FUTURYCON

Что такое нейтрино и почему они важны?

Нейтрино — одни из самых маленьких известных элементарных частиц. Они не имеют электрического заряда, обладают крайне малой массой и настолько слабо взаимодействуют с материей, что большинство из них пролетают сквозь Землю, не оставляя и следа. По словам члена Нобелевского комитета по физике Улле Эрикссона, каждую секунду через ноготь большого пальца человека проходит около 65 миллиардов нейтрино, и мы этого совершенно не ощущаем.

Однако именно эта «неуловимость» делает нейтрино бесценным инструментом для астрофизиков. Космические лучи несут электрический заряд и отклоняются магнитными полями на своём пути, поэтому проследить их происхождение невозможно. Нейтрино же электрически нейтральны и движутся практически по прямой линии, что позволяет учёным «прочертить» траекторию обратно к тому источнику, где они родились — будь то сверхновая, чёрная дыра или активное ядро далёкой галактики.

Гениальная идея: лёд Антарктиды как телескоп

История открытия началась в 1988 году, когда Халзен предложил смелую и, казалось бы, безумную идею: использовать лёд Антарктиды в качестве гигантского детектора нейтрино. Суть замысла такова: когда нейтрино сталкивается с атомным ядром во льду, образуется заряженная частица, которая порождает слабую вспышку синего света — так называемое черенковское излучение. Световые сенсоры, погружённые глубоко в лёд, могут зафиксировать эту вспышку и восстановить направление, откуда пришло нейтрино.

Реализация этой идеи потребовала почти двух десятилетий. Детектор IceCube — массив из 5160 оптических модулей, встроенных в кубический километр антарктического льда на глубине от 1450 до 2450 метров, — был завершён в 2011 году. Глубина имеет решающее значение: на такой глубине лёд исключительно чист — без пузырьков воздуха, пыли и грязи, что позволяет слабым вспышкам света распространяться на сотни метров, прежде чем они будут поглощены. Стоимость проекта составила 271 миллион долларов, и в нём участвуют около 450 исследователей.

Триумф терпения

Сам Халзен признался, что успех отнюдь не был гарантирован: «После полутора десятилетий разработки и ещё одного десятилетия строительства не было никакой гарантии, что мы вообще что-нибудь увидим. Многие считали, что мы не увидим, но мы увидели». В 2013 году коллаборация IceCube опубликовала первые убедительные доказательства существования высокоэнергетических нейтрино, приходящих из далёкого космоса. Учёные обнаружили, что нейтрино с огромными энергиями, превышающими энергию солнечных нейтрино в сотни миллионов и даже миллиарды раз, действительно существуют.

Это открытие означало, что где-то во Вселенной действуют природные ускорители, способные разгонять частицы до энергий, недостижимых ни на одном земном коллайдере, включая Большой адронный коллайдер.

Значение для науки

Работы Халзена заложили основу совершенно нового направления — астрофизики высоких энергий. Открытие высокоэнергетических космических нейтрино сформировало область нейтринной и мультимессенджерной астрономии, которая дополняет традиционные электромагнитные наблюдения и гравитационно-волновые исследования независимым источником информации о самых энергетичных процессах во Вселенной.

«Фрэнсис Халзен возглавил международную команду исследователей и инженеров, создавших для нас фантастический прибор. Его упорство и научное видение открыли дорогу новому типу астрономии», — заявил председатель Нобелевского комитета по физике Марк Пирс.

Сам лауреат, узнав о награде, был искренне удивлён: «Это было большой неожиданностью, и я, очевидно, этого не ожидал. Это отражает вклад по-настоящему смелых людей, которые присоединились ко мне в этом проекте, когда ни один уважающий себя консервативный физик не стал бы этого делать. Но многие талантливые люди это сделали — и именно поэтому я здесь».

Премия 2026 года — это не только признание заслуг одного учёного, но и символическое завершение долгого пути нейтринной физики: от теоретического предсказания Вольфганга Паули в 1930-х годах до первого обнаружения частицы в 1956 году и, наконец, до превращения нейтрино в полноценный астрономический инструмент, открывающий человечеству новые горизонты познания Вселенной.

Экстраполируя эту формулу в обоих направлениях можно вывести уровни энергопотребления для типов цивилизаций, не входивших в изначальную шкалу.

Так цивилизация типа 0 контролирует до одного мегаватта энергии – это эквивалентно сотне горящих одновременно костров.

Но не меньше в этой теме интригует необходимость объяснять «как во Вселенной появилась та сложность, которую мы наблюдаем вокруг себя?».

Смысл здесь не только в том, что вероятность самопроизвольного формирования структур, которые нас окружают и нас самих из неорганизованной материи крайне низкая.

Странным является то, что согласно теории, в момент большого взрыва Вселенная была предельно простой и поэтому величина ее энтропии была самой низкой из возможных, но в будущем энтропия должна стать максимальной - Вселенной предсказана тепловая смерть.

Парадокс и состоит в том, что на этом пути - от низкой к высокой энтропии, - во Вселенной возникли такие сложные высокоорганизованные системы как человек.

Поскольку теоретически считалось, что гравитационные волны распространяются со скоростью света примерно равной 300 тыс. км в секунду, то от одного до другого детектора волна должна доходить за 10 мc.

Но при первой в истории регистрации гравитационных волн в 2015 году, один детектор зафиксировал сигнал всего на 7 мс раньше, чем второй. Это объясняется тем, что фронт волны не распространяется точно по направлению линии, соединяющей два детектора.

Разница в 3 мс дала ученым возможность определить, в каком сегменте космоса произошло событие, ставшее причиной гравитационного возмущения и запустившего эту волну.

В случае человечества это область пространства, из которой материя (в частности излучение и, следовательно, любые сигналы) успела бы за время существования Вселенной достичь нынешнего местоположения Земли.

Границей наблюдаемой Вселенной является космологический горизонт. Объекты на нем имеют бесконечное красное смещение.

Размер наблюдаемой Вселенной во всех направлениях составляет около 14 миллиардов парсеков, что соответствует 46 миллиардам световых лет.

Таким образом, наблюдаемая Вселенная представляет собой шар диаметром около 93 миллиардов световых лет и центром в Солнечной системе Число галактик в наблюдаемой Вселенной оценивается более чем в 500 млрд.

Необходимость существования гравитационных волн предвидел еще Ньютон. Из его рассуждений следовало, что между любой планетой и Солнцем существует сила, которая действует на расстоянии. В те времена ученые полагали, что взаимодействие может возникать лишь при непосредственном воздействии тел друг на друга.

Только позже возникло представление о гравитационном потенциальном поле. Но это не сделало ньютоновскую гравитацию динамической. Поэтому возникала проблема: гравитация Ньютона устроена так, что если резко изменить положение Солнца или если вдруг оно совсем исчезнет, то мы на Земле узнаем об этом мгновенно.

Но эта нелогичность была очевидна и самому Ньютону, и она его беспокоила. В качестве решения он предполагал существование частиц, посредством которых передается гравитационное взаимодействие. Поток таких частиц должен распространяться из центра тела равномерно во все стороны и поэтому убывать пропорционально изменению площади сферы. Возможно, эта гипотеза и натолкнула Ньютона на мысль, что сила убывает как обратный квадрат расстояния до ее источника.

Как бы то ни было, но в конце концов ученые пришли к выводу, что должна быть теория, которая включает гравитацию Ньютона и одновременно описывает динамику некоторого поля. То есть какие-то волны. Иначе мы получаем что-то вроде «жуткого действия на расстоянии».

Поэтому не удивительно, что научно существование гравитационных волн впервые было обосновано в 1916 году Альбертом Эйнштейном на основании общей теории относительности. Эти волны представляют собой изменения гравитационного поля, распространяющиеся подобно волнам. При прохождении гравитационной волны между двумя телами расстояние между ними изменяется. Относительное изменение этого расстояния служит мерой амплитуды волны.

А если гравитационные волны существуют, то они должны излучаться любыми двигающимися телами. (Точнее только теми, которые двигаются с меняющимся во времени ускорением).

Отличная идея! Остается только измерить поле, создающее эти волны. Но проблема в том, что гравитационное взаимодействие очень слабо, а доступные нам возможности по ускорению массивных тел слишком малы для подобных измерений. Даже если бы мы попытались провести данные измерения с объектами солнечной системы, то выяснили бы, что интенсивность излучения на массах и ускорениях планет просто ничтожна, чтобы быть зафиксированной.

Оказалось, что решить задачу могут помочь двойные звездные системы.

В таких системах бывают ситуации, когда составляющие их небесные тела быстро вращаются вокруг общего центра масс на небольшом расстоянии друг от друга. Чем больше массы этих двойных систем и быстрее вращение, тем больше потери энергии на излучение гравитационных волн. Если достаточно долго наблюдать за такой системой, то проявление гравитационных волн можно обнаружить.

Здесь важно понимать, что возможность регистрации гравитационных волн в такой двойной системе появляется в результате ускорения вращения при сближении звезд, которое достигает максимума непосредственно перед столкновением, но не само столкновение. Как раз в момент столкновения и после гравитационные волны не испускаются.

Еще с 70-х годов прошлого века ученые наблюдали, как в двойных системах типа радиопульсаров звезды приближаются друг к другу и теряют энергию. Оказалось, что результаты этих наблюдений хорошо согласуются с тем, что предсказывает общая теория относительности.

Но это было лишь косвенным подтверждением существования гравитационных волн.

Их прямое проявление удалось зафиксировать только в конце 2015 года.

Это было сделано с помощью двух американских детекторов LIGO, которые расположены на северо-западе и юго-востоке США соответственно, на расстоянии около трех тысяч километров друг от друга.

Главная проблема при измерении гравитационных волн состоит в том, что их амплитуды очень малы, а длины этих волн очень велики. Для регистрации волн с такими свойствами необходима очень высокая точность. Взаимодействие двух детекторов LIGO в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон) и было нацелено на повышение точности измерений.

Оба детектора имеют одинаковую конструкцию: это пара перпендикулярных друг другу рукавов в виде туннеля по 4 километра в длину каждый, внутри которых туда и обратно через высокий вакуум проходит лазерный луч. 

Что произойдет, если через такой детектор пройдет гравитационная волна?

В идеале желательно чтобы волна прошла вдоль направления, перпендикулярного его плоскости, и туннели тогда образуют собой координатные оси. Тогда одно плечо детектора начнет периодически сжиматься и растягиваться, а другое будет делать тоже самое, но в противофазе. То есть когда одно плечо будет растянуто, другое будет сжато, и наоборот.

Луч лазера вначале проходит через одностороннее зеркало, которое пропускает его и отражает луч, возвращающийся из интерферометра, таким образом являясь рециркулятором мощности и позволяя вместо 750-киловаттного лазера использовать 200-ваттный. Затем луч входит в интерферометр и разделяется светоделителем на два луча, каждый из которых направляется в соответствующее плечо интерферометра и проходит резонатор Фабри-Перо около 280 раз, многократно отражаясь в конце и начале плеча, что значительно повышает чувствительность интерферометра. Затем лучи из двух плеч складываются в фотодетекторе, и разность хода между ними вызывает изменение тока в детекторе.

В самом упрощенном сравнении можно сказать, что детектор работает как микрофон. Два детектора – это как два микрофона. И вообще, чем больше детекторов, тем лучше. Именно поэтому еще несколько таких устройств строится по всему миру.

Чтобы понять, как должна выглядеть кривая изменения светимости на фотонном детекторе, ученные произвели множество компьютерных симуляции разнообразных слияний таких объектов, как черные дыры и нейтронные звезды с различными массами и в разных комбинациях.

Поэтому, когда сначала один из детекторов, а потом через 7 миллисекунд другой зарегистрировали один и тот же и тот же характерный сигнал, ученые поняли, что они впервые зафиксировали гравитационную волну, а эти 7 миллисекунд ей потребовались, чтобы пройти от одного детектора до другого со скоростью света.

Расшифровка полученных результатов показала, что волна пришла от системы из двух черных дыр, которые быстро вращались друг вокруг друга. При этом происходило излучение гравитационных волн, сигнал от которых был сначала очень слабым.

Однако, в процессе сближения скорость вращения дыр росла, росло и ускорение. В определенный момент, очень близкий к окончательному слиянию, интенсивность достигла той величины, которую можно было зарегистрировать детекторами на Земле.

В этот момент длинна волны стала короче, а амплитуда больше. На пике амплитуды произошло слияние черных дыр, и с этого момента она стала убывать.

После того, как образовался общий горизонт событий, волна полностью затухла.

Из сказанного следует, что полное совпадение полученных результатов с теорией и прогнозами компьютерного моделирования позволило ученым сделать надежный вывод о регистрации именно гравитационных волн.

И это, как уже говорилось, стало первым прямым наблюдением гравитационных волн. Но в будущем с ростом количества детекторов по всему миру и повышением их чувствительности таких наблюдений должно стать больше.