Сверхновые нейтрино. Как они рождаются, как мы их ждем, и почему это интересно

Физика нейтрино стремительно развивается. Месяц назад было объявлено о регистрации нейтрино от гамма-всплеска — ключевом событии в нейтринной астрофизике. В данной статье же мы поговорим о регистрации нейтрино от сверхновых. Один раз человечеству уже повезло их задетектировать. Расскажу немного о том, что собственно за звери такие «сверхновые», зачем они испускают нейтрино, почему эти частицы так важно зарегистрировать и, наконец, как это пытаются сделать с помощью обсерваторий на южном полюсе, на дне Средиземного моря и Байкала, под горами Кавказа и в Альпах. По ходу дела узнаем что такое «урка-процесс» — кто у кого что ворует и почему.

После о-очень большого перерыва продолжаю цикл статей по нейтринной физике. В первой публикации мы говорили о том, как вообще придумали такую частицу и как ее зарегистрировали, во второй я рассказывал про удивительный феномен нейтринных осцилляций. Сегодня речь пойдет про частицы, которые прилетают к нам из-за пределов Солнечной системы.

Коротко о сверхновых

Звезды, которые мы видим на ночном небе, не пребывают в одном и том же состоянии вечно. Как и все, окружающее нас на Земле, они рождаются, долгое время стабильно светят, но в конце концов они уже не могут поддерживать прежнего горения и умирают. Вот как может выглядеть жизненный путь звезды на примере Солнца:

(с) Википедия. Жизненный цикл Солнца

Как можно видеть, в конце своей жизни Солнце стремительно увеличится с размерах вплоть орбиты Земли. Но финал будет достаточно мирным — оболочка будет сброшена и станет красивой планетарной туманностью. Ядро звезды при этом превратится в белый карлик — компактный и очень яркий объект. Но не все звезды заканчивают свой путь так же мирно, как и Солнце. При достаточно большой массе (>6–7 масс Солнца) может произойти взрыв чудовищной мощности, это и будет называться вспышкой сверхновой.

Почему же взрыв?

Топливом для звезд служит водород. В течение жизни звезды он превращается в гелий с выделением энергии. Именно отсюда берется энергия для свечения звезд. Со временем водород кончается, и уже гелий начинает превращаться дальше по таблице Менделеева в более тяжелые элементы. Такой процесс высвечивает больше энергии и верхний слои звезды начинают вспухать, звезда краснеет и сильно расширяется. Но превращение элементов не бесконечно, в стабильном режиме оно может дойти только до железа. Дальше процесс уже энергетически не выгоден. И вот, у нас есть огромная-огромная звезда с железным ядром, которое уже почти не свети, а значит и нет светового давления изнутри. Верхние слои начинают стремительно падать на ядро. И тут возможны два сценария. Вещество может тихо и мирно, без всякого вращения и колебаний упасть на ядро. Но вот вспомните, часто вам удается слить воду из ванны/раковины так, чтобы не образовалась воронка? Малейшее колебание и вещество закрутится, возникнут колебания, нестабильности…

Технически супер-стабильный сценарий возможен, даже наблюдалось два кандидата. Звезда расширялась-расширялась и вдруг исчезла. Но интереснее же, когда звезда идет вразнос!

Симуляция коллапса ядра тяжелой звезды. Много месяцев работы нескольких суперкомпьютеров позволили оценить, как именно будут возникать и развиваться нестабильности в ядре сжимающейся звезды.

Уже упоминалось, что в ядрах звезд могут образовываться элементы только до железа. Откуда же тогда во Вселенной возникли остальные ядра атомов? Имеено в процессе взрыва сверхновой возникают чудовищные температуры и давления, которые делают возможным синтез тяжелых элементов. Честно говоря, тот факт, что все атомы, которые мы видим вокруг, когда-то горели в центре звезд до сих пор меня сильно шокирует. А уж то, что вся ядра тяжелее железа обязаны были родиться во вспышке сверхновой, так вообще за гранью осознания.

(С) Symmetry magazine

Вообще говоря, может быть еще и другая причина взрыва. Вокруг общего центра вращается пара звезд, одна из которых белый карлик. Он потихоньку ворует вещество звезды-партнера и наращивает свою массу. Если он резко перетянет на себя много вещества, то неизбежно взорвется — просто не сможет удержать все вещество на поверхности. Такая вспышка получила названия сверхновой Ia и сыграла ключевую роль в определении расстояний во Вселенной. Но такие вспышки почти не дают нейтрино, поэтому в дальнейшим мы сконцентрируемся на взрывах массивных звезд.

Урка-процесс или кто ворует энергию

Пора переходить к нейтрино. Проблемы с созданием теории взрыва сверхновых была связана, как это часто бывает, с законом сохранения энергии. Баланс дебета/кредита упорно не сходился. Ядро звезды должно высветить просто огромное количество энергии, но вот каким способом? Если излучать обычный свет (фотоны), то они завязнут во внешних оболочках ядра. Из ядра Солнца фотоны выбираются на поверхность за десятки, а то и сотни миллионов лет. А в случае сверхновой давления и плотности на порядки выше. Решения нашли Георгий Гамов и Марио Шёнберг. Как-то будучи в Рио-де-Жанейро Гамов играл в рулетку. Наблюдая, как деньги превращаются в фишки, а потом без всякого сопротивления покидают владельца, ему пришло в голову, как можно применить такой же механизм к звездному коллапсу. Энергия должна перейти во что-то, что чрезвычайно слабо взаимодействует. Как вы уже могли догадаться, такой частицей является нейтрино.

Казино, в котором пришло такое озарение носило название «Урка» (Casino-da-Urca). С легкой руки Гамова этот процесс стал именоваться Урка-процессом (Urca process). Как утверждал автор модели, исключительно в честь казино. Но есть стойкое подозрение, что одессит и знатный тролль шутник Гамов вложил в это понятие и другой смысл.

Итак, нейтрино уворовывает львиную долю энергии у взрывающейся звезды. Только благодаря этим частицам сам взрыв становится возможным. Какие же нейтрино мы ждем? Звезда, как и привычное нам вещество, состоит из протонов, нейтронов и электронов. Чтобы соблюсти все законы сохранения: электрического заряда, количества материи/антиматерии, наиболее вероятно рождение именно электронного нейтрино.

Почему нейтрино от сверхновых так важны?

Практически всю историю астрономии люди изучали вселенную только при помощи приходящих электро-магнитных волн. Они несут очень много информации, но многое остается скрытым. Фотоны легко рассеиваются в межзвездной среде. Для разных длин волн межзвездная пыль и газ являются непрозрачными. В конце концов сами звезды для нас совершенно непрозрачны. Нейтрино же способно принести информацию из самого эпицентра событий, рассказав о процессах с бешеными температурами и давлениями — с теми условиями, которые мы вряд ли когда-нибудь получим в лаборатории.

(с) Irene Tamborra. Нейтрино — идеальные переносчики информации во Вселенной.

Мы достаточно мало знаем, как ведет себя вещество при таких запредельных режимах, какие достигаются в ядре взрывающейся звезды. Здесь сплетаются все разделы физики: гидродинамика, физика частиц, квантовая теория поля, теория гравитации. Любая информация «оттуда» сильно помогла бы в расширении наших знаний о мире.

Только представьте, светимость взрыва в нейтрино в 100 (!) раз больше, чем в оптическом диапазоне. Было бы невероятно интересно получить такой объем информации. Нейтринное излучение настолько мощное, что эти почти невзаимодействующие частицы убили бы человека, случись ему находиться рядом со взрывом. Не сам взрыв, а исключительно нейтрино! Частица, которая гарантированно остановится пролетев 1018 километров в свинце — в 10 миллионов раз больше радиуса орбиты Земли.

Большим бонусом является то, что нейтрино должны прийти к нам даже раньше светового сигнала! Ведь фотонам нужно много времени, чтобы выйти из ядра звезды, нейтрино же беспрепятственно пройдут сквозь него. Опережение может достигать целых суток. Таким образом нейтринный сигнал будет являться триггером для перенаправления всех доступных телескопов. Мы будем точно знать куда и когда смотреть. А ведь самые первые моменты взрыва, когда яркость взлетает и падает по экспоненте — самые важные и интересные для науки. Как уже говорилось, взрыв сверхновой невозможен без вспышки нейтрино. Тяжелые химические элементы просто не могут образоваться без нее. А вот без вспышки света — вполне возможно. В таком случае нейтрино будет являться нашим единственным источником информации об этом уникальном процессе.

Сверхновая 1987 года

70е годы были отметились бурным ростом теорий великого объединения. Все четыре фундаментальные силы мечтали объединить единым описанием. У таких моделей было очень необычное следствие — привычный протон обязан был распадаться. Для поиска этого редкого события было построено несколько детекторов. Среди них сильно выделялась установка Камиоканде, расположенная в горах Японии.

Википедия. Детектор Камиоканде.

Огромный бак с водой произвел наиболее точные измерения для того времени, но… ничего не нашел. На те годы как раз приходился рассвет нейтринной физики. Было принято, как оказалось, очень дальновидное решение слегка усовершенствовать установку и переориентироваться на нейтрино. Установку усовершенствовали, несколько лет боролись с мешающими фоновыми процессами и в начале 1987 года начали получать хорошие данные. И тут, почти сразу после включения, 23 февраля:

Сигнал от сверхновой SN1987a в детекторе Камиоканде II.

По горизонтальной оси время в минутах.Источник.

Чрезвычайно короткий и четкий сигнал. На следующий день астрономы рапортуют о вспышке сверхновой в Магеллановом облаке — спутнике нашей галактики. Это было первое событие, когда астрофизики смогли наблюдать развитие вспышки с самых ранних стадий. Максимума она достигла только в мае и затем начала медленно затухать. Камиоканде выдал как раз то, что ожидалось увидеть от сверхновой — электронные нейтрино. Но новый детектор, только начавший набирать данные… Подозрительно это. На счастье, он был не единственным нейтринным детектором на тот момент. В соляных шахтах Америки был размещен детектор IMB. По своей логике работы он был похож на Камиоканде. Огромный куб, заполненный водой и окруженный фотосенсорами. Быстро пролетающие частицы начинают светиться, и это излучение фиксируется огромными фотоумножителями.

Детектор IMB в бывшей соляной шахте в США.

Пару слов стоит сказать о физике космических лучей в СССР. Здесь сложилась очень сильная школа физики лучей сверхвысоких энергий. Вадим Кузьмин в своих работах первым показал чрезвычайную важность изучения частиц, прилетающих из космоса — в лаборатории мы вряд ли когда-нибудь получим такие энергии. Фактически его группой были заложены основы современной физики лучей сверхвысоких энергий и нейтринной астрофизики.

Естественно, теорией такие исследования ограничиться не могли, и с начала 80х годов на Баксане (Кавказ) под горой Андырчи ведут набор данных сразу два эксперимента. Один из них ориентирован на изучение солнечных нейтрино. Он сыграл важную роль в решении проблемы солнечных нейтрино и открытии нейтринных осцилляций. Об этом я рассказывал в предыдущей статье. Второй же — нейтринный телескоп, был построен специально для регистрации нейтрино огромных энергий, прилетающих из космоса.

Телескоп представляет из себя три слоя баков с керосином, к каждому прикреплен фотодетектор. Такая установка позволяла восстановить трек частицы.

Один из слоев нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории

Итак, три детектора увидели увидели нейтрино от сверхновой — уверенный и чрезвычайно удачный старт в нейтринную астрофизику!

Нейтрино, зарегистрированные тремя детекторами: Супер-Камиоканде в горах Японии, IMB в США и в Баксанском ущелье на Кавказе. Источник

А вот так с годами менялась планетарная туманность, образованная сброшенная при взрыве оболочкой звезды.

(с) Irene Tamborra. Так выглядят остатки сверхновой 1987 года после взрыва.

Разовая акция или…

Вполне закономерен вопрос — а насколько часто нам будет так «везти». К сожалению, не очень. История наблюдений говорит, что предыдущая сверхновая в нашей галактике взорвалась в 1868 году, но ее не наблюдали. А последняя из обнаруженных аж в 1604 году. Но! Каждую секунду где-то во Вселенной происходит вспышка! Далеко, но зато часто. Такие взрывы создают диффузный фон, чем-то похожий на реликтовое излучение. Он приходит со всех сторон и примерно постоянный. Мы можем вполне успешно оценить интенсивность и энергии, на которых следует искать такие события. На картинке показаны потоки от всех известных нам источников нейтрино:

Источник. Спектр нейтрино на Земле от всех возможных источников.

Бардовая кривая повыше — это нейтрино от сверхновой 1987 года, а та, что пониже — это фот от ежесекундно взрывающихся во Вселенной звезд. Если мы будем достаточно чувствительны и сумеем отличить эти частицы от того, что приходит, например, от Солнца или от реакторов, то регистрация вполне возможна. Больше того, Супер-Камиоканде уже подобрался к необходимой чувствительности. Ему осталось улучшить ее на порядок. Как раз сейчас детектор открыт, проходит профилактику, после чего в него будет добавлено новое активное вещество, которое существенно улучшит его эффективность. Так что будем продолжать наблюдения и ждать.

Как сейчас ищут нейтрино от сверхновых

Для поиска событий от взрывов звезд могут использоваться два типа детекторов. Первый — это черенковский детектор. Понадобится большой объем прозрачного плотного вещества — вода или лед. Если частицы, рожденные нейтрино будут двигаться со скоростью, большей скорости света в среде, то мы будем видеть слабое свечение. Осталось только установить фотодетекторы. Из минусов такого способа — мы видим только достаточно быстрые частицы, все, что меньше определенной энергии, от нас ускользает. Так работали уже упоминавшиеся IMB и Камиоканде. Последний был усовершенствован до Супер-Камиоканде, став огромный 40 метровым цилиндром с 13 000 фотосенсоров. Сейчас детектор открыт после 10 летнего набора данных. В нем заделают течи, почистят от бактерий и добавят немного вещества, чувствительного к нейтронам и он снова вернется в строй.

Супер-Камиоканде на профилактике. Больше масштабных фото и видео тут.

Можно использовать этот же метод детектирования, но вместо искусственных аквариумов использовать природные водоемы. Например, чистейшие воды озера Байкал. Там сейчас разворачивается телескоп, который охватит два кубических километра воды. Это в 40 раз больше Супер-Камиоканде. Но детекторы там ставить не так удобно. Обычно используют гирлянду из шаров, в которые вставляют несколько фотосенсоров.

Источник

Очень похожий концепт реализуется в Средиземном море, тут построен и работает детектор Antares, планируется построение огромного KM3Net, который будет просматривать куб. километр морской воды.

Все бы хорошо, но в морях плавает куча всякой живности. В результате приходится разрабатывать специальные нейросети, которые будут отличать нейтринные события от проплывающих рыбешек. Но не обязательно экспериментировать с водой! Антарктический лед достаточно прозрачен, детекторы в нем устанавливать проще, не было бы еще так холодно… На Южном полюсе функционирует детектор IceCube — в толще кубического километра льда впаяны гирлянды фотосенсоров, которые ищут следы нейтринных взаимодействий во льду.

Иллюстрация события в детекторе IceCube.

Теперь перейдем ко второму способу. Вместо воды можно использовать активное вещество — сцинтиллятор. Эти вещества сами светятся, когда через них проходит заряженная частица. Если набрать большую ванну такое вещества, то получится очень чувствительная установка. Например, в детекторе Borexino в Альпах используется чуть меньше 300 тонн активного вещества.

Borexino.

Китайский DayaBay использует 160 тонн сцинтиллятора.

DayaBay.

Но рекордсменом готовится стать тоже китайский эксперимент JUNO, который вместит в себя аж 20 000 тонн жидкого сцинтиллятора. Как можно заметить, сейчас работает огромное число экспериментов, готовых к регистрации нейтрино от сверхновой. Я перечислил лишь некоторые из них, чтобы не закидывать вас шквалом похожих фотографий и схем.

Стоит отметить, что ожидание сверхновой, это не основная цель для всех из них. Например KamLand и Borexino построили великолепную карту источников антинейтрино на Земле — в основном это реакторы и радиоактивные изотопы в недрах; IceCube постоянно наблюдает за нейтрино сверхвысоких нейтрино из космоса; СуперКамиоканде изучает нейтрино от Солнца, из атмосферы и от соседнего ускорителя J-PARC.

Чтобы как-то объединить эти эксперименты была разработана даже система триггеров и оповещений. Если один из детекторов видит что-то, похожее на событие от сверхновой, тут же приходит сигнал на другие установки. Также незамедлительно оповещаются гравитационные телескопы и оптические обсерватории, которые переориентируют свои инструменты в сторону подозрительного источника. Даже астрономы любители могут подписаться на оповещения и, если повезет, они смогут внести свой вклад в эти исследования.

Но, как рассказывают коллеги с Borexino, часто сигнал от сверхновой бывает вызван уборщицей, оказавшейся среди кабелей… Что же мы ожидаем увидеть, если нам немножко повезет? Количество событий сильно зависит от объема детектора и колеблется от неуверенных 100 до шквала в миллион событий. Что уж говорить об экспериментах следующего поколения: Гипер-Камиоканде, JUNO, DUNE — они станут в разы более чувствительными.

Что бы мы увидели сейчас в случае взрыва сверхновой в нашей галактике.

Уже завтра в галактике вполне может вспыхнуть сверхновая звезда и мы будем готовы принять послание из самого эпицентра чудовищного взрыва. А также скоординировать и направить доступные оптические телескопы и детекторы гравитационных волн.

P.S. Отдельное спасибо хочется сказать ЦЕРНач'у, выдавшему моральный пинок для написания статьи. Очень советую подписаться, если интересны новости/фото/мемы из мира физики частиц.