Как не погасло Солнце
Солнце даёт тепло и жизнь Земле. И будет дарить ещё многие сотни миллионов лет — звезды такого типа живут долго. Но во второй половине XX века ученые всерьёз опасались, что Солнце может погаснуть в любую минуту.
Что происходит на Солнце прямо сейчас?
Казалось бы, изучать поведение Солнца просто. Наведи телескоп — и смотри (только не забудь про фильтры). Но на самом деле понять, что происходит сейчас внутри звезды, очень сложно. Огромная толща солнечной материи — на редкость плохая оптическая среда. Свету из солнечного ядра приходится тащиться от 100 000 до 50 000 000 земных лет, чтобы только-только добраться до поверхности. А затем еще восемь минут, чтобы достигнуть Земли.
Напоминаю, что скорость света в 300 000 км/с — это скорость света в вакууме. В прозрачной среде скорость света может быть значительно меньше. Например, в лаборатории были созданы такие условия, при которых свет полз со скоростью едва-едва 17 метров в секунду.
Конечно, астрономов и физиков не очень-то устраивает наблюдать лишь то, что происходило внутри Солнца много-много лет назад. Им хочется знать, что же там творится сейчас.
И тут на помощь приходят нейтрино. Эти маленькие шустрые частицы, практически лишённые массы, очень-очень слабо взаимодействуют с окружающей их материей. Планеты, звёзды и люди для нейтрино мало чем отличаются от пустого места: они проскакивают их навылет, лишь изредка задевая атомы. Сплошная стена из меди толщиной в световой год (9,5 триллиона километров), возможно, сумела бы остановить половину летящих через неё нейтрино.
Родившись в ядре Солнца, нейтрино тратит не более пары секунд, чтобы подняться к поверхности. Ещё восемь минут — чтобы достигнуть Земли.
То есть наблюдая за потоком нейтрино, можно понять, что происходит в недрах Солнца прямо сейчас, а не сотни тысяч лет назад.
Именно нейтрино и решили использовать американские ученые Рэймон Дэвис и Джон Бакал для изучения внутренней структуры Солнца. Хотя заметить сами нейтрино почти невозможно, следы их пролёта можно обнаружить по косвенным признакам — например, по распаду протонов в толще воды.
Чтобы заметить неуловимые нейтрино, Дэвис установил огромный бак с тетрахлорэтиленом в глубокой подземной шахте: пролетающие сквозь бак солнечные нейтрино превращали некоторые атомы стабильного изотопа хлор-37 в радиоактивный аргон-37, количество которого можно было затем подсчитать. Бакал выполнил теоретические расчёты, позволявшие примерно оценить, какого порядка цифры стоит ожидать от солнечных нейтрино. И в 1970 году установка заработала.
Вот только возникла проблема.
Обнаруженный поток нейтрино был ровно втрое слабее расчётного.
А если Солнце погаснет?
Разумеется, будучи настоящими учеными, Дэвис и Бакал первым делом перепроверили свои расчёты и эксперименты. Но никакой ошибки в них не обнаружили. Более того, никакой ошибки в них не смогли найти и другие специалисты. Нет, вычисления Бакала и эксперименты Дэвиса были верны: а это значило, что нейтринный поток от ядра Солнца и в самом деле втрое слабее того, каким должен был быть. А значит, что-то не так было либо с нейтрино, либо с Солнцем.
Что вызвало… двойственную реакцию в научном сообществе.
Физики-ядерщики пожали плечами и сказали, что нейтрино — это малоизученные частицы и, наверное, какое-то их свойство было понято неправильно. Интересно, но не особенно важно. Мир ведь от этого не кончится.
Астрономы побледнели от ужаса. Ибо с их точки зрения, мир от этого как раз мог закончиться, причём в любую минуту.
С точки зрения астрономов, нейтринный поток от Солнца в 1/3 от расчетного означал, что сама активность недр Солнца по какой-то причине ослабела до 1/3 от обычной. Прямо сейчас это не было заметно, поскольку поверхность Солнца все еще излучала фотоны, порождённые в его ядре 100 000 — 50 000 000 лет назад. Но в какой-то момент в будущем тепло, излучаемое Солнцем, должно было ослабеть на две трети. С катастрофическими последствиями для Земли вообще и человечества в частности.
Самым неприятным во всём этом было то, что никак нельзя было понять: когда же именно начало гаснуть Солнце? Если сравнительно недавно, то у человечества еще были сотни тысяч, возможно, миллионы лет в запасе. Но если активность солнечного ядра снизилась давно, то Солнце могло погаснуть в любой момент. Хоть завтра. Хоть через восемь минут (когда последние «старые» фотоны доберутся до Земли).
Журналисты, разумеется, взвыли от восторга: немало газет выходило с броскими заголовками «УЧЁНЫЕ НЕ УВЕРЕНЫ, ВЗОЙДёТ ЛИ СОЛНЦЕ ЗАВТРА!».
Фантастам идея грядущей солнечной катастрофы тоже пришлась по вкусу: роман «Песни далёкой Земли» сэра Артура Кларка был вдохновлён именно этим. Остальной мир отреагировал ожидаемо: сначала обеспокоился… а затем забыл о проблеме. Поскольку прогнозы астрономов относительно того, когда Солнце должно погаснуть, варьировались от «прямо сейчас» до «через пятьдесят миллионов лет», причём примерно равновероятно, человечество достаточно логично рассудило, что «прямо сейчас» делать что-то уже поздно, а готовиться к катастрофе через сотни тысяч лет — рано.
В последующие десятилетия нейтринные астрономы лихорадочно пытались найти какое-то светлое пятно в леденящем мраке будущего. Но все эксперименты лишь подтверждали ранее полученные цифры. И только в 2001 году наконец пришло разрешение ситуации — научный мир вздохнул с облегчением.
Физики были правы — астрономы нет.
Вся суть проблемы оказалась в том, что в природе существуют три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Детектор Дэвиса мог засекать только один тип — электронные нейтрино, поскольку считалось, что Солнце излучает только их. Так и есть на самом деле. Но выяснилось, что у маленьких юрких нейтрино был ещё один трюк в кармане: они могли спонтанно превращаться из одного типа в другой. Например, из электронных — в мюонные… которые установка Дэвиса не видела.
Теория «нейтринных осцилляций» была предложена ещё в 1957 году, но долгое время физикам не удавалось придумать эксперимент, который позволил бы её проверить. Но они обратили внимание на то, что число типов нейтрино (три) странным образом перекликается с тем, что Солнце излучает лишь 1/3 электронных нейтрино от расчётного числа. Едва ли такое могло быть просто совпадением.
В 2001 году канадская нейтринная обсерватория провела измерение всего потока нейтрино от Солнца. В отличие от эксперимента Дэвиса, новая установка могла засекать все три типа нейтрино. И результаты эксперимента показали: 35 процентов нейтрино, летящих от Солнца, приходилось на электронные, а остальной поток составляли мюонные и тау-нейтрино. Последние, судя по всему, образовались путем превращения электронных нейтрино в полёте от солнечного ядра до Земли. Вместе все три типа нейтрино прекрасно укладывались в расчётные ожидания Бакала.
Мир был спасён. Солнце продолжало сиять в полном соответствии с ожиданиями. Недовольны были только фантасты, у которых отобрали такую красивую и соблазнительную катастрофу.