Через толщу воды – к звёздам

Человечество по-прежнему волнуют тайны мироздания. Вот и наши читатели хотят подробнее узнать, что такое подводный телескоп, для чего он установлен на дне Байкала и что хотят понять учёные, исследуя нейтрино. Входим в Интернет и набираем три ключевые слова: Байкал, телескоп, нейтрино. Информации много, так что остаётся выбрать самое главное.

106-й километр Кругобайкальской железной дороги. Посещающих дорогу туристов удивляет вывеска: «Зона экспедиции Института ядерных исследований Академии наук». В конце апреля 2011 года на Байкал приехала экспедиция астрофизиков. Учёные и инженеры начали реконструкцию байкальского подводного нейтринного телескопа. Учёные называют этот прибор глазами, которые сквозь Землю смотрят на Вселенную. В силу уникальных свойств нейтрино очень сложно изучать: обычные телескопы не способны их увидеть – требуются специальные, нейтринные.

Байкал идеально подходит для таких исследований. Пресная байкальская вода не портит дорогостоящие материалы, высокая прозрачность воды позволяет получать данные. В Байкале не водятся светящиеся организмы, которые «засвечивают» нейтрино в солёных морских водах. Кроме того, на Байкале реже, чем в море или океане случаются шторма, относительно слабые течения не сносят оборудование. А зимой озеро покрывается толстым льдом, который очень удобно использовать как платформу для монтажных работ.

Зачем нам нужны эти самые нейтрино? Почему они так волнуют физиков и астрономов? Нейтрино – это элементарные частицы. Очень лёгкие, они движутся почти со скоростью света, очень слабо взаимодействуя с окружающим веществом. Именно благодаря этим свойствам они могут пройти сквозь плотную материю и принести ценную информацию об устройстве сверхмощных источников энергии во Вселенной – так называемых активных галактических ядрах, сверхновых звёздах и квазарах.

В 1960 году советский учёный Моисей Марков предложил способ исследования нейтрино высоких энергий, в основе которого лежит регистрация результатов взаимодействия этих частиц с веществом. Основная проблема связана с тем, что для регистрации нейтрино от далёких астрофизических объектов нужна мишень массой в миллиарды тонн. Академик предложил использовать в качестве мишени прозрачную воду океана или Байкала. В результате взаимодействия нейтрино с водой рождаются электрически заряженные частицы, которые двигаются почти со скоростью света и излучают так называемый черенковский свет. Зарегистрировать это явление можно лишь с помощью специальных приборов.

Этот проект уникален. Установка появилась на Байкале в начале девяностых годов прошлого века. На лёд поставили 12 лебёдок, которые опускали в байкальскую пучину более 200 стеклянных шаров. За подобные конструкции отвечал Михаил Розанов, старший научный сотрудник Морского технического университета Санкт-Петербурга. Хрупкий с виду шар выдерживает громадное давление воды. Его опускают на глубину около полутора километров. Внутри шара находится специальный прибор для регистрации нейтрино и фотоумножитель.

Нейтринные телескопы американских учёных установлены на Южном полюсе, но, как считают специалисты, шансов получить информацию о самых мощных источниках энергии во Вселенной больше у наших учёных. Сотрудник Объединённого института ядерных исследований Игорь Белолаптиков отметил:

«На Южном полюсе установка может смотреть только в одну сторону, а мы можем смотреть абсолютно в другую. И наиболее интересные объекты Вселенной, наиболее яркие, как раз находятся в той точке, в которую мы можем смотреть».

Идея создания нейтринных телескопов глубоко под водой принадлежит советскому учёному М. А. Маркову, но реализовать её первыми попробовали американцы. Они пытались установить приборы на дне океана в районе Гавайских островов, но это у них не получилось: в океане или на море круглый год полно природных катаклизмов вроде ураганов, там с техникой не развернёшься. Американцы, поняв, как трудно работать в морских условиях, построили установку (Аманда) на Южном полюсе в антарктическом льду. Это второй действующий в мире нейтринный телескоп в природной среде. Важно, что байкальский нейтринный телескоп и аппарат американцев находятся в разных полушариях и наблюдают за разными областями Вселенной. Хотя в нашей установке гораздо меньше приборов, и она значительно дешевле, её чувствительность для регистрации самых интересных нейтрино высоких энергий не уступает телескопу, установленному на Южном полюсе.

Удивительная прозрачность байкальской воды помогает с наибольшей точностью фиксировать нейтрино. За последние пять лет учёным удалось «засечь» 462 нейтринных события. Пока регистрируют только те нейтрино, что родились в атмосфере нашей планеты. Усовершенствованный мегателескоп, больше существующего в сто раз, планируют запустить лет через шесть, и тогда, как уверены учёные, нейтрино, долетевшие из самых дальних уголков Вселенной, смогут рассказать о том, как устроен космос, что происходит в других галактиках или даже что такое чёрные дыры.

Одна из самых любопытных проблем современной физики – «тёмная материя». На основе движения галактик доказано, что все известные нам сейчас формы материи – это всего 4% того, что в принципе существует в природе! Это значит, что существуют другие виды материи, природа которых нам не известна, их учёные называют «тёмными». Выдвигаются различные гипотезы о происхождении и состоянии этих форм материи. С помощью нейтринного телескопа учёные пытаются подтвердить или опровергнуть различные предположения. Они продолжают поиск неизвестных видов элементарных частиц. Возможно, им удастся открыть что-то принципиально новое.

По словам профессора Иркутского государственного университета Николая Буднева, физики изучают сверхмощные источники энергии во Вселенной, в которых частицы ускоряются и выдают энергию, в миллиарды раз превосходящую ту, что достигнута с помощью самых больших ускорителей на Земле. Пока нет научного объяснения, что это за частицы, но если это удастся узнать, то новые физические законы могут стать основой энергетики будущего на Земле. И не только энергетики. Когда были открыты законы электричества или радиоактивных распадов, никто и не думал о компьютерах, атомных электростанциях и обо всём том, без чего мы не представляем нашу жизнь теперь. Так что отдалённые последствия открытий, которые могут быть совершены с помощью изучения нейтрино, мы сейчас просто не можем вообразить.

Телескоп НТ-200 позволил учёным понять многие процессы и явления. Однако его размер меньше того, который предлагал Моисей Марков, и составляет 0,01 кубического километра. Именно поэтому было решено создавать новую установку. В 2006 году началось проектирование нового нейтринного телескопа, объём которого должен быть не менее 1 куб. км. Новый телескоп назвали НТ–1000. Над проектом работают около 50 человек из Института ядерных исследований РАН, Объединенного института ядерных исследований, Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

– Эта гигантская установка будет включать в себя не менее 2,5 тыс. сверхчувствительных оптических детекторов, – отметил Николай Буднев. – Первый телескоп проектировался 20 лет назад, а тогда были доступны весьма несовершенные электронные компоненты. Новый же технически будет принципиально отличаться, ведь с тех пор появились новые электронные и информационные технологии.

В прошлом году была проложена кабельная линия, состоящая из медных проводов и оптических волокон. Также установлены три первые экспериментальные гирлянды с оптическими детекторами.

– Гирляндами установки называются потому, что состоят из закреплённых к тяжёлым грузам тросов, натянутых расположенными на глубине 25 м огромными поплавками, стеклянные сферы с оптическими приёмниками и электроникой распределены на этих тросах, начиная с глубины порядка 1000 м, как шарики на новогодних ёлках, – рассказывает Николай Буднев.

Байкальский нейтринный телескоп создан объединением «Байкал», в которое, кроме Иркутского государственного университета, входят Институт ядерных исследований РАН, НИИЯФ Московского государственного университета, ОИЯИ (Дубна), немецкий физический центр DESY, ряд других организаций.