Охота за посланцами из космоса продолжится
В гамма-обсерватории TAIGA установят новые телескопы, а на Байкальском нейтринном телескопе – дополнительные кластеры.
Несмотря на приостановку участия иностранных ученых в международном проекте по строительству крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA, в 2023 году на этой площадке в Тунке появятся два новых черенковских телескопа. Причем некоторые детали для дорогостоящей установки сделают в России. А известный всему научному сообществу планеты Байкальский глубоководный нейтринный телескоп станет больше за счет двух дополнительных модулей. Данные сложных приборов помогут сделать открытия не только в фундаментальной физике, но и в других дисциплинах, включая сейсмологию.
В погоне за антивеществом
Вряд ли в нашем регионе можно найти аналогичные по своей амбициозности и масштабам научные проекты. Их главная цель – регистрировать элементарные частицы сверхвысоких энергий, которые прилетают на Землю из далекого космоса. Крошечные посланцы должны помочь ученым разгадать его тайны.
Одна из главных обозначена как «барионная асимметрия Вселенной». Если говорить проще, то науку волнует вопрос, почему вопреки расчетам после образования Вселенной материи в ней стало не поровну, а гораздо больше, чем антиматерии. Ее существование – не просто теория. Первой открытой античастицей в 1932 году стал позитрон. Это зеркальная версия электрона, но не с отрицательным, а с положительным зарядом. И подобные открытия продолжались. Физики не сомневаются, что у всех элементарных частиц есть античастицы. Для проведения совместных исследований усилия объединяют не просто несколько институтов, а стран. Впрочем, дело не только в антивеществе Вселенной.
Гамма- обсерватория TAIGA астрофизического полигона Иркутского государственного университета в Тункинской долине Бурятии предназначена для изучения потока ядер космических лучей и фотонов самых высоких энергий, которые только могут быть в природе. Они летят из далекого космоса, но в нескольких десятках километрах над поверхностью нашей планеты сталкиваются с другими ядрами и разбивают их. Получившиеся гигантские каскады элементарных частиц движутся к Земле, при этом рождают разное излучение, в том числе черенковское, которое так назвали по имени ученого Павла Черенкова. Излучение регистрируют атмосферные черенковские телескопы. И чем больше площади они занимают, тем больше каскадов астрочастиц сумеют уловить. Именно такие приборы установлены в Тунке.
– В нашей гамма-обсерватории есть два типа черенковских детекторов, они регистрируют вспышки света, порождаемые этими каскадами. На площади в один квадратный километр там размещены 120 детекторов, которые, как раскрытый глаз, широко смотрят в небо во всех направлениях. Есть еще три детектора, напоминающие обычные телескопы с зеркалами диаметром в 4,3 метра. Они регистрируют короткие – в десятки наносекунд – вспышки света с помощью сверхчувствительной, сверхбыстрой камеры. Свет вспышки отражается от зеркала и попадает в камеру, – сообщил научный руководитель НИИ прикладной физики ИГУ Николай Буднев.
Строительство гамма-обсерватории TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray physics and Gamma-ray Astronomy) в Тункинской долине началось в 2013 году. Тогда правительство РФ выделило ИГУ мегагрант – 90 млн рублей и каждый год продолжало поддерживать проект. Он стал международной коллаборацией, куда входило шесть российских научных организаций и семь заграничных и теперь оценивается в сумму порядка одного миллиарда рублей.
– С самого начала этот проект не мог бы развиваться без иностранного участия, – продолжил Николай Буднев. – Для нашей первой большой установки «Тунка-133» итальянцы предоставили 300 фотоумножителей, а немцы – всю электронику. Германия также предоставила две тысячи фотоумножителей для телескопов. Там есть установка с итальянскими детекторами. Также европейские страны внесли серьезный научный вклад. Проектом в рамках мегагранта правительства руководил Размик Мирзоян, гражданин Германии, ведущий специалист в мире по созданию таких телескопов. У серьезной науки сейчас все крупные проекты – международные. Но после 24 февраля 2022 года коллеги из Европы написали нам, что в сложившихся условиях они не могут продолжать сотрудничество по этим проектам. Оно приостановлено.
Однако российские ученые продолжили работу по развертыванию сцинтилляционных детекторов в составе обсерватории и активно приступили к относительно новой для них тематике – оптической интерферометрии. Это методика исследования угловых размеров, свойств поверхности, форм очень далеких астрофизических объектов. В перспективе нужно научиться видеть поверхность нейтронной звезды. По словам директора НИИ прикладной физики ИГУ Андрея Танаева, это очень сложная, но интересная задача.
Под эгидой министерства высшей науки и образования РФ началась подготовка к формированию и утверждению федеральной нейтринной программы. Над ней работает и НИИ прикладной физики ИГУ. В нем создана новая нейтринная лаборатория. Туда вошли сотрудники Иркутского госуниверситета, научных организаций Москвы и Дубны.
Основной массив установок обсерватории TAIGA расположен на площади три квадратных километра. Стоит задача расширить ее до 10 км2. Для этого рассматриваются две площадки – в Монголии, недалеко от Хубсугула или около села Гаханы Эхирит-Булагатского района Иркутской области. Там хороший астроклимат – малая облачность, прозрачная атмосфера. Место выберут после анализа данных объективного контроля ясности неба.
Мы – дети Галактики.
Почти буквально
В прошлом году в Тунке был установлен третий атмосферный черенковский телескоп. На этот год запланировано оборудовать еще два. В 2021 году федеральная программа поддержки уникальных научных установок выделила средства на три года для создания перспективных телескопов фотоэлектронными умножителями. Раньше их приобретали в японской компании Hamamatsu. Из-за санкций контракт расторгнут. Опытную партию этих изделий ученые заказали на Московском электроламповом заводе. Они надеются, что тестирование продукции не обманет их высоких ожиданий.
В 2022 году иркутские астрофизики первыми в мире с помощью черенковских установок зафиксировали мощнейшее излучение фотонов со стороны Крабовидной туманности. Это же сделали их коллеги из Китая, но другими методами.
Частицы прилетели с места взрыва сверхновой звезды, который произошел еще в 1054 году. Такое бывает со светилами. Звезды с массой как минимум втрое больше солнечной в определенный период своей эволюции взрываются, а звездный материл разлетается на огромные расстояния.
– То, из чего мы состоим, это материал, который был наработан в звездах первого поколения. Потом они взорвались, разлетелись и собрались в новый объект – Солнечную систему. Есть песня со словами: «Мы – дети Галактики». Это абсолютно правильно с научной точки зрения. Каждый атом, ядро, которое находится в нашем теле, когда-то было в составе какой-то другой звезды, – рассказал Николай Буднев.
– Крабовидная туманность на звездном небе считалась давно изученным объектом, который использовали в основном в качестве «стандартной свечи». По нему калибровали установки для наблюдения за небосводом. Но чуть более 10 лет назад объект повел себя неожиданно. У него примерно на 10% понизился рентгеновский фон и появились странные неожиданные гамма-всплески, нарушающие сложившуюся картину генерации космических лучей сверхвысоких энергий. Мы видим эту историю в гамма-диапазоне. И у нас появился задел, чтобы открыть что-то интересное. Гипотез много, – прокомментировал директор Научно-исследовательского института прикладной физики ИГУ Андрей Танаев.
Немалый объем данных из глубокого космоса приносят на Землю нейтрино. Эти фундаментальные частицы во Вселенной – одни из самых распространенных. У них очень маленькая масса и нет электрического заряда. А самое важное – нейтрино почти не взаимодействуют с материей. Гипотетически, если расстояние между Солнцем и Альфа Центавра в 4,5 световых года сплошь заполнить свинцом, нейтрино пролетит всю его толщу без проблем и всякого взаимодействия с атомами металла.
Частицы нейтрино из далекого космоса научились отличать от «местных»
Через нас, как сквозь пустое место, эти крошки тоже проносятся миллиардами каждую секунду. На их путь мало что влияет извне. А значит, можно узнать направление на источник излучения нейтрино и лучше понять процессы, которые идут во Вселенной. Для регистрации этих частиц работает Байкальский глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD.
– Нейтрино спокойно проходит сквозь толщу звезды, а здесь мы их ловим в маленькие шарики – сверхчувствительные приемники света. Они регистрируют его вспышки, которые возникают в результате взаимодействия нейтрино с водой. Создание установки Baikal-GVD объемом один кубический километр началось в 2015 году. Ее развертывание происходит отдельными кластерами. В каждом – восемь гирлянд со стеклянными сферами, где находятся приемники. В 2022 году во время ежегодной ледовой экспедиции были дополнительно установлены девятый и десятый кластеры Байкальского нейтринного телескопа. Он теперь занимает половину кубического километра. Всего в проекте предусмотрено 27 кластеров, – пояснил Андрей Танаев.
В 2022 году на установке был впервые получен важный физический результат – накопленный за годы работы объем статистики помог выделить астрофизические нейтрино над фоном.
Вода в глубине Байкала становится холоднее
Но Байкальский нейтринный проект позволяет проводить междисциплинарные исследования с участием институтов, которые не занимаются проблемами космоса. К примеру, попутно с изучением элементарных частиц стало известно о собственном свечении байкальской воды на глубинах от 500 метров.
Также высокоточные детекторы зафиксировали, что в то время, как все говорят о глобальном потеплении, вода Байкала прогревается только в поверхностном стометровом слое. Там, где глубже, происходит обратное – температура снижается.
Отдельное направление касается землетрясений. Еще в августе 2008 года, перед тем как на южном Байкале произошли ощутимые подземные толчки, в районе Baikal-GVD фиксировалось очень сильное – в десятки раз – изменение электрического поля. Вероятно, такие исследования помогут делать краткосрочный прогноз землетрясений. В 2013 году ученые установили на юге Байкала глубоководную геофизическую станцию, она способна вести мониторинг электрического поля Земли. Ее данные записываются на внутреннюю память, но в этом году в планах начать передавать их онлайн.
– В мире не существует стран, владеющих высокими прикладными технологиями, в которых бы при этом отсутствовала фундаментальная наука, – сделал акцент Андрей Танаев. – Это научные школы, подготовка специалистов. Далеко не все студенты или аспиранты, прошедшие подготовку на нашей базе, остаются в НИИ, они выходят во внешний мир. Но будучи воспитанными в интеллектуальной парадигме, они несут ее во внешнюю среду. И этим способствуют развитию страны в целом. Фундаментальная наука – залог технологического процветания общества.
Проекты TAIGA и Baikal-GVD накопили большой объем данных. Иркутские астрофизики не исключают, что после их интерпретации – а это отдельное направление работы в современной науке – может открыться путь к Новой физике, которая выведет нас за рамки Стандартной модели элементарных частиц и других сложившихся представлений о том, что и как происходит во Вселенной.
