эффективное число сортов нейтрино

Представьте себе два волчка, запущенных на столе. Если они вращаются в одну сторону, их общее вращение велико; если навстречу друг другу — суммарное вращение может быть нулевым, хотя каждый волчок по отдельности вертится быстро. В паре нейтронных звёзд, сближающихся перед слиянием, роль таких волчков играют их собственные вращения — спины.

Закипающее молоко покрывается дрожащей пенкой. По её движениям можно угадать силу огня под кастрюлей и жирность молока. Похожим образом астрофизики всматриваются в реликтовое излучение — древнейший микроволновый свет, дошедший до нас от эпохи, когда Вселенной было всего 380 тысяч лет.

Космический «штангенциркуль» скоро обмеряет нейтронную звезду с точностью до сотни метров. Для объекта диаметром в пару десятков километров это всё равно что измерить толщину человеческого волоса с расстояния в километр. Нейтронная звезда — остаток взорвавшейся сверхновой. Вещество в ней сжато так сильно, что чайная ложка весила бы миллиарды тонн.

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.

Нейтронные звёзды — последние сгустки видимой материи перед падением в чёрную дыру. В их недрах материя сжата до триллионных плотностей. Здесь ядерные силы и гравитация сплетаются в экзотическую субстанцию, недоступную никакому земному ускорителю.

Когда две нейтронные звезды кружатся друг вокруг друга, их тела не остаются жёсткими шарами. Гравитация партнёра растягивает каждую звезду, создавая приливные горбы — примерно как Луна поднимает воду в океанах Земли. Но в отличие от воды, здесь деформируется сверхплотная материя: чайная ложка такого вещества весит миллиарды тонн.

Когда две сверхплотные звезды кружатся в тесном танце, пространство вокруг них дрожит. Эту дрожь — гравитационные волны — ловят гигантские детекторы на Земле. Но расшифровать сигнал непросто: нужно понять, с чем именно мы столкнулись — с парой чёрных дыр или нейтронных звёзд.

Нейтронные звезды — космические объекты невообразимой плотности: представьте, что столовая ложка их вещества весит больше, чем гора Эверест. Долгое время оставалось загадкой, что скрывается в их недрах: обычное нейтронное вещество, подобное гигантскому атомному ядру, или экзотическая кварковая материя, где частицы уже не связаны в нейтроны.

Свет далёкой звезды просачивается сквозь газовую оболочку планеты — и астрономы пытаются угадать, из чего эта оболочка состоит. Так изучают атмосферы миров, которые невозможно потрогать. Когда планета проходит перед диском своего солнца, её газовая вуаль ненадолго перехватывает часть лучей. В этом свете, словно крошечные тени, остаются отпечатки атомов и молекул — у каждого свой уникальный узор.

Нейтрино — крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Они беспрепятственно проходят сквозь звезду, как пули сквозь туман. Когда массивная звезда готовится к взрыву, её ядро сжимается, температура растёт, и из неё начинают вылетать нейтрино.

Солнце не просто светит — оно непрерывно испускает потоки мельчайших частиц, нейтрино. Они рождаются в термоядерных реакциях в ядре и проходят сквозь звезду почти беспрепятственно. Но внутри Солнца есть магнитные поля, и они способны влиять на эти частицы, словно невидимые коридоры, которые слегка поворачивают их путь.

Внутри нейтронной звезды материя сжата так плотно, что чайная ложка её вещества весила бы как гора. Что происходит с частицами в таких условиях, мы не видим напрямую — но звёзды рассказывают о себе через гравитационные волны и свет, если две такие звезды сливаются.

Представьте переполненную комнату: каждый новый входящий усиливает давление на стены. Похожий принцип работает в нейтронной звезде — сверхплотном остатке массивной звезды, где вещество сжато до ядерных плотностей. Рост плотности вызывает рост внутреннего противодействия — давления, которое физики характеризуют отношением давления к плотности энергии (величина φ).

Космические лучи — это ядра атомов, разогнанные до скоростей, близких к световой. Они прилетают на Землю со всех сторон, и по их составу можно судить о том, что творится в далёких уголках Галактики. Спутник НУКЛОН несколько лет собирал такие частицы, и теперь его данные показали странную закономерность: чем реже ядро встречается в природе, тем жёстче его спектр.

Словно гонщики на длинной дистанции, ядра атомов — от лёгкого гелия до тяжёлого железа — мчатся к нам через всю Галактику. На финише, в детекторе на высотном аэростате, видно: тяжёлые ядра приходят чуть более вымотанными, чем лёгкие. Разница небольшая, но она повторяется от запуска к запуску.