С тех пор как ускоритель ISABELLE начал строиться, прошло уже больше десяти лет, и тут ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке поняли, что магниты для этого строящегося ускорителя протонов высоких энергий не способны производить нужное магнитное поле. (Название ISABELLE – аббревиатура Intersecting Storage Accelerator и belle, то есть “ускоритель на встречных пучках” плюс французское слово “красавица”. Кроме того, как рассказал мне Бейм, Isabelle — это название яхты, принадлежащей Джону Блюэтту, специалисту в области ускорителей из Брукхейвенской лаборатории.)
И тогда вместо завершения проекта ISABELLE ученые решили пролоббировать строительство более мощного ускорителя – Сверхпроводящего суперколлайдера (и этот проект закрыт в 1993 году). Поскольку в ЦЕРН в то время уже был запущен альтернативный проект Большого адронного коллайдера (LHC) на франко-швейцарской границе, ученые законсервировали проект ISABELLE, хотя на него уже потратили двести миллионов долларов14.
Для Бейма было очевидно, как нужно поступить в этой ситуации, и вместо презентации на тему предполагаемых исследований плотной материи, которую он собирался продемонстрировать, он представил свои предложения по поводу размещения в уже готовом тоннеле другого типа коллайдера, использующего тяжелые ионы. Все строительство, кроме установки магнитов, уже завершилось, и он с группой коллег предложил воспользоваться этой чудесной возможностью и все-таки построить ускоритель в Брукхейвене. Вот так он неожиданно начал обдумывать строительство ускорителя. Бейм находился в сильном возбуждении. Он рассказывал: “Я ходил и всем рассказывал, что RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider, «релятивистский коллайдер тяжелых ионов») даст нам возможность понять природу материи, существовавшей в ранней Вселенной до того, как сформировались звезды и планеты, то есть кварковой материи. И еще я говорил, что RHIC расскажет многое о нейтронных звездах”. И в результате на свет появился релятивистский коллайдер тяжелых ионов.
Прошли годы, и оба ускорителя – RHIC и LHC – наконец построили. Результаты с LHC начали поступать только в 2000 году, в том же году на RHIC стали сталкивать первые пучки. На LHC сталкивались ионы свинца, и при их столкновениях были достигнуты рекордно высокие температуры в 5,5 триллиона градусов – почти в четыреста тысяч раз выше температуры в центре Солнца. А на коллайдере RHIC сталкивались друг с другом ионы золота. Когда в 2003 году Бейм узнал, что на RHIC получена кварк-глюонная плазма (LHC вскоре догнал в этом брукхейвенский ускоритель), он пришел в восторг. Позже он говорил: “В каком-то смысле мы всегда знали, что она должна была здесь образоваться”.
Представить себе эту совершенно новую материю, которую ученые смогли произвести, достаточно трудно. Попробуйте мысленно разделить секунду на 1023 кадров. Вещество, которое вы получили, то есть кварк-глюонная плазма, будет существовать в течение всего лишь одного кадра в количестве столь малом, что оно может поместиться внутри вируса, 10-23 секунды – это максимальное время, в течение которого кварки могут оставаться свободными. После этого они быстро слипаются обратно в протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы.
Но есть одна проблема: температура в ядре нейтронной звезды намного ниже той, при которой происходят столкновения в коллайдерах RHIC и LHC, – близкой, наоборот, к температуре, существовавшей сразу после Большого взрыва. Бейм с самого начала знал, что ни на одном из этих коллайдеров никогда не получить таких температур, как в ядре нейтронной звезды, то есть гораздо более низких, необходимых для возникновения сверхтекучести. Он говорит: “Вы просто не сможете увидеть сверхтекучесть в экспериментах с тяжелыми ионами”. И продолжает, вздохнув:
“Температура – это огромная проблема”. И поэтому ученым остается только попытаться экстраполировать свои результаты на более низкие температуры. В каком-то смысле это похоже на то, как если бы вы изучали свойства пара, пытаясь вывести из них свойства льда. Но все же то, что мы видим в результате столкновений, имеет много общего с материей нейтронной звезды в момент образования ее из сверхновой, пока новорожденная нейтронная звезда еще не успела остыть. И эти столкновения могут помочь ученым понять, что случается, когда две нейтронные звезды сталкиваются, поскольку их остаток, образовавшийся после ужасающего взрыва, действительно невероятно горячий.
Вдобавок к LHC и RHIC сейчас в Дармштадте (Германия) строится новый ускоритель, названный FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), в котором предполагается создать кварк-глюонную плазму при той же температуре, что существует в ядре нейтронной звезды. Начиная с 2024 года[22] в экспериментах со сжатой барионной материей (СБМ) на этом ускорителе будут сталкивать ядра при высоких энергиях, прижимая их друг к другу, для того чтобы в очень маленьком объеме образовалась очень плотная материя – файербол, “огненный шар”. И этот файербол взорвется, а в результате взрыва появится около тысячи частиц, которые распадутся на электроны, позитроны и мюоны. Этот проект направлен на изучение мюонов, поскольку они не подвержены сильному взаимодействию, которое удерживает кварки вместе, и это может дать ключ к пониманию поведения ядерной материи при таких высоких плотностях, как в ядрах нейтронных звезд15.
Однако в настоящий момент самое большее, что мы можем сделать с данными по столкновениям тяжелых ионов, – это экстраполировать их на низкие температуры, но, естественно, такой экстраполяции недостаточно для того, чтобы получить все ограничения, которые накладываются на величины, входящие в уравнения состояния, и исключить нерелевантные модели. Для этого нам необходимо знать плотность и давление, а следовательно, массу и радиус нейтронной звезды. Один способ измерить массу – хронометрирование пульсара. Хронометрированием пульсаров занимаются астрономы на многих радиотелескопах по всему миру, но самый лучший инструмент последнего поколения для хронометрирования пульсаров расположен в удаленном уголке на северо-западе ЮАР. И следующая моя поездка состоялась именно туда.
В апреле 2019 года я оказалась у радиотелескопа MeerKAT (не путать с сурикатами – мелкими хищниками из семейства мангустовых, которые по-английски тоже называются MeerKATs). Передо мной открылся фантастический пейзаж: шестьдесят четыре огромные радиоантенны высотой в пять этажей каждая. Здесь, в десяти часах езды от Кейптауна, в южноафриканской провинции Северный Кейп, расположена безлюдная полупустыня Кару. После заката все небо до горизонта здесь становится темно-фиолетовым, и его постоянно прочерчивают зигзагообразные молнии. MeerKAT, что означает “больший KAT”, – потомок телескопа KAT-7 (Karoo Array Telescope) с семью антеннами. Но каким бы впечатляющим он ни был, он всего лишь предшественник радиотелескопа, который станет самым большим из всех когда-либо существовавших на земле, – телескопа Square Kilometer Array (SKA).
Добраться до места расположения MeerKAT можно либо на самолете, либо на машине. Раз в неделю – по средам – рабочие, ученые или случайно забредшие сюда журналисты садятся в очень маленький самолет и отправляются в путь. По дороге их нещадно трясет. Ангус Флауэрс – менеджер по связям с общественностью, встретивший меня в Кейптауне, смеясь, рассказывал, что многих журналистов отчаянно укачивало в этом самолете. Поскольку я плохо переношу маленькие самолеты, я предпочла гораздо более долгий, десятичасовой, переезд на четырехколесном транспорте. Перед тем как мы отправились в путь, меня попросили отдать на проверку диктофон и камеру, чтобы убедиться, что с ними все в порядке и они ни в коем случае не создадут радиопомех для чувствительного оборудования MeerKAT. Мне велели войти внутрь “клетки Фарадея” – в данном случае ею оказалась комната с металлической дверью толщиной в тридцать сантиметров, где было темным-темно. Пока шла проверка, я стояла в полной темноте, а огромный вентилятор лениво крутился, перемешивая горячий воздух. Примерно через пятнадцать минут моя электроника была полностью проверена. Теперь мое оборудование наверняка не создаст помех на частотах, на которых проводятся измерения на MeerKAT. Уф!
Мы двинулись в путь на рассвете, оставив позади знаменитую Столовую гору[23]. Красота окружающей природы поражает. Форма гор, обрамленных бескрайними оранжево-коричневыми равнинами, напомнила мне картинку из книги Антуана де Сент-Экзюпери “Маленький принц”, одной из моих любимых в детстве. Там изображено нечто вроде шляпы, а на самом деле – удав, проглотивший слона. Мы проехали мимо телефонных столбов, с трудом выдерживающих тяжесть птичьих гнезд высотой в человеческий рост, которые свили крошечные птички-ткачи размером с воробья. Вот мы проезжаем через какой-то город, время от времени мимо мелькают одинокие, затерянные в южноафриканской глуши фермы. Некоторые из них необычайно красивы: большие дома, окруженные высокими зелеными деревьями, – настоящие оазисы посреди безлюдной природы. Здесь, в Кару, на много миль вокруг нет вышек мобильных операторов, и Флауэрс сказал, что многие фермеры в случае чрезвычайной ситуации могут рассчитывать только на спутниковые телефоны.
Через девять часов, когда солнце начало окрашивать небо в оранжево-красные тона, Флауэрс свернул с главной дороги на проселочную. Я слегка занервничала, заметив длинные следы на дороге, оставленные ядовитыми змеями. Какая-то лошадь уставилась на нас, когда наша машина промчалась мимо. Флауэрс спешит: он хотел бы попасть на базу MeerKAT до ночи. Мы подъезжаем ближе, я делаю еще несколько снимков, а потом наступает пора замолкнуть радиоаппаратуре и электронике. Мы должны выключить свои мобильные телефоны, чтобы не создать помех охоте высокоточных антенн за радиоволнами, приходящими из далекого космоса. Ученые здесь пытаются найти пульсары и активные ядра галактик – сверхмассивные черные дыры, которые, как они считают, обитают в центрах большинства галактик. Хотя телескоп к моменту моего приезда проработал всего лишь несколько месяцев, ему уже удалось сделать уникальный снимок центра нашей Галактики, Млечного Пути, – на нем оказалось больше деталей, чем на любом снимке, полученном до сих пор с помощью других инструментов. На снимке, в частности, видны межгалактический газ, пыль и загадочные светящиеся нити, как будто закрутив