Солнце и нейтрино

Мы уже говорили, что наше дневное светило Солнце — это «черный ящик», у которого астрономы могут наблюдать только «выход». Все сведения, которыми располагает о Солнце современная астрономия, получены благодаря исследованию различных излучений, возникающих в самых верхних слоях нашего дневного светила. Непосредственно из недр Солнца никакая информация к нам не поступает. Таким образом, теория внутреннего строения Солнца, согласно которой его энергия поддерживается термоядерными реакциями, — это, строго говоря, всего лишь теоретическая модель.

Впрочем, выражение «всего лишь» в данном случае не совсем уместно. Термоядерная теория достаточно хорошо объясняет процессы звездной эволюции и находится в хорошем согласии с наблюдаемыми физическими характеристиками Солнца и звезд. И все же, как любая теоретическая модель внутреннего «устройства» «черного ящика», эта теория нуждается не только в косвенных свидетельствах, но и в прямых подтверждениях, а для этого необходима информация, полученная непосредственно из звездных недр.

В последние годы такая возможность в принципе появилась. Речь идет о так называемой «нейтринной астрономии» или, точнее, «нейтринной астрофизике».

Нейтрино — «неуловимая» частица, принимающая непосредственное участие в термоядерных реакциях. В частности, нейтрино образуются в процессе термоядерных превращений водорода в гелий, которые, согласно современным представлениям, и служат источниками внутризвездной энергии. Энергия этих частиц и величина их потока зависят от температуры и характера ядерных реакций.

В то время как фотон, образовавшийся в недрах Солнца, прежде чем вырваться наружу, испытывает около 10 миллиардов соударений, нейтрино, обладающие огромной проникающей способностью, проходят через всю толщу солнечного вещества практически беспрепятственно и достигают Земли. Если бы нам удалось «поймать» солнечные нейтрино, мы в некотором смысле «увидели» бы, что происходит в центре Солнца. Но наблюдать нейтрино можно только косвенным путем, заставляя их взаимодействовать с другими частицами и регистрируя результаты подобных взаимодействий.

Подходящей ядерной реакцией может служить взаимодействие нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, с атомным весом 37. Уловив нейтрино, такое ядро превращается в ядро изотопа аргона-37. При этом образуется один электрон, который можно зарегистрировать хорошо известными физикам способами. Кроме того, аргон-37 радиоактивен, значит, через определенные промежутки времени можно измерять, сколько его накопилось.

Но нужно еще «отстроиться» от других космических излучений, которые также могут вызывать ядерную реакцию превращения хлора в аргон. Чтобы избавиться от таких помех, надо все измерения проводить глубоко под землей, куда обычные космические частицы проникнуть заведомо не могут.

Идея «хлорного детектора» для регистрации солнечных нейтрино была предложена известным советским физиком академиком Б. Понтекорво и осуществлена американским физиком Р. Девисом и его сотрудниками. «Нейтринным телескопом» служила огромная цистерна, заполненная 600 тоннами перхлорэтилена — вполне прозаической жидкости, применяемой для чистки одежды. Аппаратура была установлена в заброшенном золотом руднике в штате Южная Дакота вблизи города Хоумстейк.

Наблюдения проводились на протяжении длительного времени несколькими сериями и дали неожиданный результат. Число зарегистрированных актов взаимодействия оказалось намного меньше предсказанного теорией.

Для объяснения были выдвинуты различные гипотезы, в том числе и довольно экстравагантные. Так например, некоторые ученые предположили, что солнечный термоядерный реактор работает в «импульсном режиме». В силу определенных особенностей течения физических процессов в недрах Солнца термоядерная реакция время от времени прекращается. И тогда Солнце светит за счет запасов энергии, накопленных в предыдущем цикле. Вспомним, что фотоны электромагнитного излучения, приходящие к нам от Солнца, фактически родились около миллиона лет назад — ведь им еще надо было «пробиться» к солнечной поверхности. Нейтрино же дают нам информацию о состоянии Солнца практически в момент наблюдения. Поэтому нет ничего удивительного в том, что «электромагнитная» и «нейтринная» картины могут не совпадать... Не означает ли отсутствие солнечных нейтрино в опытах Девиса, что в нашу эпоху солнечный термоядерный реактор как раз не работает?

Очевидно одно: решение возникшей проблемы требует дальнейших нейтринных наблюдений Солнца. И для этого в настоящее время создается необходимая регистрирующая аппаратура.

С другой стороны, не исключена возможность, что отрицательный результат наблюдений Девиса объясняется свойствами самого нейтрино. К этому вопросу мы вернемся в следующей главе.