Черная дыра в Земле?

Сергей Комаров
«Химия и жизнь» №8, 2018

Фото: Christian Miki, University of Hawaii-Manoa

Правда ли, что в Земле растет черная дыра и американцы это подтвердили недавним наблюдением? Бред? А в Интернете пишут, что растет... Но если б любопытствующие обитатели Сети читали первоисточники, то знали бы, что же может заставить физиков рассматривать такой экзотический сценарий.

Превращения тестов

«Физики подтвердили рост черной дыры внутри Земли». Так озаглавил свой материал от 25 июля 2018 года анонимный журналист А. Н. на сайте агентства ANHA, созданного в Бельгии группой курдских журналистов. Каким образом черная дыра внутри нашей планеты касается курдского освободительного движения, неясно, но это сообщение поисковая система выдает как основной источник, который послужил отправной точкой для творчества журналистов других интернет-изданий, специализирующихся на доставке публике сверхинтересных новостей. Суть же курдского сообщения состояла в том, что в журнале Physical Review Letters опубликована свежая статья о работе зонда ANITA. Он летает над Антарктидой и фиксирует потоки нейтрино. Так вот, из данных зонда следует, что в Земле растет черная дыра. Впрочем, добавляет курдский журналист, некоторые ученые считают это указанием на протекание внутри Земли термоядерной реакции, которая и объясняет глобальное потепление.

АНИТА готовится к полету. Фото: Brian Hill of the University of Hawaii-Manoa

Российские журналисты, творчески переработав текст, добавляют, что, по мнению отдельных экспертов, это не черная дыра шалит, а раса диггеров посылает на поверхность Земли нейтрино. В общем, мнения разошлись, но исследования продолжаются (последнее — чистая правда: зонд продолжает наблюдения).

Самое интересное здесь то, что статья вовсе и не опубликована, лишь принята в печати, и полного текста ее на сайте журнала в то время найти было невозможно — только реферат, где нет ни слова про черные дыры или термоядерные реакции, а в числе 63 соавторов нет ни одного с курдской фамилией. Впрочем, как это принято сегодня, предварительный текст статьи есть на сайте arXiv.com, причем он там лежит еще с 14 марта 2018 года. Из этого текста и удалось извлечь подробности интереснейшего исследования, за что можно выразить благодарность сетевым журналистам, привлекшим внимание к этой не самой, на первый взгляд, впечатляющей работе.

Дым надо льдом

Суть работы состоит в следующем. Зонд НАСА АНИТА (от ANtarctic Impulsive Transient Array, Антарктический импульсный пролетный массив) был впервые запущен в полет вокруг Антарктиды очень давно — 15 декабря 2006 года около станции Мак-Мердо. С тех пор примерно каждые два года он летает примерно по месяцу на воздушном шаре в верхних слоях атмосферы на высоте 35–37 км над уровнем моря или 33–35 км над поверхностью льда, постепенно смещаясь к полюсу. Задача эксперимента — фиксировать появление нейтрино сверхвысоких энергий космического происхождения. Собрав данные, исследователи пару лет их анализируют, что-то меняют в детекторе и снова запускают зонд в полет. Четвертый эксперимент прошел в конце 2016 года, так что, видимо, в ближайшее время мы узнаем новые результаты. Пока что анализ сводится к тем событиям, что были зафиксированы в первых трех полетах.

Откуда берутся нейтрино сверхвысоких, эксаэлектрон-вольтных (ЭэВ) энергий — а это в миллионы раз больше тераэлектрон-вольт (ТэВ), которые достигнуты на самом мощном устройстве, созданном руками человек, Большом адронном коллайдере, — речь пойдет ниже, но сначала расскажем о методах детектирования таких нейтрино.

В 1962 году Г. А. Аскарьян, будущий лауреат Ленинской премии, а тогда научный сотрудник Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева (ФИАН), выдвинул интересную идею. Если по твердой среде перемещается частица со скоростью, большей скорости света в этой среде, она порождает компактное, размером в несколько кубических сантиметров, облако заряженных частиц — электронов и позитронов. Никаких следов это облако при своем движении оставлять не должно ввиду равенств суммарных зарядов электронов и позитронов. Однако Аскарьян предположил, что при движении в плотной среде очень быстро происходит нарушение равенства числа этих частиц — электронов оказывается на 20% больше, то есть возникает электрический ток, который порождает когерентное (как в лазере) излучение с определенными характеристиками. Поймав это излучение, можно зафиксировать наличие такого облака.

Схема детектирования нейтрино по эффекту Аскарьяна. Рис. Предрага Миочиновича

До конца 80-х годов идея Аскарьяна особого внимания не привлекала, но по мере развития астрофизики у исследователей появилась задача фиксирования нейтрино сверхвысоких энергий. Как известно из физики, чем выше энергия, тем меньше поток частиц. Соответственно, чем меньше частиц, тем больше должен быть детектор, особенно с учетом того, что нейтрино крайне неохотно взаимодействуют с веществом. Скажем, для поимки нейтрино с энергией ТэВ вполне подходит кубометр льда: такой детектор IceCube был построен в Антарктиде. Однако уже для фиксирования нейтрино с энергией в тысячу раз больше (ПэВ) нужны тысячи кубометров льда, а для следующего разряда энергий, ЭэВ, — миллионы.

Построить такой детектор невозможно, поэтому приходится использовать какие-то природные объекты, например ледяной щит Антарктиды или Луну. Первый оказался наиболее удобным. Во-первых, запустить зонд над Антарктидой гораздо проще, чем снаряжать межпланетную экспедицию. Во-вторых, холодный лед, будучи диэлектриком, прекрасно пропускает радиоизлучение, а именно радиоизлучение и должно возникать при реализации эффекта Аскарьяна в случае нейтрино сверхвысоких энергий.

В конце 1990 — начале 2000-х годов были проведены эксперименты, которые подтвердили эффект Аскарьяна в таких диэлектриках, как соль, лунный реголит и лед. Например, чтобы проверить пригодность последнего в качестве детектора, в 2006 году исследователи сложили пять с половиной тонн чистого льда и направили на него пучок электронов и протонов из ускорителя. Надо льдом на высоте восемь метров висел зонд АНИТА, который зафиксировал соответствующее излучение. Так была доказана его работоспособность.

События

И вот начались исследования. Зонд летал над Антарктидой, за один облет обозревая примерно полтора миллиона кубических километров льда. Увы, ни одного сигнала от высокоэнергетического нейтрино, врезавшегося в антарктический лед, зафиксировано не было. Однако некоторые интересные события заметить удалось. Прежде всего, это были следы попадания в атмосферу сверхэнергичных, с энергией в ЭэВ, частиц космических лучей. Таких событий набралось по полтора-два десятка на первый и третий облеты (во время второго облета у АНИТА отменили задачу фиксации следов космических лучей). Когда энергичная частица лучей попадает в атмосферу, она, столкнувшись с какой-нибудь молекулой, порождает ливень вторичных частиц. Те, в свою очередь, формируют радиоизлучение, и оно, отразившись от льда, попадает в детекторы зонда. То, что ливень летит вниз, а излучение отражается и летит вверх — важно: это сказывается на поляризации сигнала. Антенны АНИТА прекрасно умеют фиксировать эту поляризацию и таким образом отличать сигнал космического происхождения от антропогенного сигнала. В общем-то сигналы от космических лучей ожидали.

Но среди зафиксированных сигналов оказалось несколько странных. Во время первого полета обнаружили два сигнала, пришедшие из-за линии горизонта, у которых отражение не изменило поляризацию. Во всем остальном сигнал соответствовал тем, что получались от космических лучей. Эти два сигнала определили как пришедшие от космического луча, распространяющегося горизонтально.

Но были еще два аномальных сигнала. Первый, полученный при первом полете, поначалу отвергли, поскольку он совершенно не вписывался в теорию. Но когда аналогичный сигнал зафиксировали и при третьем полете, пришлось подвергнуть их дополнительному анализу. Оба сигнала пришли далеко из-за линии горизонта: угловая координата соответствовала −27–30°. Фактически сигнал пришел из-под земли, и распространялся он вверх, то есть не был отраженным. Получалось, что эти сигналы порождены эксаэлектрон-вольтными (с энергией 0,5 ЭэВ) ливнями частиц, которые возникли во льду либо невысоко над ним и летели вверх, в сторону космоса.

Что это, искомое событие от высокоэнергетического нейтрино? Нет, форма сигнала нисколько не соответствовала теории эффекта Аскарьяна. И вот тут-то начались всевозможные фантазии, в частности те, что породили сенсацию в июле 2018 года.

Тау-гипотеза

Главная проблема состоит в том, что на Земле нет никаких источников достаточной мощности, чтобы создать частицу, обладающую энергией в эксаэлектрон-вольты. Поэтому приходится обращаться к источникам космического происхождения. Однако если ливень породила космическая частица, которая ударила в Землю с противоположной стороны от зонда АНИТА, значит, она прошла от 5 до 7 тысяч километров тверди. Никакой ион космических лучей на это неспособен, только нейтрино. Поэтому возникло предположение, что ливень дал тау-лептон, порожденный столкновением тау-нейтрино с веществом. При этом нейтрино само обладало эксаэлектрон-вольтной энергией. Этот тау-лептон, будучи сильно нестабильным, но, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, мог дожить до места пересечения ледяной поверхности с атмосферой, а то и вылететь изо льда на высоту в несколько километров, где и распасться, породив искомый ливень дочерних частиц.

В этой прекрасной гипотезе есть одно слабое место. Нейтрино таких энергий за время своего путешествия сквозь Землю должно было полтора десятка раз провзаимодействовать с веществом и исчезнуть, породив тау-лептон. Тот, распадаясь, в свою очередь, мог породить следующее тау-нейтрино, но с гораздо меньшей энергией. Получается, что при таком механизме на входе должно находиться гораздо более высокоэнергетическое нейтрино, чем это возможно, исходя из имеющейся картины мироздания: иначе никак не получить на выходе тау-лептон нужной энергии. Значит, надо пересматривать модель взаимодействия нейтрино с веществом, чтобы обеспечить ему беспрепятственное путешествие сквозь многотысячекилометровую толщу, либо искать другие источники нейтрино сверхвысоких энергий.

В попытке найти хоть какое-то объяснение исследователи посмотрели, не было ли в нужном секторе пространства катастрофы, способной дать нейтрино достаточно высокой энергии. Во втором случае, действительно, удалось найти сверхновую SN2014dz, которая могла бы отвечать за событие, но вероятность этого оказалась статистически незначима. Кроме того, ее нейтринная светимость оказывалась гораздо выше, чем следовало из данных о светимости в видимом диапазоне, и эти нейтрино должны были заметить другие нейтринные детекторы. А у первого события никаких возможных кандидатов вообще найти не удалось. На этом физики и остановились, надеясь получить в следующих полетах АНИТА больше информации, а в базах данных с результатами наблюдений других детекторов отыскать что-то связанное с обоими аномальными событиями.

Космические нейтрино

Нейтрино сверхвысоких энергий — одна из самых горячих тем в астрофизике. Вот как поэтически говорил о них участник коллаборации АНИТА Предраг Миочинович на конференции в Стэнфорде в 2004 году: «Они представляют собой третью ногу, которая необходима для поддержки всей современной астрофизической теории, и вместе с оптическими наблюдениями и изучением космических лучей позволят дать более ясное представление о внутреннем устройстве самых энергичных машин во Вселенной» (arXiv:astro-ph/0503304v1, 14 Mar 2005).

Проблема такова. В 60-х годах, когда Аскарьян придумывал механизм эффекта, названного его именем, две другие группы физиков-теоретиков придумали ограничения на энергию космических лучей. Это были Кеннет Грейсен из Корнелловского университета и Г. Т. Зацепин и А. В. Кузьмин из ФИАНа. Их статьи вышли в 1966 году, то есть как раз после того, как случайные измерения Арно Пензиаса и Роберта Вилсона зафиксировали наличие реликтового излучения с температурой, за что они получили Нобелевскую премию по физике 1978 года. Расчет, основанный на их данных, показал, что протоны с энергией 10–100 ЭэВ будут сталкиваться с реликтовыми фотонами и терять энергию, порождая дочерние частицы. Длина пробега оказалась большой— около 50 МПс, но все равно это гораздо меньше размера видимой Вселенной. Поэтому энергия космических лучей не может превысить этого предела (теперь его называют ГЗК-пределом, по фамилиям первооткрывателей). И действительно, надежных данных, свидетельствующих, что космические лучи более высокой энергии существуют, пока не получено.

Немного позже, в 1969 году, В. А. Березинский (который не дожил до заслуженной Нобелевской премии за осцилляции нейтрино, см. «Химию и жизнь» № 11, 2016) и Г. Т. Зацепин показали, что при таких столкновениях рождаются нейтрино с энергией на пару порядков ниже, чем у исходных частиц космических лучей. Такие нейтрино с энергией в ЭэВ или немного меньше называют теперь БЗ-нейтрино, и вот они-то столь слабо взаимодействуют с микроволновым фоном, что могут долететь из глубин Космоса до Земли. Если бы удалось их зафиксировать, теория получила бы надежное подтверждение.

Но, как видно, пока что с ним дела не складываются, зато выплывают какие-то непонятные, не следующие ни из какой теории данные. И коль скоро космическое происхождение обеих обнаруженных частиц оказывается под вопросом, возникает искушение сказать: а что, если это нечто иное? что, если их источник лежит внутри Земли? Раз энергия частиц чрезвычайно велика, то не должно ли их породить самое страшное создание Вселенной — черная дыра?

Предполагаемый спектр частиц при испарении микроскопической черной дыры, образовавшейся в Большом адронном коллайдере (Timothy L. Barklow, Albert De Roeck. Physics at Multi-TeV Linear Colliders, arXiv:hep-ph/0112313v1, 22 Dec 2001)

В принципе, разговор о том, что нейтрино сверхвысокой энергии при столкновении со льдом может превратиться в микроскопическую черную дыру, шел давно, еще на этапе подготовки к эксперименту АНИТА. Как отмечает Предраг Миочинович в уже упомянутом выступлении, ссылаясь на две статьи 2002 года, такая дыра должна мгновенно испариться по механизму Хокинга и породить ливни частиц, которые удастся зафиксировать благодаря все тому же эффекту Аскарьяна. Это будет приводить к ложному увеличению числа событий, которые регистрирует АНИТА. Поскольку никаких нейтринных событий за двенадцать лет работы так и не было замечено, видимо, эта гипотеза не очень состоятельна.

А может ли микроскопическая черная дыра космического происхождения прошить Землю и, вылетев с другой стороны, вызвать идущий вверх высокоэнергетический ливень частиц, похожий на тот, что получается при распаде тау-лептона? Вопрос непростой, и ответ зависит от того, как ведет себя такая черная дыра.

В рамках имеющегося консенсуса микроскопическая черная дыра из частицы с энергиями больше ТэВ может образоваться при условии, что наше пространство имеет скрытые измерения. При испарении она образует множество элементарных частиц, однако спектр их неизвестен, а разные теории дают сильно отличающиеся оценки, тем более что неизвестны не только параметры скрытых измерений, но и само их наличие под вопросом. В специальных детекторах ускорителя элементарных частиц различить продукты испарения черной дыры и распада лептона несложно. А вот может ли это сделать АНИТА, которая ловит только радиоизлучения, не очень понятно.

Главное же в том, что есть сценарии, согласно которым, раз возникнув, микроскопическая черная дыра оказывается долгоживущей. Она испаряется, только оказавшись больше размера скрытых измерений, а до этого момента либо стабильна, либо поглощает вещество и растет. При таком сценарии, пролетая сквозь Землю (на что тратится несколько десятков миллисекунд) и активно поглощая вещество, благо его плотность высока, дыра, достигнув критического размера, перейдет в метастабильное состояние: сколько вещества поглотила, столько и испарила в виде ливней частиц. Эти ливни вызовут распространяющееся вверх излучение, в том числе радиоизлучение, идущее из глубин Земли. Вылетев же за пределы тверди, дыра утратит способность к росту ввиду малой плотности окружающего вещества, замкнется в пределах скрытых измерений и бесследно исчезнет в пространстве.

Не исключено, что подобные гипотетические соображения, основанные на непроверенных и весьма спекулятивных моделях, позволили отдельным энтузиастам привлечь черную дыру внутри Земли к объяснению аномалий, зафиксированных зондом АНИТА.