Чтение онлайн

Если бы можно было построить прибор, измеряющий поток нейтрино (нейтринный детектор), то мы смогли бы узнать, что происходит в центре Солнца в настоящее время. Ученые могли бы сопоставить предсказания солнечных моделей с реальными измерениями. Такой прибор построил американский физикохимик Раймонд Дэвис.

Дэвис не ставил перед собой задачу изучения Солнца. Он работал над другой проблемой, на первый взгляд совершенно не связанной с астрономией. Ранее было высказано предположение о существовании двух типов нейтрино: нейтрино и антинейтрино, которое является своеобразным антиподом первого. Хотя наш обычный мир полностью состоит из вещества, в микромире есть вещество и антивещество. При столкновениях частицы со своей античастицей обе частицы исчезают, превращаясь в энергию (вспомните уравнение Е = тс2!). Так вот, Дэвис хотел найти способ различить нейтрино и антинейтрино. Идея эксперимента была предложена Бруно Понтекорво, который тогда, в 1947 г., работал в ядерной лаборатории Чалк Ривер в Канаде. Понтекорво предложил использовать в качестве ловушки для нейтрино атомы хлора-37. Дело в том, что если атом хлора-37 сумеет захватить нейтрино определенной энергии, то он превратится в атом аргона-37; при этом происходит также выброс электрона. Антинейтрино же хлором-37 не поглощаются. Следовательно, если хлор-37 превратится частично в аргон-37, это будет означать, что имеет место поток нейтрино. Первые опыты Дэвиса проводились рядом с ядерным реактором, излучающим огромное число нейтрино.

Для проведения эксперимента необходимо измерить количество аргона-37, возникающего в результате распада хлора-37. Аргон-37 превращается обратно в хлор-37 в среднем за время, равное 35 дням, причем этот процесс сопровождается излучением электрона строго фиксированной энергии. Обнаружение электронов с такой энергией и дает возможность определить количество аргона-37. Для успеха всей этой детективной работы нужно, чтобы возникло по крайней мере 10 атомов аргона.

В своем пионерском эксперименте 1955 г. Дэвис использовал 15000 литров четыреххлористого углерода (тетрахлор-метан), потому что эта прозрачная жидкость богата хлором-37. Через несколько дней был обнаружен аргон-37. Таким образом, Дэвис обнаружил нейтрино, испускаемое реакторами, и одновременно установил грубую верхнюю границу потока нейтрино от Солнца.

Усовершенствование основной схемы в результате привело к созданию детектора солнечного нейтрино, в десятки тысяч раз более чувствительного, чем вначале. Солнечный нейтринный телескоп в современном виде представляет собой резервуар, наполненный тетрахлорметаном, объемом 450 кубометров, что близко к объему обычного 25-м плавательного бассейна. И все это предназначено для обнаружения ничтожного количества аргона-37. Детектор должен быть защищен от космических лучей, которые могли бы также различными способами образовать аргон-37. Поэтому детектор расположен под поверхностью Земли на глубине больше 1,5 км на дне старой шахты Южной Дакоты. Такое необычное расположение астрономического телескопа вызвало сенсацию как в кругах профессиональных астрономов, так и среди обычной публики.

Прибор Дэвиса не может обнаружить любые солнечные нейтрино. Только нейтрино, образующиеся при распаде бора-8 (8В), имеют энергию, необходимую для превращения хлора-37 в аргон-37. Другие солнечные нейтрино неэффективны. Как отмечалось в главе 5, распад бора имеет место в третьей из трех возможных ветвей протон-протонного цикла. Мы подходим здесь к очень важному месту: именно в этой ветви в противоположность двум другим скорость образования нейтрино очень сильно зависит от температуры (примерно, как Т13). Следовательно, измерение потока солнечного нейтрино дает возможность определить температуру самых глубоких слоев Солнца. В свою очередь определение этой температуры обеспечивает важную и независимую проверку теоретических моделей процессов, происходящих на Солнце.

Рис. Общая схема солнечно-нейтринного телескопа.

В течение многих лет Дэвис и теоретики играли в игру, которую можно назвать интеллектуальной чехардой. Всякий раз, как Дэвис улучшал чувствительность своего телескопа, теоретики производили пересмотр ожидаемого потока солнечного нейтрино, все время уменьшая его. Число обнаруженных нейтрино намного меньше предсказанных теоретиками, хотя возможные ошибки измерений не превышают 10%. Общепринятая модель процессов внутри Солнца дает поток нейтрино в 10 больший, чем наблюдаемый. Поэтому теоретики делают попытки несколько видоизменить солнечные модели, чтобы привести их к лучшему согласию с опытами Дэвиса.

Одну из попыток объяснить противоречие между теорией и экспериментом предприняли Эзер и Камерон. Если предположить, что по какой-то причине когда-либо в прошлом вещество внешних слоев Солнца было перемешано с веществом внутреннего ядра, то это приведет к необходимости пересмотра относительного содержания элементов в солнечном ядерном реакторе. Такое перемешивание могло принести в ядро свежие запасы гелия-3, что привело бы к немедленному дополнительному выделению энергии в солнечном реакторе. Это привело бы к расширению ядра и вследствие этого к падению температуры. А при уменьшении температуры поток нейтрино катастрофически уменьшается. Такое перемешивание Солнца, по оценкам теоретиков, могло происходить периодически примерно каждые 100 млн. лет. После каждого такого перемешивания в течение 10 млн. лет температура ядра и поток нейтрино будут меньше нормы.

Гипотеза Эзера-Камерона — это только один из примеров того, как некоторая модификация общепринятой модели может изменить величину потока нейтрино. Похожая идея, например, состоит в предположении о быстром вращении солнечного ядра, приводящем к перемешиванию. Было даже выдвинуто совсем неожиданное предположение, что у Солнца есть небольшая черная дыра в центре, но солнечные физики не принимают эту идею всерьез.

Как бы ни оценивать солнечный нейтринный эксперимент, проблема остается. Дэвис, по-видимому, не обнаружил какие-либо солнечные нейтрино, а все разумные модели солнечного ядра предсказывают поток хотя бы в несколько нейтрино. Более того, общепринятые модели звезд дают поток нейтрино, который легко было бы обнаружить при помощи телескопа. Возникает вопрос: означает ли это, что Солнце не совсем обычная звезда? Или на Солнце происходит очень длительный процесс перемешивания?

Результат нейтринного эксперимента имеет важное значение для нашего понимания вариаций земного климата. Отсутствие нейтрино может означать, что температура в центре Солнца и солнечная светимость в настоящее время меньше нормального уровня. Вполне возможно, что понижение температуры Солнца приводит к возникновению длительных ледниковых периодов, обычно наступающих с интервалом в 200—300 млн. лет. Если такая интерпретация результатов Дэвиса верна, то Земля в настоящее время переживает ледниковый период. И если на Земле сейчас относительно тепло, то это только потому, что мы живем в относительно коротком (длительность которого 200 000 лет) межледниковом интервале.

Если бы Солнце было единственной звездой на небе, мы вряд ли смогли бы много узнать о его рождении, жизни и будущей смерти. Только наблюдения за многими звездами позволяют астрономам выяснить в общих чертах историю жизни звезд вообще и Солнца в частности. Вот так и в лесу: ни один ботаник не может сидеть и наблюдать, как дерево возникает из семени, как оно превращается в молодое деревце, потом в большое густое дерево и наконец умирает. Это невозможно хотя бы потому, что дерево живет дольше, чем сам ботаник! Однако наблюдения за деревьями различных возрастов и пород дают достаточный материал для выяснения жизненного цикла деревьев.

То же самое и со звездами: астрофизики за последние 50 лет научились различать молодые звезды, многочисленные звезды среднего возраста (к ним принадлежит и Солнце) и звезды в конечной стадии их эволюции. В этой главе мы дадим краткое описание прошлой и будущей истории нашего Солнца.

Начнем с установления возрастов Солнца, нашей Галактики и Вселенной для того, чтобы зафиксировать временную шкалу истории. Возраст Солнечной системы определяется по возрасту самых древних веществ, которые оказываются в нашем распоряжении. На поверхности Земли нет такого первичного вещества. Дрейф континентов, погода, океаны и ледниковые периоды настолько трансформировали поверхностные горные породы, что они уже не содержат какой-либо информации о возрасте планеты. Важнее, однако, то, что Земля оставалась неразделенной на твердую земную кору, мантию и жидкое ядро в течение многих сотен миллионов лет после своего образования. Поэтому информацию о происхождении Солнечной системы нужно искать где-нибудь в другом месте, например в метеоритах и на Луне.

Специалисты по планетам пришли к выводу, что метеориты являются осколками горных пород, сохранившимися со времен ранней истории Солнечной системы. Очевидно, они образовались почти сразу после Солнца. При этом в состав некоторых метеоритов вошло небольшое количество радиоактивных элементов. В течение всей последующей истории эти радиоактивные вещества распадались, некоторые быстро, другие чрезвычайно медленно, в результате количества первичных радиоактивных веществ уменьшилось, но образовались продукты их распада. Метеорит — это космические часы с постепенно раскручивающимся заводом. Выбрав определенный радиоактивный элемент и тщательно измерив отношение количества изотопов, которым предстоит все еще распасться, к количеству продуктов распада, можно определить возраст метеорита. Правда, существуют некоторые осложнения. Например, свинец является продуктом распада урана и тория, но изотопы свинца всегда присутствуют там, где есть эти элементы, поэтому продукты распада урана и тория всегда загрязнены посторонним свинцом. За исключением распада урана и тория, другие процессы радиоактивного распада, а именно превращение калия в аргон, рубидия в стронций и недавно открытый процесс превращения самария в неодим, позволяют получить достаточно надежные сведения о возрасте метеоритов. Согласно недавно возникшей науке космохронологии, все метеориты образовались около 4,57 млрд. лет тому назад в течение интервала, равного 30—100 млн. лет. Это несомненно является сильным аргументом в пользу того, что Солнце и Солнечная система образовались около 4,6 млрд. лет тому назад.