Вселенная в рентгеновских лучах и потоках нейтрино

Text 2

ВСЕЛЕННАЯ В РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ И ПОТОКАХ НЕЙТРИНО

Нобелевскую премию по физике 2002 года, присужденную " за основополагающий вклад в астрофизику", получили трое исследователей: американец Раймонд Девис-младший вместе с японцем Масатоши Кошиба за регистрацию космических нейтрино и Риккардо Джаккони, американский астроном, за обнаружение космических источников рентгеновского излучения.

Нейтрино, эта самая таинственная из элементарных частиц, была буквально " придумана" в 1931 году немецким физиком Вольфгангом Паули, чтобы объяснить парадоксы, обнаруженные при экспериментальном исследовании бета-распада (в этой реакции протон p превращается в нейтрон n с испусканием электронов e^- — бета-лучей). Часть энергии при распаде исчезала бесследно, и вдобавок наблюдалось несохранение спина частиц. В. Паули предположил, что недостающую энергию уносит некая частица, не имеющая массы, которую невозможно обнаружить в принципе(впоследствии ее назвали электронным нейтрино).

Однако уже через несколько лет отечественные физики (А. Лейпунский, А. Алиханов, А. Алиханян) получили косвенное экспериментальное подтверждение, что нейтрино действительно появляется в ходе определенных реакций. Принципиально новый подход к задаче регистрации нейтрино осуществил Раймонд Девис в начале 1960-х годов. Детектором нейтрино стал бак, заполненный 615 тоннами тетрахлорэтилена. Детектор был установлен на дне заброшенной шахты, чтобы толща земли задерживала все прилетающие частицы, кроме нейтрино, имеющих огромную проникающую способность. Атомы хлора, реагируя с нейтрино, превращались в атомы аргона. Эксперимент продолжался тридцать лет, и к 1994 году среди 2x10³⁰ атомов хлора было обнаружено порядка 2000 атомов аргона. Так Р. Девис впервые доказал, что " придуманная" частица действительно существует в природе.

Эксперименты по исследованию нейтрино продолжались, и вскоре стало ясно, что кроме электронного нейтрино n_е существуют мюонное и тау-нейтрино — n_m и n_t. Все они появляются только в ходе специфических реакций. Так, электронные нейтрино, приходящие от Солнца, возникают при термоядерных реакциях в его недрах. Эти реакции хорошо описывает так называемая Стандартная солнечная модель. Однако по мере роста точности эксперимента начало выясняться, что поток солнечных нейтрино в несколько раз слабее, чем следует из теории. Следовательно, либо Стандартная солнечная модель неверна и нуждается в пересмотре, либо электронные нейтрино по пути от Солнца меняют " сорт", превращаясь в мюонные. Такой процесс называется осцилляцией, он хорошо изучен на других частицах — мезонах — и возможен, если только нейтрино имеют массу. А это противоречило устоявшимся представлениям, что у нейтрино массы нет.

Выяснить истину смог Масатоши Кошиба. Он сконструировал нейтринный детектор в виде огромной емкости, заполненной сверхчистой водой и оснащенной несколькими тысячами фотоприемников. Они регистрируют световые вспышки (излучение Вавилова — Черенкова), которые вызывают в воде приходящие нейтрино. На первой модели детектора (" Камиоканде" ) в 1987 году М. Кошиба наблюдал нейтринную вспышку, пришедшую из Большого Магелланова облака — туманности, расположенной в 170 тысячах световых лет от Земли. Спустя девять лет он построил еще более крупный детектор — " Суперкамиоканде", на котором надежно установил: нейтрино испытывают осцилляции и, следовательно, имеют массу. Спустя несколько лет открытие подтвердили другие исследователи на своих установках. Эти работы были признаны революционными не только в области астрофизики, но и в физике элементарных частиц. Они заставили пересмотреть некоторые положения Стандартной модели элементарных частиц, которая рассматривала нейтрино как безмассовую частицу.

Еще один метод исследования Вселенной — рентгеновскую астрономию — создал Риккардо Джаккони. Он сконструировал рентгеновский телескоп с зеркалами, которые полностью отражают и фокусируют высокочастотное излучение, формируя изображение хорошего качества. На созданной аппаратуре он открыл несколько источников космического излучения в рентгеновском диапазоне. Большинство из них — двойные звезды: одна, обычная, вращается вблизи компактной и массивной нейтронной звезды или, возможно, черной дыры. Мощное поле тяготения центрального компонента вытягивает вещество звезды, которое движется с ускорением по спирали к центру, уплотняется и образует так называемый аккреционный диск. В нем атомы сталкиваются, тормозятся и начинают испускать рентгеновское излучение в плоскости диска.

В 1999 году Р. Джаккони построил рентгеновскую обсерваторию, названную " Чандра" в честь известного американского теоретика и астрофизика, нобелевского лауреата С. Чандрасекара. Ее аппаратура позволила обнаружить сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик и рентгеновские пульсары, получить уникальные снимки звезд, туманностей и других небесных объектов в рентгеновских лучах. А еще Р. Джаккони руководил исправлением космического телескопа " Хаббл", зеркало которого было изготовлено с грубой ошибкой.

Новые области науки, созданные трудами исследователей-лауреатов, — нейтринная и рентгеновская астрономия – открывают огромные возможности в исследовании Вселенной, результаты которых сегодня трудно предугадать.

(Наука и жизнь №12, 2002г. )