Что космические нейтрино говорят нам о Вселенной?

 

Нейтрино — субатомные частицы, практически не имеющие массы. Они редко взаимодействуют с другими частицами, что затрудняет их обнаружение.

 

Нейтрино были постулированы в 1930 Вольфгангом Паули для объяснения экспериментов с частицами. Впервые были зарегистрированы в ядерном реакторе в 1956.

 

Нейтрино заполняют Вселенную. Около 400 триллионов нейтрино пронзают ваше тело каждую секунду почти со скоростью света.

 

Многие нейтрино возникли во время Большого взрыва. Другие рождаются в ядерных реакциях в звездных ядрах и при взрывах сверхновых.

 

Нейтрино могут быть обнаружены путем наблюдения за большими объемами воды: очень редко они взаимодействуют с атомами, создавая крошечные вспышки света.

 

Детекторы построены под землей, чтобы защитить их от космических лучей. Некоторые крупные нейтринные детекторы: Super-Kamiokande (Япония), Sudbury (Канада).

 

Крупнейшим на сегодняшний день является IceCube Neutrino Observatory на Южном полюсе: 1 кубический км льда, содержащий тысячи световых детекторов.

 

Большинство нейтрино прибывает на Землю, приходя из ядра Солнца. В 1987 были неожиданно обнаружены нейтрино от близкого взрыва сверхновой.

 

Во время путешествия через пространство нейтрино изменяет «аромат» (электронное/мюонное/тау-нейтрино). Это возможно только при наличии у нейтрино сверхмалой массы.

 

Однако, несмотря на многочисленность реликтовых нейтрино, возникших в Большом взрыве, они настолько легки, что не могут отвечать за существование темной материи.

 

Нейтрино являются только «посланниками», которых мы получаем непосредственно из ядра Солнца. Изучение космических нейтрино может также пролить свет на взрывы сверхновых.

 

Тем не менее основная цель нейтринной астрономии узнать больше о фундаментальных свойствах природы, может быть, даже о тайне темной материи.

 

Что такое гравитационные волны?

 

Гравитационные волны являются гипотетическими волнами в структуре пространства-времени, движущимися со скоростью света, как рябь на поверхности пруда.

 

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, жесткое 4-мерное пространство-время должно быть деформировано/искривлено наличием массы.

 

Кроме того, ускоряющиеся массы создают рябь, распространяющуюся в пространстве-времени, которая уносит энергию. Это называется гравитационным излучением.

 

В 1974 Рассел Халс и Джо Тейлор обнаружили, что орбита двойного пульсара В1913 +16 теряет энергию и сокращается на 3,5 м/год.

 

Потери энергии находятся в точном согласии с предсказаниями общей теории относительности. Двойной пульсар, видимо, излучает гравитационные волны.

 

Прямая регистрация очень сложна, так как амплитуда волны чрезвычайно мала. Детекторы используют лазерные пучки в многокилометровых изолированных трубах.

 

Даже чувствительные детекторы LIGO в США ни разу ничего не обнаружили. Обновление в 2014 для повышения чувствительности может изменить эту ситуацию.

 

Ожидаемые источники гравитационных волн: орбитальное движение массивных тел, взрывы сверхновых, гамма-всплески, поглощение звезд черными дырами.

 

Будущие космические детекторы могут также обнаружить высокочастотные гравитационные волны, которые являются остатками Большого взрыва.

 

Гравитационно-волновая астрономия открывает совершенно новые окна Вселенной. Может выявить явления, прежде никогда не наблюдаемые людьми. Разве это не здорово?

 

 

Благодарности

 

Говерт хотел бы поблагодарить пользователей — посетителей его Твиттера — за их интерес к еженедельным астрономическим «твитам», которые привели к созданию этой книги. И Маркуса — за его энтузиазм в сотрудничестве при работе над Твитами о Вселенной (Twitting the Universe).

 

Маркус хотел бы поблагодарить Нейла Белтона, Генри Воланса, Стивена Пейджа, Фелисити Брайан и Карен Чилвер (Neil Belton, Henry Volans, Stephen Page, Felicity Bryan and Karen Chilver) за веру и поддержку. И, конечно, Говерта.

 

Послесловие

 

Со времени выхода первого издания «Tweeting the Universe» до публикации книги на русском языке прошло достаточное время, за которое успели произойти многие события, о которых говорится в «Твитах о Вселенной» в будущем времени. В частности, «конец света», назначенный на 21 декабря 2012 г., как мы заметили, не состоялся. Некоторые явления, о которых упоминается в оригинале «твитов», такие как солнечные или лунные затмения 2012 года, уже произошли, и т. д. и т. п. Поэтому в русском издании мы вынуждены были сделать связанные с этим изменения или пометки, которые помещены в сносках. Кроме того, в примечаниях переводчика поясняются непонятные читателю термины, географические названия или литературные реминесценции, а также приводятся некоторые пояснения физико-технического характера.

 

Отдельно следует отметить, что в переводе (в связи со спецификой русского языка, который не так лаконичен, как английский) не все твиты удалось «уложить» в желаемые 140 символов, тем более, что иногда приходилось из очевидных соображений при переводе имен собственных или специфических терминов в скобках оставлять английские оригиналы. Будем надеяться, что читатель поймет «трудности перевода» и не будет слишком строго судить нас за это.

 

Спасибо, что скачали книгу в бесплатной электронной библиотеке Royallib.com

Оставить отзыв о книге

Все книги автора

[1] Зона «Златовласки» — «Goldolocks Zone» (от англ. Goldolocks — Златовласка) — термин содержит ссылку на сказку «Goldoloks and the Three Bears», в которой Златовласка выбирает один из трех предметов, а именно обладающий нужными качествами — не слишком холодный, не слишком горячий, а в самый раз. — Прим. перев. (здесь и далее в сносках).

 

[2] Казалось бы, калий — сравнительно легкий элемент (номер 19 по таблице Менделеева), более чем в два раза легче урана, но его изотоп К-40 с массовым числом 40 является радиоактивным.

 

[3] Интересно, что глубина этого кратера относительно верхушки окаймляющего вала составляет 3,8 км.

 

[4] Ки-Уэст (англ. Key Wesf) — имеется в виду небольшой остров Ки-Уэст размером 3,2 на 6,4 км на архипелаге Флорида-Кис.

 

[5] Нил Армстронг умер 25 августа 2012 года.

 

[6] Гора Олимп (лат. Olympus Mons) — потухший вулкан на Марсе, расположенный в провинции Фарсида, самая высокая гора в Солнечной системе. Назван по имени горы Олимп в Греции, на которой, согласно мифам, обитали боги-олимпийцы.

 

[7] Вероятно, имеется в виду знаменитый «Марсианский сфинкс» — образование на поверхности Марса, выветренный холм, которое на первых фотографиях со станции «Викинг-1» выглядело похожим на огромное каменное изваяние человеческого лица. Нередко указывали и на некие «пирамиды», расположенные недалеко от «сфинкса». Эти фотографии привели к рождению огромного количества газетных «уток», фантастических и псевдонаучных толков. Позднее, при более детальном фотографировании, проведенном станцией «Mars Global Surveyor», обнаружилось, что человекоподобие было иллюзией, вызванной игрой света и тени, а также низким разрешением съемочной камеры аппарата. «Пирамиды» же являются обычными скалами.

 

[8] Айерс-Рок — самая большая и самая древняя в мире скала-монолит. Это уникальное место является одной из главных достопримечательностей Австралии.

 

[9] Столовая гора (нем. Tafelberg, исп. mesa — в пер. стол) — гора с усеченной, плоской вершиной.

 

[10] Жизненная форма «баньян» удивительна. У взрослых растений из ствола и ветвей образуются длинные воздушные корни, которые достигают земли и укореняются, обеспечивая фикус водой и питательными веществами. Со временем корни утолщаются и превращаются в дополнительные стволы, опоры для единой густой кроны. Таким образом, баньян растет вширь, «шагает» новыми стволами во все стороны от центрального ствола, и из одного дерева со временем образуется роща или лес. Баньян может занимать территорию до нескольких гектаров.

 

[11] Планетезималь — в теориях происхождения Солнечной системы (и других планетарных систем) — тело размером от нескольких миллиметров до нескольких километров, которое конденсировалось из облака газа и пыли (солнечной туманности) в стороне от того места, где формировалось Солнце. Как только такие тела достигали размера нескольких километров, их гравитационное притяжение позволяло им соединяться друг с другом в ходе процесса, называемого аккрецией, в результате чего образовывались протопланеты. Термин «планетезималь» впервые был использован в «планетезимальной теории», предложенной Форестом Рэем Мультоном и Томасом Чемберленом в начале 1900-х, для обозначения мелких планетных тел, которые считались образованными из вещества, оторванного от Солнца проходящей звездой.

 

[12] Траппы плато Декан — крупная магматическая провинция, расположенная на плоскогорье Декан в западной и центральной частях Индии, одно из крупнейших вулканических образований на Земле. Магматическая провинция сложена базальтовыми покровами, толщина которых достигает более 2000 м. Общая площадь траппов составляет около 500 000 км², а их объем достигает 512 000 км³. Термин «трапп», который используется в геологии для обозначения подобного типа рельефа, происходит от шведского слова trappa — лестница, так как в районах траппового магматизма местность приобретает вид обширных плоских равнин, расположенных на кровле базальтового покрова или интрузии, разделенных уступами. Такая местность напоминает парадную лестницу. Интересно, что по современным представлениям плато Декан образовалось десятки млн лет назад в результате «вспучивания» земной поверхности от удара астероида с противоположной стороны земного шара в районе Мексиканского залива. Именно эта катастрофа была, вероятно, причиной исчезновения динозавров.

 

[13] Облака на северном полюсе Сатурна образуют шестиугольник — гигантский гексагон. Впервые это было обнаружено во время пролетов Вояджера около Сатурна в 1980-х, подобное явление никогда не наблюдалось ни в одном другом месте Солнечной системы. Странная структура облаков показана на инфракрасном изображении, полученном обращающимся вокруг Сатурна космическим аппаратом «Кассини» в октябре 2006 г. Изображения показывают, что шестиугольник оставался стабильным все 20 лет после полета Вояджера. Фильмы, показывающие северный полюс Сатурна, демонстрируют сохранение гексагональной структуры облаков во время их вращения.

 

[14] «Розетта» — космический аппарат, запущенный ЕКА 2 марта 2004 г. Цель полета — исследование кометы 67Р/Чурюмова-Герасименко. Аппарат состоит из двух частей: собственно зонда «Розетта» (Rosetta space probe)  и спускаемого аппарата «Филы» (Philae lander). Название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня — легендарного артефакта, с помощью которого удалось расшифровать древнеегипетские иероглифы. С помощью же космического аппарата «Розетта» ученые надеются узнать, как выглядела Солнечная система до того, как сформировались планеты. Название спускаемого аппарата образовано от острова Филы, на реке Нил, где был найден обелиск с именем египетской царицы Клеопатры, помогший расшифровать Розеттский камень.

 

[15] Перевод с англ. стихотворения «Twinkle, twinkle, little star…», написанного Джейн Тэйлор, взят из книги: Льюис Кэрролл. Приключения Алисы в стране чудес. Алиса в Зазеркалье. — М: Наука, 1978. Перевод с англ. и подготовка издания: Нина Демурова. Стихи в переводах С. Я. Маршака, Д. Г. Орловской и О. И. Седаковой. Комментарий Мартина Гарднера.

 

[16] «Стоит отметить, — писала мисс Ливитт, — что более яркие переменные имеют больший период». Ливитт получила периоды 25 звезд и сопоставила их на графике с блеском в максимуме и минимуме. Блеск оказался связанным с периодом линейной зависимостью, и она заключила: «Так как эти переменные звезды, вероятно, находятся на одинаковом расстоянии от Земли, их периоды, очевидно, связаны с количеством излучаемого ими света», т. е. со светимостью. Так появилась знаменитая зависимость период — светимость.

 

[17] Так у авторов. Вероятно, они имеют в виду, что редок не газ H₂, а атомарный водород.

 

[18] Сесилия Пэйн-Гапошкин (вышла замуж за русского ученого С. И. Гапошкина, с которым выполнила совместно многие научные работы) была первой женщиной, получившей звание профессора и возглавившей кафедру в Гарвардском университете (США).

 

[19] Речь идет о волне, которую создают болельщики на трибунах стадиона.

 

[20] Имеется в виду ускоритель заряженных частиц, в частности протонов (ядер атомов водорода).

 

[21] Стрелец А* (произносится «звезда Стрелец А», Sagittarius A*, Sgr А*) — компактный радиоисточник, находящийся в центре нашей галактики. Излучает также в инфракрасном, рентгеновском и других диапазонах.

 

[22] Местное сверхскопление галактик — система галактик размером около 200 млн световых лет.

 

[23] «Автостопом по галактике» (The Hitchhiker's Guide to the Galaxy) — серия сатирических научно-фантастических романов английского писателя Дугласа Адамса. Один из них имеет название «Ресторан на краю Вселенной» (The Restaurant at the End of the Universe).

 

[24] Аккреционный диск — диск, образующийся вокруг звезды в результате аккреции, если падающее вещество имеет момент вращения. Ситуация, приводящая к образованию аккреционного диска, в частности, возникает в тесных двойных системах.

 

[25] Сейфертовская галактика — спиральная или неправильная галактика с активным ядром, спектр излучения которой содержит множество ярких широких полос, что указывает на мощные выбросы газа со скоростями до нескольких тысяч километров в секунду. Такие галактики впервые описаны в 1943 г. Карлом Сейфертом. К числу сейфертовских галактик относится около 1 % наблюдаемых спиральных галактик. Наиболее вероятная гипотеза, объясняющая активность ядер, предполагает наличие черной дыры (массой в десятки или сотни миллионов масс Солнца) в центре галактики.

 

[26] HE0450–2958 является необычным квазаром. Его называют «голый квазар» или «бездомный квазар», поскольку не обнаружена содержащая его галактика. Согласно оценкам, он находится на расстоянии около одного миллиарда парсек от нас.

 

[27] Инфляционная модель Вселенной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого взрыва (при температуре выше 1028 К), предполагающая период ускоренного, по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной, расширения.

 

[28] В космологии теория стационарной Вселенной (англ. Steady State Theory, Infinite Universe Theory или Continuous Creation) — модель, разработанная в 1948 г. Фредом Хойлом, Томасом Голдом, Германном Бонди и др. в качестве альтернативы теории Большого взрыва. Согласно этой модели, по мере расширения Вселенной между разлетающимися галактиками постоянно создается новая материя. Модель имела довольно большую поддержку среди космологов в 1950-е и 1960-е годы, но открытие реликтового излучения резко уменьшило количество ее сторонников в конце 1960-х годов. Сейчас сторонников у данной теории практически нет.

 

[29] Это так, но на очень короткое время.

 

[30] Здесь авторы подчеркивают очевидный факт, так как любая энергия, вообще говоря, невидима.

 

[31] Антропный принцип — аргумент «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек». Этот принцип был предложен с целью объяснить с научной точки зрения, почему в наблюдаемой нами Вселенной имеет место ряд нетривиальных соотношений между фундаментальными физическими параметрами, которые необходимы для существования разумной жизни. Вселенная должна иметь свойства, позволяющие развиться разумной жизни.

 

[32] В книге «Жизнь как она есть: ее происхождение и природа» (Fransis Crick, «Life Itself. Its Origin and Nature», 1981) Френсис Крик отметил удивительное сходство всех форм жизни. «За исключением митохондрий, — писал он, — генетический код идентичен во всех живых объектах, изученных в настоящее время». Ссылаясь на открытия в молекулярной биологии, палеонтологии и космологии, он предположил, что жизнь на Земле могла произойти от микроорганизмов, которые были рассеяны по всему пространству с другой планеты; эту теорию он и его коллега Лесли Оргел назвали «непосредственной панспермией».

 

[33] Приемник был настроен на длину волны 21 сантиметр, соответствующую излучению межзвездного водорода. Предполагалось, что эта волна должна быть неким универсальным стандартом и ориентиром для цивилизаций, пытающихся установить межзвездную связь.

 

[34] Проект SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) — проект по поиску внеземных цивилизаций и возможному вступлению с ними в контакт.

 

[35] «Космическая одиссея 2001 года» (2001: A Space Odyssey) — культовый научно-фантастический фильм Стэнли Кубрика 1968 года, ставший вехой в развитии кинофантастики и мирового кинематографа в целом. В основу фильма лег рассказ Артура Кларка «Часовой», который был опубликован в 1951 году. Кларк разработал сценарий вместе с Кубриком еще до написания романа «2001: Космическая одиссея», вышедшего в свет сразу после фильма. Картина рассказывает о серии встреч людей с метафоричными черными монолитами, которые, по-видимому, оказывают влияние на ход человеческой эволюции. Первая состоялась на заре истории. Второй раз люди находят монолит на Луне в эпоху освоения человеком околоземного пространства. Монолит испускает мощное излучение в сторону Юпитера, и тогда, в поисках третьего монолита, было решено отправить туда экспедицию, которой командуют астронавт Дейв Боумен (Кир Дулли) и Фрэнк Пул (Гари Локвуд), а также сверхразумный компьютер HAL 9000, который имеет почти полный контроль над кораблем.

 

[36] Пещера Ласко или Ляско (фр. Grotte de Lascaux) во Франции — один из важнейших палеолитических памятников по количеству, качеству и сохранности наскальных изображений. Иногда Ласко называют «Сикстинской капеллой первобытной живописи». Живописные и гравированные рисунки, которые находятся там, не имеют точной датировки: они появились примерно в XVIII XV тысячелетии до н. э. Долгое время их приписывали древней мадленской культуре, но последние изыскания показали, что они скорее относятся к более ранней солютрейской культуре.

 

[37] Эпицикл (от греч. επι — на и κυκλος — круг) — понятие, используемое в древних и средневековых теориях движения планет, включая геоцентрическую модель Птолемея. Согласно этой модели, планета равномерно движется по малому кругу, называемому эпициклом, центр которого, в свою очередь, движется по большому кругу, который называется деферентом. Понятие эпицикла было введено, чтобы моделировать неравномерное движение Солнца, Луны и планет в рамках господствующей в то время геоцентрической системы мира. Согласно теориям Гиппарха и Птолемея, Солнце и Луна равномерно движутся по эпициклам, центры которых равномерно вращаются по деференту в противоположном направлении.

 

[38] Главный труд Птолемея — «Великое математическое построение по астрономии в тринадцати книгах» или просто и с достоинством «Великое», по-гречески «Мэгисте», что, по пути из греков в средневековую Европу через арабов, трансформировалось в Альмагест.

 

[39] Мы уже успели в этом убедиться.

 

[40] Северный тропик, или тропик Рака, — одна из пяти основных параллелей, отмечаемых на картах Земли. В настоящее время расположен на 23° 26' 16'' к северу от экватора и определяет наиболее северную широту, на которой солнце в полдень может подняться в зенит. Это происходит в момент летнего солнцестояния, когда угол падения солнечных лучей на поверхность Северного полушария, меняющийся в течение года из-за обращения наклоненной оси Земли вокруг Солнца, является максимальным.

 

[41] Календарь майя — система календарей, созданных цивилизацией майя в доколумбовой Центральной Америке. Этот календарь использовался и другими центральноамериканскими народами — ацтеками, тольтеками и др. Типичная дата календаря майя выглядит примерно так: 12.18.16.2.6, 3 Кими 4 Соц, где 12.18.16.2.6 — это дата длинного счета, 3 Кими — цолькин, 4 Соц — хааб.

 

[42]  Keck (Кек) — десятиметровые телескопы для оптических и инфракрасных наблюдений, установленные на Гавайях — самом благоприятном для наблюдений месте. Телескопы названы так потому, что были построены за счет помощи фонда Кека. Вес этих телескопов 300 тонн, а высота, как у восьмиэтажного дома. Зеркало телескопа имеет диаметр 10 м, оно состоит из 36 шестиугольных сегментов, работающих как одно отражательное зеркало.

 

[43] Проект «Джемини» — международный: его осуществляли астрономические организации Англии, Канады, Чили, Австралии, Аргентины и Бразилии.

 

[44]  SuperKamiokande (или Super-K) — нейтринный детектор, являющийся модернизированной моделью Kamiokande-II. Он размещен в японской лаборатории на глубине в 1000 метров в цинковой шахте Камиока, в 180 милях к северу от Токио. Строительство детектора производилось консорциумом американских и японских исследователей и было завершено в 1996 г. Детектор SuperKamiokande  представляет собой резервуар из нержавеющей стали высотой 42 м и диаметром 40 м, заполненный 50 тыс. т специально очищенной воды. На стенах резервуара размещены 11 146 фотоумножителей. Также детектор оснащен огромным количеством электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудованием для очистки воды. Это чрезвычайно светочувствительные приборы: при попадании на их поверхность даже одного кванта света они генерируют электрический импульс, который затем обрабатывает специальная электронная система.