Нейтрино – это электрически нейтральные частицы, проявляющиеся только посредством слабого взаимодействия и гравитации. Если бы наши глаза были чувствительны к нейтрино, что бы мы увидели?
Во-первых, Солнце всегда слепило бы нам глаза, потому что солнечные нейтрино беспрепятственно проходят через планету. В результате из-за солнечных нейтрино для нас не было бы разделения на день и ночь. Поскольку, если целая Земля не может блокировать потоки нейтрино, то у нас не было бы необходимости в веках, защищающих наши глазные яблоки. И не было бы смысла отворачиваться от Солнца, поскольку нейтрино беспрепятственно достигали бы наших глаз через тело. В итоге, если бы мы могли чувствовать нейтрино, нам пришлось бы как-то приспособиться к постоянному потоку солнечных нейтрино в любое время суток, даже во время сна. Но увидели бы мы нейтрино, исходящие от чего-либо другого, кроме нашего яркого Солнца?
Очевидно, что все остальные звезды в галактике Млечный Путь создают галактический фон нейтрино, сосредоточенный на нашем небе вдоль полосы звезд в галактическом диске. Этот фон составляет суммарный поток, который в десять миллиардов раз слабее солнечного. Объяснение выглядит следующим образом: мы находимся в пять миллиардов раз ближе к Солнцу, чем к типичной галактической звезде. Поток от любой звезды уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а в Млечном Пути около двадцати миллиардов звезд, похожих на Солнце.
Если бы мы видели нейтрино, то каждые несколько десятилетий мы могли бы наблюдать своими глазами вспышку нейтрино от очередной галактической сверхновой, связанной с массивной звездой, которая израсходовала свое ядерное топливо и разрушилась, превратившись в нейтронную звезду. Последняя галактическая сверхновая была зафиксирована в 1987 году. Взрыв произошел на расстоянии 168 тыс. световых лет в Большом Магеллановом Облаке – галактике-спутнике Млечного Пути. За несколько часов до того, как видимый свет от сверхновой достиг Земли, тремя нейтринными обсерваториями на Земле в течение десятка секунд наблюдался всплеск потока нейтрино.
За пределами Млечного Пути вся остальная Вселенная светится нейтрино от всех галактик вплоть до нашего космического горизонта. Космический фон сопоставим с уровнем фона галактики Млечный Путь, поскольку космический горизонт в миллион раз больше расстояния до центра Млечного Пути, что делает поток нейтрино от далекой галактики в триллион раз слабее. Тем не менее, в пределах нашего космического горизонта находится триллион галактик, которые компенсируют это ослабление.
Наконец, существует нейтринный фон, оставшийся от горячего и плотного состояния младенческой Вселенной. Нейтрино были тесно связаны с обычным веществом, когда Вселенная была моложе одной секунды. Это была эпоха, когда космическая температура превышала десять миллиардов градусов, что эквивалентно удвоенной энергии массы покоя электрона. При такой температуре пары электронов и позитронов возникали спонтанно в результате столкновений, сохраняя плотность числа, подобную плотности фотонов. Плотность вещества и температура были достаточно высоки, чтобы рассеять нейтрино и создать тепловой нейтринный фон с температурой, равной космическому радиационному фону фотонов.
По мере остывания Вселенной позитроны аннигилировали с электронами, оставив после себя небольшой остаток электронов. Реликтовые электроны представляют собой крошечную (одна часть на два миллиарда) асимметрию материи относительно антиматерии, происхождение которой пока неизвестно. Энергия аннигиляции нагрела фотоны, но не нейтрино. В результате нейтрино составили 71,5% космического микроволнового фона, что соответствует сегодняшней температуре на 1,95 градуса Кельвина выше абсолютного нуля.
К сожалению, характерная энергия реликтовых нейтрино слишком мала, чтобы их можно было непосредственно обнаружить, хотя их поток в десятки раз превышает поток солнечных нейтрино.
Нейтрино имеют три типа: электронный, мюонный и тау. Мой первый наставник в астрофизике Джон Бакал, американский астрофизик, известный своим вкладом в проблему изучения солнечных нейтрино, обнаружил, что Солнце испускает меньший поток электронных нейтрино, чем ожидалось. Позднее было установлено, что этот недостаток обусловлен осцилляциями электрон-нейтрино на другие типы в солнечных недрах. Если бы мы могли непосредственно наблюдать нейтрино от Солнца, Бакал понял бы ответ гораздо раньше.
Невидимое небо включает в себя и другие составляющие, такие как гравитационные волны, темная материя и потенциально технологические объекты, недоступные нашему пониманию.
Ави Леб, астрофизик.
Читайте также: Крупнейший детектор нейтрино будет находиться на дне океана