Этот курс посвящен ключевым проблемам современной астрофизики: рождению, эволюции и финальной стадии жизни звезд.
Некоторые из них, например, нейтронные звезды отличаются сверхвысокой плотностью вещества и сверхсильными магнитными полями — такие условия пока недостижимы для современных лабораторий. Как же ученые исследуют эти объекты?
В курсе вы познакомитесь с работой специалистов астрофизики высоких энергий и нейтринной астрономии и разберетесь, зачем люди изучают вспышки сверхновых, ускорение заряженных частиц на космических ударных волнах и высокоэнергитичные нейтрино.
А главы, посвященные теоретической и наблюдательной космологии, объяснят, как эта наука отвечает на вопросы о рождении Вселенной, динамике ее расширения и о формах материи ее заполняющих.
Из урока
Астрофизика высоких энергий
Раздел состоит из шести лекций. Астрофизика высоких энергий - это область науки на стыке физики, физики высоких энергий, астрономии и целого ряда других дисциплин включая астробиологию и множество близких по духу предметов. Астрофизика высоких энергий очень многогранны. Вот некоторые из задач, которые исследуются в этой области науки - это изучение фундаментальных законов природы, строения и эволюции Вселенной и др. Астрофизика высоких энергий дает уникальную возможность получить сведения о процессах в объектах в условиях совершенно недостижимых в земных лабораториях. Характерные энергии частиц, с которыми работает астрофизика высоких энергий, на порядки превосходят энергии, которые достижимы в земных коллайдерах, типа Большого адронного коллайдера.
Физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий. Заведующий кафедрой "Космические исследования" Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
[МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
[МУЗЫКА] Мы с вами обсуждали
процессы ускорения частиц в космических объектах: космические ускорители частиц,
связанные со сверхновыми звездами; с процессами в окрестности звездных
черных дыр, звездных масс; с процессами ускорения
частиц в сверхмассивных черных дырах в окрестности
центральных частей массивных галактик.
Физика космических лучей, то есть заряженных частиц ускоренных, которые
мы наблюдаем на Земле, засчитывает на сегодняшний день немножко больше 100 лет,
потому что космические лучи были открыты в 1912 году.
А сейчас мы с вами поговорим о самом новом
аспекте этой проблемы — о нейтринной астрофизике высоких энергий.
Ускоренные частицы (ядра,
протоны) при взаимодействиях с веществом,
то есть с другими ядрами образуют большое количество вторичных частиц.
То есть образуются при столкновении,
при так называемом неупругом столкновении ультрарелятивистского протона
с другим протоном формируется большое количество вторичных частиц.
Это электрон-позитронные пары, это мезоны различных типов,
которые распадаются на электрон-позитронные пары,
на гаммы-кванты и другие частицы.
И среди прочего формируется нейтрино.
Образуются нейтрино высоких энергий.
Нейтрино обладают, как вы, по-видимому,
хорошо знаете, уникальной проникающей способностью,
то есть они очень слабо взаимодействуют с другими частицами и полями.
Это, с одной стороны, приводит к тому,
что они легко ускользают из источника и распространяются,
в отличие от заряженных частиц, которые отклоняются магнитными полями в окружающей
среде, нейтрино, будучи нейтральными частицами, распространяются прямолинейно.
Однако слабость их взаимодействия приводит к тому, что их очень трудно наблюдать.
Поэтому задача детектирования нейтрино высоких энергий,
экспериментального детектирования высоких энергий,
начала решаться практически в последние годы, хотя принципы этого детектирования,
конечно, были предложены достаточно давно.
Для того чтобы наблюдать нейтрино сейчас, используется технология,
которая основана на том, что нейтрино, распространяясь в прозрачной,
плотной среде, а именно в воде или во льду, образуют свет.
Существует излучение, которое называется излучением Черенкова,
которое было открыто советскими физиками Вавиловым и Черенковым.
Оно формируется, когда частица движется в среде со скоростью больше,
чем скорость распространения света в этой среде.
В этом случае частица излучает черенковское излучение,
и методы детектирования основаны на том, что нейтрино, проходящие через среду,
взаимодействуют с ядрами среды, при этом формируются мезоны,
и эти частицы как раз и формируют оптическое излучение.
Оптическое излучение очень слабое, и для его детектирования
используется детекторы оптического излучения, которые нанизаны на струны.
Вот вы видите на слайде типичный пример нейтринного телескопа.
Он состоит из гирлянд-детекторов, которые нанизаны на струны.
Каждый из этих детекторов состоит из детектирующей части и процессора,
который обрабатывает детектированный сигнал.
При этом, для того чтобы детектировать частицы очень высоких энергий
— это энергии 10–15 электронвольт или немножко меньше, немножко больше,
— необходимы гигатонны вещества, то есть это означает,
что можно использовать либо ледники — лед в
основном используется на Южном полюсе,
либо воду в крупных водоемах.
Такие детекторы строятся на Средиземном море,
и в России подводный нейтринный телескоп сконструирован на озере Байкал.
Принцип работы, как мы уже говорили, заключается в том,
что детекторы детектируют слабо оптический сигнал,
прослеживают его распространение по среде и тем самым
Варшалович Дмитрий АлександровичФизик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии 2008 года в области науки и технологий.
