Айзек Азимов - Нейтрино - призрачная частица атома
Зная энергии нейтрино, физики, вероятно, сумеют выяснить характер реакций синтеза, протекающих на Солнце. Энергия образующихся нейтрино зависит от последовательности реакций, в результате которых водород превращается в гелий. Зная энергетический спектр нейтрино, можно определить эту последовательность, которая позволит вычислить внутреннюю температуру Солнца и другие его характеристики. Короче говоря, нейтринная астрономия дает нам возможность «заглянуть» прямо в центр Солнца и узнать много интересного.
Сверхновые звезды и нейтрино
За последние десятилетия астрономы достаточно подробно разработали теории ядерных процессов, протекающих в ядрах старых звезд. Наше Солнце не принадлежит к этой категории звезд. Хотя возраст его исчисляется пятью или шестью миллиардами лет, оно все еще молодо; оно все еще превращает посредством термоядерного синтеза свои обширные запасы водорода в гелий. Звезды, синтезирующие водород, очень устойчивы и существуют многие миллиарды лет без значительного изменения.
В процессе водородного синтеза в центре звезды образуется гелиевое ядро, объем и температура которого все время возрастают. Когда температура увеличивается до определенной величины, становятся существенными ядерные процессы, которые раньше не имели особого значения. Например, при температуре центра Солнца 15 000 000 °C атомы гелия редко участвуют в реакции синтеза. Однако, когда температура достигает 100 000 000 °C, три ядра гелия все чаще начинают сливаться, образуя ядра углерода. Звезда переходит в стадию «гелиевого синтеза» (рис. 8, а).
Внутри гелиевого ядра образуется новое углеродное ядро, и температура в центре его продолжает расти. При температуре 600 000 000 °C из углерода начинает синтезироваться магний. При 2 000 000 000 °C атомы магния образуют серу, а при 4 000 000 000 °C из атомов серы синтезируется железо. (На каждой стадии имеется также несколько сложных побочных реакций.)
Когда звезда начинает сжигать гелий и образует все более и более сложные ядра, она вступает в свою последнюю стадию (см. рис. 8, б). В реакциях синтеза ядер из гелия выделяется сравнительно мало энергии. В реакции синтеза водорода при образовании каждого ядра гелия выделяется энергия 27,5 Мэв, а при переходе от гелия к железу энергия, выделяющаяся при сгорании одного атома гелия, составляет менее 9 Мэв.
Это означает, что звезда, прошедшая стадию водородного синтеза, уже израсходовала приблизительно 2/3 всех имевшихся запасов ядерной энергии. Последующие изменения должны протекать все быстрее и быстрее, чтобы выделялось достаточно энергии и температура звезды становилась больше и больше. Звезда может перейти от стадии магниевого синтеза к стадии синтеза серы за столетие или даже меньше.
Когда начинает образовываться железо (см. рис. 8, в) звезда вступает в последнюю стадию своего развития поскольку речь идет о термоядерных реакциях, так как ядра железа очень компактны и содержат минимум энергии. Чтобы ядро железа превратить в более сложное ядро при помощи реакции синтеза или в менее сложное посредством реакции деления, необходим приток энергии.
Рис. 8. Эволюция звезды.
Астрономы предполагают, что единственным источником такой энергии может быть только гравитационное поле. Так возродилась теория Гельмгольца о гравитационном сжатии как источнике излучения, но в сильно измененной и более катастрофической форме. Для получения энергии, необходимой для превращения железа обратно в гелий, гравитационное сжатие (коллапс) должно произойти с феноменальной скоростью, т. е. менее чем за день звезда должна сжаться до крошечных размеров.
В результате внезапного и быстрого коллапса вещество звезды сжимается до такой степени, что ядра подходят друг к другу значительно ближе, чем в обычном веществе. Звезда становится белым карликом, состоящим из вырожденного вещества, плотность которого достигает сотен тонн в 1 см3. В процессе коллапса сильно сжимается и вещество во внешних областях, где еще имеются остатки исходного горючего звезды и даже водорода. Когда это горючее сжимается, его температура резко возрастает и мгновенно начинается термоядерная реакция. Так образуется сверхновая — звезда, которая за короткое время излучает энергию со скоростью, во много миллионов раз превышающей скорость излучения обычной звезды. В течение нескольких недель она может излучать энергию, как целая галактика обыкновенных звезд.
Не исключено, что гигантская катастрофа сверхновой играет важную роль во Вселенной. В настоящее время астрономы считают, что в молодости Вселенная состояла только из водорода. Более сложные атомы вплоть до железа медленно образовывались в центрах звезд. Каждая сверхновая благодаря огромному количеству мгновенно освобождаемой энергии могла бы образовать ядра более сложные, чем железо, а затем, взрываясь, рассеять все образовавшиеся атомы в пространство. Благодаря сверхновым, которые взрывались с начала образования Вселенной, вещество, распределенное между звездами, сравнительно богато тяжелыми атомами. Звезды, медленно образующиеся из этого межзвездного вещества (которое когда-то было веществом более ранних звезд), называются вторичными. Вторичные звезды сравнительно богаты тяжелыми атомами, хотя в результате процессов, происходящих в ядрах этих звезд, они не образуются. Такой вторичной звездой является наше Солнце, а Земля существует в своем теперешнем виде только потому, что составляющие ее атомы образовались когда-то в звездах, которые давным-давно взорвались, и если они еще и существуют, то только в виде белых карликов, затерянных в безграничных просторах Вселенной.
По относительной концентрации различных ядер во Вселенной астрономы пытаются понять, какие реакции протекают в центрах звезд на различных этапах, стараясь обосновать все еще не подтвержденную гипотезу эволюции звезд.
Появление сверхновой — довольно редкое явление. Подсчитано, что в любой галактике за тысячу лет появляется только три сверхновых. Полагают, что за последнюю тысячу лет в нашей галактике — Млечном Пути возникли три сверхновых звезды, причем последняя появилась в 1604 году, как раз перед изобретением телескопа.
В наши дни сверхновая может возникнуть в любой момент, и нам остается только надеяться, что к этому времени в области нейтринной астрономии ученые добьются определенных успехов.
После опубликования работ американских физиков Филиппа Моррисона и Хонг-Йи Цзу из Принстонского университета появилась надежда, что это время не за горами. В поисках новых ядерных взаимодействий, которые объяснили бы этапы звездной эволюции, они исследовали характер электрон-позитронного взаимодействия. Обычно такое взаимодействие приводит к образованию двух фотонов γ-лучей. Однако имеется небольшой шанс, что вместо γ-квантов образуются нейтрино и антинейтрино, т. е.
е- + 'е+ → ν + 'ν.
В такой реакции выполняются все законы сохранения. Сохраняется электрический заряд (так как -1 + 1 = = 0 + 0), сохраняется и лептонное число (так как 1–1 = 1–1).
В обычных условиях образование нейтрино при электрон-позитронном взаимодействии чрезвычайно маловероятно. На каждую возникшую таким образом пару нейтрино-антинейтрино приходится по крайней мере 1020 пар фотонов. Поэтому, казалось бы, этим источником нейтрино можно пренебречь.
В центре звезды условия совсем необычные. Когда в процессе эволюции центр звезды становится все горячее и горячее, условия становятся все менее и менее обычными.
Основываясь на теоретических соображениях, Моррисон и Цзу подсчитали, что при возрастании температуры количество пар нейтрино — антинейтрино, образующихся при электрон-позитронных взаимодействиях, становится все больше и больше. Кроме того, фотоны достаточно долго удерживаются в центре звезды, а нейтрино и антинейтрино за несколько секунд покидают звезду.
С помощью пар нейтрино — антинейтрино происходит утечка энергии из звезд, и чем старше звезда, тем больше эта утечка. К тому времени, когда температура ядра звезды достигает 600 000 000 °C, половина энергии ее излучается в виде нейтрино и антинейтрино. При температуре выше 600 000 000 °C звезду с полным основанием можно называть нейтринной.
Такие звезды близки к последней стадии сжатия сверхновой, причем излучение нейтрино, по-видимому, способствует этому коллапсу. Когда температура достигает предельного значения 6 000 000 000 °C и в центре звезды образуется ядро из атомов железа, не способное больше производить ядерную энергию, нейтрино образуется в таком количестве, что звезда начинает катастрофически быстро терять свою энергию. Цзу подсчитал, что при такой температуре нейтрино могут унести все внутренние запасы энергии звезды в течение одного дня. Но внутренние запасы энергии звезды препятствуют ее сжатию под действием собственного гигантского гравитационного поля. Поэтому, как только все внутренние запасы энергии перейдут в нейтринное излучение, звезде остается только сжаться, и тогда возникает сверхновая.
