Kas on tõsi, et Maal kasvab must auk ja ameeriklased on seda hiljutise vaatlusega kinnitanud? Märatsema? Ja Internetis kirjutavad nad, et see kasvab … Kuid kui uudishimulikud veebi elanikud loeksid esmaseid allikaid, teaksid nad, mis võiks sundida füüsikuid sellist eksootilist stsenaariumi kaaluma.
Tõesti, ma ütlen teile: 4. mail 1925 tabab Maa taevatelge! (M. A. Bulgakov, "Koera süda").
Testi teisendused
"Füüsikud on kinnitanud musta augu kasvu Maa sees." Nii nimetas anonüümne ajakirjanik A. N. agentuuri ANHA veebisaidil, mille Belgias lõi kurdi ajakirjanike grupp, oma 25. juuli 2018 kuupäevaga artikli. Kuidas puudutab must auk meie planeedi sees kurdide vabanemisliikumist, on ebaselge, kuid otsimootor annab peamise allikana selle sõnumi, mis oli lähtepunktiks muude veebiväljaannete ajakirjanike tööle, kes on spetsialiseerunud üldsusele ülipõnevate uudiste edastamisele. Kurdi sõnumi sisuks oli see, et ajakiri Physical Review Letters avaldas värske artikli ANITA sondi tööst. See lendab Antarktika kohal ja tuvastab neutriinovood. Niisiis, sondi andmetest järeldub, et Maal kasvab must auk. Kuid lisab kurdi ajakirjanik,mõned teadlased peavad seda Maa sees toimuva termotuumareaktsiooni indikaatoriks, mis selgitab globaalset soojenemist.
ANITA valmistub lendu. Foto: Brian Hill Hawaii-Manoa ülikoolist.
Vene ajakirjanikud, loovalt teksti ümbertöötanud, lisavad, et mõne eksperdi sõnul pole tegemist mitte musta auku mängivate pranglitega, vaid ekskavaatorite võidujooksuga, mis saadab Maa pinnale neutriinoid. Üldiselt erinesid arvamused, kuid uurimistöö jätkub (viimane on tõsi: sond jälgib jätkuvalt).
Kõige huvitavam on see, et artiklit ei avaldatud üldse, see võeti vastu ainult trükisena ja selle täisteksti ajakirja veebisaidilt oli tol ajal võimatu leida - ainult abstraktne tekst, kus mustade aukude või termotuumareaktsioonide kohta pole sõnagi, ning 63 kaasautori seas pole ühtegi kurdi perekonnanimega. Kuid nagu tänapäeval kombeks, on artikli esialgne tekst saadaval arXiv.com veebisaidil ja see on seal olnud alates 14. märtsist 2018. Sellest tekstist saime välja tuua huvitava uurimuse üksikasjad, mille eest võime avaldada tänu veebiajakirjanikele, kes juhtisid tähelepanu sellele, et see pole esmapilgul kõige muljetavaldavam teos.
Reklaamvideo:
Suitsu jää kohal
Töö sisu on järgmine. NASA sond ANITA (ANtarctic Impulsive Transient Array-st) käivitati esmakordselt Antarktika ümbruses juba tükk aega tagasi - 15. detsembril 2006 McMurdo jaama lähedal. Pärast seda, umbes iga kahe aasta tagant, on see umbes kuu aega lennanud õhustiku õhustiku atmosfääri atmosfääris 35–37 km kõrgusel merepinnast või 33–35 km kõrgusel jääpinnast, liikudes järk-järgult pooluse poole. Katse eesmärk on tuvastada kosmilise päritoluga ülikõrge energiaga neutriinode ilmnemine. Andmete kogumise järel analüüsivad teadlased seda paar aastat, muudavad detektoris midagi ja käivitavad sondi uuesti lendu. Neljas katse toimus 2016. aasta lõpus, nii et ilmselt õpime lähitulevikus uusi tulemusi. Siiani taandub analüüs neile sündmustelemis registreeriti esimesel kolmel lennul.
Kust tulevad ülikõrgete, eksaelektronvolti (EeV) energiate neutriinod - ja see on miljonid kordi rohkem teraelektronvolti (TeV), mis saavutatakse inimkäte loodud kõige võimsama seadme - suure hadronkolonderi abil -, mida arutatakse allpool, kuid kõigepealt räägime sellest selliste neutriinosüsteemide tuvastamise meetodid.
1962. aastal GA Askar'yan, tulevane Lenini preemia laureaat ja seejärel NSVL Teaduste Akadeemia füüsika instituudi teadur. PN Lebedev (FIAN), esitage huvitav idee. Kui osake liigub läbi tahke keskkonna kiiremini kui selles keskkonnas olev valguse kiirus, tekitab see kompaktse, mitme kuupsentimeetri suuruse laetud osakeste pilve - elektronid ja positronid. See pilv ei tohiks liikumise ajal jälgi jätta, kuna elektronide ja positronite kogulaengud on võrdsed. Askar'yan tegi aga ettepaneku, et tihedas keskkonnas liikudes rikutakse nende osakeste arvu võrdsust väga kiiresti - elektrone on 20% rohkem, see tähendab, et tekib elektrivool, mis tekitab koherentset (nagu laser) teatavate omadustega kiirgust. Selle kiirguse tabamine,saate sellise pilve olemasolu kindlaks teha.
Askaryani efektiga neutriino avastamise skeem. Joonis: Predrag Miocinovic.
Kuni 1980-ndate aastate lõpuni ei pälvinud Askaryani idee suurt tähelepanu, kuid astrofüüsika arenedes seisid teadlased silmitsi ülima energiasisaldusega neutriinode fikseerimisega. Nagu füüsikast on teada, mida suurem on energia, seda väiksem on osakeste voog. Seega, mida vähem osakesi, seda suurem detektor peaks olema, eriti kui arvestada, et neutriinod on väga vastumeelsed ainega suhtlemisele. Näiteks kuupmeeter jääd on üsna sobivad TeV neutriinode jäädvustamiseks: selline IceCube-detektor ehitati Antarktikasse. Kuid juba tuhat korda suurema energiaga (PeV) neutrinode fikseerimiseks on vaja tuhandeid kuupmeetreid jääd ja energiate järgmiseks tühjendamiseks, EeV, on vaja miljoneid.
Sellist detektorit on võimatu üles ehitada, seetõttu peate kasutama mõnda loodusobjekti, näiteks Antarktika jääkiht või Kuu. Esimene osutus kõige mugavamaks. Esiteks on Antarktika kohal sondi käivitamine palju lihtsam kui planeetidevahelise ekspeditsiooni varustamine. Teiseks, külm jää, olles dielektrik, edastab suurepäraselt raadioemissiooni, nimelt peaks raadioemissioon tekkima siis, kui ülikõrge energiaga neutriinode korral Askar'yani efekt realiseerub.
1990ndate lõpus ja 2000ndate alguses viidi läbi eksperimente, mis kinnitasid Askaryaani efekti dielektrikides nagu sool, Kuu regoliit ja jää. Näiteks selleks, et testida viimase sobivust detektoriks, valasid teadlased 2006. aastal viis ja pool tonni puhast jääd ning saatsid selle kiirendist elektronide ja prootonite kiire. Kaheksa meetri kõrgusel rippus jää kohal ANITA sond, mis registreeris vastava kiirguse. Nii et selle tõhusus oli tõestatud.
Üritused
Ja nii algas uurimistöö. Sond lendas Antarktika kohal, jälgides ühe kärbsega umbes poolteist miljonit kuupkilomeetrit jääd. Paraku registreeriti mitte ükski signaal Antarktika jääle tabanud suure energiatarbega neutriinost. Mõnda huvitavat sündmust siiski märgati. Esiteks olid need kosmiliste kiirte ülienergeetiliste osakeste jäljed, mille atmosfääri sisenesid EeV-s olevad energiad. Esimese ja kolmanda ülelennu korral oli umbes poolteist kuni kaks tosinat sellist sündmust (teise ülelennu ajal tühistas ANITA ülesande fikseerida kosmilised kiirjäljed). Kui kiirte energeetiline osake satub atmosfääri, tekitab see põrkudes mis tahes molekuliga sekundaarsete osakeste dušši. Need omakorda moodustavad raadioemissiooni ja see, jäält peegeldudes, siseneb sondi detektoritesse. Et vihmasadu langebja kiirgus peegeldub ja lendab ülespoole - oluline: see mõjutab signaali polarisatsiooni. Antennid ANITA suudavad seda polarisatsiooni suurepäraselt fikseerida ja eristada seega kosmilise päritolu signaali inimtekkelisest signaalist. Üldiselt oodati kosmiliste kiirte signaale.
Kuid salvestatud signaalide hulgas oli mitmeid kummalisi. Esimese lennu ajal leiti kaks horisondi joone tagant tulnud signaali, milles peegeldus polarisatsiooni ei muutnud. Muus osas vastas signaal kosmiliste kiirte signaalidele. Need kaks signaali leiti olevat pärit horisontaalselt leviva kosmilise kiirga.
Kuid oli veel kaks ebanormaalset signaali. Esimene, mis saadi esimese lennu ajal, lükati algselt tagasi, kuna see ei sobinud teooriasse üldse. Kuid kui kolmanda lennu ajal registreeriti sarnane signaal, tuli neid täiendavalt analüüsida. Mõlemad signaalid ulatusid kaugele horisondi joonest: nurga koordinaat vastas −27-30 °. Tegelikult tuli signaal maa alt ja see levis ülespoole, st seda ei peegeldatud. Selgus, et neid signaale tekitasid eksaelektronvolti (energiaga 0,5 EeV) osakesed, mis tekkisid jääst või ei olnud selle kohal kõrgel ja lendasid kosmose poole üles.
Mis on see kõrge energiaga neutriino soovitud sündmus? Ei, signaali kuju ei vastanud vähemalt askaria efekti teooriale. Ja just siit said alguse igasugused fantaasiad, eriti need, mis tekitasid 2018. aasta juulis sensatsiooni.
Tau hüpotees
Põhiprobleem on see, et Maal pole piisavalt energiaallikaid, et tekitada ekselektronvoltides energiaga osake. Seetõttu tuleb pöörduda kosmilise päritolu allikate poole. Kui dušši tekitas aga kosmiline osake, mis tabas maad ANITA sondi vastasküljelt, tähendab see, et ta läbis tahke maantee 5–7 tuhat kilomeetrit. Ükski kosmiliste kiirte ioon pole selleks võimeline, ainult neutriinod. Seetõttu tehti ettepanek, et dušš annaks tau leptoni, mille tekitas tau neutriino kokkupõrge ainega. Sel juhul omas neutriino ise eksaelektronvolti energiat. See tau lepton, olles väga ebastabiilne, kuid liikudes valguse kiirusele lähedasel kiirusel, võiks jääda püsima kuni jääpinna ristumiseni atmosfääriga või lennata jääst isegi mitme kilomeetri kõrgusele,kus ja kõdunevad, andes tulemuseks tütarosakeste soovitud duši.
Sellel ilusal hüpoteesil on üks nõrk külg. Selliste energiate neutriinod Maa kaudu rännates peaksid olema mateeriaga suhelnud poolteist tosinat korda ja kadunud, põhjustades tau leptoni. See võib lagunedes omakorda anda järgmise tau-neutriino, kuid palju vähem energiat. Selgub, et sellise mehhanismi korral peaks sisendis olema palju suurema energiaga neutriino, kui universumi olemasoleva pildi põhjal võimalik on: vastasel korral ei saa väljundis vajaliku energia tau leptoni. See tähendab, et on vaja üle vaadata neutriinode ja mateeria vahelise interaktsiooni mudel, et tagada selle takistamatu läbimine läbi mitme tuhande kilomeetri paksuse paksuse või otsida muid ülikõrge energiaga neutriinode allikaid.
Püüdes leida vähemalt mingit seletust, uurisid teadlased, kas kosmose paremas sektoris on katastroof, mis võib anda piisavalt kõrge energiaga neutriinodele. Teisel juhul oli tõepoolest võimalik leida supernoova SN2014dz, mis võis sündmuse eest vastutada, kuid selle tõenäosus osutus statistiliselt tähtsusetuks. Lisaks osutus selle neutriino heledus palju suuremaks, kui nähtub nähtava vahemiku heleduse andmetest, ja neid neutriinoid oleks pidanud märkama ka teised neutriinodetektorid. Ja esimese ürituse jaoks ei leitud ühtegi võimalikku kandidaati. Füüsikud peatusid seal, lootes saada järgmiste ANITA lendude kohta lisateavet ja leida andmebaasidest midagi, mis on seotud mõlema anomaalse sündmusega koos teiste detektorite vaatluste tulemustega.
Kosmilised neutriinod
Ülimalt suure energiatarbimisega neutriinod on üks astrofüüsika kuumimaid teemasid. Nii rääkis ANITA koostööpartner Predrag Miocinovic neist poeetiliselt Stanfordi konverentsil 2004. aastal: universumi kõige energilisemate masinate sisemine struktuur."
Probleem on selles. 1960. aastatel, kui Askar'yan leiutas tema nimelise efekti mehhanismi, leiutasid kaks teist teoreetiliste füüsikute rühma kosmiliste kiirte energia piire. Nad olid Kenneth Greisen Cornelli ülikoolist ja G. T. Zatsepin ning A. V. Kuzmin FIAN-ist. Nende artiklid ilmusid 1966. aastal, st vahetult pärast Arno Penziase ja Robert Wilsoni juhuslikke mõõtmisi, mis salvestasid relikti kiirguse olemasolu temperatuuriga, mille eest nad said 1978. aastal Nobeli füüsikapreemia. Nende andmete põhjal tehtud arvutus näitas, et 10–100 EeV energiaga prootonid põrkuvad reliktide footonitega ja kaotavad energiat, tekitades tütarosakesi. Raja pikkus osutus suureks - umbes 50 Mpc, kuid siiski on see palju väiksem kui nähtava Universumi suurus. Seetõttu ei saa kosmiliste kiirte energia seda piiri ületada (avastajate nimede järgi nimetatakse seda nüüd GZK piiriks). Tõepoolest, usaldusväärseid andmeid kõrgema energia kosmiliste kiirte olemasolu kohta pole veel saadud.
Veidi hiljem, 1969. aastal, näitasid V. A. Berezinsky (kes ei elanud selleks, et näha ära teenitud Nobeli preemiat neutriino võnkumiste eest, vt "Keemia ja elu" nr 11, 2016) ja G. T. Zatsepin näitasid, et sellised kokkupõrked tekitavad neutriine mille energia on paar suurusjärku madalam kui kosmiliste kiirte algosakesed. Selliseid neutriine, mille energia on EeV-s või pisut vähem, nimetatakse nüüd BZ-neutriinodeks ja seega interakteeruvad nad mikrolaine taustaga nii nõrgalt, et suudavad lennata Kosmose sügavustest Maale. Kui neid oleks võimalik parandada, saaks teooria usaldusväärse kinnituse.
Kuid nagu näete, ei lähe seni asjad temaga hästi, kuid ilmnevad mõned arusaamatud andmed, mis ei tulene ühestki teooriast. Ja niipea, kui mõlema avastatud osakese kosmiline päritolu on küsimärgi all, tekib kiusatus öelda: mis siis, kui see on midagi muud? mis siis, kui nende allikas asub maa sees? Kuna osakeste energia on äärmiselt kõrge, kas ei peaks neid tekitama Universumi kohutavam loomine - must auk?
Prognoositav osakeste spekter mikroskoopilise musta augu aurustumisel, mis moodustati suure hadroniga põrkepiirkonnas.
Põhimõtteliselt on juba pikka aega kestnud vestlus, et ülikõrge energiaga neutriinod võivad jääga kokkupõrkel muutuda mikroskoopiliseks mustaks auguks, isegi ANITA eksperimendi ettevalmistamise etapis. Nagu Predrag Miocinovic juba mainitud kõnes märgib, viidates kahele 2002. aasta artiklile, peaks selline auk Hawkingi mehhanismi kohaselt koheselt aurustuma ja tekitama osakeste hoovihma, mida saab salvestada tänu samale askaria efektile. See toob kaasa ANITA registreeritavate sündmuste arvu vale suurenemise. Kuna kaheteistkümne tööaasta jooksul pole ühtegi neutriinisündmust täheldatud, pole see hüpotees ilmselt väga järjekindel.
Kas kosmilise päritoluga mikroskoopiline must auk võib mulla tungida ja teiselt poolt välja lennates põhjustada osakeste ülespoole suunatud kõrge energiaga dušši, mis on sarnane tau leptoni lagunemisega? Küsimus pole lihtne ja vastus sõltub sellest, kuidas selline must auk käitub.
Olemasoleva konsensuse piires võib osakestest, mille energia on suurem kui TeV, moodustuda mikroskoopiline must auk, kui meie ruumis on varjatud mõõtmed. Aurustumise ajal moodustab see palju elementaarosakesi, kuid nende spekter pole teada ja erinevad teooriad annavad väga erinevaid hinnanguid, eriti kuna pole teada ainult varjatud mõõtmiste parameetrid, vaid ka nende olemasolu on küsitav. Elementaarse osakeste kiirendi spetsiaalsetes detektorites ei ole raske eristada musta augu aurustumise ja leptoni kõdunemise saadusi. Kuid kas ANITA, mis püüab ainult raadiolaineid, saab seda teha, pole väga selge.
Peaasi, et on olemas stsenaariumid, mille kohaselt kui mikroskoopiline must auk ilmub, osutub see pikaealiseks. See aurustub ainult siis, kui see osutub varjatud mõõtmete suurusest suuremaks, ja kuni selle hetkeni on see kas stabiilne või neelab ainet ja kasvab. Selle stsenaariumi korral lendab Maa kaudu lendamine (mis võtab mitukümmend millisekundit) ja absorbeerib aktiivselt ainet, kuna selle tihedus on kõrge, siis auk, saavutades kriitilise suuruse, läheb metastabiilsesse olekusse: kui palju ainet on imendunud, nii palju on aurustunud osakeste dušide kujul. Need vihmad põhjustavad ülespoole levivat kiirgust, sealhulgas raadioside kiirgust Maa sügavusest. Kui tahke aine on välja lennanud, kaotab auk ümbritseva aine madala tiheduse tõttu oma võime kasvada, sulgeb varjatud mõõtmete piires ja kaob jäljetult ruumis.
Võimalik, et sellised kontrollimata ja väga spekulatiivsetel mudelitel põhinevad hüpoteetilised kaalutlused võimaldasid mõnel entusiastil meelitada Maa sisemusse musta auku, et selgitada ANITA sondiga registreeritud kõrvalekaldeid.
Sergei Komarov
