Лаборатория уходит в небо

Тренды
Москва, 06.11.2008
«Русский репортер» №42 (72)
Академик Зельдович называл Вселенную «ускорителем для бедных». В самом деле, если на рукотворных ускорителях мы едва 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 пока 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 вокруг нас. Плотность в недрах нейтронных звезд в несколько раз выше плотности атомных ядер… Ученые надеются, что исследования с использованием «космических лабораторий» помогут продвинуться в изучении природы

Сегодня Большой адронный коллайдер можно назвать 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 один вольт, такую же примерно энергию имеет квант видимого света.

Столкновение частиц с очень большими энергиями приводит к рождению тяжелых частиц, открытие и изучение которых крайне важно для развития физики — науки экспериментальной.

Чем выше энергия, тем экзотичнее и интереснее оказываются процессы, поэтому ученые и строят все более мощные ускорители. Однако за величайшим из экспериментаторов — космосом — нам никогда не угнаться.

Все слышали о спорах по поводу безопасности запуска Большого адронного коллайдера. Конечно же, физики тщательно изучили данный вопрос — и помогли им в этом космические лучи. В самом деле, если в космосе постоянно летают частицы, как минимум 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, можно спать спокойно: никаких катаклизмов, связанных с черными дырами, образовавшимися при взаимодействии частиц высоких энергий со звездными объектами, обнаружено не было. Так наблюдение за «экспериментами природы» помогает судить о возможных последствиях ранее не проводившихся земных опытов.

Одна частица на десять тысяч гектар

Космическое пространство пронизывают потоки частиц. Ученые доказали их существование примерно сто лет назад — в 1911 году, за что в 1936 году им была присуждена Нобелевская премия.

Космические частицы могут иметь большую энергию. В первой половине ХХ века, когда крупных ускорителей еще не было, физики вовсю использовали потенциал «пришельцев из космоса». Так, например, был открыт позитрон — античастица электрона.

Примерно с 1950-х годов экспериментаторы получили в свое распоряжение мощные ускорители, и количество исследований в области физики космических лучей сократилось. Однако даже в самых смелых своих мечтах исследователи не надеются создать агрегаты, ускоряющие частицы до 1022 эВ (это в миллиард раз больше, чем в знаменитом коллайдере), зато их можно получить в космосе.

Задача ускорить протон до энергии в 1022 эВ настолько нетривиальна, что мы до сих пор плохо себе представ­ляем, как это удается природе. Есть несколько кандидатов на роль «естественных ускорителей», но окончательно выбрать между ними ученые пока не могут.

Для решения этой загадки строят особо крупные исследовательские комплексы. На сегодня самой большой и современной является обсерватория имени Пьера Оже — ее окончательный монтаж был завершен в прошлом году. Обсерватория включает в себя более полутора тысяч наземных станций, на которых установлены детекторы, регистрирующие частицы, образовавшиеся после взаимодействия космических лучей с атомами земной атмосферы, и 24 телескопа, наблюдающих вспышки, возникающие при попадании высокоэнергичных частиц в атмосферу. Все это разбросано на территории чуть 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 совсем не знаем, какие именно 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 можно ускорять до очень высоких энергий.

А может быть, эти особо «энергичные» частицы не разгоняются на космических ускорителях, а рождаются при распаде каких-то загадочных, очень 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 очень большим магнитным полем.

Магнитное поле на поверхности Земли меньше одного гаусса, однако в специальных установках на короткое время можно создавать 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 вести себя причудливым образом: атомы из «шариков» превращаются в «иглы», вытягиваясь вдоль поля, — можно наблюдать интересные квантовые эффекты.

Например, квантовая электродинамика предсказывает существование критического поля, в котором один фотон даже с небольшой 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 иногда может «выходить из-под контроля».

27 декабря 2004 года практически все гамма- и рентгеновские телескопы, обращенные к центру нашей Галактики, вдруг «ослепли» от ярчайшей вспышки. Нейтронная звезда с сильным магнитным полем, находящаяся от нас на расстоянии около 30 тыс. световых лет, дала гамма-всплеск очень большой мощности. Как в мифе о Медузе горгоне, не ослеп лишь один из приборов российской экспериментальной установки «КОНУС» на спутнике «Коронас-Ф», который, как будто глядя в зеркало, смог зарегистрировать отражение вспышки от Луны. Это была мощнейшая вспышка! За 0,2 секунды было выделено столько же энергии, сколько 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» вокруг 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.

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 проверить свои гипотезы в условиях, недоступных на Земле.

Странное кварковое вещество

Появление новых экспериментальных данных требует создания новых теорий, поскольку 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, хорошо всем известные протоны и нейтроны. В этой теории много белых пятен. Надежду получить ответы хотя бы на часть 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 кусок металла, мы замечаем, что он становится красным, желтым, белым. Затем наступает очередь невидимого ультрафиолета. Наконец, при температуре около миллиона градусов излучение, исходящее от тела, будет в основном рентгеновским.

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 прежде всего нейтронные звезды. Они рождаются при взрывах сверхновых и поначалу имеют колоссальный запас тепловой энергии. Затем постепенно остывают. При возрасте от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч лет температура нейтронных звезд составляет порядка миллиона градусов.

Чем выше энергия частиц, тем экзотичнее и интереснее оказываются физические процессы, поэтому ученые всего мира и строят все более мощные ускорители. Однако за величайшим из экспериментаторов — космосом — нам никогда не угнаться

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

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

У некоторых нейтронных звезд, называемых магнитарами, поля в миллион миллиардов раз (1015) мощнее, чем на Земле! И там вещество начинает вести себя причудливым образом: атомы из «шариков» превращаются в «иглы», вытягиваясь вдоль поля

В их недрах плотность настолько 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 действительно существует в недрах компактных звезд, то появляется еще одна интересная возможность. При слиянии двух таких объектов в двойной системе выделяется большое количество энергии, и кварковое вещество будет частично выброшено в космос в виде маленьких комочков — страпелек (от анг­лийского strangelet). Летая по Галактике, они могут попасть и на Землю — эти капельки странного вещества можно искать в космических лучах. Найденная частица с большой массой, но маленьким зарядом — отличный кандидат в страпельки. Было даже несколько сообщений об обнаружении таких частиц. Но пока уверенности нет, и ученые ждут запуска спутника AMS, который должен будет расставить все точки над i.

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

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

Новости партнеров

«Русский репортер»
№42 (72) 6 ноября 2008
Идеология
Содержание:
Частная правда

От редакции

Фотография
От редактора
Вехи
Актуально
Путешествие
Фотополигон
Реклама