Выходя за пределы электромагнитного спектра
Многоканальная астрономия в России
Изучение астрономических объектов, в связи с их удаленностью от нас и слабостью сигналов, поступающих от большинства из них, сопряжено со значительными сложностями, но эти сложности стимулируют к поиску новых методов исследования, средств анализа и способов получения данных. До относительно недавнего времени наши знания о Вселенной опирались в основном на наблюдения в электромагнитном диапазоне спектра (о них мы рассказывали в статьях в двух предыдущих выпусках журнала). Бурное развитие технологий, обеспечивающее существенный рост возможностей как в получении новых данных, так и в их обработке и анализе привело к тому, что в новом тысячелетии в астрономии произошли принципиальные изменения. В частности, если в ХХ веке, с началом космической эры и появлением инструментов, вынесенных за пределы атмосферы Земли, существенно расширился доступный для наблюдений диапазон электромагнитного спектра, то есть астрономия стала многоволновой, то в новом тысячелетии в исследованиях уже стали активно использоваться и другие каналы, помимо электромагнитного. А недавнее открытие гравитационных волн ознаменовало открытие эры многоканальной астрономии.
Многоканальность заключается в комплексном изучении объектов с использованием данных об излучении в электромагнитном диапазоне, испускаемых ими нейтрино и космических лучей высоких энергий и, наконец, гравитационных волн. Объединяя все эти данные, можно составить гораздо более полное представление о процессах, происходящих в ряде высокоэнергетичных космических объектов. Совместное использование данных разных каналов дает большие возможности для новых открытий.
Нейтринные исследования
Нейтринная астрофизика в последнее время развивается очень активно. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, встречающимся на их пути, соответственно, они могут обеспечить нас информацией о процессах, идущих в областях, откуда фотоны до нас просто не дойдут из-за поглощения, но из-за той же высокой проницающей способности нейтрино очень сложны для регистрации. Поэтому, хотя предположение о существовании этих частиц было высказано еще в 1930 году немецким физиком Вольфгангом Паули, долгое время их обнаружение оставалось невозможным, и только в 1956 году удалось зарегистрировать взаимодействие нейтрино с веществом. В астрофизике нейтринный канал используется около 50 лет.
В 1987 году, относительно близко от нас (на расстоянии около 50 кпк), в Большом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая 1987А, ставшая объектом многочисленных и многолетних исследований. Это событие имело для нейтринной астрономии очень важное значение – был детектирован нейтринный сигнал. Сигнал был зарегистрирован 4 нейтринными телескопами, расположенными в разных точках мира, и одним из них был отечественный телескоп БПСТ (Баксанский Подземный Сцинтилляционный Телескоп) Баксанской нейтринной обсерватории. Помимо того, что на основании полученных данных были сделаны важные научные выводы, в частности, о модели коллапса ядра массивной звезды, это фактически стало первым случаем регистрации события в электромагнитном и в нейтринном каналах и положило основу нового направления, предшественника многоканальной астрономии.
Упомянутая выше Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований Российской академии наук (Кабардино-Балкария) функционирует с 1973 года. Это – целый комплекс сооружений, расположенных в толще горы Андырчи и на ее поверхности. Среди инструментов обсерватории – Галлий-германиевый нейтринный телескоп для исследований нейтринного излучения Солнца и свойств нейтрино, Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп (БПСТ), установка «Андырчи» для регистрации широких атмосферных ливней космических лучей полной площадью 50 тыс. кв. м, расположенная на поверхности горы, установка «Ковер» для изучения космических лучей и гамма-астрономии, в составе которой 400 сцинтилляционных детекторов площадью 200 кв. м с шестью выносными пунктами общей площадью 54 кв. м, мюонный детектор площадью 410 кв. м и нейтронный супермонитор.
Вообще нашей стране есть чем гордиться в данной научной области, в частности, мы входим в число лидеров по установкам класса «мегасайенс» для нейтринной астрономии и, конечно, говоря о развитии нейтринных исследований в России, нельзя не упомянуть подводный нейтринный телескоп Baikal-GVD (Baikal Gigaton Volume Detector), основной задачей которого является регистрация и исследование потоков нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников.
Идея использования глубоких природных водоемов для детектирования нейтрино по черенковскому излучению была высказана еще в 1960 году академиком М. А. Марковым, а в 1980 году академиком А. Е. Чудаковым в качестве такого водоема было предложено озеро Байкал. На протяжении многих лет этот проект развивался под руководством члена-корреспондента РАН Г. В. Домогацкого, ушедшего из жизни в конце 2024 года. Основу нейтринного телескопа составляют специально созданные для него фотоумножители для регистрации черенковского излучения, помещенные в стеклянные сферы, эти модули объединены в гирлянды (по 36 модулей на гирлянду) на специальных тросах (схема подводного нейтринного телескопа показана на рисунке). Установка построена по модульному принципу и, добавляя новые гирлянды, можно наращивать рабочий объем детектора. В 1998 году была введена в строй первая очередь, а в нынешнем тысячелетии реализуется вторая очередь телескопа – в 2015 году был спущен под воду первый кластер (8 гирлянд), в 2021 году состоялся официальный ввод в эксплуатацию установки в составе 8 кластеров (рабочий объем достиг 0.4. км3), к настоящему моменту кластеров уже 14 (рабочий объем – 0.7 км3). На настоящий момент Baikal-GVD является самым большим в Северном полушарии и вторым в мире после антарктического IceCube. Работа по этому проекту ведется широкой коллаборацией, очень большую роль играют здесь ученые из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). При помощи телескопа уже получают уникальные результаты, а совместная работа с IceCube, расположенным в Антарктиде, дает возможность вести поиск источников нейтрино высоких энергий на всей небесной сфере и в перспективе позволит построить карту нейтринного неба.