Вселенная и нейтрино

Мы уже не раз прямо или косвенно отмечали тесную связь физики и астрофизики. С одной стороны, Вселенная становится лабораторией современной физики. А с другой, — новые физические открытия, в той или иной степени вызванные к жизни астрофизическими исследованиями и астрономическими проблемами, в свою очередь оказывают неизбежное влияние на дальнейшее развитие астрономических представлений. Такова своеобразная обратная связь во взаимоотношениях и взаимопроникновении этих наук, такова диалектика познания!

Среди двухсот с лишним элементарных частиц, известных современным физикам, есть удивительная частица нейтрино. Согласно существовавшим длительное время теоретическим представлениям, эта частица лишена так называемой массы покоя — она всегда движется со скоростью, в точности равной скорости света. Однако с другой стороны, теория не накладывала никаких запретов и на возможность существования у нейтрино массы, отличной от нуля. Это обстоятельство и побудило группу ученых в Институте теоретической и экспериментальной физики АН СССР провести ряд экспериментов по выяснению действительной величины массы так называемых электронных нейтрино. Результат, пока правда предварительный, оказался в какой-то мере сенсационным: ученые пришли к выводу, что масса нейтрино не равна нулю, а составляет в энергетических единицах от 14 до 16 электрон-вольт. Масса не столь большая — в пределах от одной тридцатитысячной до одной десятитысячной массы электрона, но сам факт ее существования, если он подтвердится, повлечет за собой весьма серьезные последствия для наших представлений о Вселенной...

Одной из актуальных проблем современной астрономии является проблема внутрисолнечной и внутризвездной энергии. До недавнего времени считалось, что источником этой энергии являются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. И это представление настолько устоялось, что считалось одной из бесспорных идей современной астрофизики. И вдруг — сомнение!..

Мы уже говорили о том, что если в недрах нашего дневного светила действительно протекает термоядерная реакция, там должны рождаться нейтрино. Благодаря колоссальной проникающей способности, которой обладают эти частицы, весьма слабо взаимодействующие с веществом, они будут свободно «вырываться» в околосолнечное пространство и определенная их часть достигнет Земли. Была построена специальная установка для регистрации солнечных нейтрино и проводились наблюдения. Однако результат был в высшей степени неожиданным: поток нейтрино оказался в несколько раз меньше предсказываемого теорией. Как отмечалось выше, для объяснения этого явления был предложен ряд гипотез, вплоть до предположения о том, что основным источником энергии Солнца и звезд служат не термоядерные реакции, а какие-то иные, быть может еще неизвестные нам физические процессы. Вопрос до сих пор остается открытым.

Но если подтвердится наличие у нейтрино конечной массы — откроется еще одна возможность объяснения отрицательного результата экспериментов по регистрации солнечных нейтрино. Дело в том, что в природе существуют нейтрино трех различных типов. Как полагают теоретики, нейтрино одного типа, с массой, отличной от нуля, могут самопроизвольно превращаться в нейтрино другого типа. Поэтому можно представить себе такую картину: те нейтрино, которые рождаются в недрах Солнца и для регистрации которых предназначены современные детекторы, по пути к Земле могут переходить в нейтрино, которые этими детекторами не регистрируются.

Наличие конечной массы у нейтрино внесет весьма существенные изменения и в существующие космологические представления. Как известно, геометрические свойства нашей Вселенной весьма тесным образом связаны со средней плотностью массы. Если эта плотность больше некоторой критической величины, составляющей примерно 10^-29 г/см³, то пространство Вселенной замкнуто и конечна. В соответствии с существовавшими до настоящего времени астрофизическими данными реальная средняя плотность оценивалась ниже критического значения. Нейтрино могут внести в эту оценку весьма заметную поправку. Согласно имеющимся данным, на каждый протон, существующий во Вселенной (о протонах речь идет постольку, поскольку водород является самым распространенным в природе химическим элементом), приходится около миллиарда нейтрино. Таким образом, если нейтрино действительно обладает конечной массой, то даже при условии, что эта масса в несколько десятков миллионов раз уступает массе протона, общая масса нейтрино во Вселенной примерно в 30 раз превосходит массу «обычного» вещества! Может оказаться, что все звезды, планеты, туманности и галактики лишь ничтожная добавка к нейтринному фону Вселенной. А это, в свою очередь, будет означать, что средняя плотность массы намного превосходит критическую. И, следовательно, наша Вселенная — замкнута и конечна и ее расширение со временем (через многие миллиарды лет) должно смениться сжатием.

Но и это еще не все. Как известно, современная Вселенная однородна лишь в достаточно больших масштабах. Если рассматривать сравнительно малые области пространства, то однородности не будет, — космическая материя сосредоточена в звездных островах-галактиках и скоплениях галактик. Согласно теории горячей расширяющейся Вселенной, эти космические объекты должны были образоваться на определенном этапе расширения в результате развития неоднородностей среды. Процесс должен был протекать примерно следующим образом. На одном из сравнительно ранних этапов расширения была фаза однородности с небольшими флуктуациями, возникающими вследствие гравитационной неустойчивости. В каких-то районах пространства вещества могло оказаться чуть больше, в каких-то — чуть меньше. Если силы упругости превосходят гравитационные, неоднородность может рассосаться. Но если объем, охваченный возмущениями, достаточно велик, то возникнет гравитационная неустойчивость. Таким образом, флуктуации достаточно большого масштаба должны нарастать. Гипотезу образования галактик в результате фрагментации среды за счет гравитационной неустойчивости успешно разрабатывает академик Я.Б. Зельдович и его сотрудники.

Однако эта гипотеза сталкивается с определенными трудностями. Одна из них связана с данными радиоастрономических наблюдений.

В настоящее время Вселенная для квантов реликтового излучения¹ абсолютно прозрачна — они движутся, практически не испытывая поглощения. Но в прошлом, когда все масштабы были примерно в 1000 раз меньше, Вселенная для квантов электромагнитного излучения была абсолютно непрозрачна — оно полностью рассеивалось. Если в ту эпоху среда была совершенно однородной, то реликтовое излучение должно быть абсолютно изотропным, его интенсивность по любым направлениям должна быть одинакова.

Но современная Вселенная, как уже было сказано выше, не является идеально однородной — в ней имеются звездные острова-галактики и скопления галактик. И если эти объекты действительно образовались из «зародышей», возникших под действием гравитационной неустойчивости, то на соответствующем этапе эволюции космическая среда уже не была абсолютно однородной. В таком случае и реликтовое излучение не может быть абсолютно изотропным, в нем должны наблюдаться мелкомасштабные флуктуации. Чтобы их обнаружить, проводились многочисленные измерения интенсивности реликтового излучения на крупных радиотелескопах, в том числе и на уникальном советском радиотелескопе РАТАН-600. Однако на очень высоком уровне точности никаких мелкомасштабных флуктуаций обнаружить не удалось, если рассчитать величину «зародышей», исходя из размеров современных скоплений галактик. Возникает трудноразрешимая загадка! Ведь галактики и скопления из чего-то должны были образоваться. Если не из неоднородностей среды — то из чего? Никаких других правдоподобных возможностей пока что не видно.

Существование конечной массы у нейтрино могло бы снять и эту трудность. На самом раннем этапе расширения Вселенной в нейтринном газе, заполнявшем мировое пространство, могли возникать небольшие случайные неоднородности. Однако в этот период нейтрино обладали очень высокой энергией и двигались с околосветовыми скоростями. Силы тяготения небольших сгущений было недостаточно, чтобы такие нейтрино удержать. И они постепенно распадались, «рассасывались».

Однако по мере расширения скорости нейтрино уменьшались и, как показывают расчеты, примерно через 300 лет после начального момента достаточно массивные сгущения уже могли их «захватывать». Эти сгущения должны были обладать массой порядка 10¹⁵ солнечных масс. Они постепенно становились все более массивными, вовлекая в себя своим мощным притяжением новые нейтрино, а спустя около миллиона лет после начала расширения и обычное вещество — нейтральный газ. Накапливаясь в центральных частях невидимых нейтринных неоднородностей, оно формировалось в скопления галактик, которые мы и наблюдаем. Согласно расчетам, масса этого вещества была в несколько десятков раз меньше общей массы нейтринных сгущений.

Таким образом, подавляющая часть массы первичных неоднородностей, из которых впоследствии образовались скопления галактик, являлась для реликтового излучения «невидимой» и не могла привести к нарушениям его изотропии. Массы же обычного вещества, входившего в состав нейтринных неоднородностей, явно недостаточно, чтобы вызвать такие флуктуации интенсивности реликтового излучения, которые можно было бы обнаружить с помощью современной аппаратуры. Тем самым, если нейтрино обладает конечной массой, то противоречие, возникшее между современной теорией происхождения галактик и результатами наблюдения реликтового излучения полностью снимается.

Есть, наконец, и еще одна весьма важная проблема, в решение которой обнаружение конечной массы нейтрино может внести недостающую ясность.

Астрофизиков на протяжении ряда лет беспокоит проблема так называемой скрытой массы. Дело в том, что массу скоплений галактик можно определить двумя способами. Во-первых, по светимости: чем больше масса скоплений — тем выше их светимость. И, во-вторых, по закону тяготения, исходя из наблюдения взаимных движений галактик в скоплениях. Оказалось, что массы одних и тех же скоплений, определенные разными способами, не совпадают — массы, рассчитанные по закону тяготения, во много раз превосходят массы, вычисленные по светимости. Одно из возможных объяснений состоит в том, что в скоплениях имеются несветящиеся объекты, которые вносят свой вклад в их общую массу, но никак не сказываются на светимости. Именно эти «скрытые массы» и разгоняют галактики в скоплениях до больших скоростей. Возникла проблема: какова физическая природа «скрытых масс»?

Был высказан ряд предположений: газ, пыль, слабосветящиеся звезды, черные дыры. Однако ни одно из них по тем или иным причинам не давало удовлетворительного ответа на возникший вопрос. Положение и по сей день остается до известной степени неопределенным. Определенность могут внести нейтрино. Если эти частицы обладают конечной массой, то их вклад в общую массу скоплений галактик способен покрыть загадочный дефицит массы, возникающий при разных способах ее определения.

Но все это — если... Вернемся теперь еще раз к вопросу о массе нейтрино. В какой мере достоверным можно считать вывод о том, что эта масса не равна нулю?

Как известно, существование нейтрино было предсказано в результате изучения так называемого бета-распада — физического процесса, при котором ядро одного химического элемента испускает электрон и превращается в ядро другого химического элемента. Было замечено, что энергия вылетающего электрона в ряде случаев оказывалась меньше, чем это следовало из теоретических расчетов. Известный швейцарский физик В. Паули предположил, что недостающую энергию уносит с собой еще неизвестная науке нейтральная частица, слабо взаимодействующая с веществом и потому остающаяся незамеченной. Этой частицей и оказалось нейтрино.

Но тот же процесс бета-распада может в принципе послужить косвенным индикатором для выяснения вопроса о массе нейтрино. Именно таким путем и шли советские физики. Для измерений был использован процесс бета-распада трития, при котором ядра атомов этого элемента, испуская электроны, превращаются в ядра атомов изотопа гелия. Если масса нейтрино равна нулю, то среди электронов, испускаемых ядрами трития, должны присутствовать электроны, обладающие максимально возможной для этого процесса энергией. В том же случае, если нейтрино обладают конечной массой, то максимальная энергия вылетающих электронов будет несколько меньше — и эта разница зависит от величины массы нейтрино.

Как раз в результате такой серии экспериментов, осуществленной в Институте теоретической и экспериментальной физики, и был сделан предварительный вывод о наличии у нейтрино массы, отличной от нуля.

В последние годы проблемой массы нейтрино занимались также американские физики. В своих измерениях они исходили из того, что при наличии конечной массы нейтрино одного «сорта» могут превращаться в нейтрино другого «сорта», а при нулевой массе такие превращения не могут иметь места. Ученые, проводившие соответствующие эксперименты, сообщили о том, что переходы, о которых идет речь, ими обнаружены. Правда, величину массы нейтрино они оценили несколько ниже, чем советские ученые. Однако спустя некоторое время появились сообщения, которые ставили этот результат под сомнение...

Таким образом, положение остается неопределенным и для уверенного заключения потребуются еще многочисленные эксперименты и наблюдения. Но напрашивается одно любопытное сопоставление. К открытию нейтрино привела необходимость объяснить недостачу энергии при бета-распаде. Самим своим существованием нейтрино разрешило возникшую загадку. Быть может, ситуация в какой-то мере повторяется? В современной астрофизике, как мы видели, имеется ряд загадок, которые получили бы свое решение в случае наличия у нейтрино конечной массы. Один раз с помощью нейтрино удалось объяснить недостаток энергии, возможно, теперь удастся объяснить недостаток массы. Как справедливо заметил один известный астрофизик, если окажется, что масса нейтрино все-таки равна нулю, то придется «изобрести» другую частицу, очень слабо взаимодействующую с веществом, но обладающую конечной массой.

Разумеется, аналогии в физике и астрономии не обладают доказательной силой. Но стимулировать дальнейшие исследования в изучении вопроса о массе нейтрино они могут и должны.

Именно по этой причине вопрос о возможных астрофизических последствиях существования конечной массы у нейтрино заслуживает подробного обсуждения уже сегодня, хотя окончательный вывод о наличии или отсутствии такой массы делать еще рано.

Примечания

1. См. стр. 105