Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу
 
На сайте
Астрометрия
Астрономические инструменты
Астрономическое образование
Астрофизика
История астрономии
Космонавтика, исследование космоса
Любительская астрономия
Планеты и Солнечная система
Солнце

Нейтринная астрофизика

1. Введение
2. Космологические нейтрино
3. Звёздные нейтрино
4. Космические нейтрино высоких энергий

1. Введение

Н. а. изучает физ. процессы в космич. объектах, происходящие с участием нейтрино. Проблемы регистрации космич. нейтрино (Н) относятся к нейтринной астрономии.

Н естеств. происхождения во Вселенной имеют три принципиально различающихся по своей природе источника.

На ранних стадиях горячей Вселенной, в течение приблизительно 1 с после начала её расширения, Н находились в тепловом равновесии с веществом. От этой эпохи нам остался сильно остывший с тех пор газ космологических нейтрино (реликтовые нейтрино).

В обычных звёздах, типа Солнца, Н рождаются в ядерных реакциях, обеспечивающих наблюдаемую светимость звёзд. При взрывах сверхновых звёзд и звёздных гравитационных коллапсах темп-ра в центре звезды поднимается настолько, что рождаются позитроны и даже $\pi$-мезоны (пионы) и мюоны (см. Элементарные частицы), к-рые образуют Н в реакциях ${\rm e^+ + e^-}\to \nu + \tilde{\nu}$, $\mu\to {\rm e} + \nu + \tilde{\nu}$, $\pi\to\mu + \nu$ и т.д. Энергии этих звёздных нейтрино находятся в основном в диапазоне от долей до неск. десятков МэВ.

Н рождаются также космическими лучами. Ускоренные до высоких энергий протоны или более тяжёлые ядра, сталкиваясь с ядрами атомов или с низкоэнергетич. фотонами, производят $\pi$- и К-мезоны, в результате распада к-рых возникают космические нейтрино высоких энергий. Их энергетич. диапазон, доступный регистрации, простирается от неск. десятков ГэВ до, возможно, 1015-1016 эВ.

2. Космологические нейтрино

Через время ~1 с после начала расширения Вселенной её темп-ра упала до 1010 К (см. Космология). Плотность частиц в космич. плазме уменьшилась, и Н стали редко сталкиваться с ними. В результате горячий нейтринный газ, содержащий все три сорта Н (и антинейтрино), "оторвался" от вещества и, расширяясь вместе с Вселенной, стал остывать как независимый, не взаимодействующий с веществом компонент. Согласно модели горячей Вселенной, в настоящее время его темп-ра составляет всего лишь 1,9-2,1 К. Это означает, что в среднем в 1 см3 космич. пространства содержится от 300 до 400 Н всех сортов (включая антинейтрино) со ср. энергией каждой частицы $(5-6)\cdot 10^{-4}$ эВ. Пока нет практически осуществимого метода регистрации этих реликтовых Н. Тем не менее несомненное наличие реликтовых Н (а оно косвенно подтверждается измерениями реликтовых фотонов аналогичного происхождения) позволяет получить ряд выводов о св-вах Н и их возможной роли в астрофизике (см. Модель горячей Вселенной).

Если Н обладают массой покоя $m_\nu\ge$ 10 эВ, то они должны давать главный вклад в ср. плотность вещества во Вселенной и, т.о., определять её возраст. Зная величину постоянной Хаббла и ограничения снизу на возраст Вселенной (см. Космохронология ядерная), можно получить (учитывая, что число Н в ед. объёма в горячей модели Вселенной известно) ограничение сверху на сумму масс всех сортов Н (С.С. Герштейн, Я.Б. Зельдович, 1966 г.):
$\sum\limits_i m_{\nu_i} < 40$ эВ.

Образование гелия в горячей Вселенной позволяет получить ограничение на возможное число типов (сортов) слабовзаимодействующих частиц и, в частности, Н.

Если у Н есть масса покоя >10 эВ, то Гравитационная неустойчивость нейтринного газа определяет процесс образования крупномасштабной структуры Вселенной.

3. Звёздные нейтрино

Солнечные нейтрино.
Наблюдаемая светимость Солнца обеспечивается ядерной энергией, выделяющейся в водородном цикле. В реакциях р + р $\to$ 2D + е+ + $\nu_e$, 7Ве + е- $\to$ 7Li + $\nu_e$ и 8В $\to$ 8В* + е+ + $\nu_e$ водородного цикла испускаются Н, называемые соответственно рр-нейтрино, бериллиевые Н и борные Н. Помимо них имеются ещё т.н. рeр-нейтрино, образующиеся при одноврем. столкновении двух протонов и электрона: р + е- + р $\to$ 2D + $\nu_e$. Если Солнце светит стационарно, то предсказываемое полное количество Н, испускаемое в 1 с, не зависит от модели Солнца. Действительно, при превращении четырёх протонов в ядро гелия 4р $\to$ 4Не + 2е- + 2$\nu_e$ освобождается $Q \approx$26,7 МэВ ядерной энергии, к-рая в конце концов высвечивается как тепловая энергия с поверхности Солнца. Т.о., высвечивание порции энергии Q сопровождается испусканием двух Н. Количество Н $N_\nu$, излучаемых в 1 с, полностью определяется светимостью Солнца $L_\odot=3,86\cdot 10^{33}$ эрг/с: $N_\nu=2L_\odot/Q= 1,8\cdot 10^{38}$ нейтрино/с. Однако энергетич. спектр излучаемых Н, особенно высокоэнергетичсская его часть, самым существенным образом зависит от таких деталей солнечных моделей, как темп-ра в центре Солнца и концентрация гелия, т.к. от этих параметров зависит конкуренция между различными ответвлениями реакций водородного цикла. Энергии рр-нейтрино, бериллиевых Н, борных Н и рeр-нейтрино сильно отличаются друг от друга. Макс. энергия рр-нейтрино составляет 0,420 МэВ, рeр-нейтрино и бериллиевые Н имеют точно фиксированные энергии 1,44 МэВ и 0,861 МэВ соответственно. Борные Н имеют наибольшие энергии: их спектр простирается от нулевых энергий до 14,06 МэВ. Вычисления нейтринного потока для стандартной солнечной модели, выполненные Дж. Бакаллом (США), дают величину 7,6 3,3 SNU, в то время как измеренный на установке Дейвиса (США, 1981) поток Н с энергией выше 0,814 МэВ составляет 1,8 0,3 SNU (см. Нейтринная астрономия). Расхождение предсказываемого и измеренного значений может объясняться двумя общими причинами: А) более сложными процессами в Солнце, не отраженными в принятых моделях Солнца; эти процессы могут уменьшать поток Н в высокоэнергетич. части спектра (экстремальная возможность такого рода - это наличие др. источника энергии в Солнце, напр. маленькой чёрной дыры); Б) св-вами Н (напр., нейтринными осцилляциями, представление о к-рых впервые введено советским учёным Б.М. Понтекорво в 1957 г., или распадом $\nu_e$ на пути от Солнца до Земли). Наиболее правдоподобные возможности модификации стандартной солнечной модели связаны с солнечными колебаниями и (или) периодич. перемешиванием вещества в центральных областях Солнца. Эти явления приводят к периодич. уменьшению темп-ры в центре Солнца и связанному с ним уменьшению потока борных Н. В случае Б наиболее простым объяснением представляются нейтринные осцилляции, существование к-рых предсказывается теорией Н с конечной массой покоя.

В этой теории существуют две возможности. При первой - Н с данным лептонным числом (напр., $\nu_e$ и $\nu_\mu$) имеют определённые массы (m1 и m2). При второй - состояния Н с определёнными массами (напр., $\nu_1$ с массой m1 и $\nu_2$ с массой m2) не характеризуются определёнными значениями лептонных чисел L, а состояния с данным L (напр., $\nu_e$ и $\nu_\mu$) явл. ортогональными линейными комбинациями $\nu_1$ и $\nu_2$ (напр., волновые ф-ции мюонного и электронного Н выражаются через волновые ф-ции $\nu_1$- и $\nu_2$-нейтрино след. обр.: $\nu_mu=\nu_1\sin\alpha+\nu_2\cos\alpha$ и $\nu_e=\nu_1\cos\alpha-\nu_2\sin\alpha$, где параметр $\alpha$ наз. углом смешивания). Если в какой-то точке пространства рождается $\nu_\mu$ данной энергии $\varepsilon$, т.е. комбинация $\nu_1\sin\alpha+\nu_2\cos\alpha$, то (поскольку скорости движения $\nu_1$ и $\nu_2$ при одинаковой энергии различны) в точке регистрации на расстоянии r соотношение между $\nu_1$ и $\nu_2$ изменяется, что означает появление комбинации $\nu_1\cos\alpha-\nu_2\sin\alpha$, т.е. $\nu_e$. Однако на нек-ром расстоянии, обозначаемом 21, первоначальное соотношение между $\nu_1$ и $\nu_2$ восстановится, и Н опять превратится в чистое состояние $\nu_\mu$. Длина
$l={4\pi\hbar\varepsilon\over {c^3(m_1^2-m_2^2)}}=2,5\cdot 10^2\;{\over {m_1^2-m_2^2}}$ см (1)
называется длиной осцилляции [в последней части (1) $\varepsilon$ выражена в МэВ, m1 и m2 - в эВ]. Из (1) следует, что длина осцилляции имеет макроскопич. масштабы только при малых разностях масс Н. Описанный пример показывает, что $\nu_\mu$, рождённое на расстоянии $r\ge l$ от мишени, напр. в реакции $\pi^+\to\mu^++\nu_mu$, с нек-рой вероятностью может превратиться в $\nu_e$ и вызвать реакцию $\nu_e + {\rm N}\to e^- + {\rm X}$ (N - нуклон, Х - остальные продукты реакции). Аналогичным образом электронное Н может превращаться в др. типы Н. Согласно ф-ле (1), для борных Н с энергией $\varepsilon\sim 10$ МэВ достаточно разности квадратов масс $m_1^2-m_2^2\sim 10^{-10} \mbox{эВ}^2$, чтобы длина осцилляции стала меньше расстояния от Земли до Солнца, и, следовательно, произошло заметное уменьшение потока электронных Н за счет перехода $\nu_e$ в $\nu_\mu$ и $\nu_\tau$, не регистрируемые в детекторе Дейвиса.

Нейтрино от коллапсирующих звёзд.
Если масса звёздного ядра превышает 1,2-1,4 ${\mathfrak M}_\odot$, то оно может превратиться в нейтронную звезду или черную дыру. На конечной стадии эволюции звёздных ядер их плотности возрастают до 107-1015 г/см3, а темп-ры до 1010-1012 К. Осн. механизмом потери энергии в этих условиях становится испускание нейтрино, образующихся в реакциях ${\rm e^+ + e^-}\to \nu + \tilde{\nu}$, ${\rm e^- + p\to n} + \nu_e$,