НЕЙТРИ́ННАЯ АСТРОНО́МИЯ

НЕЙТРИ́ННАЯ АСТРОНО́МИЯ, раз­дел на­блю­да­тель­ной ас­тро­но­мии, изу­чаю­щий свой­ст­ва по­то­ков ней­три­но вне­зем­но­го про­ис­хо­ж­де­ния в ши­ро­ком диа­па­зо­не их энер­гии. Ис­точ­ни­ка­ми та­ких ней­три­но слу­жат звёз­ды, в не­драх ко­то­рых про­ис­хо­дят тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции, а так­же взры­вы сверх­но­вых звёзд и кос­мич. лу­чи. Кро­ме то­го, от ран­ней ста­дии эво­люции Все­лен­ной со­хра­ни­лись кос­мо­ло­гич. (ре­лик­то­вые) ней­три­но.

Рас­про­стра­ня­ясь в про­стран­ст­ве, ней­три­но мо­гут дос­ти­гать Зем­ли и, бу­ду­чи за­ре­ги­ст­ри­ро­ван­ны­ми, при­но­сят ин­фор­ма­цию о про­цес­сах, в ко­то­рых они бы­ли ро­ж­де­ны. Дли­на сво­бод­но­го про­бе­га ней­три­но в ве­ще­ст­ве об­рат­но про­пор­цио­наль­на про­из­ве­де­нию плот­но­сти ве­ще­ст­ва и се­че­ния взаи­мо­дей­ст­вия, ко­то­рое из­ме­ня­ет­ся от 10^–44 см² при энер­гии мень­ше 1 МэВ до 10^–34 см² при энер­гии вы­ше 10⁴ ГэВ. Напр., зем­ной шар ста­но­вит­ся не­про­зрач­ным для ней­три­но при энер­ги­ях >10³ ГэВ, Солн­це – при энер­гии >10² ГэВ.

Осн. ин­ст­ру­мен­та­ми Н. а. яв­ля­ют­ся ней­трин­ные те­ле­ско­пы (ней­трин­ные де­тек­то­ры). Чис­ло взаи­мо­дей­ст­вий в еди­ни­цу вре­ме­ни в де­тек­то­ре про­пор­цио­наль­но мас­се де­тек­то­ра, се­че­нию взаи­мо­дей­ст­вия и чис­лу ней­три­но, па­даю­щих в едини­цу вре­ме­ни на пло­щад­ку де­тек­то­ра в 1 см². Т. о., воз­мож­но­сти Н. а. во мно­гом оп­ре­де­ля­ют­ся раз­ме­ра­ми де­тек­то­ра. Пер­вый ней­трин­ный те­ле­скоп (хлор-ар­го­но­вый де­тек­тор сол­неч­ных ней­три­но) был соз­дан в 1961 под рук. Р. Дей­ви­са, что по­слу­жи­ло на­ча­лом раз­ви­тия ней­трин­ной ас­тро­но­мии.

Солнечные нейтрино

Со­глас­но совр. пред­став­ле­ни­ям, све­ти­мость Солн­ца пол­но­стью обес­пе­чи­ва­ет­ся тер­мо­ядер­ны­ми пре­вра­ще­ния­ми, про­ис­хо­дя­щи­ми в его цен­тре. Мо­де­ли­ро­ва­ние про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в Солн­це, по­ка­зы­ва­ет, что по­дав­ляю­щий вклад в све­ти­мость да­ют ре­ак­ции во­до­род­но­го цик­ла. Ко­неч­ный ре­зуль­тат этих ре­ак­ций мож­но сфор­му­ли­ро­вать сле­дую­щим об­ра­зом: че­ты­ре про­то­на сли­ва­ют­ся в од­ну $α$-час­ти­цу, при этом воз­ни­ка­ют два по­зи­тро­на, ко­то­рые за­тем ан­ни­ги­ли­ру­ют, стал­ки­ва­ясь с элек­тро­на­ми, и два элек­трон­ных ней­три­но. При син­те­зе од­ной $α$-час­ти­цы вы­де­ля­ет­ся энер­гия 26,731 МэВ, из ко­то­рой ок. 0,6 МэВ при­хо­дит­ся на ней­три­но. Наи­бо­лее ин­тен­сив­ный по­ток ней­три­но воз­ни­ка­ет в ре­ак­ции $\text{p+p}\rightarrow \:^2\text H+\text e^+ +ν_e$. Ве­ли­чи­на это­го по­то­ка на Зем­ле со­став­ля­ет ок. 6·10¹⁰ см^–2с^–1 и с хо­ро­шей точ­но­стью оп­ре­де­ля­ет­ся из из­вест­ной све­ти­мо­сти Солн­ца. Макс. энер­гия ней­три­но в этой ре­ак­ции со­став­ля­ет 420 кэВ. Дос­та­точ­но ин­тен­сив­ные по­то­ки ней­три­но бо­лее вы­со­ких энер­гий воз­ни­ка­ют при за­хва­те элек­тро­на ядром $\ce{^7Be}$ (862 кэВ) и при $β$-рас­па­де яд­ра $\ce{^8B}$ (макс. энер­гия ок. 15 МэВ). Ве­ли­чи­ны этих по­то­ков, ко­то­рые бы­ли из­ме­ре­ны разл. ме­то­да­ми в не­сколь­ких экс­пе­ри­мен­тах с сол­неч­ны­ми ней­три­но, ока­за­лись зна­чи­тель­но мень­ше ожи­дае­мых. Ана­лиз этих ре­зуль­та­тов по­зво­лил прий­ти к за­клю­че­нию, что в про­цес­се про­хо­ж­де­ния ней­три­но че­рез ве­ще­ст­во часть из них пре­вра­ща­ет­ся в ней­три­но др. типа, что воз­мож­но в слу­чае су­ще­ст­во­ва­ния ней­трин­ных ос­цил­ля­ций. Т. о., в этих экс­пе­ри­мен­тах бы­ли до­ка­за­ны мас­сив­ность ней­три­но и их сме­ши­ва­ние.

Нейтрино от коллапсирующих звёзд

Ней­трин­ное из­лу­че­ние дру­гих, бо­лее да­лё­ких звёзд вы­де­лить на фо­не из­лу­че­ния Солн­ца по­ка не пред­став­ля­ет­ся воз­мож­ным. Звёз­ды на за­клю­чит. эта­пе их эво­лю­ции в про­цес­се гра­ви­тац. кол­лап­са долж­ны из­лу­чать весь­ма ин­тен­сив­ный по­ток ней­три­но всех ти­пов. Энер­гия, уно­си­мая ней­три­но при взры­ве сверх­но­вой звез­ды, со­став­ля­ет по­ряд­ка 10⁴⁶ Дж за вре­мя ок. 10 с, что по­зво­ля­ет вы­де­лить её из фо­на. 23.2.1987 ней­трин­ная вспыш­ка бы­ла за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­на од­но­вре­мен­но тре­мя ней­трин­ны­ми те­ле­ско­па­ми – Ka­miokande (Япо­ния), IMB (США) и Бак­сан­ским под­зем­ным сцин­тил­ля­ци­он­ным те­ле­ско­пом (СССР). Об­на­ру­же­ние в оп­тич. диа­па­зо­не вспыш­ки сверх­но­вой звез­ды в Боль­шом Ма­гел­ла­но­вом Об­ла­ке в это же вре­мя по­зво­ли­ло ус­та­но­вить ме­сто­по­ло­же­ние взо­рвав­шей­ся звез­ды.

На­блю­де­ние ней­трин­но­го по­то­ка, воз­ни­каю­ще­го при гра­ви­тац. кол­лап­се звез­ды, по­зво­ля­ет по­лу­чить ин­фор­ма­цию о про­цес­сах, про­те­каю­щих в звез­де в этот мо­мент, а так­же да­ёт воз­мож­ность ис­сле­до­вать свой­ст­ва са­мо­го ней­три­но. Боль­шин­ст­во ней­трин­ных де­тек­то­ров, спо­соб­ных за­ре­ги­ст­ри­ро­вать ней­трин­ное из­лу­че­ние при вспыш­ке сверх­но­вой звез­ды, объ­еди­не­ны в ми­ро­вую сеть, цель ко­то­рой – ран­нее опо­ве­ще­ние ас­тро­но­мич. об­сер­ва­то­рий о пред­стоя­щей вспыш­ке в оп­тич. диа­па­зо­не (со­глас­но совр. пре­став­ле­ни­ям, ней­трин­ная вспыш­ка про­ис­хо­дит при­мер­но на 3 ч рань­ше све­то­вой). Вре­мя за­паз­ды­ва­ния сиг­на­лов де­тек­то­ров, рас­по­ло­жен­ных в раз­ных мес­тах Зем­ли, да­ёт ин­фор­ма­цию о на­прав­ле­нии при­хо­да ней­трин­но­го из­лу­че­ния.

Кро­ме то­го, для ис­сле­до­ва­ния эво­лю­ции Все­лен­ной пред­став­ля­ет ин­те­рес ре­ги­ст­ра­ция ней­три­но, на­ко­пив­ших­ся от гра­ви­тац. кол­лап­сов звёзд, про­изо­шед­ших ра­нее. Од­на­ко фо­но­вые ус­ло­вия в та­ких экс­пе­ри­мен­тах зна­чи­тель­но бо­лее слож­ные, и к нач. 2010-х гг. не уда­лось на­дёж­но вы­де­лить по­ток этих ней­три­но.

Космические нейтрино высокой энергии

. Кос­мич. ней­три­но вы­со­кой энер­гии при­ня­то на­зы­вать ней­три­но, ро­ж­даю­щие­ся в столк­но­ве­ни­ях кос­мич. лу­чей с обыч­ным ве­ще­ст­вом или фо­то­на­ми. Изу­че­ние та­ких ней­три­но важ­но для ре­ше­ния про­бле­мы про­ис­хо­ж­де­ния кос­мич. лу­чей. По совр. пред­став­ле­ни­ям, кос­мич. лу­чи воз­ни­ка­ют в ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тах, где про­те­ка­ют про­цес­сы, при­во­дя­щие к ус­ко­ре­нию про­то­нов и ядер. Ес­ли в бли­жай­шей ок­ре­ст­но­сти та­ко­го объ­ек­та име­ет­ся дос­та­точ­но ве­ще­ст­ва, то ус­ко­рен­ные про­то­ны долж­ны ге­не­ри­ро­вать в нём за­ря­жен­ные $π^±$-ме­зо­ны, ко­то­рые в даль­ней­шем рас­па­да­ют­ся на мю­он­ные ней­три­но (ан­ти­ней­три­но) и мюо­ны; по­след­ние, в свою оче­редь, рас­па­да­ют­ся на элек­тро­ны (по­зи­тро­ны), элек­трон­ные ан­ти­ней­три­но (ней­три­но) и мю­он­ные ней­три­но (ан­ти­ней­три­но). Од­на­ко за счёт ней­трин­ных ос­цил­ля­ций на де­тек­тор на Зем­ле по­па­да­ет по­ток ней­трино, со­дер­жа­щий все 3 ти­па ней­три­но в при­мер­но рав­ных ко­ли­че­ст­вах. При взаи­мо­дей­ст­ви­ях про­то­нов с ве­ще­ст­вом ро­ж­да­ют­ся так­же ней­траль­ные $π$-ме­зо­ны, ко­то­рые, рас­па­да­ясь, ге­не­ри­ру­ют по­ток $γ$-кван­тов вы­со­кой энер­гии. Од­на­ко та­кой по­ток $γ$-кван­тов мо­жет ро­ж­дать­ся и при ус­ко­ре­нии элек­тро­нов за счёт син­хро­трон­но­го из­лу­че­ния. К нач. 21 в. об­на­ру­же­но неск. дис­крет­ных ис­точ­ни­ков $γ$-кван­тов вы­со­кой энер­гии, и ре­ги­ст­ра­ция ней­трин­но­го по­то­ка от та­ких объ­ек­тов пред­став­ля­ет ог­ром­ный ин­те­рес. Кро­ме то­го, мо­гут су­ще­ст­во­вать ис­точ­ни­ки кос­мич. лу­чей, ок­ру­жён­ные дос­та­точ­но тол­стым сло­ем ве­ще­ст­ва, не­про­зрач­ным для $γ$-кван­тов, но про­зрач­ным для ней­три­но. В этом слу­чае го­во­рят о скры­том ло­каль­ном ис­точ­ни­ке ней­три­но. Дол­жен су­ще­ст­во­вать и диф­фуз­ный по­ток кос­мич. ней­три­но, соз­да­вае­мый мн. ис­точ­ни­ка­ми кос­мич. лу­чей, а так­же воз­ни­каю­щий в про­цес­се их рас­про­стра­не­ния в про­стран­ст­ве при столк­но­ве­ни­ях с га­зом. Де­тек­ти­ро­вать эти ней­три­но чрез­вы­чай­но слож­но, что свя­за­но с боль­шой про­ни­каю­щей спо­соб­но­стью ней­три­но и их ма­лы­ми по­то­ка­ми. До­пол­нит. труд­ность воз­ни­ка­ет из-за фо­на, соз­да­вае­мо­го ат­мо­сфер­ны­ми ней­три­но, ко­то­рые ге­не­ри­ру­ют­ся кос­мич. лу­ча­ми в ат­мо­сфе­ре Зем­ли. По­это­му при энер­ги­ях ни­же 10³–10⁵ ГэВ воз­мож­но об­на­ру­же­ние толь­ко то­чеч­ных ис­точ­ни­ков ней­три­но. В этом слу­чае де­тек­то­ры долж­ны иметь воз­мож­ность ре­ги­ст­ри­ро­вать мю­оны и оп­ре­де­лять на­прав­ле­ние их при­хо­да (мюо­ны, воз­ник­шие во взаи­мо­дей­ст­ви­ях ней­три­но со сре­дой де­тек­то­ра или ок­ру­жаю­ще­го его ве­ще­ст­ва, со­хра­ня­ют на­прав­ле­ние дви­же­ния ней­три­но). Т. о., по­иск дис­крет­ных ис­точ­ни­ков ней­три­но сво­дит­ся к по­ис­ку сгу­ще­ний в рас­пре­деле­нии на­прав­ле­ний при­хо­да за­ре­ги­стри­ро­ван­ных ней­три­но, пре­вы­шаю­щих флук­туа­ции, ожи­дае­мые для ат­мо­сфер­ных ней­три­но.

Диф­фуз­ные по­то­ки кос­мич. ней­три­но воз­мож­но ре­ги­ст­ри­ро­вать при их энер­ги­ях св. 10⁶ ГэВ. Ожи­да­ет­ся, что при этих энер­ги­ях по­ток кос­мич. ней­три­но пре­вы­сит по­ток ат­мо­сфер­ных ней­три­но. Од­на­ко ожи­дае­мые по­то­ки та­ких ней­три­но пре­дель­но ма­лы и для их ре­ги­стра­ции, воз­мож­но, по­тре­бу­ет­ся соз­да­ние но­вых ги­гант­ских ус­та­но­вок и раз­ра­бот­ка но­вых ме­то­дов де­тек­ти­ро­ва­ния ней­три­но.

Нейтрино от аннигиляции гипотетических частиц

Ок. 20% энер­гии Все­лен­ной со­дер­жит­ся в тём­ной ма­те­рии. Ес­ли тём­ная ма­те­рия со­сто­ит из час­тиц, ко­то­рые взаи­мо­дей­ст­ву­ют с обыч­ным ве­ще­ст­вом толь­ко гра­ви­тац. об­ра­зом, то они мо­гут за­хва­ты­вать­ся и на­ка­п­ли­вать­ся в ас­т­ро­фи­зич. объ­ек­тах. При оп­ре­де­лён­ной кон­цен­тра­ции этих час­тиц они на­чи­на­ют ин­тен­сив­но ан­ни­ги­ли­ро­вать; од­ним из ко­неч­ных про­дук­тов ан­ни­ги­ля­ции мо­гут быть ней­три­но. В ка­че­ст­ве воз­мож­ных объ­ек­тов, в ко­то­рых мо­гут на­ка­п­ли­вать­ся та­кие ги­по­те­тич. час­ти­цы тём­ной ма­те­рии, рас­смат­ри­ва­ют­ся Солн­це, Зем­ля и центр Га­лак­ти­ки. Ни на од­ном де­тек­то­ре по­ка не уда­лось вы­де­лить по­ток та­ких ней­три­но на фо­не, соз­да­вае­мом ат­мо­сфер­ны­ми ней­три­но.

Космологические нейтрино

При­мер­но че­рез 1 с по­сле на­ча­ла рас­ши­ре­ния Все­лен­ной её темп-ра упа­ла и плот­ность час­тиц умень­ши­лась на­столь­ко, что ве­ро­ят­ность столк­но­ве­ний ней­три­но ста­ла ма­лой, т. е. ней­трин­ный газ от­де­лил­ся от ве­ще­ст­ва и в даль­ней­шем эво­лю­цио­ни­ро­вал не­за­ви­си­мо, рас­ши­ря­ясь вме­сте со Все­лен­ной. В совр. эпо­ху энер­гия та­ких ней­три­но со­став­ля­ет ок. 5·10^–4 эВ, их плот­ность – ок. 200 см^–3. К.-л. ре­аль­но­го ме­то­да де­тек­ти­ро­ва­ния та­ких ней­три­но по­ка не пред­ло­же­но.