Сверхновая 1987А: во время и до вспышки

Не очень давно здесь была неплохая статья Bars21 о нейтрино от сверхновых. Она мне очень понравилась, и кое-какие моменты (например, про урка-процесс) натолкнули на то, что мы не только читали или слушали одних и тех же преподавателей, но может быть, даже знакомы лично :)

Один из параграфов этой статьи (для лучшего понимания того, что будет говориться в дальнейшем, рекомендую его перечитать) был посвящен регистрации нейтрино от Сверхновой 1987А, и вот этот-то момент я бы хотел существенно дополнить. Дело в том, что детекторов, зарегистрировавших нейтринный всплеск, было не 3, а 4, да и самих всплесков было 2. Но об этом ничего практически не известно даже специалистам, не говоря уж о широкой публике. Тем более обидно, что значительную роль в этом открытии (впрочем, открытии ли?) сыграли российские (или советские, как кому нравится) ученые.

А дело было так.

В 1984 году силами советско-итальянской коллаборации под руководством академика Георгия Тимофеевича Зацепина (упомянутый в исходной статье его ученик Вадим Алексеевич Кузьмин, при всех его заслугах, не был главным первопроходцем в этой области) в туннеле между Францией и Италией под Монбланом был сооружен так называемый жидкостный сцинтилляционный детектор (Liquid Scintillation Detector, LSD).


Аббревиатура, кхм, многих наталкивала на всякие фривольные мысли, но когда я спросил об этом профессора Туринского университета Пьеро Галеотти, которому приписывалось авторство названия, он как-то невнятно отшутился.


Схема детектора и основная реакция антинейтрино, лежащая в основе его работы (та, на которую рассчитывали при строительстве)

Детектор содержал 72 сцинтилляционных счетчика размерами 1*1*1,5 м в железных контейнерах. Сцинтиллятор – это такое вещество, как правило, на основе нефтепродуктов (в нашем случае это был уайт-спирит), в котором заряженные частицы порождают вспышки света, которые улавливаются фотоэлектронными умножителями. В качестве защиты от внешней радиоактивности со всех сторон установки были размещены листы железа, так что на 90 тонн сцинтиллятора приходилось примерно 200 тонн железа. Изначально главной целью установки был поиск именно нейтринного излучения от сверхновых.

23 февраля 1987 года уже в 2:52 по всемирному времени (на 5 часов раньше, чем KII, IMB и БПСТ, упомянутые в статье Bars21) детектор LSD зарегистрировал ожидаемый сигнал: 5 событий с энерговыделением 6 – 11 МэВ, очень похожих на взаимодействие нейтрино, в течение 7 секунд.




Распечатка, которую команда обнаружила поутру 23 февраля 1987 года, и сама эта команда

В 7:36 по всемирному времени в LSD, одновременно с тремя другими детекторами, было зафиксировано еще 2 подобных события с энерговыделением 8-9 МэВ. Во время первого сигнала в LSD сработали две гравитационные антенны в Риме и Мэриленде (США), представлявшие собой массивные цилиндры, подвешенные на тонких нитях. Монстров типа нынешних установок LIGO или Virgo еще не соорудили. А в Камиоканде II тоже был зафиксирован сигнал, состоящий из двух событий.


Новая хронология ;)

Но как огромный детектор, содержащий более 2000 тонн воды, мог «проиграть» по числу событий маленькой установке с 90 тоннами активного вещества – сцинтиллятора? Да и откуда взялась вторая совокупность событий? Произошедшее настолько не укладывалось в теорию стандартного коллапса звезды, что сигнал, зафиксированный LSD, объяснили случайным фоновым событием (подобного которому, тем не менее, не было отмечено в течение всего времени работы установки, вплоть до 1999 года), и предпочли о нем забыть. Вероятно, сказалась в том числе и традиционная неторопливость советских ученых, которые стремились всё перепроверить в тот момент, когда надо было ковать железо, пока горячо.

Тут надо немного углубиться в те условия, при которых справедлива модель стандартного коллапса. По сути, это буквальный «сферический конь в вакууме»: звезда не должна вращаться, иметь магнитного поля, но быть сферически симметричной. В годы, когда эта модель разрабатывалась, системы дифференциальных уравнений с более сложными краевыми условиями, я подозреваю, просто невозможно было решить – даже численно. Тем не менее, в этой модели никому так и не удалось получить сброс оболочки звезды – того, что и будет восприниматься нами собственно как вспышка Сверхновой.


Знаменитое в кругах астрофизиков изображение остатка SN1987A

Но в реальности звезды вовсе не являются сферически симметричными и, как правило, они вращаются. Даже современные изображения остатка Сверхновой 1987А вовсе не похожи на сферически симметричную картину. Так что есть все основания полагать, что в природе вспышка Сверхновой происходит за счет каких-то более сложных процессов. Но каких?

В 1995 году Владимир Сергеевич Имшенник с помощью Дмитрия Константиновича Надёжина закончил разрабатывать модель, которую он назвал теорией вращающегося коллапсара. Суть её в следующем.

Если железное ядро звезды (а мы знаем, что в звездах идет наработка атомов из водорода начиная с гелия вплоть до железа, образование более тяжелых ядер энергетически невыгодно) на пороге гравитационного сжатия вращается, что обуславливается «наследством» вращения всей звезды и законом сохранения вращательного момента, то из расчетов следует, что период его вращения составляет тысячную долю секунды. Естественно, ядро сплющивается в осевом направлении и возникает нестабильность. Из сплюснутого диска возникает гантель, которая разрывается на части (в простейшем случае – на две). В этот момент испускаются преимущественно электронные нейтрино (а не нейтрино всех типов, как следует из стандартной модели коллапса).

Двойная система начинает вращаться вокруг общего центра масс, активно испуская гравитационные волны, за счет чего из системы уносится и энергия, и момент вращения. Осколки ядра сближаются, так что наступает момент передачи массы: более легкий компонент начинает сбрасывать вещество на более тяжелый, продолжая вращение. Когда масса легкого компонента становится примерно 10% от солнечной, он становится нестабильным и взрывается, а более тяжелый – коллапсирует, предположительно по стандартному сценарию (вот этот момент лично мне всегда казался большой натяжкой во всей модели).

Несмотря на то, что плотность вещества в ядре звезды в обоих сценариях – вращающегося коллапсара и стандартном – близка к ядерной, во втором случае температура в центре ядра выше на два порядка. Из-за этого нейтрино рождаются с довольно высокими энергиями – 100-200 МэВ, но при такой плотности вещества даже нейтрино будут взаимодействовать многократно. Рассеиваясь и переизлучаясь, на поверхность выходят нейтрино всех типов с энергиями 10-20 МэВ. Во вращающемся коллапсаре из-за низкой температуры основная реакция образования нейтрино – «вдавливание» электронов в протоны:

e^- + p > n + ?_e

Энергия нейтрино при этом составит примерно 30 — 40 МэВ, количество вещества, которое необходимо преодолеть нейтрино, вблизи полярных направлений существенно меньше. На поверхность звезды подобные нейтрино могут выйти без взаимодействия, сохранив свою энергию в 30 — 40 МэВ.

Для регистрации электронных нейтрино, излучаемых во время первой вспышки, хорошо подходят такие ядра как дейтерий, углерод и тяжелые нейтроноизбыточные элементы: железо, свинец и другие. Достаточное количество подобных элементов имелось только в LSD (В состав БПСТ тоже входило железо, но там его было относительно мало и в не столь удачной конфигурации). Таким образом, эта установка оказалась единственной, которая могла бы что-то достоверно «увидеть» во время первой вспышки. Взаимодействие нейтрино с кислородом, содержащимся в формуле воды, тоже дало бы несколько событий (оно и дало, но команда Камиоканде II не стала это афишировать), но намного меньше, чем железо, если пересчитывать эффект на единицу массы.

Дело ещё в том, что в результате взаимодействия электронного нейтрино с железом образуются кобальт и электрон.

?_e + ⁵⁶Fe > e^- + ⁵⁶Co^*

Ядро кобальта-56 (в силу чисто ядерных причин) при этом всегда рождается в возбужденном, не основном, состоянии. Возбуждение это снимается путем излучения одного или нескольких гамма-квантов. И если электроны, рожденные в железе, могут из него и не выйти, то нейтральные гамма-кванты (с характерными энергиями 1,7, 1,8, 4 или 7 МэВ) обладают большей проникающей способностью и почти наверняка попадут в сцинтилляционный слой.


Схема взаимодействия нейтрино с железом в сцинтилляционном детекторе LSD.

Спектр энерговыделений в сцинтилляторе будет описываться формулой dE/E с дополнительным максимумом около 7 МэВ. Основной вклад в него будут вносить гамма-кванты от снятия возбуждения кобальта и гамма-кванты, рожденные электроном в результате его торможения в железе.

Казалось, что загадка Сверхновой 1987А решена с помощью модели вращающегося коллапсара. Ольга Георгиевна Ряжская – еще одна ученица Зацепина, собственно, ответственная за ход эксперимента LSD с советской стороны – совместно с Имшенником выступила на нескольких конференциях, пытаясь убедить мир в состоявшемся открытии (мне кажется, его масштаб тянул на Нобелевскую премию). Однако недоверие научного сообщества к давнишнему результату эксперимента LSD было настолько велико (воистину, «как вы яхту назовете, так она и поплывет»), да и время было упущено (сопоставить экспериментальные данные с расчетом удалось только в начале 2000-х, через 15 лет после собственно вспышки), так что это объяснение не получило широкого признания. Только в одной России было разработано ещё несколько конкурирующих теорий, претендующих на объяснение механизма взрыва Сверхновых и генерации при этом нейтрино. За отсутствием экспериментальных подтверждений все эти теории так и остались моделями или – если хотите – не более чем гипотезами.

Единственный вывод, который можно сделать из этой истории наверняка, – это необходимость строить такие установки, которые могли бы регистрировать не только «общепризнанное» взаимодействие электронного антинейтрино с протоном, но взаимодействия нейтрино всех типов. Для этого нужны не только черенковские детекторы, использующие воду, или чисто сцинтилляционные установки, но желательно иметь ячеистую конфигурацию – этакие нейтринные калориметры с возможностью измерять энергию – с использованием тяжелых элементов типа железа или свинца.


LVD. За неимением места в шахте его всегда фотографировали с одного ракурса и только тогда, когда перед ним не было другой установки

Подобной установкой был наследник эксперимента LSD – детектор LVD (Large Volume Detector), расположенный в соседнем с Borexino зале подземной лаборатории Гран Сассо в итальянских Аппенинах. Он содержал примерно 1000 тонн такого же сцинтиллятора и столько же железа в качестве несущих модулей и мог бы успешно зарегистрировать вплоть до 1000 чисто нейтринных событий в случае вспышки Сверхновой в центре нашей Галактики. Увы, явление это достаточно редкое, и за годы своей работы (в 2001 году он был построен полностью, но наблюдения начал на несколько лет раньше) по сей день ему не повезло. Я пишу о нем в прошедшем времени, потому что, к сожалению, в следующем году его планово выведут из эксплуатации. Возможно, человечество навсегда упустит возможность разгадать одну из загадок Вселенной.

Но я всё-таки верю в лучшее.