Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Казалось бы, для учёного, который пытается зарегистрировать нейтрино, всё это должно звучать приговором, но есть и обнадёживающее обстоятельство: каждую секунду сквозь тело человека проходит около 100 триллионов этих крохотных частиц. За ту же самую секунду сквозь него пролетает и около 100 высокоэнергетических тяжелых частиц из космоса, известных как космические лучи. Они могут быть потенциальной причиной рака, так как наносят заметный ущерб молекулам ДНК. К счастью, нейтрино, с их микроскопически малой вероятностью взаимодействия, проходят сквозь нас, не причиняя никакого вреда.

Нейтринная кухня

Откуда же берутся все эти нейтрино? Они могут образовываться везде, где синтезируются или распадаются частицы. Некоторые из них, возможно, существуют с начала Вселенной, со времён, когда начали происходить первые субатомные реакции. Миллиарды нейтрино приходят от Солнца, в глубине которого водород при термоядерном синтезе преобразуется в гелий. Благодаря участию сил слабого взаимодействия одним из важных побочных продуктов этого процесса является нейтрино. Кроме них и более знакомых нам фотонов Солнце посылает в нашу сторону и высокоэнергетические протоны. Космические лучи из разных источников врезаются в молекулы атмосферы; в результате происходят реакции такого же вида, как те, ради которых инженеры строят гигантские ускорители частиц. В каскадах этих реакций рождаются ливни нейтрино ещё более высоких энергий. Мы, будто в сцене из научно-фантастического кино, постоянно купаемся в потоках бесчисленных призрачных частиц, которые проходят сквозь нас незамеченными.

На фоне этого постоянного нейтринного ливня, непрерывно омывающего Землю и проникающего сквозь неё, наблюдаются кратковременные всплески – рост числа регистрируемых частиц. Это вестники звёздных взрывов. Выражение можно понимать буквально: связанные с этими процессами нейтрино могут достигать нас гораздо раньше, чем мы сможем увидеть – иногда даже невооружённым глазом – сами фотоны оптической вспышки.

Как взрывающиеся звёзды производят нейтрино? Рассмотрим очень массивную звезду, с массой раз в 10 больше солнечной. Мы уже видели, что ядерные печи в недрах таких звезд могут за за несколько десятков миллионов лет, последовательно выплавляя в своих ядерных топках всё более и более тяжёлые ядра, преобразовать исходные запасы водорода в железо, после чего термоядерное горение прекратится и внешние оболочки звезды обрушатся к центру. Мы говорили и о том, что в экстремальных условиях этого коллапса образуются и более тяжёлые элементы. Но в разрушающихся звёздных ядрах происходит и кое-что ещё.

Вспомним, что до самого затухания термоядерной печи центральная часть звезды представляет собой гигантский шар, состоящий из ядер железа. На Земле каждый его атом содержит 26 окружающих ядро электронов на своих орбиталях. Но при огромной температуре, которая достигается в центре звезды перед самым окончанием горения, никаких электронов вокруг железных ядер, конечно, нет: ядра не в силах их удержать. Тем не менее, сами эти маленькие отрицательно заряженные частицы в раскалённой плазме присутствуют. И, как только термоядерный пожар затухает, они начинают играть очень важную роль в разрушении звезды.

Когда внешние слои звезды обрушиваются к центру, железные ядра под огромным давлением прижимаются друг к другу настолько близко, что теряют индивидуальность. Ядро звезды, в сущности, становится гигантским атомным ядром, колоссальным шаром из протонов и нейтронов. Но, в отличие от обычного атомного ядра, в их смеси присутствуют и электроны.

В этой невероятной среде, условия которой мы никогда не сможем воспроизвести на Земле, электроны при посредстве слабого взаимодействия втискиваются в протоны, образуя нейтроны. И при каждом таком маленьком акте творения в виде побочного продукта образуется нейтрино. Общее число образуемых нейтронов достигает гигантского значения: почти 10⁶⁰, а это значит, что ядро звезды испускает такое же огромное количество нейтрино. Самое поразительное – то, что физики действительно зарегистрировали нейтрино, созданные в ходе таких катаклизмов.

Обозначение SN1987A[47], скорее всего, ничего не говорит 99,99 % населения Земли. Но все астрономы узнают его мгновенно. Так была названа сверхновая, вспыхнувшая в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике в окрестности нашего Млечного Пути. И в конце февраля 1987 года, впервые в истории астрономии, на Земле были зарегистрированы пришедшие от неё нейтрино. Это, кстати, была самая яркая сверхновая, наблюдавшаяся с Земли за почти четыре столетия: в течение нескольких недель её можно было видеть даже простым глазом. Она и сейчас остаётся объектом изучения для многих астрономов.