Ученые из международной коллаборации Borexino объявили о первом наблюдении нейтрино из реакций углеродно-азотного цикла в Солнце. Это экспериментально подтверждает теоретические представления о вторичном цикле термоядерного синтеза в массивных звездах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Звезды питаются энергией термоядерных реакций превращения водорода в гелий, происходящих в их недрах. Такой синтез возможен двумя путями: в протон-протонной (pp) цепи, включающей только изотопы водорода и гелия, и в ходе вторичного цикла, который еще называют углеродно-азотным, или CNO-циклом по символам углерода, азота и кислорода — элементов, выступающих катализаторами реакций. Ядерные реакции как первичного, так и вторичного цикла сопровождается испусканием характерных нейтрино.

Протон-протонные цепи производят около 99 процентов энергии Солнца и сходных с ним по размерам звезд, поэтому ранее ученым удавалось наблюдать только нейтрино из рр-цикла. Но считается, что у тяжелых звезд, с массой в полтора раза и более массивнее Солнца, преобладает углеродно-азотный цикл, и важно было экспериментально доказать его существование.

Из-за чрезвычайно малой вероятности взаимодействия с обычным веществом нейтрино легко проходят сквозь толщу Солнца, сохраняя информацию о ядерных процессах в глубинах звезды и условиях их протекания. Зафиксировать среди солнечных нейтрино те, которые относятся к вторичному циклу было очень сложной задачей, так как их сигнал не намного превышал фоновый. Но ученым коллаборации Borexino это удалось.

"До недавнего времени оставался открытым вопрос, удастся ли зарегистрировать нейтрино из CNO-цикла. Регистрацию CNO-нейтрино, помимо малости самого потока, осложняет присутствие спектральной компоненты природного фона, неотличимой от их спектра", — приводятся в пресс-релизе Объединенного института ядерных исследований в Дубне слова одного из участников эксперимента, старшего научного сотрудника Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова ОИЯИ Олега Смирнова.

Свойство беспрепятственно проникать сквозь вещество позволяет нейтрино сохранять информацию о внутренних процессах в Солнце, но это же свойство делает их неуловимыми для обычных детекторов частиц. Поэтому для регистрации нейтрино используют специальные детекторы очень большой массы с тщательным контролем всех процессов, которые могут отражать взаимодействия нейтрино с электронами.

В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействует с электроном, он передает ему часть своей энергии. Этот процесс напоминает упругое столкновение бильярдных шаров. Электрон, получив некоторую начальную скорость, постепенно теряет ее в ходе взаимодействия с молекулами среды. Часть энергии при этом излучается в виде фотонов. Таким образом, взаимодействие нейтрино с электроном приводит к вспышке света, и несколько тысяч фотонов разлетаются от точки взаимодействия во все стороны.

Эти фотоны регистрируют тысячи детекторов света, а специальные приборы — фотоэлектронные умножители — позволяют оценить энергию, переданную электрону, а также определить точку, где произошло взаимодействие. В сверхчувствительном детекторе Borexino, расположенном в самой большой подземной лаборатории в мире в Гран-Сассо в Центральной Италии, в качестве активной среды для регистрации нейтрино используется около 100 тонн жидкого сцинтиллятора.

"Несмотря на огромное количество солнечных нейтрино, проходящих через детектор (более секстиллиона за день) только полсотни нейтрино оставляют заметный "след" в детекторе за это же время. Ученые, работающие над анализом данных, смогли выделить сигнал, который можно объяснить только присутствием нейтрино из CNO-цикла. Таким образом доказано протекание ядерных реакций CNO-цикла в Солнце. Полный поток нейтрино из CNO-цикла составляет около одного процента от полного потока солнечных нейтрино", — поясняет Олег Смирнов.

Открытие имеет первостепенное значение для астрофизики, так как в звездах более массивных, чем Солнце, энергия выделяется в основном за счет углеродно-азотного цикла. Его механизм теперь экспериментально подтвержден.

Японские ученые разработали математический метод, определяющий роль нейтрино в эволюции Вселенной. Моделирование на его основе позволит изучить динамику нейтрино и темной материи, и, в конечном итоге, привести к определению массы нейтрино, считают авторы. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Эффект, который почти безмассовые субатомные частицы, называемые нейтрино, оказывают на формирование галактик, долгое время оставался космологической загадкой, которую физики пытались решить с момента открытия частиц в 1956 году.

Задача осложняется тем, что масса нейтрино в настоящее время неизвестна, а ее значение необходимо для проведения фундаментальных вычислений.

Японские ученые из Университета Цукубы и Токийского университета создали космологическую модель, которая точно отражает роль нейтрино в эволюции Вселенной.

Сначала они решили для нейтрино с различной присвоенной массой знаменитую систему уравнений Власова-Пуассона, которые описывают, как частицы движутся во Вселенной. Этот метод точно представил функцию распределения нейтрино по скоростям и проследил его изменение во времени.

Затем исследователи провели моделирование влияния нейтрино на эволюцию галактик и формирование крупномасштабной структуры Вселенной для различных значений массы нейтрино.

"В более ранних моделях использовались определенные приближения, которые могли быть неверными, — приводятся в пресс-релизе слова ведущего автора исследования Коджи Йошикава (Kohji Yoshikawa), сотрудника Центра вычислительных наук Университета Цукубы. — В нашей работе мы избегали этих приближений, используя технику, которая точно представляет функцию распределения нейтрино по скоростям и отслеживает ее эволюцию во времени".

Результаты моделирования демонстрируют, что богатые нейтрино области коррелируют с массивными скоплениями галактик и что нейтрино подавляют кластеризацию темной материи — "недостающей" массы во Вселенной — и, соответственно, галактик, а также то, что температура нейтрино существенно меняется в зависимости от его массы.

"В целом, наши результаты согласуются как с теоретическими предсказаниями, так и с результатами предыдущих симуляций, — объясняет Йошикава. — Обнадеживает то, что результаты совершенно разных подходов к моделированию согласуются друг с другом".

"Нейтрино — самые легкие частицы, о которых мы знаем. Наши симуляции важны, потому что они устанавливают ограничения на неизвестное значение массы нейтрино", — говорит еще один автор исследования доктор Шун Сайто (Shun Saito), космолог из Токийского университета и доцент физики Университета науки и технологий Миссури.

По мнению ученых эта работа представляет собой важную веху в процессе моделирования формирования структуры Вселенной и может в конечном итоге привести к надежному определению массы нейтрино.

Солнце прожило половину своей жизни и начнет угрожать Земле перегревом через несколько сотен миллионов лет, рассказал в интервью РИА Новости директор Института космических исследований РАН Анатолий Петрукович.

"Наша звезда, когда родилась, была более холодной, чем сейчас. Со временем она постепенно разогревается и поток излучения от нее растет. По современным понятиям Солнце начнет угрожать Земле уже через несколько сотен миллионов лет, так как поток тепла, который будет поступать от него, станет чрезмерным для современного климата Земли", — сказал он.

Однако, по его словам, у человечества еще много времени, чтобы как-то решить эту проблему — к примеру, отрегулировать атмосферу или улететь с Земли.

Петрукович отметил, что Солнце прожило около 4,5 миллиарда лет, и ему предстоит прожить еще примерно столько же в его текущем состоянии. "Это типичный цикл жизни такой звезды. Когда оно подойдет к финальной стадии, то начнет превращаться в красного гиганта, расширится и, возможно, даже поглотит Землю", — сказал он.

Американские ученые сообщили о первом обнаружении всплесков электронных космических лучей, возникающих в результате крупных извержений на Солнце. Вспышки зафиксировали приборы на борту космических аппаратов "Вояджер-1" и "Вояджер-2". Статья опубликована в журнале Astronomical Journal.

Аппараты "Вояджер" были запущены в 1977 году. В августе 2017 года они пересекли границу гелиосферы и вышли за пределы Солнечной системы. Это первые аппараты, которые имеют возможность наблюдать за Солнцем из межзвездного пространства. Сегодня, спустя 43 года после запуска, они продолжают работать и совершать новые открытия.

Недавно приборы обоих "Вояджеров" зафиксировали вспышки Солнца неизвестного ранее типа — всплески электронов космических лучей, ускоренных ударными волнами, возникающими в результате крупных извержений на звезде.

Несколько дней спустя после всплеска ускоренных электронов до приборов "Вояджеров" дошли колебания плазменной волны, вызванные электронами с меньшей энергией, а еще через месяц — и сама ударная волна.

"Когда ударная волна впервые касается силовых линий межзвездного магнитного поля, проходящих через космический корабль, она отражает и ускоряет некоторые электроны космических лучей, — приводятся в пресс-релизе Университета Айовы слова руководителя исследования, заслуженного профессора физики и астрономии Дона Гурнетта (Don Gurnett). — Мы определили с помощью инструментов, что это электроны, которые были отражены и ускорены межзвездными толчками, распространяющимися наружу от энергетических солнечных событий на Солнце. Это неизвестный ранее механизм".

Физики считают, что эти электроны движутся в межзвездной среде почти со скоростью света — примерно в 670 раз быстрее, чем ударные волны, которые придали им импульс. Отражаясь от усиленного магнитного поля на краю ударной волны, электроны закручиваются по спирали вдоль силовых линий межзвездного магнитного поля, набирая скорость по мере увеличения расстояния между ними и ударной волной.

Ударные волны исходили от корональных выбросов массы, выброса горячего газа и энергии, которые удаляются от Солнца со скоростью более полутора миллионов километров в час.

Даже при таких скоростях ударным волнам требуется больше года, чтобы достичь космического корабля "Вояджер", который сейчас находится на расстоянии более 22 миллиардов километров от Солнца.

Теоретически процесс ускорения вдоль силовых линий межзвездного магнитного поля ионов, отраженных от ударных волн, был описан еще в 2014 году. Сейчас исследователи подтвердили, что и электроны ускоряются аналогичным образом.

"Идея о том, что ударные волны ускоряют частицы, не нова, — говорит Гурнетт. — Но мы обнаружили, что этот механизм работает в межзвездной среде, которая сильно отличается от солнечного ветра, где ранее наблюдались аналогичные процессы".

Авторы считают, что их открытие поможет физикам лучше понять динамику, лежащую в основе ударных волн и космического излучения, порождаемых звездными вспышками, которые проявляются в виде кратковременных изменений яркости, связанных с активными событиями на их поверхности.

По мнению ученых, физику таких явлений необходимо учитывать при отправке космонавтов в длительные межпланетные путешествия, во время которых они будут подвергаться воздействию космических лучей с концентрацией, намного превышающей ту, что человек испытывает на Земле.