Андреа Петерсон — научный сотрудник Карлтонского университета, занимающаяся изучением физики элементарных частиц. Андреа является соавтором интересной работы под названием Neutrino Lighthouse at Sagittarius A* (Нейтринный маяк в Стрельце А*), опубликованной в Архиве летом 2014 года. Недавно в блоге Chandra появилась заметка Андреи о том, как и где ученые регистрируют и изучают нейтрино — одну из самых интересных и загадочных элементарных частиц. Ниже мы пуликуем перевод ее записи с небольшими дополнениями.
—————————-
Нейтрино — это элементарные частицы, которые движутся по просторам Вселенной на околосветовых скоростях. Нейтрино очень редко взаимодействуют с другими частицами и поэтому почти всегда беспрепятственно пролетают через любую преграду, например через ваше тело, мое тело, или любой другой объект, который встречается им на пути. Эти частицы-призраки могут стать настоящей находкой для астрономов: ведь летя от своего источника, они попадают напрямую к нам, ничем не поглощаясь и не отражаясь обратно. Изучая их, мы можем получать исчерпывающую информацию о самом источнике из далеких уголков Вселенной.
Но есть одна «небольшая» проблема, которую вы, наверное, уже заметили. Если нейтрино почти никогда ни с чем не взаимодействуют, как тогда мы можем их «поймать» и изучить? Ведь для этого нужно, чтобы они хоть каким-то образом влияли на наш детектор!
Детектор нейтрино обычно представляет собой резервуар, заполненный веществом (например водой), в котором по различным признакам выявляется взаимодействие нейтрино с элементарными частицами этого вещества.
Решение проблемы — размер. Чем больше объем детектора, тем больше количество вещества, через которое придется лететь нейтрино, а чем больше площадь — тем больше нейтрино попадет в детектор. Всё это увеличиват шанс того, что нейтрино всё-таки проявит себя через одну из возможных реакций.
Каждую секунду через площадку в 1 см² на Земле проходит около 60 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем.
Представьте себе: в нейтринной обсерватории IceCube (англ. Ледяной куб), расположенной на Южном полюсе, в качестве детектора используется один кубический километр арктического льда. Но за три года этот гигантский детектор уловил всего 36 нейтрино, которые скорее всего прилетели от космических источников.
Здесь и начинается моя работа. Я занимаюсь исследованиями в области теории элементарных частиц и моя работа заключается в том, чтобы определить, где и как возникли обнаруженные нейтрино. И так как нейтринная астрономия, можно сказать, только зарождается, существует много интересных теорий и идей, пытающихся объяснить природу зарегистрированных нейтрино. Вообще же мы связываем возникновение нейтрино с различными известными мощными источниками других видов излучения, например гамма-всплесками, суперновыми и активными ядрами галактик. Или вовсе с более экзотическими явлениями, такими как распад темной материи.
Определить, где именно возникли зарегистрированные нейтрино достаточно тяжело, а иногда просто невозможно точно указать направление на их источник. Дело в том, что в детекторах большинство нейтрино оставляет после себя множество разбросанных следов из образовавшихся в результате столкновения элементарных частиц. Для реконструкции пути нейтрино в лаборатории IceCube применяются очень сложные алгоритмы, но даже это позволяет сузить область поиска источника лишь до десяти (и более) квадратных градусов на небе. Каждая такая область может содержать очень много потенциальных источников нейтринного излучения.
К счастью, есть несколько способов, с помощью которых можно решить эту проблему. Во-первых, регистрация многих нейтрино, прилетевших из одной и той же части неба, позволит сузить область поиска их источника и обнаружить его. К сожалению, пока таких группировок нейтрино не обнаружено, но со временем эта ситуация должна измениться.
Во-вторых, мощные космические источники, способные «производить» нейтрино больших энергий, обычно также являются источниками рентгеновского и гамма-излучения и космических лучей (протонов и альфа-частиц), и излучают они не постоянно, а вспышками. Такие источники хорошо известны или могут быть достаточно легко обнаружены. Мы можем сопоставить время и направление, в котором регистрируются вспышки излучения (например с помощью телескопа Chandra), со временем рагистрации и направлением нейтрино. Если оба времени и позиции совпадают, мы можем с большой точностью утверждать, что источник нейтрино обнаружен.
И один раз такой источник уже был найден. В феврале 1987 в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая SN 1987A, а за несколько часов до того, как видимый свет от сверхновой достиг Земли, сразу в трех различных обсерваториях были зарегистрированы вспышки нейтрино. Это был первый подтвержденный случай регистрации нейтрино, возникших за пределами Солнечной системы.
В одной из наших последних работ мои коллеги и я указываем на то, что и в нашей Галактике, похоже, есть объект, интенсивно излучающий нейтрино. Этот объект — Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного пути.
Стрелец А* находится в 26000 световых лет от нас, его масса приблизительно равна 4 миллионам масс Солнца, и большую часть времени Стрелец А* слабо светится в рентгеновском диапазоне. Однако иногда мы регистрируем сильнейшие вспышки излучения с интенсивностью в сто раз большей, чем обычный уровень излучения из центра Галактики.
9 февраля 2012 года телескоп Chandra зарегистрировал самую мощную из таких вспышек. Примерно через два часа детектор IceCube «поймал» нейтрино, прилетевшее из той же области неба. Вероятность того, что это совпадение, очень мала, и мы думаем, что вспышки рентгеновского излучения в Стрельце А* действительно сопровождаются такими же интенсивными вспышками нейтрино.
Хотя мы пока в точности не знаем, какие процессы происходят вокруг сверхмассивных черных дыр, некоторые процессы можно описать уже сейчас. В теории, черные дыры окружены облаками газа и пыли, где разогнанные до очень высоких скоростей частицы постоянно сталкиваются друг с другом. При столкновении электронов образуется рентгеновское излучение; при столкновении протонов образуются заряженные пионы (частицы, не цветы), которые затем распадаются, излучая нейтрино; столкновения протонов также могут привести к образованию нейтральных пионов, которые распадаются на гамма-лучи. Таким образом, при обнаружении одного из видов излучений, например гамма-лучей, мы можем ожидать, что такой источник должен также излучать нейтрино и рентгеновские лучи. Добавьте сюда все остальные части спектра (а может, когда-нибудь, даже и гравитационное излучение) — и пазл сложится в одну общую картинку.
Изучая объекты космоса во всех доступных видах излучения можно составить четкое представление о сути этих объектов и процессов в них происходящих. В этом деле все сферы астрономии важны, и нейтринная астрономия занимает среди этих дисциплин свое почетное место.