Гости из далеких галактик

На следующей неделе стартует очередная экспедиция иркутских ученых на лед Байкала, к Байкальскому нейтринному подводному телескопу. В этом году его предстоит дооснастить двумя новыми кластерами. Ожидается, что на установке, которая фиксирует астрофизические нейтрино, поставят свои датчики и астрофизики из КНР. Также в 2023 году будет модернизировано оборудование на гамма-обсерватории TAIGA, где регистрируются потоки ядер космических лучей и фотонов самых высоких энергий. О важности этих исследований журналистам напомнили представители Научно-исследовательского института прикладной физики ИГУ.

Чистая вода помогает зафиксировать нейтрино

Ни одна страна в мире не может обладать эффективной прикладной наукой, владеть современными конкурентоспособными технологиями без развития фундаментальной науки. Байкальский нейтринный глубоководный телескоп, как и гамма-обсерватория TAIGA – это те проекты, которые призваны в первую очередь решать фундаментальные задачи.

Байкальский нейтринный проект стал развиваться еще с 1980 года, с небольших экспериментов. В 2015 году на Байкале, в районе мыса Ивановский началось строительство крупной установки под названием Baikal-GVD. Она нужна для регистрации и исследования потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников.

Нейтрино – это одна из бесконечно живущих, стабильных, фундаментальных частиц Вселенной. У них очень маленькая масса и почти нет электрического заряда. Но они способны преодолевать огромные расстояния. Это т.н. астрофизические нейтрино, которые, в отличие от «собратьев», рожденных на Солнце или даже в верхних слоях атмосферы Земли, берут свое начало гораздо дальше.

– У журналистов есть выражение «поймать нейтрино». Но его нельзя поймать. Через нас каждую секунду проходят миллиарды этих частиц как через пустое место. Они способны проходить гигантские толщи вещества. Но все-таки с очень большой вероятностью нейтрино может взаимодействовать с веществом. Для этого объем, вес, масса мишеней должны быть очень большими. Так, при редком взаимодействии нейтрино с водой рождаются заряженные частицы, которые в воде двигаются быстрее, чем скорость света, и порождают т.н. черенковское излучение. Если вода прозрачная, как в Байкале, этот свет распространяется и может быть зарегистрирован. Если регистрировать время, амплитуду светового импульса, можно восстановить с достаточно высокой точностью направление, откуда прилетело нейтрино, его энергию и даже с некоторой долей вероятности его тип, – сказал научный руководитель НИИ прикладной физики ИГУ Николай Буднев.

Гости прилетели из другой группы галактик

Чем больше площадь нейтринного детектора, тем больше таких взаимодействий он может зафиксировать. Байкальский нейтринный телескоп представляет собой пространственную, как бы кристаллическую решетку оптических детекторов, распределенных на тросах в воде. Установка состоит из отдельных блоков. Сейчас там развернуто уже 12 таких блок-секций, которые называются кластерами. Началось создание 13-го кластера. Приборы занимают объем 0,6 куб. км. Ближайшая цель – добиться объема в один кубический километр. Планируется, что этого удастся достичь через четыре года, когда на Байкале развернут 20 кластеров.

Полученная на установке информация передается на берег, потом в Байкальск, а оттуда – в Объединенный институт ядерных исследований РАН в Дубну, где есть хранилище с гигантскими объемами данных. Ученые используют их для своих исследований. В этом году на Байкале планируют установить датчики их коллеги и из Китая, которых тоже заинтересовала тема нейтринной астрофизики.

Событий, вызванных взаимодействием с водой атмосферных нейтрино, Байкальский телескоп фиксировал десятками тысяч, а вот астрофизических, обладающих высокими энергиями – 27. Это расшифрованные результаты с 2017 по 2022 год. Результаты, полученные в 2023 году, ученые еще обрабатывают.

– На самом деле 27 астрофизических нейтрино – это много. Просто представьте себе, их источник – катастрофические события в космосе с выделением энергии, больше которой вообще нет. Они происходили, когда Вселенная была молодой, формировались галактики, черные дыры. Это было очень давно. Соответственно, те источники, которые мы видим по приходящим астрофизическим нейтрино, находятся очень далеко, но сигнал от них дошел только сейчас, – комментирует директор НИИ прикладной физики ИГУ Андрей Танаев.

Астрофизические нейтрино, вспышки от которых зарегистрированы на Байкале, прилетели не из нашей галактики, мало того – даже не из группы галактик, к которой относится наш родной Млечный Путь.

Российские ученые на основе анализа данных нейтринных телескопов на Байкале и IceCubeв в Антарктиде сделали вывод, что основными источниками астрофизических нейтрино являются блазары. Это высокоэнергетические и компактные астрономические объекты, которые относятся к классу активных галактических ядер. От них идет мощное интенсивное излучение во всем электромагнитном спектре. В центре блазара находится черная дыра, ее масса равна миллиардам масс Солнца. Причем один из блазаров – известный источник астрофизических нейтрино – находится в 4 млрд световых лет от Земли.

Прибайкалье уникально для астрофизических исследований

– В природе есть три вида носителей информации. Это электромагнитные волны во всем спектре – от радиоволн до фотонов сверхвысоких энергий. Это заряженные частицы, которые порождаются в разных астрофизических объектах. И частицы нейтрино. Только изучая все в совокупности, можно понять природу этих объектов и вообще историю возникновения и развития Вселенной, – дополнил Николай Буднев. – Поскольку объекты разные, то и приборы для их изучения разные. Но так удивительным образом сложилось, что наше Прибайкалье является единственным местом на Земле, где рядом расположены установки для регистрации носителей информации самых высоких энергий всех трех типов. Нейтрино фиксируют на Байкальском нейтринном телескопе, а заряженные частицы и гамма-кванты – в обсерватории TAIGA.

Совершенно точно доказано, что на Землю из космоса приходят заряженные частицы, энергия которых в миллионы раз больше, чем у протонов в Большом адронном коллайдере. Но нет даже теории, которая бы как-то могла объяснить их природу.

В Тункинской долине с 1993 года ученые начали создавать установки, которые регистрируют заряженные частицы, прилетающие из космоса. Основная задача обсерватории TAIGA – регистрация вспышек света, которые возникают в результате взаимодействия этих частиц и фотонов сверхвысоких энергий с атмосферой.

По свойствам полученных вспышек специалисты определяют тип частицы, ее энергию, восстанавливают направление, откуда она прилетела.

Но количество тех же гамма-квантов маленькое, поэтому, как в случае с астрофизическими нейтрино, их нужно отделить от фона. А для регистрации требуется установка большой площади. В Тунке она уже имеет самую большую в мире эффективную площадь – два квадратных километра.

В обсерватории оборудованы три атмосферных черенковских телескопа. В этом году планируется установить пятый такой прибор, который по принципу работы напоминают сверхчувствительные сверхбыстрые фотоаппараты, которые регистрируют вспышки света. В 2023 году сотрудники института существенно улучшили технические параметры камер. В 2024 году там установят четвертый телескоп, в 2025 году – пятый. Установка будет иметь на порядок более высокую чувствительность, чем все другие установки в мире.

Диаметр телескопов в Тунке – четыре метра. В 2026 году ученые надеются построить телескоп с зеркалом, чей диаметр будет шесть метров. Есть и глобальные планы по увеличению площади установки обсерватории TAIGA до 20 кв. км. Будут расширяться и возможности Байкальского подводного нейтринного телескопа. Это станет возможным, если в стране примут федеральную программу «Физика нейтрино и астрофизика частиц». Ее разрабатывают по заданию министра науки и высшего образования РФ.

Кстати, тема изучения нейтрино и частиц сверхвысоких энергий интересует не только российских и китайских исследователей. Помимо американского антарктического нейтринного детектора, в районе Сицилии планируют создать установку и европейские ученые. Астрофизики понимают, что будущие открытия в этой сфере имеют шансы не просто лучше изучить законы природы и формирования Вселенной, но и перевернуть научную мысль, а следом и всю нашу жизнь.