Тайну темной энергии помогут раскрыть нейтрино?

Оптические телескопы, расположенные на вершинах гор, до сих пор были главными, если не единственными, инструментами для исследования так называемой темной энергии. Возможно, скоро для этих целей будут использованы детекторы нейтрино, находящиеся глубоко под землей в гигантских водных резервуарах.

Концепция темной энергии была сформулирована в конце 1990-х годов астрономами, изучавшими вспышки сверхновых звезд типа 1a. Оказалась, что яркость этих звезд меньше ожидаемой. Согласно существующей теории, «дефицит яркости» вызван ускоренным расширением Вселенной, которое, в свою очередь, было объяснено действием темной энергии, природа которой все еще остается неизвестной. С тех пор телескопы во всем мире, в том числе и Большой телескоп (Very Large Telescope) в Сьерро-Паранал, Чили, использовались, чтобы исследовать излучение все большего количества сверхновых звезд.

Лоуренс Холл (Lawrence Hall) из университета Калифорнии в Беркли и его коллеги считают, что нейтринное излучение, возникающее при другом типе взрыва — коллапсе ядра сверхновой звезды, — может стать наиболее подходящим инструментом для изучения темной энергии, сообщает NewScientist.

Когда постоянно увеличивающееся ядро массивной звезды достигает определенного предела, происходит его обрушение (коллапс) под действием собственной гравитации, сопровождающееся излучением нейтрино. Теория этого процесса была подтверждена экспериментально в 1987 году, когда произошла вспышка сверхновой звезды в соседней карликовой галактике, Большом Магеллановом облаке. Мощная волна этих частиц была зафиксирована детекторами нейтрино Kamiokande-II в Японии и IMB в США, которые представляли собой подземные водные резервуары. Трубки фотоумножителей, покрывающие поверхность этих резервуаров, зарегистрировали характерные синие вспышки, возникающие при столкновениях нейтрино с электронами.

Миллионы сверхновых звезд с коллапсом ядра за всю историю Вселенной должны были оставить обширный реликтовый нейтринный фон. Однако чрезвычайно большая проникающая способность этих частиц делает их обнаружение очень трудной задачей.

Тем не менее, следующее поколение детекторов нейтрино, такие, как подземный поглотитель Underground Nucleon Decay и нейтринная обсерватория Neutrino Observatory, будут приблизительно в 20 раз больше, чем японский Super-Kamiokande. Их резервуары будут содержать около миллиона тонн воды. Эти детекторы должны обладать достаточной чувствительностью для обнаружения фонового нейтринного излучения.

Спектр реликтового нейтринного излучения имеет важное значение для космологии, поскольку несет информацию о темпах расширения Вселенной в прошлом. Анализ нейтринного излучения может подтвердить теорию ускоренного расширения, не проясняя природу темной энергии, а может и коренным образом изменить основные принципы современной физики. Возможно, нейтрино обладает способностью взаимодействовать с темной энергией — в этом случае по искажению спектра излучения можно будет выяснить ее характеристики.

С другой стороны, может оказаться, что свет от отдаленных сверхновых звезд претерпевает другие загадочные метаморфозы — например, постепенно превращается в частицы, названные аксионами (axion). В любом случае, изучение нейтринного спектра сверхновых звезд поможет подтвердить или опровергнуть оптические исследования.