источники нейтрино

Ночной лес полон светлячков, но раньше мы видели только тех, кто случайно оказался в луче фонарика. Так было с ультраяркими рентгеновскими источниками — точками в других галактиках, светящими в рентгене ярче, чем может стабильно излучать чёрная дыра звёздной массы. Телескопы смотрели на галактики, выбранные для других целей, и пропускали большую часть светлячков.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Когда умирает звезда во много раз тяжелее Солнца, она сжимается и взрывается сверхновой. Это не просто вспышка света — весь процесс, от обрушения ядра до разлёта оболочки, порождает дрожь самого пространства. Такие волны называют гравитационными. Учёные взяли десятки трёхмерных моделей взрывов и выяснили: гравитационный гул от сверхновых складывается из двух частей.

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

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.

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.

Столкновение двух нейтронных звёзд — это космическая кузница, где за секунды выковываются самые тяжёлые элементы таблицы Менделеева. В 2017 году детекторы уловили гравитационные волны от такого слияния, а телескопы увидели вспышку — килоновую.

В недрах нейтронной звезды — остатка взорвавшегося светила — вещество сжато так, что чайная ложка весит миллиарды тонн. Среди этой сверхплотной материи, возможно, действует особая разновидность сил — та, что касается только мюонных и тау-нейтрино. Такая сила предсказана некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц.

В апреле 2021 года в галактике, удалённой на 35 мегапарсек, вспыхнула сверхновая SN 2021foa. Она сразу озадачила астрономов: её спектр лихорадочно переключался между линиями водорода и гелия — будто звезда в агонии судорожно сбрасывала внешние слои.

Крошечные невидимые пули прошивают Солнце насквозь, почти не замечая его вещества. Это аксионы — гипотетические частицы, настолько лёгкие и неуловимые, что их сравнивают с призраками.

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.

Переводчик на полпути через зал вдруг начинает передавать сообщение наоборот. Примерно так может повести себя нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещества, — если на его пути встретится облако сверхлёгкой тёмной материи.

Кора нейтронной звезды — это не просто твёрдая оболочка. Под тяжестью в миллиарды тонн на каждый квадратный сантиметр атомы теряют электроны, а оставшиеся ядра выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку, напоминающую пчелиные соты, но из вещества в триллион раз плотнее стали.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так же ведут себя глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия внутри протонов. Обычно они снуют туда-сюда, удерживая кварки вместе.

В центре многих галактик сидит сверхмассивная чёрная дыра. Когда на неё падает газ, он разогревается и светится ярче целой галактики — это активное ядро. Иногда оттуда вырывается настоящий ураган: поток ионизованного газа, который мчится со скоростью в десятки процентов от скорости света.

В идеальный сейф спрятали крошечную монетку, но его стенки так тонки, что монетка иногда проходит сквозь них, оставляя едва уловимый звук. Аксионы — это и есть такие монетки, только вместо металла — частицы, а вместо сейфа — обычное вещество. Они почти не замечают преград, и поймать их напрямую чрезвычайно трудно.

Радиотелескоп ASKAP в Австралии разглядел в небе Южного полушария очень тусклое светящееся кольцо — как мыльный пузырь размером с несколько лун. Внутри кольца, точно в центре, сияет маленькая точка. Обычно такая картина означает одно: когда-то здесь взорвалась звезда, и от неё осталась расширяющаяся оболочка, а в середине — сжавшееся ядро. Но у этой пары есть странность.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. На её поверхности иногда вспыхивает термоядерный пожар: накопленный газ взрывается, как гигантская водородная бомба. После вспышки остаётся пепел — смесь тяжёлых элементов, которая поднимается к поверхности и образует горячую атмосферу.

Глубоко под Апеннинскими горами, в чане с тремя тоннами жидкого ксенона, раз в несколько дней что-то едва заметно вздрагивает. Это солнечное нейтрино — частица-призрак, рождённая в термоядерном пекле Солнца, — пролетела 150 миллионов километров сквозь пустоту и горную породу, чтобы наконец столкнуться с ядром ксенона.

Гамма-лучи с энергией выше ста триллионов электронвольт — как камни, брошенные с невероятной силой. Долгое время считалось, что запустить такие «камни» могут только протоны — тяжёлые частицы, разогнанные в космических ускорителях. Но новая работа показывает: иногда хватает и лёгких электронов.

Гигантская воронка в космосе засасывает газ из окружающего пространства. Часть этого газа не падает внутрь, а выбрасывается обратно — как брызги от бурлящей воды. Именно так ведёт себя ультраяркий рентгеновский источник NGC 5204 X-1: компактный объект (вероятно, чёрная дыра) поглощает материю так жадно, что избыток вырывается наружу мощными потоками.

Тонкий кристалл гексагонального нитрида бора — родственник графита, только прозрачный и диэлектрик. В его решётке иногда встречаются одиночные дефекты: атом бора или азота отсутствует, и на его месте образуется ловушка для электронов. Такая ловушка способна поглощать свет и испускать его обратно, как крошечный фонарик.

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.

Когда на нейтронной звезде вспыхивает рентгеновский взрыв, её атмосфера раскаляется до миллионов градусов. Свет, который мы ловим телескопами, проходит через этот плотный слой газа — и по дороге сильно меняется. Спектр становится не таким, как у идеальной печки: одни цвета усиливаются, другие гаснут.

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.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

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.

Рентгеновский телескоп смотрит на соседнюю галактику — и видит точку, которой вчера не было. Через месяц она разгорается в сотни раз ярче Солнца, а через год снова гаснет. Такие точки называют ультраяркими рентгеновскими источниками, и каждая — это тесная пара: обычная звезда и чёрная дыра или нейтронная звезда, которые кружатся друг вокруг друга.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной: она не излучает и не поглощает свет, но её гравитационное притяжение удерживает галактики от разлёта.

В кузнечном горне струя воздуха раздувает жар углей, и ударные волны выдувают пузыри раскалённого газа. В центрах галактик аналогичный процесс запускает сверхмассивная чёрная дыра — объект с гравитацией столь мощной, что даже свет не может её покинуть.

Видимое вещество — лишь капля в огромном космическом бульоне. Основу Вселенной составляет незримая тёмная материя — гипотетическая субстанция, которая не излучает и не поглощает свет, но своей гравитацией удерживает галактики от распада.

Когда облако атомов охлаждают до сверхнизких температур, они способны входить в единое квантовое состояние, действуя как согласованный ансамбль. Если в таком облаке рождается нейтрино — почти не взаимодействующая с веществом частица-призрак, — оно обычно ускользает незаметно.

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.

Ежедневно в земную атмосферу вторгаются частицы с колоссальной энергией — словно анонимные послания. Их источник долгое время оставался загадкой.