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

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

image

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. Физика нейтрино стремительно развивается. 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.

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. 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. 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:

Жизненный цикл Солнца
(с) Википедия.

Но финал будет достаточно мирным — оболочка будет сброшена и станет красивой планетарной туманностью. Как можно видеть, в конце своей жизни Солнце стремительно увеличится с размерах вплоть орбиты Земли. Ядро звезды при этом превратится в белый карлик — компактный и очень яркий объект.

При достаточно большой массе (>6-7 масс Солнца) может произойти взрыв чудовищной мощности, это и будет называться вспышкой сверхновой. Но не все звезды заканчивают свой путь так же мирно, как и Солнце.

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 светит, а значит и нет светового давления изнутри. Верхние слои начинают стремительно падать на ядро.

Вещество может тихо и мирно, без всякого вращения и колебаний упасть на ядро. И тут возможны два сценария. Малейшее колебание и вещество закрутится, возникнут колебания, нестабильности… Но вот вспомните, часто вам удается слить воду из ванны/раковины так, чтобы не образовалась воронка?

Звезда расширялась-расширялась и вдруг исчезла. Технически супер-стабильный сценарий возможен, даже наблюдалось два кандидата. 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.

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

image
(С) Symmetry magazine

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

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.

Как-то будучи в Рио-де-Жанейро Гамов играл в рулетку. Решения нашли Георгий Гамов и Марио Шёнберг. Энергия должна перейти во что-то, что чрезвычайно слабо взаимодействует. 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. Как вы уже могли догадаться, такой частицей является нейтрино.

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

Только благодаря этим частицам сам взрыв становится возможным. Итак, нейтрино уворовывает львиную долю энергии у взрывающейся звезды.

Звезда, как и привычное нам вещество, состоит из протонов, нейтронов и электронов. Какие же нейтрино мы ждем? 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.

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

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

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

Ведь фотонам нужно много времени, чтобы выйти из ядра звезды, нейтрино же беспрепятственно пройдут сквозь него. Большим бонусом является то, что нейтрино должны прийти к нам даже раньше светового сигнала! Таким образом нейтринный сигнал будет являться триггером для перенаправления всех доступных телескопов. Опережение может достигать целых суток. А ведь самые первые моменты взрыва, когда яркость взлетает и падает по экспоненте — самые важные и интересные для науки. Мы будем точно знать куда и когда смотреть.

Тяжелые химические элементы просто не могут образоваться без нее. Как уже говорилось, взрыв сверхновой невозможен без вспышки нейтрино. В таком случае нейтрино будет являться нашим единственным источником информации об этом уникальном процессе. А вот без вспышки света — вполне
возможно.

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.

Среди них сильно выделялась установка Камиоканде, расположенная в горах Японии. Для поиска этого редкого события было построено несколько детекторов.

Детектор Камиоканде.
Википедия.

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

И тут, почти сразу после включения, 23 февраля:

По горизонтальной оси время в минутах.Источник.
Сигнал от сверхновой SN1987a в детекторе Камиоканде II.

На следующий день астрономы рапортуют о вспышке сверхновой в Магеллановом облаке — спутнике нашей галактики. Чрезвычайно короткий и четкий сигнал. Максимума она достигла только в мае и затем начала медленно затухать. Это было первое событие, когда астрофизики смогли наблюдать развитие вспышки с самых ранних стадий.

Но новый детектор, только начавший набирать данные… Подозрительно это. Камиоканде выдал как раз то, что ожидалось увидеть от сверхновой — электронные нейтрино. На счастье, он был не единственным нейтринным детектором на тот момент.

По своей логике работы он был похож на Камиоканде. В соляных шахтах Америки был размещен детектор IMB. Быстро пролетающие частицы начинают светиться, и это излучение фиксируется огромными фотоумножителями. Огромный куб, заполненный водой и окруженный фотосенсорами.


Детектор IMB в бывшей соляной шахте в США.

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

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

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


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!

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

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

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

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.

Каждую секунду где-то во Вселенной происходит вспышка! Но! Такие взрывы создают диффузный фон, чем-то похожий на реликтовое излучение. Далеко, но зато часто. Мы можем вполне успешно оценить интенсивность и энергии, на которых следует искать такие события. Он приходит со всех сторон и примерно постоянный.

На картинке показаны потоки от всех известных нам источников нейтрино:

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.
Источник. Если мы будем достаточно чувствительны и сумеем отличить эти частицы от того, что приходит, например, от Солнца или от реакторов, то регистрация вполне возможна.

Ему осталось улучшить ее на порядок. Больше того, Супер-Камиоканде уже подобрался к необходимой чувствительности. Так что будем продолжать наблюдения и ждать. Как раз сейчас детектор открыт, проходит профилактику, после чего в него будет добавлено новое активное вещество, которое существенно улучшит его эффективность.

Как сейчас ищут нейтрино от сверхновых

Для поиска событий от взрывов звезд могут использоваться два типа детекторов.

Понадобится большой объем прозрачного плотного вещества — вода или лед. Первый — это черенковский детектор. Осталось только установить фотодетекторы. Если частицы, рожденные нейтрино будут двигаться со скоростью, большей скорости света в среде, то мы будем видеть слабое свечение. Из минусов такого способа — мы видим только достаточно быстрые частицы, все, что меньше определенной энергии, от нас ускользает.

Последний был усовершенствован до Супер-Камиоканде, став огромный 40 метровым цилиндром с 13 000 фотосенсоров. Так работали уже упоминавшиеся IMB и Камиоканде. В нем заделают течи, почистят от бактерий и добавят немного вещества, чувствительного к нейтронам и он снова вернется в строй. Сейчас детектор открыт после 10 летнего набора данных.

Больше масштабных фото и видео тут.

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


Источник

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

В результате приходится разрабатывать специальные нейросети, которые будут отличать нейтринные события от проплывающих рыбешек. Все бы хорошо, но в морях плавает куча всякой живности.

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. Но не обязательно экспериментировать с водой!


Иллюстрация события в детекторе IceCube.

Вместо воды можно использовать активное вещество — сцинтиллятор. Теперь перейдем ко второму способу. Если набрать большую ванну такое вещества, то получится очень чувствительная установка. Эти вещества сами светятся, когда через них проходит заряженная частица.

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.

Я перечислил лишь некоторые из них, чтобы не закидывать вас шквалом похожих фотографий и схем. Как можно заметить, сейчас работает огромное число экспериментов, готовых к регистрации нейтрино от сверхновой.

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. Стоит отметить, что ожидание сверхновой, это не основная цель для всех из них.

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

Но, как рассказывают коллеги с Borexino, часто сигнал от сверхновой бывает вызван уборщицей, оказавшейся среди кабелей…

Количество событий сильно зависит от объема детектора и колеблется от неуверенных 100 до шквала в миллион событий. Что же мы ожидаем увидеть, если нам немножко повезет? 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.

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

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


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Справочная: Яндекс.Телефон

Чтобы без прикрас — и про раздражающий вибромотор, и про классное решение с цветовым фильтром, и про глянцевый корпус, собирающий отпечатки, и про милую Я-скрепку, которая неуловимо похожа на автомат Калашникова. Комментарии под постом «Яндекса» про их «Телефон» ясно дали ...

Что если разделение прибыли 30/70 перестанет быть стандартом геймдева?

На середине разработки игры могут поменяться движок, жанр, сюжет и сеттинг, но одно известно точно — когда игра выйдет, магазины заберут 30% прибыли. Геймдев — индустрия полная неопределенностей. С одной стороны его диктуют закрытые платформы, вроде игровых консолей или айфонов, ...