обнаружение гамма-излучения

Гамма-лучи — это самый энергичный свет во Вселенной, электромагнитное излучение с экстремально короткими длинами волн. Но одна их часть, средняя по силе, долго оставалась невидимой: приборы не могли её поймать, и в небе зиял пробел. Учёные называют его «пробелом МэВ» — по единице энергии, мегаэлектронвольту, которую эти лучи несут.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

Полвека назад Фриц Цвикки заметил, что видимой материи в скоплениях галактик катастрофически не хватает для объяснения гравитации. Сегодня мы знаем, что значительная часть обычного вещества — те самые барионы — прячется в разреженной плазме между звёздами и галактиками, в гигантской паутине из водорода и гелия.

Вслушиваться в космос — значит запастись терпением и отстроить слух. Астрономы выбрали для этого самый чуткий низкочастотный инструмент: антенную решётку OVRO–LWA — 352 дипольные антенны, раскиданные по калифорнийской пустыне на два с половиной километра.

Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Когда пучок ионов углерода входит в тело, он отдаёт энергию не сразу, а в конце пути — как бегун, который выкладывается на финишной прямой. Врачам нужно знать точку этого финиша, чтобы не задеть здоровые ткани. Но как заглянуть внутрь тела, не делая разрез? Ответ подсказывает сама физика: при столкновении ионов с ядрами атомов рождаются короткие вспышки гамма-излучения.

Весы с одинаковыми гирьками, но одна чаша всегда перевешивает. В мире элементарных частиц такой перевес называют нарушением CP-симметрии: частицы и их зеркальные двойники (античастицы) ведут себя чуть-чуть по-разному. Именно этот перекос, как считают физики, позволил материи выжить после Большого взрыва, когда материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга.

Космический гамма-телескоп Ферми на протяжении 17 лет регистрировал гамма-излучение от активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Бросьте камешек в пруд — и по воде разойдутся изогнутые круги, но с большого расстояния они покажутся почти прямыми линиями. Вспышки гамма-излучения от испаряющейся чёрной дыры ведут себя схожим образом: далёкий всплеск приносит к нам практически плоские волны, тогда как от близкого источника фронт волны сохраняет заметную кривизну.

Свет от лазера — как идеально ровный ряд солдат на параде: все волны колеблются в одной плоскости. Такой свет называют поляризованным. В новой работе физики впервые получили поляризованные гамма-лучи, сталкивая электроны с мощным лазерным импульсом. Спектроскопия здесь не нужна — поляризацию измерили по разлёту нейтронов из дейтериевой мишени.

Гамма-всплеск — это как выстрел из космической пушки: короткая, но ослепительная вспышка, которая на несколько секунд затмевает целую галактику. Но если смотреть на неё в самый жёсткий гамма-диапазон (фотоны с энергией выше гигаэлектронвольта), то сигнал часто теряется в шуме — как тихий шёпот в шумном зале.

В октябре 2022 года космос устроил фейерверк, который заметили все детекторы на Земле. Взрыв, получивший имя GRB 221009A, был настолько ярким, что его назвали «самым ярким за всю историю наблюдений». Это гамма-всплеск — короткая, но чудовищно мощная вспышка, которая за секунды выбрасывает столько энергии, сколько Солнце не выработает за всю свою жизнь.

Радиационный датчик в городе похож на уличного музыканта: он должен брать верные ноты, даже когда пальцы немеют от холода или инструмент нагрело солнце. Обычно такие приборы держат в тепличных условиях — с обогревом или охлаждением, иначе шкала энергии (по которой отличают безобидный калий в бетоне от опасного цезия) начинает врать.

В подземных лабораториях, где ищут тёмную материю или двойной безнейтринный распад, детекторы окружены тишиной. Но даже в этой тишине на их стенки незаметно садится радиоактивная пыль. Один из источников — радон, невидимый газ, который просачивается из горных пород. Его короткоживущие потомки прилипают к поверхностям и портят измерения.

Гамма-лучи — это самые энергичные вспышки света, какие только рождаются в глубинах атомов. Их энергия — как отпечаток пальца: у каждого радиоактивного элемента свой узор. Но измерить этот узор с высокой точностью — всё равно что взвесить песчинку на весах, стоящих на грузовике с вибрацией. Новая установка работает как сверхчувствительный термометр.

В ускорителе частиц электроны мчатся по кругу почти со скоростью света. Когда такой электрон сталкивается с фотоном — частицей света, — фотон отскакивает, как мячик от летящего грузовика, и улетает с гораздо большей энергией.

В 2017 году гравитационные детекторы LIGO и Virgo поймали рябь пространства-времени от слияния двух чёрных дыр в 540 мегапарсеках от нас. Событие получило имя GW170814. Но что осталось после этого космического столкновения? Кроме искажённого пространства, возможно, родились крошечные чёрные дыры — «крошки».

В ночь с 9 на 10 марта 2024 года облако плазмы, выброшенное Солнцем, неслось прочь от звезды. Оно уже миновало расстояние в пять солнечных радиусов, когда наземная решётка из 352 антенн в калифорнийской долине Оуэнс поймала от него короткий радиосигнал. Сигнал этот не был всплеском или шумом — он имел форму, по которой физики узнают почерк магнитного поля.

Детектирование одиночного квантового излучателя напоминает настройку рояля в цеху с орущими станками: чистый тон захлёбывается в шуме. Но настройщик не пытается перекричать грохот — он берёт камертон и вслушивается в биения. Так даже едва слышный отзвук становится явным.