нейтрино высокой энергии

В баке с тремя тоннами жидкого ксенона, спрятанном глубоко под землёй, однажды что-то шевельнулось. Не сам ксенон, а одно из его атомных ядер: оно получило толчок с энергией 248 тысяч электронвольт и отскочило, как бильярдный шар, в который попал невидимый шар.

Частица с энергией $$10^{18}$$ эВ врезается в атмосферу Земли — это как если бы теннисный мяч, летящий со скоростью 200 км/ч, врезался в стену. Откуда берутся такие снаряды, астрофизики спорят десятилетиями. Гамма-всплески — кратковременные мощные взрывы гамма-излучения — давно подозревали в роли ускорителей.

Пульсар PSR J1740+1000 — это нейтронная звезда размером с город, вращающаяся быстрее кухонного блендера. После взрыва сверхновой от неё осталось сверхплотное ядро, разгоняющее заряженные частицы до скоростей, близких к световой.

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.

Глубоко подо льдом Южного полюса, на глубине почти два с половиной километра, работает необычный телескоп. Он направлен не в небо, а сквозь Землю. Его добыча — нейтрино, частицы-призраки, которые почти не взаимодействуют с веществом и пролетают планеты и звёзды насквозь. Но иногда нейтрино всё же врезается в молекулу льда.

Бильярдный шар щёлкает о другой в полной темноте. Звук удара и стук упавших в лузу шаров — вот и всё, что слышно. Примерно так физики изучают взаимодействия элементарных частиц при энергиях, которые ни один земной ускоритель не способен воспроизвести. В новой работе астрофизики превратили целые галактики в гигантские лаборатории, а детекторами стали кубические километры антарктического льда и воды Средиземного моря.

В недрах нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что привычные протоны и нейтроны уступают место новым игрокам. Там рождаются гипероны — частицы, внутри которых живёт странный кварк. Вопрос о том, сколько энергии нужно, чтобы выдавить такой гиперон из ядерной среды, не праздный: от ответа зависит, устоит ли звезда или схлопнется в чёрную дыру.

Когда две нейтронные звезды — сверхплотные ядра мёртвых светил — сталкиваются, рождается килоновая: взрыв, в тысячу раз ярче обычной новой. Это настоящий плавильный цех Вселенной. В раскалённом облаке, несущемся с субсветовыми скоростями, бешеный поток нейтронов переплавляет атомные ядра в золото, платину, осмий. Но поздняя стадия таких событий долго оставалась загадкой.

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

В сердце Галактики, на расстоянии около 7 тысяч парсеков, скрывается настоящий природный ускоритель. Это нейтронная звезда с бешеным вращением — пульсар PSR J1849-0001, оставшийся после взрыва сверхновой.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Так и свет от далёких галактик расходится во все стороны — спокойно и размеренно. Но в центре некоторых галактик прячется не камень, а настоящая пушка: она выстреливает частицами с чудовищной силой. Астрономы называют такие объекты HSP BL Lac.

Две нейтронные звезды — остатки погибших светил, сжатые до размеров города, но весом с целое Солнце — кружатся друг вокруг друга и в конце концов сталкиваются. В этот миг рождается нечто среднее между чёрной дырой и сверхмощным магнитом: поле в миллиарды раз сильнее, чем в самом мощном магнитно-резонансном томографе.

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.

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.

Мощный прожектор светит сквозь густой туман. Самого луча не видно, но туман начинает слабо мерцать — и выдаёт присутствие прожектора. Похожий принцип работает с нейтрино: почти неуловимые частицы рождаются, когда быстрые протоны из далёких галактик врезаются в вездесущее реликтовое излучение (слабый микроволновый фон, оставшийся после…

Массивные звёзды завершают жизненный цикл колоссальным взрывом, который Фриц Цвикки назвал сверхновой. В эпицентре ядро коллапсирует в сверхплотный остаток — чёрную дыру или нейтронную звезду.

Столкновение на огромной скорости выбило нейтрон из ядра гелия-8, и на мгновение возникло ядро гелия-7 — как перегруженная полка, с которой слетели сразу три книги. Этот мимолётный «звук» распада удалось записать впервые: три нейтрона разлетелись, оставив после себя обычное ядро гелия-4.

Лазерная вспышка ударяет по кристаллу оксида меди, и в нём, как круги по воде, расходятся волны магнитного возбуждения — магноны. Учёные впервые проследили их путь от рождения до исчезновения с точностью до фемтосекунд (миллионных долей миллиардной секунды). Сначала свет выбивает электроны, и спины атомов (их внутренние «магнитики») мгновенно теряют строй.

Ночное небо полно маяков, но некоторые из них светят так, что их почти не видно. Астрономы обнаружили новый класс объектов — гипермягкие рентгеновские источники. Они настолько «холодные» по меркам рентгена, что их излучение приходится на границу ультрафиолета и мягкого рентгена, где обычные телескопы почти слепы.

Нейтрон — частица, из которой в основном состоят нейтронные звёзды. Сам по себе он нестабилен: свободный нейтрон живёт около пятнадцати минут, а потом распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но в двух разных типах экспериментов время жизни получается разным — в пучке частиц нейтроны живут чуть дольше, чем в ловушке.

В центре галактики NGC 4278 сидит чёрная дыра, которая выбрасывает две струи плазмы — как гигантская пушка, стреляющая частицами в космос. Эти струи разгоняют частицы до энергий, которые не снились ни одному земному ускорителю.

В двойной системе Cyg X-2 нейтронная звезда перетягивает вещество с обычной звезды-компаньона. Падающий газ закручивается, разогревается до миллионов градусов и ярко светит в рентгене. Астрономы направили на этот объект два космических телескопа — IXPE и NuSTAR — и впервые детально измерили, как поляризован этот свет.

Космические нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом и свободно проходящие сквозь Землю. Телескоп IceCube, расположенный во льдах Антарктиды, однажды зарегистрировал такое нейтрино, и его траектория совпала с инфракрасной вспышкой.

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

В недрах звёзд лёгкие ядра сливаются, рождая гелий и потоки нейтронов. На Земле этот процесс воспроизводят, соединяя дейтерий и тритий — особые изотопы водорода, содержащие один и два нейтрона соответственно.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в пространство со скоростью в тысячи километров в секунду. Так рождается остаток сверхновой — расширяющееся облако ударно-сжатого газа, простирающееся на световые годы.

В 1181 году китайские и японские астрономы записали появление «звезды-гостьи» — яркого светила, которое полгода сияло в созвездии Кассиопеи, а затем исчезло. Сегодня на этом месте находится Pa 30: туманность с горячим центральным источником, выбрасывающим вещество со скоростью 16 000 км/с.