Нейтринная обсерватория «Супер-К» раскрывает тайны сверхновых звёзд

От философского камня к тайнам Вселенной

Статья «Другой Ньютон», написанная отцом макроэкономики Джоном Мейнардом Кейнсом, начинается необычной фразой: «Мне нелегко рассказать вам о том, каким был Ньютон на самом деле». Она приподнимает завесу над неизвестной стороной жизни Исаака Ньютона, отца современной науки. За несколько лет до выхода статьи, в 1936 году, наследники Ньютона выставили коробку с неизвестными рукописями великого учёного на аукционе Сотбис. Кейнс приобрёл около половины работ, включая манускрипты по алхимии с множеством зашифрованных понятий, среди которых встречались «зелёные львы» и «безумные проститутки». По мнению Кейнса, «Ньютон одной ногой находился в средневековье, а другой ногой стоял на тропе, ведущей к современной науке».

В XVII веке Ньютон искал философский камень, способный превращать свинец и другие неблагородные металлы в золото и дарить человеку бессмертие. В последние годы жизни Ньютон потратил немало времени на алхимию и умер от ртутного отравления. Почему такой известный учёный увлёкся оккультизмом? По одной из версий научных историков, после открытия Закона всемирного тяготения Ньютон пытался сформулировать теорию вещества. Возможно, он решил, что алхимия поможет ему найти ответ на вопрос «из чего состоит вещество?». Ньютон опережал своё время на 300 лет. Лишь в XX веке научные знания в ядерной физике, физике элементарных частиц и теории Большого взрыва позволили нам приблизиться к ответу на этот вопрос с помощью новой науки – нейтринной астрономии.

Япония – лидер в сфере исследований нейтрино

Имена лауреатов Нобелевской премии, исследователей нейтрино Косиба Масатоси и Кадзита Такааки, известны во всём мире. Профессор Косиба возглавлял группу исследователей, сумевших зарегистрировать нейтрино от сверхновой звезды в 1987 году в «Камиокандэ» и в 2002 году в качестве руководителя данного проекта удостоился Нобелевской премии по физике. Успех послужил толчком к строительству новой нейтринной обсерватории «Супер-Камиокандэ» («Супер-К») в 25 раз мощнее предыдущей. Исследования в «Супер-К» начались в 1996 году. В 2015 году профессор Кадзита получил Нобелевскую премию по физике за открытие нейтринных осцилляций. Япония добилась выдающихся результатов в сфере исследований нейтрино.

Бак глубиной 41 метр, из которого во время техобслуживания слили воду на 4 метра. Нейтринная обсерватория «Супер-К», 2018 г.

Нейтрино – это фундаментальные частицы, из которых состоит космос. Их считают самыми трудно наблюдаемыми частицами во Вселенной. Большая часть достигающих Земли нейтрино испускается Солнцем. Каждую секунду организм человека подвергается воздействию нескольких сотен триллионов частиц. 99, 999999999999999999999% (21 девятка после запятой) нейтрино беспрепятственно проходит сквозь тело человека, и только 1 нейтрино раз в 50-100 лет сталкивется с атомными ядрами или электронами организма. Поэтому реакция с участием нейтрино – это настоящее чудо.

«Однако бак с чистой водой объёмом 50 тысяч тонн в «Супер-К» способен уловить около 20 солнечных нейтрино и около 10 атмосферных нейтрино в сутки», - рассказывает профессор Накахата Масаюки, директор проекта «Супер-К» и директор обсерватории «Камиока».

Накахата на крыше бака с водой во время экскурсии по «Супер-К»

Нейтрино – единственный источник знаний о «космических печах»

Какие сведения о космосе можно получить с помощью нейтрино?

«Ответ на этот вопрос следует начать с истории космоса. Космос появился 13,8 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Во время Большого взрыва появились элементарные частицы, среди которых преобладали водород и гелий. Более тяжёлые частицы вырабатывались в процессе ядерного синтеза внутри звёзд, а также во время вспышек сверхновых звезд. Золото, серебро и другие частицы тяжелее железа синтезируются во время взрывов умирающих сверхновых звёзд, которые в 8 раз тяжелее солнца, а также в среде с высокой температурой и высоким давлением, возникающем при слиянии нейтронных звёзд», – говорит Накахата.

Таким образом, философский камень, из которого можно получить золото, следует искать не на Земле, а в космосе во время вспышек сверхновых звёзд и в других «космических печах».

Под воздейстием силы гравитации высвободившиеся в космическое пространство элементы группируются и образуют новые звёзды, которые в конце жизни взрываются. Если уподобить лёгкие элементы музыкальным инструментам с высокими тонами, а тяжёлые элементы – инструментам с низкими тонами, то при каждом взрыве и перерождении звезды появляются новые тяжёлые элементы, обогащающие музыку Вселенной.

Солнечная система, Земля и даже наши тела состоят из незаменимых микроэлементов и множества разнообразных частиц, появившихся благодаря драматическому циклу рождения и смерти звёзд во Вселенной.

В какой период истории Вселенной создавались эти элементы?

«Нейтрино – это единственная возможность для получения непосредственной информации о вспышках сверхновых звёзд. Во время взрыва сверхновой звезды высвобождается огромное количество энергии, 99% которой рассеивается по космическому пространству в виде нейтрино. Нейтрино формируются в ядре звезды непосредственно перед взрывом и при высвобождении наружу не вступают в реакцию с другими веществами. Поэтому нейтрино – единственный свидетель происходящего внутри сверхновой звезды при взрыве», - объясняет профессор Накахата.

Как заполучить нейтрино, способное проникать через любые материи? Для этого используется нейтринный детектор, расположенный под землёй в посёлке Камиока (префектура Гифу).

Шахта в горе Икэнояма, ведущая к «Супер-К»

Взгляд на Вселенную из недр шахты

Посещение «Супер-К» состоялось в конце октября, когда горные склоны уже пестрели красно-оранжевыми листьями клёнов. Поблизости от обсерватории располагались деревни со старинными домами, пропитанные атмосферой традиционной Японии. На небольшой горе Икэнояма имеются заброшенные шахты, на которых раньше добывали цинк и свинец. Пройдя 1,7 километра по прямому тоннелю в кромешной тьме, мы очутились в центре горы. Именно здесь, в прохладных сумерках, находится секретная дверь в мир сверхточного оборудования. За дверью – огромное помещение с куполообразным потолком. Мы стоим на крыше установленного в скале цилиндрического бака радиусом 39,3 метра и глубиной 41,4 метра. В него поместятся три статуи Будды из Камакуры, поставленные одна на другую, или одна Статуя Свободы. Прочная гнейсовая скала надёжно обеспечивает устойчивость этой огромной конструкции.

Вход в обсерваторию на глубине 1 километра под землёй 頂上直下

Пустой бак во время ремонта (@обсерватория Камиока)

Стены бака усыпаны фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) - световыми сенсорами диаметром 50 см. Каждый из этих 11 129 сенсоров обладает настолько высокой чувствительностью, что способен уловить свет карманного фонарика с поверхности луны. Стеклянные колбы, сделанные мастерами-стеклодувами и покрытые золотой плёнкой, празднично сверкают, однако это зрелище доступно только в период техобслуживания – всё остальное время в помещении царит полная темнота.

Обычно бак залит чистой водой объёмом 50 000 тонн. Когда нейтрино вступает в реакцию с водой, а это происходит крайне редко, происходит вспышка черенковского излучения, которое улавливают расположенные на стенах ФЭУ.

Колба каждого ФЭУ выполнена руками мастеров-стеклодувов

Данные о нейтрино, обнаруженных в верхней части бака (круг сверху), на дне (круг снизу) и в основной части бака (прямоугольник в центре)

В августе 2020 года в воду бака «Супер-К» добавили гадолиний (атомный номер 64), чтобы усилить способность оборудования к выявлению нейтрино. Гадолиний в концентрации 0,01% позволяет распознавать типы реакций нейтрино.

«Теперь мы можем узнавать направление вспышки сверхновой звезды. Во время вспышки сверхновой звезды в 1987 году мы сумели доказать появление нейтрино, однако в «Камиокандэ» было зафиксировано лишь 11 нейтрино, а в обсерваториях России и США – 24 (в сумме). Добавив гадолиний, мы не смогли увеличить количество выявляемых нейтрино, однако если на Млечном Пути, который находится ближе к Земле, чем Большое Магелланово облако, произойдёт взрыв сверхновой звезды, «Супер-К», объём бака которого в 25 раз превышает бак на «Камиокандэ», сможет зарегистрировать около 10 000 нейтрино, из которых несколько сотен сохраняет направленность, поэтому мы сможем определить направление сверхновой звезды», – рассказывает профессор Накахата.

Существует вероятность, что благодаря более высокой чувствительности модернизированное оборудование сможет улавливать нейтринное реликтовое излучение – нейтрино, выделившиеся во время предыдущих взрывов сверхновых звёзд Млечного Пути (до нескольких штук в год).

«Во Вселенной есть сотни квадриллионов тяжёлых звёзд, поэтому вспышки сверхновых звёзд происходят регулярно. В связи с расширением Вселенной у нейтрино, выделившихся во время предыдуших взрывов, увеличилась длина волны, и эти слабые частички до сих пор плавают по космическому пространству. Это явление называют нейтринным реликтовым излучением. Уловив такие частицы, мы можем определить размер взорвавшейся сверхновой звезды и время, когда произошёл взрыв»

Устройство для ввода гадолиния в бак с чистой водой

Станция мониторинга происходящего на «Супер-К». Исследователи всего мира могут пользоваться ей с помощью удалённого доступа

Дело всей жизни

Я спросила у профессора Накахаты, почему он выбрал именно эту сферу деятельности. Он моментально ответил: «Я подумал, что жизнь даётся только один раз, и будет интересно провести её с таким человеком, как Косиба».

В процессе выбора лаборатории для исследований в докторантуре Накахата узнал о Косибе – человеке с репутацией амбициозного и заботящегося об окружающих исследователя. Услышав от Косибы, что в обсерватории «Камиока» можно получить распад протонов, за который немедленно дадут Нобелевскую премию, Накахата решил присоединиться к его исследованиям. Однако многолетние наблюдения оказались безуспешны. «Я подумал, что меня обманули», – вспоминает Накахата.

Профессор Накахата в нейтринной обсерватории «Камиока»

Однако профессор Косиба генерировал одну идею за другой. Он предложил улавливать нейтрино и модернизировал оборудование. И всего через год в Большом Магеллановом облаке, расположенном на Млечном пути, взорвалась сверхновая звезда, и нам впервые в мире удалось уловить прилетевший из космоса нейтрино. Это была огромная удача. Взрывы сверхновых звёзд происходят не так часто. На Млечном пути, где расположена Земля, это случается раз в 30-50 лет, а световая вспышка, доступная невооружённому взгляду, происходит раз в 400 лет. Накахата, обучавшийся на 3 курсе докторантуры, впервые в мире получил данные о нейтрино, выделившихся во время взрыва сверхновой звезды.

«Когда я обнаружил мощный сигнал, зарегистрированный 23 февраля в 16:35:35 по японскому времени и длившийся на протяжении 10 секунд, у меня сердце чуть не выпрыгнуло из груди».

Это произошло всего через 3 минуты после 2-минутного перерыва в работе прибора, который делают каждые 2 часа для калибровки. Если бы взрыв сверхновой звезды произошёл на 3 минуты раньше, данные зарегистрировать не удалось.

Группа точек в центре – зарегистрированный взрыв сверхновой звезды. Пустое пространство внизу – перерыв на калибровку

«Я никак не мог связаться с профессором Косибой. Он уехал на горячие источники в Хаконэ, хотя знал, что я анализирую данные взрыва сверхновой звезды. Никто и не мечтал, что за это дадут Нобелевскую премию»

Когда Накахата сообщил Косибе о своём открытии, тот, не проявляя никаких эмоций, выдал аспиранту новое задание: «У тебя есть данные только за два дня. Проанализируй все данные «Камиоки» и докажи, что твоё открытие – единственное в своём роде».

Всю неделю Накахата до самой ночи проверял данные на сотнях магнитных плёнок и писал научную статью. Эта статья стала доказательством первого в мире получения нейтрино, выделенного при взрыве сверхновой звезды. Вспоминая свою работу в «Камиоке» и «Супер-К», Накахата с улыбкой отмечает: «Впоследствии нам тоже удавалось получать неожиданные результаты, и моя жизнь была очень интересной».

В 2027 году будет завершено строительство последовательницы «Супер-К» – нейтринной обсерватории «Гипер-Камиока» с 260 000-тонным баком, и исследования нейтрино выйдут на новый уровень. Учёные смогут приступить к разработке единой теории элементарных частиц и изучению истории Вселенной.

«Впереди ещё очень много работы. Надеюсь, что наши исследования встретят понимание и привлекут молодёжь», - за мягкой речью профессора Накахаты чувствуется железная мощь.

Накахата и его исследовательская группа принимает непосредственное участие в установке ФЭУ. (@ обсерватория «Камиока»)

Наставник Накахаты – Косиба Масатоси, почётный профессор Токийского университета, отец нейтринной астрономии и мировой лидер исследований нейтрино, умер 12 ноября 2020 года. Его научные достижения навсегда останутся в нашей памяти.

Фотография к заголовку: пустой бак на нейтринной обсерватории во время техобслуживания

Фотографии Хасино Юкинори, Nippon.com, если не указано иное