивает» в одной области облака, а затем постепенно охватывает другие его участки, а также примыкающие облака. В ходе этого процесса межзвездный газ превращается в звезды.

В конце концов наступает такой момент, когда весь водород в центре звезды превращается в гелий. А это значит, что и ядерные реакции горения водорода тоже затухают. После этого центральная часть звезды начинает уплотняться, а ее наружные области – расширяться.

В дальнейшем своем эволюционном развитии звезда сбрасывает свою наружную оболочку или же взрывается, в результате чего газ, из которого она была сформирована, снова возвращается в межзвездное пространство.

Разлетающееся вещество оболочки подхватывает межзвездный газ, одновременно поднимая его температуру до многих сотен тысяч градусов. Когда же он, удалившись на огромное расстояние от звезды, начинает охлаждаться, то образует волокнистые туманности, скорость расширения которых достигает сотен километров в секунду.

Пройдет еще несколько сотен тысяч лет, когда остатки этого вещества начнут терять скорость и в конце концов рассеются в межзвездной среде. Правда, при этом не исключено, что через какое-то время «фрагменты» этого газа могут снова войти в состав какой-либо новой звезды.

Конечно, звезды появлялись и гибли в Галактике на протяжении всего времени ее существования, то есть многих миллиардов лет. И поэтому практически весь тот газ, который в настоящее время присутствует в межзвездном пространстве, уже не раз прошел через ядерное горнило.

Следует иметь в виду, что в первоначальном, или архаичном, газе пыль отсутствовала, то есть он был младенчески чист. Появилась же она в ходе старения красных гигантов – массивных звезд, у которых температура наружной оболочки всего 2—4 тысячи градусов.

При столь низкой температуре в атмосфере звезды и возникают пылевидные частицы. Под воздействием излучения звезды они выдуваются в межзвездное пространство, где затем смешиваются с межзвездным газом.

Так происходит круговорот газа и пыли в пределах одной галактики…

А вот этот удивительный и даже невероятный факт установил американский астроном Лоренс Рудник. Как удалось выяснить ученому, в космическом пространстве протяженностью порядка 100 миллионов световых лет отсутствуют не только галактики, отдельные звезды и «черные дыры», но также и «темная материя».

Хотя следует отметить, что это не единственный случай, когда астрономы во время наблюдений Вселенной натыкались на пустынные космические пространства. Но, в отличие от остальных случаев, обнаруженная «вселенская пустошь» по масштабу в 1000 раз превышает ту, которую предполагалось обнаружить.

А еще раньше исследователи из Национальной астрофизической лаборатории с помощью радиолокации космического пространства обнаружили в одном участке на 45 % вещества меньше, чем обычно.

Еще один ученый, Брент Тулли из университета Гавайских островов, тоже обнаружил пустоту, которая находится всего лишь в двух миллионах световых лет от Земли.

По мнению Тулли, пустоты в космосе появляются тогда, когда гигантские объекты благодаря своей гравитационной мощи притягивают материю из тех областей космического пространства, где она имеет меньшую плотность.