нейтринный источник чёрной дыры

Волчок крутится так быстро, что воздух вокруг него начинает вращаться в унисон. Примерно так же ведёт себя чёрная дыра: если она вращается, то может передавать свою энергию частицам, которые окажутся рядом. Этот процесс называют сверхизлучением — он похож на эхо в горах, только вместо звука рождаются новые частицы.

Космический детектив начался с тихой вспышки в оптическом диапазоне. Объект AT2019wzc медленно разгорался и угасал, как тлеющий уголёк. Но внутри него пряталось нечто более энергичное — повторяющиеся всплески мягкого рентгена, которые астрономы называют квазипериодическими извержениями — короткими, но регулярными выбросами высокоэнергетического излучения.

В далёкой галактике Сигара действует необычный маяк. Его излучение рождается не в привычном оптическом диапазоне, а в рентгеновском — внутри раскалённой короны вокруг чёрной дыры, поглощающей вещество звезды-компаньона.

В центрах многих галактик скрываются исполинские чёрные дыры. Их окружает плотное облако раскалённой плазмы, которое испускает мощное рентгеновское свечение.

В мае 2020 года детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационный всплеск GW200105. Среди множества подобных гравитационных волн этот выделялся странностью: орбита столкнувшихся нейтронной звезды и чёрной дыры оказалась не идеальным кругом, а вытянутым эллипсом.

Тёмная материя остаётся неслышимым басовым фоном космической симфонии — она не излучает свет, но её гравитационное тяготение формирует галактики. Вера Рубин впервые уловила этот ритм в 1970-х, наблюдая вращение звёзд.

Эрвин Шрёдингер размышлял, как жизнь поддерживает порядок вопреки второму началу термодинамики. Он и представить не мог, что часть ответа скрыта в нестабильности гигантских звёзд. Эксперименты Ву Цзяньсюн доказали: слабое взаимодействие нарушает зеркальную симметрию.

Чёрная дыра — это место, где привычные правила ломаются. В центре, согласно классической физике, прячется сингулярность: точка бесконечной плотности, куда стягивается всё, что попало внутрь. Квантовая теория должна была смягчить эту картину. Многие надеялись, что квантовые эффекты размоют сингулярность, как волны размывают рисунок на песке.

В 1933 году Фриц Цвикки впервые заговорил о невидимой массе, удерживающей скопления галактик. Спустя десятилетия Вера Рубин нарисовала карту галактического вращения, выявив призрачное присутствие тёмной материи. Сегодня мы знаем, что она пронизывает космос, но её частичная природа остаётся неуловимой.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро коллапсирует, порождая сверхновую и испуская всепроникающий ливень нейтрино.

В 2017 году антарктический нейтринный телескоп IceCube зарегистрировал частицу с энергией около 290 ТэВ, пришедшую из глубин космоса.

В первые мгновения после Большого взрыва материи и антиматерии было почти поровну. Но что-то нарушило равновесие — иначе всё аннигилировало бы в излучение, и мир остался бы пустым. Один из кандидатов на роль «нарушителя» — сверхтяжёлые правые нейтрино. Это частицы-близнецы обычных нейтрино, только массивнее в миллиарды раз.

Почти полтора десятилетия назад гамма-телескоп Fermi зарегистрировал загадочные «пузыри» — гигантские сгустки плазмы, словно надутые невидимыми лёгкими, вздымающиеся на десятки тысяч световых лет от центра Галактики.

Пушистый шар из невидимой паутины окутывает чёрную дыру. Эта паутина — тёмная материя, которая не светится, но своим весом управляет движением звёзд на окраинах галактик. Астрофизики давно видят такие «пушистые» облака вокруг космических объектов и рисуют их профили — как плотность падает от центра к краю.

В глубине Средиземного моря, где вода давит с силой сотен атмосфер, сеть светочувствительных шаров ждала редкого гостя. И он пришёл — нейтрино, которое пронесло через толщу Земли энергию, сравнимую с ударом летящего кирпича. Только вместо кирпича — крохотная частица, почти неосязаемая, но способная рассказать о самых бурных уголках космоса. Эту частицу назвали KM3-230213A.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом: они проходят сквозь планеты, не замечая атомов. Поэтому каждая их поимка — большая удача. Недавно подводный нейтринный телескоп KM3NeT зарегистрировал нейтрино с энергией, в миллионы раз превышающей возможности мощнейших ускорителей Земли.

Когда тяжёлое атомное ядро раскалывается, оно не разлетается на ровные половинки. Сначала возникают два фрагмента, похожие на груши, прижатые друг к другу узкими концами. Потом место соединения начинает сглаживаться — как будто две капли сливаются и поверхность быстро выравнивается. В этот короткий миг поверхность движется внутрь, и частицы внутри ядра могут отскочить от неё, как мячик от набегающей стены.

Чёрная дыра MAXI J1810-222 ведёт себя как гигантский пылесос, но с обратным клапаном: она втягивает вещество, а часть его выбрасывает обратно в космос. Этот «обратный поток» — звёздный ветер — астрономы заметили ещё раньше, но видели его лишь как размытое пятно в рентгеновских лучах. Теперь на помощь пришёл спектрометр RGS на спутнике XMM-Newton.

Детектор тёмной материи похож на очень чувствительный микрофон, который слушает тишину. Он ловит крошечные толчки тепла — фононы, — которые возникают, когда частица задевает кристалл. Но вместо тишины приборы годами слышат шум: множество слабых сигналов ниже нескольких сотен электронвольт.

Когда у звезды вроде Солнца заканчивается водород, она раздувается в красного гиганта, а в её ядре копится гелий. В какой-то момент гелий вспыхивает — за несколько секунд выделяется столько же энергии, сколько звезда излучала за тысячи лет. Это и есть гелиевая вспышка.

Двойная система SS433 известна тем, что чёрная дыра в ней сдирает вещество со звезды-соседки. Часть газа падает в дыру, а часть выбрасывается двумя узкими струями, которые крутятся, как юла. Эти струи видны в радиодиапазоне и в рентгене.

В сердце Альп, на глубине около ста метров, расположен Большой адронный коллайдер (LHC) — крупнейший в мире ускоритель заряженных частиц. Время от времени его детекторы фиксируют внезапные, необъяснимые всплески сигналов, которые исследователи окрестили UFO (Unidentified Falling Objects — неопознанные падающие объекты).

Астрономы окрестили их «маленькими красными точками» — далёкие галактики, в ядрах которых скрывается сверхмассивная чёрная дыра, окутанная плотной оболочкой из водорода. Такая «упаковка» — не просто космический камуфляж, а природный ускорительный механизм.

Ночью по небу летят невидимые пули — космические лучи. Это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Магнитные поля Галактики путают их пути, поэтому понять, где именно они родились, трудно. Главными подозреваемыми долго были остатки взорвавшихся звёзд, но для самых быстрых частиц улик не хватало. Теперь на сцену выходят чёрные дыры в паре с обычной звездой.

Свет от далёкого источника, проходя рядом с нейтронной звездой, искривляется, как луч фонарика в кривом зеркале. Астрофизики запустили численный эксперимент: пустили лучи назад от наблюдателя к звезде и посмотрели, какую картинку увидит телескоп. Внутри звезды вещество сжато так, что его поведение описывается простым уравнением — чем сильнее сжатие, тем жёстче отпор.

Новое исследование подтвердило: ударные волны в плазме, окружающей сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, функционируют подобно океанским валам, разгоняя протоны до околосветовых скоростей.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство вскипело. Перегретая субстанция, пронизывающая мир, порождала гигантские пузыри новой фазы — подобно тому, как жидкость рождает пузыри пара при закипании. Сталкиваясь, эти пузыри разгоняли частицы до энергий, немыслимых в земных ускорителях.

В центре многих галактик скрывается чёрная дыра — объект, предсказанный в решениях уравнений Карла Шварцшильда. Вокруг неё простирается раскалённая корона — область разреженной плазмы, разогретой до миллиардов градусов.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Гравитационные волны от слияния нейтронной звезды с чёрной дырой несут в себе отпечаток сложнейшей динамики пространства-времени. Чтобы расшифровать этот отпечаток, физики вычисляют амплитуды рассеяния — квантовые вероятности того, что два тела разлетятся под определённым углом.

В 2017 году детекторы LIGO и Virgo поймали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд. Вспыхнула килоновая — яркий космический взрыв, в котором, как считалось, рождаются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. Золото в кольцах, платина в катализаторах, европий в экранах смартфонов — всё это, по красивой легенде, прилетело к нам из таких катастроф.