TAIGA и тайны Вселенной
В Бурятии, в Тункинской долине, в мае заработала установка TAIGA — гамма-обсерватория, позволяющая наблюдать за мощнейшими во Вселенной выплесками энергии. Новая астрономия смыкается с новой физикой частиц в поисках ответов на фундаментальные вопросы о строении материи и возникновении мира.
Четвертого июня в журнале Science вышла статья с результатами исследования одной из мощнейших вспышек гамма-всплеска — излучения, на которые способна видимая с помощью телескопов Вселенная. Вспышка длилась всего пару секунд, но за эти секунды выделилось столько энергии, сколько Солнце выработает за все десять миллиардов лет своей жизни. Энергия луча от вспышки превышала энергию видимого света в триллионы раз, а источник находился сравнительно близко — в миллиарде световых лет.
«Мы словно сидели в первом ряду», — говорят авторы исследования, ведь обычно гамма-всплески приходят с расстояния, которое в десятки раз больше. Но близость источника все равно не помогла выяснить, что за гигантский катаклизм вызвал вспышку.
Может быть, взрыв сверхновой?
Может, слияние черных дыр?
Может, столкновение нейтронных звезд?
Может, звездотрясение магнетара — нейтронной звезды со сверхмощным магнитным полем?
А может, во всем виновата темная материя?
Или еще что-то, вообще неизвестное пока науке?
Гамма-всплески — очень редкое явление, в галактике они случаются несколько раз за миллион лет. Но свет их пронизывает всю Вселенную, — нет ничего ярче него. Поэтому с появлением гамма-телескопов астрономы стали регистрировать их все чаще, ведь в видимой Вселенной триллионы галактик.
Причиной большинства гамма-всплесков считаются взрывы сверхновых. Взрывающаяся звезда выбрасывает в противоположных направлениях два джета — мощных потока гамма-лучей. Но астрофизики сопоставили данные с двух типов приборов, наблюдающих за космосом: рентгеновских телескопов и гамма-телескопов, — и обнаружили, что эти данные противоречат всем известным моделям великих космических катастроф.
Сейчас главные результаты в астрономии начинают получать именно таким способом — сопоставляя данные с телескопов разных типов, видящих Вселенную в разном свете.
Многоканальная астрономия
Астрономия — старейшая из наук. Но тысячелетиями люди наблюдали за небом в очень узком диапазоне, не будучи способными увидеть большую часть информации, которую несет свет звезд. Ведь свет, видимый глазом, — это лишь очень небольшой участок широкого спектра электромагнитных волн. Как и любые электромагнитные волны, свет переносят частицы, не имеющие массы и не знающие о времени: фотоны. Наши глаза воспринимают только фотоны с определенной энергией, к тому же земная атмосфера не пропускает основную массу более энергичных фотонов, несущих, например, рентгеновское или гамма-излучение.
Мы живем в самом начале эры многоканальной астрономии: современные телескопы позволяют гораздо полнее изучать космические объекты, наблюдая их излучение во всех диапазонах спектра электромагнитных волн, от радиоволн до гамма-излучения. Астрономия уже вышла и за пределы спектра электромагнитных волн — появились, например, телескопы для наблюдения потоков заряженных ядер атомов, прилетающих к нам из космоса, и даже для регистрации гравитационных волн. Астрономия словно обрела разные органы чувств и теперь может получать несравненно больше информации о самых интересных космических объектах, причем это окно возможностей открылось совсем недавно, наши новые глаза для взгляда в глубины Вселенной только-только открываются.
Один из таких глаз, специализирующийся на фотонах с самым высокими энергиями, открылся в мае — на Тункинском астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета (ИГУ) заработала обсерватория TAIGA.
Разобраться в пестром спектре прилетающих к нам со всей Вселенной частиц «Эксперту» помог соруководитель проекта TAIGA, декан физического факультета ИГУ Николай Буднев.
Слепые и слон
Давайте посмотрим на один из красивейших космических объектов — Крабовидную туманность. Что именно мы увидим, зависит от того, как посмотреть: она будет абсолютно по-разному выглядеть в разных диапазонах волн — радио-, видео-, ультрафиолете, рентгеновском излучении.
«Все определяется энергией! — объясняет Николай Буднев. — Есть два способа описать электромагнитное излучение — измерить энергию фотона либо длину волны. Они связаны обратно пропорционально: чем больше энергия, тем меньше длина волны у фотона. В случае радиоволн удобнее иметь дело с длиной волны — наши сотовые и телевизоры принимают волны длиной от сантиметров до метров. А для гораздо более коротковолнового излучения удобнее представлять не длину волн, а их энергию.
Свет, который видит наш глаз, состоит из фотонов с энергией порядка одного электрон-вольта — это энергия, которую набрал бы электрон, будучи ускоренным напряжением в один вольт.
В рентгеновском кабинете используются более энергичные фотоны: рентгеновские лучи имеют энергию в тысячи электрон-вольт. Знаете, как создаются рентгеновские лучи? В рентгеновских аппаратах электроны ускоряются высоким напряжением, а потом резко тормозятся — и при этом излучают в рентгеновском диапазоне».
В процессах радиоактивного распада ядер атомов рождаются фотоны с еще намного большей энергией — миллионы электрон-вольт. А в астрономических объектах могут рождаться фотоны с энергией уже в миллиарды и триллионы электрон-вольт. Возможно, даже больше: энергия некоторых прилетающих к нам фотонов может быть в квинтиллионы (1018) раз больше, чем энергия видимого света. Такие фотоны еще не наблюдались, но их поиск как раз одна из задач гамма-обсерватории TAIGA.
Такие фотоны рождаются в каких-то процессах, вовлекающих невероятно мощную энергию. Гораздо большую, чем способно выделить Солнце, — оно не может порождать фотоны с энергией выше, чем миллион электрон-вольт. По космическим масштабам Солнце все-таки относительно слабый источник энергии, в космосе есть в миллиарды раз более мощные. Но астрономы далеко не всегда понимают, что это за объекты.
Фотоны с энергией в триллионы электрон-вольт прилетают к нам и из той самой Крабовидной туманности.
«Это остатки сверхновой, взрыв которой на Земле наблюдали в 1054 году, — рассказывает Николай Буднев. — Когда взорвалась звезда, породившая Крабовидную туманность, на Земле ночами было светло, люди это видели и описывали. Кстати, вполне вероятно, что и Вифлеемская звезда, неожиданно появившаяся на небе и очень ярко светившая ночью, когда родился Иисус Христос, тоже сверхновая, относительно недалекая. С тех пор Крабовидная туманность, образованная разлетевшимися остатками сверхновой, доросла до огромного размера, но там и спустя тысячу лет после взрыва продолжаются какие-то процессы, в которых рождаются частицы высоких энергий».
У каждого свои недостатки
— Все эти частицы — фотоны?
— Не только. Неподалеку от Тункинской обсерватории, глубоко подо льдом Байкала находится Байкальский нейтринный телескоп, самый большой в Северном полушарии (см. «Особенности подводной ловли нейтрино в зимний период», «Эксперт» № 12 за 2021 год. — «Эксперт»). Кстати, я единственный человек, который участвовал во всех сорока экспедициях, которые организуются каждую зиму, чтобы опускать со льда под воду фотодетекторы телескопа. Ведь я в этом проекте с 1981 года.
Так вот, нейтринная астрономия — это еще один способ изучать астрофизические объекты.
На самом деле, гамма-кванты (фотоны с энергией более миллиона электрон-вольт) и нейтрино часто рождаются в совершенно одинаковых процессах. Скажем, когда сталкиваются два протона очень высокой энергии. А раз нейтрино и гамма-кванты несут информацию об одних и тех же процессах, значит, нейтринные телескопы и гамма-телескопы могут по-разному изучать одни и те же явления природы.
— Что дает больше информации — поток нейтрино или фотоны гамма-излучения?
— У каждой из этих частиц есть свои достоинства и свои недостатки. Преимущество нейтрино в том, что оно способно проходить огромные расстояния в космосе, не поглощаясь, потому что нейтрино почти не взаимодействует с веществом.
А для гамма-квантов с очень высокими энергиями Вселенная становится непрозрачной. Дело в том, что вся Вселенная заполнена фоновым электромагнитным излучением с разными энергиями и длинами волн. И эти гамма-кванты, если у них очень высокая энергия, могут провзаимодействовать с каким-то из фоновых электромагнитных излучений. При таком взаимодействии этих двух фотонов рождается электрон-позитронная пара. А сам гамма-квант высокой энергии умирает. К сожалению, у гамма-астрономии есть недостаток: мы не можем наблюдать гамма-кванты самых высоких энергий от далеких галактик.
Но и у нейтринной астрономии свой недостаток. Для регистрации нейтрино нужно иметь огромные детекторы, огромную мишень — кубический километр байкальской воды, — чтобы поймать за год хоть несколько столкновений нейтрино с ядрами атомов мишени. Опять же потому, что нейтрино очень слабо взаимодействует с веществом. В этом смысле гамма-кванты гораздо удобнее. Гамма-кванты с энергией в миллиарды электрон-вольт очень удобно наблюдать с помощью космических аппаратов. В отличие от нейтринных телескопов, регистрирующих считанные события за год, космические гамма-телескопы набирают огромную статистику — сейчас несколько таких работает на очень высоких орбитах, гораздо выше МКС.
Мы живем под бесконечным ливнем
— Зачем тогда нужны наземные гамма-телескопы?
— Дело в том, что, как и в случае с нейтрино, чем выше энергия гамма-квантов, тем меньше их поток, тем меньше их падает на единицу площади. А в космос большой детектор не вывезешь — только площадью в квадратные метры, пусть даже в десятки квадратных метров, но не больше. Такой площади достаточно, чтобы регистрировать гамма-кванты с энергией в миллионы и миллиарды электрон-вольт.
А регистрировать самые интересные фотоны, с энергией от триллиона электрон-вольт и выше, уже невозможно с помощью космических аппаратов, потому что их поток уже очень маленький. Для них нужны детекторы большой площади, которые можно разместить только на Земле. Но наша атмосфера для гамма-квантов непрозрачна. Они врезаются в ядра атомов атмосферы на высоте от 30 до 50 километров, кому как повезет. За счет своей очень высокой энергии гамма-кванты разваливают ядра, с которыми столкнулись, на осколочки — рождается много новых элементарных частиц, и каждая с большой энергией. Эти частицы летят дальше, сталкиваются со следующими ядрами атомов атмосферы, разваливают и эти ядра, порождая новые частицы. Образуется каскад частиц, который доходит да самой Земли — в физике такие каскады называются широкими атмосферными ливнями.
— А почему ливень частиц широкий, если его запускает лишь одна частица?
— При больших энергиях первичной частицы пятно из частиц, которые доходят до Земли, растягивается на сотни метров и даже на километры, настолько у вызвавшей этот ливень частицы была мощная энергия. До Земли доходит множество частиц, родившихся в этих каскадах, среди которых преобладают электроны и мюоны. Пока у физиков не было ускорителей, новые частицы открывали при наблюдении широких атмосферных ливней — так были открыты всякие пи-мезоны, к-мезоны, и другие.
— Большая часть этих частиц ведь страшно короткоживущие — появляются лишь на ничтожную долю секунды…
— За счет того, что у них скорость близка к скорости света, время их жизни удлиняется. Поэтому не все они успевают распасться, долетая до Земли и в столкновениях по пути порождая все новые частицы — мезоны, мюоны, электроны…
— Как часто идут широкие атмосферные ливни?
— Их много: мюоны из атмосферных ливней практически каждую секунду проходят через каждого из нас. Огромное большинство этих каскадов порождается прилетающими к нам из космоса гамма-квантами с относительно невысокими энергиями, в миллиарды электрон-вольт, — их гораздо больше, чем частиц с энергией в триллионы электрон-вольт и выше. Чем выше энергия фотонов, тем меньше источников, которые способны их породить. Таких звезд, как наше Солнце, во Вселенной в миллиарды раз больше, чем объектов типа сверхновых звезд. Ведь только самые большие звезды взрываются, и потом сверхновые излучают недолго, а Солнце уже пять миллиардов лет живет и еще пять проживет.
Тайна космических лучей
— Атмосферные ливни частиц всегда порождаются фотонами гамма-излучения?
— Некоторые каскады порождаются не гамма-квантами, а так называемыми космическими лучами — заряженными частицами, которые прилетают из космоса. Это ядра разных элементов таблицы Менделеева, вплоть до железа. К великому нашему счастью, Земля защищена магнитосферой. Магнитное поле планеты отклоняет все заряженный частицы с энергией примерно до миллиарда электрон-вольт. Все заряженные частицы, рожденные на Солнце, имеют энергию в миллионы электрон-вольт и отклоняются. Иначе бы жизни Земле не было — эти частицы повреждали бы ДНК, у нас было бы слишком много мутаций.
— Но самые энергичные заряженные частицы магнитное поле Земли уже неспособно отклонить?
— Да, но их во много раз меньше. Частицы с такими энергиями уже не на Солнце рождаются, а в каких-то далеких галактических или внегалактических объектах. В нашей галактике это в основном взрывы сверхновых звезд. Родившись при таких взрывах, эти заряженные частицы могут очень долго кружиться по галактике под влиянием галактических магнитных полей, и периодически получается так, что на их пути оказывается Земля.
— А что же мы можем узнать от такой частицы, которая долго где-то крутилась, много раз меняла траекторию, вдруг к нам прилетела?
— Да, у заряженных частиц тоже есть свой недостаток — нельзя сказать, в каком объекте они родились. Но, с другой стороны, наблюдая распределение заряженных частиц в потоке по энергиям, по типу ядра — сколько там углерода, водорода, железа, — можно все-таки делать некоторые выводы о свойствах источников таких частиц.
Некоторые заряженные ядра прилетают на Землю с энергией вплоть до 1020 электрон-вольт — в миллиард раз больше, чем энергия протонов в Большом адронном коллайдере. И до сих пор никто не знает, какие механизмы и в каких объектах ускоряют частицы до таких высоких энергий. Мы регистрируем огромное количество очень высокоэнергетичных заряженных частиц, а их источников не знаем.
Вселенная выдыхается
В отличие от заряженных частиц, гамма-кванты и нейтрино не отклоняются магнитными полями. Родившись в каком-то источнике, они по прямой линии летят на Землю, и мы можем определить, где именно родился конкретный гамма-квант. На сегодняшний день во Вселенной уже известно больше двухсот источников, в которых рождаются гамма-кванты с энергией больше триллиона электрон-вольт.
— Где они еще рождаются, кроме сверхновых?
— Возле нейтронных звезд. В потоках плазмы, образующихся вокруг сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Хоть самые энергичные гамма-кванты и гибнут, взаимодействуя с фоновым излучением, все-таки у гамма-квантов довольно большой «пробег» — он тем больше, чем меньше их энергия. Для гамма-квантов с энергией в триллион электрон-вольт Вселенная еще достаточно прозрачна, мы регистрируем фотоны с такой энергией, родившиеся далеко за пределами нашей галактики.
И таких источников тем больше, чем дальше от Земли. Это значит, что они существовали на более ранних этапах развития Вселенной, — ведь когда мы говорим, что мы видим объект на расстоянии десяти миллиардов световых лет, это означает, что он существовал через три миллиарда лет после возникновения Вселенной. А тогда, естественно, было больше таких высокоэнергетичных явлений. Вселенная все-таки потихоньку выдыхается.
Телескопы для ливней
— Построить установки большой площади, нужные для регистрации самых энергичных фотонов, можно только на Земле — и они будут наблюдать не сами гамма-кванты, а вызванные ими ливни. Но как отделить ливни, рожденные гамма-квантами, от ливней, рожденных заряженными частицами?
— Это самая главная экспериментальная проблема! К счастью, пока этот рой частиц летит, они еще и светятся, — это так называемое черенковское излучение, за открытие которого Павел Черенков с коллегами получили Нобелевку в 1958 году. Самый эффективный способ наблюдения гамма-кванта состоит именно в том, чтобы регистрировать черенковское излучение гамма-квантов в широких атмосферных ливнях. Оказалось, что по свойствам этого излучения можно понять, вызван каскад гамма-квантом или ядром.
На этой идее зарегистрировать черенковское излучение от гамма-кванта и была основана первая попытка сделать гамма-телескоп. Академик Александр Чудаков создал для этого установку в 1960-х годах в Крыму, но выделить гамма-квант у него не получилось.
А первая установка, на которой получилось, была создана относительно недавно — в середине 1980-х. Наземная гамма-астрономия высоких энергий существует примерно тридцать лет, и ее главный инструмент — черенковские атмосферные телескопы. У нас в стране таких телескопов раньше не было, даже русского названия для них не было. Название «черенковский атмосферный телескоп» придумал наш аспирант, и кажется, оно приживается
— Чем они отличаются от обычных телескопов?
— В обычных зеркальных телескопах, чтобы что-то разглядеть, нужно иметь одно большое зеркало очень высокого качества, которое стоит безумные деньги. Черенковскому телескопу нужно получить изображение формы черенковского излучения широкого атмосферного ливня. Для этого зеркало может быть устроено проще, оно не цельное, а составное. От него черенковское излучение каскада отражается и попадает в камеру — как у фотоаппарата, только гораздо более высокой чувствительности и быстродействия. Вспышка от каскада проходит за какие-то десятки наносекунд, обычный фотоаппарат такое не сфотографирует.
По свойствам полученного изображения определяют, что было первичной частицей — фотон или заряженное ядро. От фотона получаются аккуратные вытянутые изображения, а от ядра — размазанное пятно.
На что способна TAIGA
— А что особенного в установке TAIGA?
— В мире сейчас есть три очень мощные современные установки: на Канарских островах, в Южной Африке и в Америке. Они регистрируют гамма-кванты в широком диапазоне энергий, от десятков миллиардов до десятков триллионов электрон-вольт
Главная задача всех этих исследований — понять природные механизмы ускорения частиц до сверхвысоких энергий. Но эти три установки не способны регистрировать самые редкие и интересные фотоны — с энергией выше сотни триллионов электрон-вольт. Для этого нужны установки площадью порядка квадратного километра. Именно для этой цели мы начали строить в Тункинской долине установку TAIGA в 2013 году, когда получили мегагрант.
До этого в Тункинской обсерватории уже были установки для исследования космических лучей. Они способны были регистрировать и ливни, вызванные гамма-квантами, и мы этим воспользовались. Поэтому именно здесь и стали строить гамма-обсерваторию.
Чтобы восстановить с высокой точностью направление и энергию гамма-кванта, нужно, чтобы один этот каскад был зарегистрирован как минимум двумя телескопами с разных точек. Три установки, уже работающие в мире, имеют по нескольку телескопов, стоящих друг от друга в сотне метров.
Но чтобы перейти к более высоким энергиям, нужно охватить площадь в квадратный километр как минимум. Если мы будем использовать телескопы с тем же шагом в сто метров, то на площадь в один квадратный километр их понадобится сто штук. А они довольно дорогие. А ведь мы не собираемся останавливаться на квадратном километре и планируем расширить площадь охвата еще в десять раз — до десяти квадратных километров.
— Как же тогда это сделать?
— По предложению руководителя мегагранта Размика Мирзояна, одного из ведущих гамма-астрономов мира, мы создали установку, которая работает в «гибридном режиме» — расставляем черенковские телескопы не через сто метров, а через триста, и дополняем их недорогими широкоугольными детекторами, подобными тем, которые мы сделали в Тункинской долине для регистрации заряженных частиц. Мы увеличили их чувствительность как минимум в десять раз и обновили электронику, чтобы улучшить точность измерений. Эта электроника, основанная на разработках для Большого адронного коллайдера, синхронизирует все детекторы с точностью 0,1 наносекунды, 1010 секунды. Каждый детектор измеряет время прихода светового импульса, и часы в детекторах должны быть синхронизированы с высочайшей точностью.
Теперь с помощью этих широкоугольных детекторов можно с самой высокой в мире точностью восстанавливать энергию и направление первичной частицы. Имея такую информацию, достаточно зарегистрировать черенковский свет только одним этим зеркальным телескопом, и тогда их можно расставлять реже.
В мире больше нет установок, охватывающих такую площадь с такой высокой синхронизацией. Над нами периодически пролетают спутники: они на нас светили лазерами, и мы для проверки детекторов восстанавливали местоположение источника света. Оказалось, что точность восстановления направления у нас лучше 0,1 градуса. Это совершенно рекордная точность для такого типа измерений.
— Работа над установкой TAIGA завершена?
— Мы сейчас ее завершаем. Мы установили 120 этих детекторов на площади 1,2 квадратного километра. Мегагрант давно закончился (его выдают на три года), но мы получили очень хорошую поддержку от Минобрнауки и продолжим развивать проект — расширим покрытие до десяти квадратных километров. Но и сейчас это уже очень мощная установка, — с ее помощью мы уже уверенно видим фотоны с энергией в сотни триллионов электрон-вольт.
— Насколько часто TAIGA регистрирует такие фотоны?
— Думаю, скоро мы будем видеть, допустим, от той же Крабовидной туманности десятки таких событий в год, но пока их немного — установку только включили, идет процесс отладки оборудования. У физиков есть такой термин — физический пуск. Он означает, что все включили, но ничего не работает, то есть работает, но не совсем так, как надо. Вообще, эта установка нужна прежде всего для отработки всех технологических вопросов, перед тем как построить большую установку на десять квадратных километров, хотя по многим параметрам она уже превосходит все три действующие в мире установки.
— А конкурентов для нее кто-нибудь строит?
— Да, китайцы готовят нам «подлянку»: у них сейчас начнет работать в Тибете установка, превосходящая нашу по ряду параметров. У них другие возможности, они вложили в проект в десятки раз больше денег. У них только для персонала построено шестиэтажное здание, условия проживания в котором как в пятизвездочном отеле. Ну что тут сделаешь?
На самом деле это хорошо, мировой опыт говорит о том, что такие исследования все равно нужно делать на нескольких установках. Но наша установка на десять квадратных километров все равно будет намного мощнее!
Гости из космоса
Есть три типа частиц, которые приходят к нам из космоса.
Первый носитель информации, с помощью которого мы можем изучать космос — это фотоны, кванты электромагнитной энергии во всем ее спектре: от радиоволн до гамма-квантов. Их изучают наземные и космические оптические телескопы, радиотелескопы, инфракрасные телескопы, рентгеновские телескопы и гамма-телескопы.
Второй тип гостей из космоса — нейтрино. Это очень легкая элементарная частица, не имеющая заряда и почти ни с чем не взаимодействующая. Нейтрино почти невозможно задержать или отклонить с прямого пути — благодаря этому нейтрино путешествуют по Вселенной, беспрепятственно проходя сквозь звезды, планеты и наши тела. Поймать нейтрино очень трудно, и, чтобы избавиться от помех, нейтринные телескопы расположены глубоко под водой, или подо льдом Антарктиды, или под горами.
Третий тип пришельцев — это заряженные частицы, ядра атомов. Исторически потоки заряженных частиц называются космическими лучами — их существование в 1912 году доказал австрийский ученый Виктор Гесс, который поднялся на высоту пять километров на воздушном шаре и увидел, что там поток этих частиц больше, чем на поверхности Земли. Ученые уже знали, что на Земле есть некое ионизирующее излучение: какие-то заряженные частицы двигаются с большой скоростью и приводят к ионизации газа. Радиоактивность уже была открыта, и думали сначала, что это связано с распадом радиоактивных элементов внутри Земли. Но Гесс увидел, что это излучение, наоборот, растет, если подняться над Землей, — поэтому и назвал его «космическими лучами».
Астрономические приборы для изучения космических лучей — это детекторы заряженных частиц.
Для телескопов разных типов Крабовидная туманность выглядит по-разному — все зависит от того, в каком диапазоне спектра электромагнитных волн ведется наблюдение
Радиоволны
Инфракрасное излучение
Видимый свет
Ультрафиолет
Рентгеновское излучение
Гамма-излучение
Фото предоставлено пресс-службой ИГУ
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl