Загадочные частицы, которые проходят сквозь Землю, рассказали, что творится в сердце нашего светила

В глубинах Солнца, недоступных никаким телескопам, происходят реакции, от которых зависит существование всей Солнечной системы. До недавнего времени эти процессы можно было изучать только через косвенные данные — например, по свету или колебаниям поверхности.

Но физики из США предложили иной путь: они использовали нейтрино, почти неуловимые частицы, рождающиеся в ядре звезды, чтобы измерить её температуру и плотность. По данным журнала Physical Review C, результаты подтвердили точность современных моделей строения Солнца.

"Насколько мы знаем, подготовленные нами результаты расчётов являются первой попыткой в мире использовать нейтрино для одновременных замеров плотности и температуры в недрах Солнца", — пояснил профессор Университета штата Огайо Джон Биком.

Как невидимые частицы раскрывают строение звезды

Нейтрино называют "призрачными" не случайно: эти частицы почти не взаимодействуют с веществом, проходя сквозь километры металла или горных пород. Однако именно это свойство делает их идеальными носителями информации о происходящем в ядрах звёзд.

По данным Супер-Камиоканде (Япония) и SNO (Канада), в потоке солнечных частиц учёные выделили особый тип — так называемые борные нейтрино, возникающие при распаде атомов бора-8. Их энергия и количество напрямую связаны с условиями внутри звезды.

Эти данные собирались десятилетиями, а затем американские астрофизики разработали алгоритм, который позволил отделить нужные сигналы от шумов и фона. На основе полученных значений они вычислили, что плотность ядра Солнца составляет около 130 граммов на кубический сантиметр, а температура достигает 14,8 миллиона градусов Кельвина. Эти цифры совпадают с теоретическими моделями, созданными ранее при помощи вычислений по уравнениям гидродинамического равновесия.

Почему раньше это было невозможно? Потому что традиционные методы — спектроскопия и гелиосейсмология — дают лишь косвенные оценки, зависящие от множества предположений. Нейтрино же несут информацию напрямую из центра звезды, не претерпевая значительных изменений по пути.

Что такое борные нейтрино и почему они особенные

Чтобы понять смысл эксперимента, важно вспомнить, как рождается энергия в недрах Солнца. При слиянии протонов образуется гелий, и этот процесс сопровождается выбросом обычных "солнечных" нейтрино.

Однако при участии бериллия и бора в цепочке реакций возникают более редкие и энергичные борные нейтрино, регистрируемые лишь самыми чувствительными детекторами.

Можно ли их наблюдать напрямую? Нет — только по вспышкам света, возникающим при редчайших столкновениях нейтрино с атомами воды или тяжёлой воды в гигантских резервуарах. Так работают установки Super-Kamiokande и SNO, расположенные глубоко под землёй для защиты от космического фона. Эти проекты считаются эталоном точности в нейтринной астрономии.

Почему важна температура ядра? От неё зависит скорость всех термоядерных реакций. Даже небольшие изменения в миллион градусов могут привести к заметному изменению светимости и устойчивости Солнца. Измерения борных нейтрино позволяют следить за этим с беспрецедентной точностью, а значит — уточнять прогнозы эволюции звезды.

Как астрофизики вычисляли параметры Солнца

Исследователи под руководством Джона Бикома применили новый алгоритм, отделяющий сигналы борных нейтрино от прочих видов. Для этого они сопоставили данные двух крупнейших обсерваторий и построили модель зависимости числа частиц от температуры и плотности плазмы. В итоге получилось уравнение, описывающее внутреннее равновесие звезды.

Что было бы, если бы данные не совпали с теорией? Это поставило бы под сомнение современную модель строения звезды и заставило бы пересмотреть принципы термоядерного синтеза в недрах Солнца. Однако совпадение значений подтверждает, что существующие физические описания верны как минимум в пределах текущей точности.

Ошибки прошлого и новые подходы

Ранее учёные пытались оценивать параметры Солнца только по гелиосейсмическим данным — колебаниям поверхности, отражающим процессы внутри. Но такие методы часто давали противоречивые результаты, особенно при определении плотности и состава глубинных слоёв. Например, переоценка содержания тяжёлых элементов приводила к завышенным расчётам плотности и занижению температуры.

Теперь, благодаря нейтрино, появилась возможность проверить эти данные независимо. Если раньше ошибка измерений достигала 10-15 %, то при использовании нейтринных потоков она снижается до нескольких процентов. Это открывает путь к уточнению не только солнечных, но и звёздных моделей вообще.

Можно ли применять такой метод к другим звёздам? Теоретически — да, но практически нейтрино от далеких звёзд слишком слабы, чтобы их уловить современными детекторами. Однако для ближайших звёзд подобные эксперименты могут стать реальностью в будущем при появлении сверхчувствительных установок.

Значение работы и возможные последствия

Согласно Physical Review C, результаты американских физиков подтверждают надёжность стандартной модели Солнца. Это значит, что расчёты светимости, возраста и энергетического баланса звезды соответствуют наблюдаемым параметрам. Но важнее другое — методика открывает новую страницу в астрономии. Теперь нейтрино становятся инструментом, позволяющим заглянуть внутрь звёзд, не разрушая их.

Нейтринная астрономия — относительно молодая наука. Ещё полвека назад само существование этих частиц было гипотезой. Сегодня же они помогают проверять фундаментальные законы физики и дают шанс ответить на вопрос, почему Солнце светит именно так, как светит сейчас.

Что изменится для земной науки? Новые данные помогут уточнить модели климатического и космического излучения, а также условия формирования планетных систем. Ведь любая звезда — это лаборатория, где рождается энергия, поддерживающая жизнь.