Наше Солнце не только греет и освещает Землю. Многие миллионы солнечных нейтрино — неуловимых частиц, почти не взаимодействующих с веществом — пролетают сквозь наши тела каждую секунду и улетают дальше, проносясь сквозь нашу планету почти со скоростью света.
«Это невероятно», — говорит Марк Пинсонно, астроном из Университета штата Огайо, не участвовавший в этой работе. Это «действительно прекрасное подтверждение очень глубокого теоретического предсказания». В этих единичных нейтрино исследователи надеются в конце концов найти ответ на один из наиболее острых вопросов астрономии: из каких компонентов состоит Солнце и, соответственно, все другие звезды во Вселенной?
Основной протон-протонный цикл Солнца, в котором выделяется львиная доля всей энергии звезды. На первом его шаге рождаются нейтрино.
Исследователи знают, что Солнце состоит как минимум на 98% из водорода и гелия, двух самых легких и самых распространенных элементов в космосе. Но по поводу состава оставшихся двух процентов ведутся споры. Астрономы обычно выясняют, из каких элементов состоят космические объекты, анализируя их спектр: у каждого атома есть своя длина волны излучения, что позволяет его точно обнаружить. Но когда дело доходит до некоторых более тяжелых элементов в Солнце, таких как углерод, азот и кислород, не получается точно определить их количество.
Раз наблюдения не дают точного ответа, исследователи обратились к теории. Ранние модели предсказывали, что Солнце должно состоять на 1,8% из крупных атомов, таких как углерод, азот и кислород. Но затем, в 2000-х годах, более продвинутые теории, включающие в себя перемешивание слоев в Солнце и другие особенности, предсказывали, что только 1,4% звезды должны состоять из тяжелых элементов.
Разница в полпроцента может показаться не такой уж и большой, но она имеет глобальные астрономические последствия. Поскольку Солнце — самая известная звезда, астрономы используют его почти как единицу измерения. Это не лишено смысла, так как звезды схожих размеров и внешности должны иметь схожий состав. А когда вы переходите ко всем звездам по Вселенной, полпроцента начинают играть ощутимую роль. Так, разница между нижней и верхней оценкой тяжелых элементов в Солнце изменяет количество кислорода в космосе на внушительные 40%.
Распространение химических элементов во Вселенной (шкала логарифмическая). На водород и гелий приходится 98%, а вот данные по остальным элементам достаточно неточные.
«Когда вы меняете Солнце, вы меняете то, сколько [тяжелых атомов], как мы думаем, есть повсюду», — говорит Пинсонно.
Один из способов по-настоящему понять, что происходит внутри Солнца — это изучить бесчисленные нейтрино, которые пролетают через Землю каждую секунду. В нашей звезде подавляющее их количество образуется в результате прямого слияния протонов в цикле превращения водорода в гелий. Но ядерные физики в конце 1930-х годов предсказали, что небольшая часть нейтрино должна образоваться в результате более сложной реакции, в которой участвуют тяжелые элементы — углерод, азот и кислород.
Охота на так называемые «CNO-нейтрино», получающиеся путем азот-углеродного (CNO) цикла, началась в 1988 году. Все термоядерные реакции производят нейтрино, поэтому, если вы ищете те немногие из них, которые возникают в результате редкой ядерной реакции за полторы сотни миллионов километров от нас, сначала вам нужно подготовить огромный безупречно чистый детектор.
И таковым является детектор Borexino, находящийся глубоко под землей, вдали от космических лучей, в итальянской национальной лаборатории в Гран-Сассо. Ядро детектора представляет собой трехсоттонный химический «отвар», в котором происходит реакция в очень редких случаях, когда нейтрино взаимодействует с ним. Еще 1000 тонн той же смеси покрывают сердцевину детектора, а 2300 тонн воды окружают весь аппарат, защищая его от гамма-лучей и нейтронов. На постройку этого детектора ушло целых 19 лет.
Эксперимент начался в 2007 году, и нейтрино от основного типа термоядерного синтеза Солнца были обнаружены практически сразу. Однако нейтрино CNO-цикла поймать не удавалось. В 2015 году ученые модернизировали детектор, чтобы жидкость в активной зоне оставалась неподвижной, и, наконец, их усилия принесли плоды. В июне международная группа из почти 100 исследователей объявила, что после устранения всех возможных помех они наконец обнаружили нейтрино, точно родившиеся в результате CNO-цикла.
Детектор Borexino в сравнении с человеком.
Каждый день центральные 100 тонн жидкости обнаруживают нейтрино в среднем около 20 раз. Порядка десяти нейтрино рождаются из-за радиоактивного распада в материалах детектора. Около трех появляются из-за основной реакции синтеза Солнца. Оставшиеся семь нейтрино, по словам Рануччи, члена коллаборации Borexino, отмечают прибытие нейтрино, рожденных в результате CNO-цикла. Команда опубликовала свои результаты 25 ноября в журнале Nature.
Взятые вместе, эти семь обнаружений CNO-нейтрино в день говорят нам о том, что скорее всего верна верхняя оценка содержания тяжелых атомов в Солнце — и, следовательно, во Вселенной больше углерода, азота и кислорода, чем предсказывают новейшие теории. Но даже после десятилетий тяжелого труда и постоянных измерений доказательства не являются окончательными. «Мы получили высокое [содержание тяжелых элементов]», — говорит Рануччи, но «это могло быть счастливой случайностью».
Эксперимент Borexino продолжит поиск CNO-нейтрино еще несколько месяцев, после чего срок службы детектора истечет и он перестанет давать корректные результаты. Рануччи надеется опубликовать еще одну статью о CNO-нейтрино с дополнительными данными за полтора года, чтобы дать максимально точную количественную оценку тяжелых элементов в Солнце. И, скорее всего, тогда мы полностью поймем состав нашей звезды — а, значит, и других звезд во Вселенной.
