Лаборатория уходит в небеса

Академик Зельдович называл Вселенную "ускорителем для бедных". В самом деле, если на рукотворных ускорителях мы чуть-чуть подобрались к энергиям частиц порядка нескольких ТэВ (тераэлектронвольт), то в космических лучах есть частицы, обладающие в миллиард раз большей энергией. Космос предоставляет экспериментальный материал, недостижимый в то время как на нашей планете. Магнитные поля на поверхности некоторых нейтронных звезд в миллионы раз превосходят доступные в земных лабораториях. Гравитационное поле в окрестности черных дыр намного сильнее того, что существует около нас. Плотность в недрах нейтронных звезд в немного раз выше плотности атомных ядер... Ученые надеются, что исследования с использованием "космических лабораторий" помогут продвинуться в изучении природы

Сегодня Большой адронный коллайдер позволительно наречь самой крупной и сложной экспериментальной установкой в истории человечества. От его работы кто-то ждет конца света, кто-то - великих научных открытий. Напомню, что на этом ускорителе протоны будут сталкиваться с энергией 14 ТэВ (1,4 х 10¹³ эВ); для сравнения: энергию в 1 эВ приобретает электрон при разности потенциалов в единственный вольт, такую же приблизительно энергию имеет квант видимого света.

Столкновение частиц с весьма большими энергиями приводит к рождению тяжелых частиц, открытие и штудирование которых очень существенно для развития физики - науки экспериментальной.

Чем выше энергия, тем экзотичнее и интереснее оказываются процессы, оттого ученые и возводят все больше мощные ускорители. Однако за величайшим из экспериментаторов - космосом - нам ни в жизнь не угнаться.

Все слышали о спорах по поводу безопасности запуска Большого адронного коллайдера. Конечно же, физики скрупулезно изучили данный вопросительный мотив - и помогли им в этом космические лучи. В самом деле, если в космосе все время летают частицы, как самое малое в миллиард раз более "энергичные", чем протоны, сталкивающиеся в коллайдере, Земля, Луна, нейтронные звезды и белые карлики в течение миллиардов лет подвергаются их воздействию. И если бы в результате подобных процессов рождались опасные черные микродыры, мы бы видели последствия деятельности этих "пожирателей всего".

К счастью, не возбраняется почивать спокойно: никаких катаклизмов, связанных с черными дырами, образовавшимися при взаимодействии частиц высоких энергий со звездными объектами, обнаружено не было. Так слежение за "экспериментами природы" помогает судить о возможных последствиях раньше не проводившихся земных опытов.

Одна частица на десять тысяч гектар

Космическое пространство пронизывают потоки частиц. Ученые доказали их наличие эдак сто лет обратно - в 1911 году, за что в 1936 году им была присуждена Нобелевская премия.

Космические частицы могут обладать большую энергию. В первой половине ХХ века, когда крупных ускорителей ещё не было, физики вовсю использовали потенциал "пришельцев из космоса". Так, например, был открыт позитрон - античастица электрона.

Примерно с 1950−х годов экспериментаторы получили в родное предписание мощные ускорители, и численность исследований в области физики космических лучей сократилось. Однако более того в самых смелых своих мечтах исследователи не надеются сформировать агрегаты, ускоряющие частицы до 10²² эВ (это в миллиард раз больше, чем в знаменитом коллайдере), зато их разрешено заполучить в космосе.

Обсерватория VIRGO, расположенная в Италии, состоит из двух тоннелей, внутри которых идет лазерный луч. Цель - наблюдение за гравитационными волнами

Задача ускорить протон до энергии в 10²² эВ в такой степени нетривиальна, что мы до сих пор нехорошо себе представ­ляем, как это удается природе. Есть несколько кандидатов на образ "естественных ускорителей", но решительно предпочесть между ними ученые покуда не могут.

Для решения этой загадки сооружают особенно крупные исследовательские комплексы. На в эти дни самой большущий и современной является обсерватория имени Пьера Оже - ее решительный монтаж был завершен в прошлом году. Обсерватория включает в себя более полутора тысяч наземных станций, на которых установлены детекторы, регистрирующие частицы, образовавшиеся следом взаимодействия космических лучей с атомами земной атмосферы, и 24 телескопа, наблюдающих вспышки, возникающие при попадании высокоэнергичных частиц в атмосферу. Все это разбросано на территории едва-едва больше государства Люксембург. Впечатляющие размеры обсерватории объясняются тем, что чем выше энергия частиц, тем реже они встречаются. Самые "энергичные" из зарегистрированных прилетают раз в год на площадку в 100 км².

Мы многого не знаем о частицах высоких энергий, попадающих к нам из космоса - например, мы даже не уверены на сто процентов, что это протоны (хотя так считает большинство ученых). Это могут быть и ядра более тяжелых элементов (например, железа), и даже гамма-кванты высоких энергий.

И мы нимало не знаем, какие аккурат космические объекты испускают частицы. Скорее всего, это активные ядра галактик. В них газ падает на сверхмассивные дыры, закручиваясь в диск, из которого бьют со скоростью, близкой к световой, струи плазмы. На больших расстояниях от активного ядра галактики струи сталкиваются с межгалактическим газом. В таких условиях частицы разрешается ускорять до шибко высоких энергий.

А может быть, эти особо "энергичные" частицы не разгоняются на космических ускорителях, а рождаются при распаде каких-то загадочных, сильно массивных частиц? Можно надеяться, что в ближайшие несколько лет загадка космических лучей сверхвысоких энергий будет решена.

Атомы из "шариков" превращаются в "иглы"

Относительно места, где частицы ускоряются до безумных энергий, есть еще одна гипотеза. Возможно, это происходит вблизи нейтронных звезд с крайне большим магнитным полем.

Одна из детекторных установок обсерватории имени Пьера Оже. Ее задача - регистрация космических частиц сверхвысоких энергий. Такие установки разбросаны на площади рядом 3000 км²

Магнитное поле на поверхности Земли меньше одного гаусса, при всем при том в специальных установках на короткое час можно творить поля в миллион раз сильнее. А у некоторых нейтронных звезд, называемых магнитарами, поля в миллион миллиардов раз (10¹⁵) мощнее, чем на Земле! И там вещество начинает новости себя причудливым образом: атомы из "шариков" превращаются в "иглы", вытягиваясь вдоль поля, - можно присматривать интересные квантовые эффекты.

Например, квантовая электродинамика предсказывает существование критического поля, в котором один фотон даже с мелкий энергией может породить пару - электрон и позитрон. Проверить такое предсказание можно только изучая нейтронные звезды с большими магнитными полями - магнитары. В их полях запасена колоссальная энергия, которая порой может "выходить из-под контроля".

27 декабря 2004 года на практике все гамма и рентгеновские телескопы, обращенные к центру нашей Галактики, нежданно-негаданно "ослепли" от ярчайшей вспышки. Нейтронная звездочка с сильным магнитным полем, находящаяся от нас на расстоянии возле 30 тыс. световых лет, дала гамма-всплеск очень громадный мощности. Как в мифе о Медузе горгоне, не ослеп только один из приборов российской экспериментальной установки "КОНУС" на спутнике "Коронас-Ф" , который, как чисто глядя в зеркало, смог зарегистрировать отображение вспышки от Луны. Это была мощнейшая вспышка! За 0,2 секунды было выделено столь же энергии, сколь Солнце "высвечивает" за 100 тыс. лет.

Подобные феномены бросают вызов теоретикам, которые пока не могут прийти к единому мнению о механизме этих гипервспышек.

"Вальсирующие" звезды подтверждают правоту Эйнштейна

Гигантские магнитные поля - не единственное, чем нейтронные звезды интересны физикам. Так, например, для проверки общей теории относительности пока не найдено ничего лучше "вальсирующих" кругом общего центра масс пар нейтронных звезд. Наблюдая, как сближаются две такие звезды, составляющие тесную двойную систему, ученым удалось показать, что все происходит в точном соответствии с предсказаниями общей теории относительности. А это, в свою очередь, вселяет уверенность и в существовании гравитационных волн - волн пространства-времени , - для регистрации которых уже построены сложные и очень дорогие детекторы LIGO и VIRGO.

Центр управления обсерватории LIGO, расположенной в США. Ее цель - изучение гравитационных волн

Но даже сильная гравитация вкупе со сверхстабильным вращением - еще не все. Недра этих компактных объектов - исключительная по своим свойствам лаборатория. Мощная гравитация сжимает там вещество до плотности, в несколько раз превосходящей плотность атомных ядер, что дает теоретикам еще один шанс обследовать свои гипотезы в условиях, недоступных на Земле.

Странное кварковое вещество

Появление новых экспериментальных данных требует создания новых теорий, потому что старые, как выясняется, не описывают процессы в более экстремальных условиях.

Одним из базовых элементов описания физического мира является так называемая квантовая хромодинамика. Речь идет о взаимодействии кварков - частиц, из которых состоят, например, добро всем известные протоны и нейтроны. В этой теории невпроворот белых пятен. Надежду обрести ответы хотя бы на количество вопросов ученые связывают с запуском новых экспериментальных установок для столкновения тяжелых ионов (например, FAIR в Германии). Однако не исключено, что важную роль в изучении кварков сыграют не только наземные приборы, но и рентгеновские космические обсерватории.

Чем горячее тело, тем более короткие электромагнитные волны оно излучает. Мы с вами испускаем инфракрасные лучи - недоступные зрению. Нагревая ломоть металла, мы замечаем, что он становится красным, желтым, белым. Затем наступает очередность невидимого ультрафиолета. Наконец, при температуре около миллиона градусов излучение, исходящее от тела, будет в основном рентгеновским.

Монтаж одного из 1600 детекторов обсерватории имени Пьера Оже

Наблюдать с Земли небесные объекты в рентгеновском диапазоне невозможно: атмосфера поглощает это излучение. Значит, детекторы нужно запускать на спутниках. Рентген излучают самые разные астрономические источники, но нас интересуют в свое время всего нейтронные звезды. Они рождаются при взрывах сверхновых и сперва имеют колоссальный припас тепловой энергии. Затем потихоньку остывают. При возрасте от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч лет температура нейтронных звезд составляет порядка миллиона градусов.

Температура на поверхности связана с условиями остывания и переноса тепла в недра - последние же описываются квантовой хромодинамикой. Изучая молодые остывающие нейтронные звезды, мы можем принять информацию о процессах, которые запрещено смоделировать ни на суперускорителях, ни на суперкопьютерах.

Например, разные теории предсказывают всякий состав внутренних частей нейтронных звезд. По одной из версий, это будут традиционные протоны, нейтроны и электроны. По иной - более экзотические частицы: пионы или гипероны. Наконец, есть гипотеза, что недра нейтронных звезд состоят из странного кваркового вещества. Не исключено, что в природе могут быть компактные объекты, подобные нейтронным звездам, но полностью состоящие только из кварковой материи.

В их недрах плотность до того велика, что протоны и нейтроны как бы оказываются раздавленными и кварки, в обычном состоянии запертые внутри них, становятся свободными.

Падают ли на нас страпельки?

Если кварковая материя реально существует в недрах компактных звезд, то появляется еще одна интересная возможность. При слиянии двух таких объектов в двоякий системе выделяется большое число энергии, и кварковое вещество будет частично выброшено в космос в виде маленьких комочков - страпелек (от анг­лийского strangelet). Летая по Галактике, они могут угодить и на Землю - эти капельки странного вещества можно разыскивать в космических лучах. Найденная частица с здоровый массой, но маленьким зарядом - великолепный кандидат в страпельки. Было даже несколько сообщений об обнаружении таких частиц. Но пока уверенности нет, и ученые ждут запуска спутника AMS, тот, что должен будет расставить все точки над i.

Кстати, расчеты показывают, что страпельки безопасны: если такая частица попадет на Землю, наше вещество не начнет обращаться в странное.

Фото: SPL/EAST NEWS/AFP/EAST NEWS; AUGER.ORG/AP

Keywords: