Нейтринный телескоп что это
В России создан самый большой нейтринный телескоп. Что это и для чего он нужен?
На озере Байкал заработал телескоп Baikal-GVD для улавливания нейтрино. Так называются частицы, которые образуются в ходе ядерных реакций и обладают способностью проникать даже через самые сложные объекты. Например, нейтрино может пройти через слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет. Эти частицы доходят до Земли из разных уголков Вселенной и могут рассказать многое о строении и возникновении космоса. Однако, этих частиц очень мало и чтобы их «выловить» ученые используют толстый слой льда, причем очень большой площади. Создавать и содержать огромный бассейн специально для работы телескопа очень дорого, поэтому ученые используют естественные водоемы. Рассказываем, как работает телескоп Baikal-GVD и для чего он нужен. Как всегда — только самое важное, что нужно знать.
Оптический модуль телескопа Baikal-GVD
Из чего состоит телескоп Baikal-GVD?
Строительство телескопа Baikal-GVD началось в 2015 году и на это потребовалось 2,5 миллиарда рублей. Устройство состоит из совокупности глубоководных станций и прикрепленных ко дну байкала стальных тросов. Станции, именуемые как вертикальные гирлянды, удерживаются на глубине около 20 метров при помощи специальных поплавков. К тросу, на расстоянии 15 метров друг от друга, подвешены 36 оптических модулей. Также в состав телескопа входят четыре электронных модуля для питания электричеством, сбора данных, управления телескопом и выполнения других задач. Вдобавок ко всему, есть несколько так называемых гидроакустических модулей, которые нужны для удерживания оптических модулей в нужном положении. Станции объединены в группы, которые соединены с Береговым центром.
Конструкция оптического модуля
Интересный факт: так как для работы телескопа очень важен лед, работать он сможет только зимой.
Как работает нейтринный телескоп?
Но главными элементами телескопа являются не оптические модули, а лед на поверхности Байкала. Аппарат «улавливает» частицы нейтрино, которые прилетают с обратной стороны Земли. Частицы пролетают через всю мантию, ядро и другие слои планеты. В один момент из них рождается следующая частица — разряженный мезон. Если зарождение происходит во льду, оно испускает излучение, которое и могут уловить ученые. Как можно понять, это происходит крайне редко и поймать их очень сложно. Но у Байкала очень большая площадь и вероятность улова многократно увеличивается.
Коротко о том, как работает Baikal-GVD
Это далеко не первый нейтринный телескоп в мире — самый большой расположен на территории Антарктиды и называется IceCube. Долгое время он был единственным, кто может не только улавливать частицы, но и определять координаты их появления. Точность распознавания источника нейтрино в телескопе IceCube составляет 10-15 градусов. Но толщина льда Байкала позволяет увеличить точность до 4 градусов. К тому же, на Байкале нет светящихся микроорганизмов и сильных волнений воды, что еще больше способствует получению более точных данных.
Нейтринный телескоп IceCube
Телескопы IceCube и Baikal-GVD будут смотреть на разные части неба и тем самым дополнять друг друга. Байкальский телескоп будет ловить нейтрино, пронизывающие Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии. А телескоп в Антарктиде фиксирует частицы, пронизывающие планеты с Севера и выходящие на Юге. Благодаря совместной работе телескопов, ученые смогут наблюдать сразу за большим количеством небесных объектов. Из Байкала будет видна Большая Медведица, а из Антарктиды — Магеллановы Облака.
Зачем нужно изучать нейтрино?
Ученые уверены, что нейтрино могут прилететь из недр рождающихся и умирающих галактик и нести с собой информацию о процессах, которые происходят во Вселенной. Есть надежда, что изучение этих частиц поможет узнать больше об эволюции галактик и других космических объектов. Также российские ученые надеются, что благодаря нейтрино им удастся следить за темпом термоядерных процессов, происходящих в недрах Солнца. Однако, ожидать быстрых результатов точно не стоит. Опыт использования других подобных телескопов показывает, что на обнаружение частиц могут уйти годы.
Нейтрино могут раскрыть тайны Вселенной
Ссылки на интересные статьи, смешные мемы и много другой интересной информации можно найти на нашем телеграм-канале. Подпишитесь!
Другие нейтринные телескопы также расположены на территории Средиземного моря, Китая и Японии. Впервые же частицы нейтрино были выловлены в 1970-е годы, при помощи телескопа в толще кавказской горы Андырчи. Однако, чтобы обнаруживать частицы нейтрино с большей точностью, была необходима более чистая вода. Именно из-за этого в 1990 году и было принято решение создать телескоп на Байкале. Тогда это была первая версия, но теперь заработала более совершенная.
Невод для тёмной материи. Что ловят астрономы на дне Байкала?
В России строят крупнейшую нейтринную обсерваторию Северного полушария. Она позволит заглянуть туда, где ничего не видят ни «Хаббл», ни любые другие астрономические инструменты. Как говорят учёные, это новая астрономия.
Посреди покрытого льдом Байкала ездят тракторы, гусеничная техника, кругом расставлены лебёдки. И так каждую зиму. Кто бы мог подумать, что всё это нужно для телескопа.
Very Large Volume Neutrino Telescopes Baikal. Фото © baikalgvd.jinr.ru
Обсерватория Baikal-GVD — Baikal Gigaton Volume Detector (Байкальский детектор гигатонного масштаба) — расположилась посреди озера, примерно в 3,5–4 километрах от берега, и выглядит очень своеобразно: это гирлянды длиной 525 метров, которые погружают в воду на более чем километровую глубину. На сегодняшний день там развешено уже полсотни с лишним таких гирлянд, а в ближайшие годы к ним планируют добавить ещё примерно 150. И на каждой закрепляют по 36 одинаковых шаров. В общей сложности в водах Байкала их более двух тысяч.
Эти сферы называются оптическими модулями. Внутри целые комплексы сложной аппаратуры. Они улавливают излучение. Необычное, удивительное излучение. Оно представляет собой вот что. Быстрее, чем свет в вакууме, ничто двигаться не может. Но через какое-нибудь — любое — вещество он летит несколько медленнее, чем в вакууме. И бывает так, что некоторые заряженные частицы мчатся сквозь это вещество, обгоняя фотоны. То есть можно сказать, что внутри какой-то среды они мчатся со сверхсветовой скоростью. И при этом испускают фотоны, то есть светятся. Излучение это тянется за частицей и образует конус, как звуковые волны, идущие от сверхзвукового самолёта.
А если вещество прозрачное, то этим явлением можно полюбоваться. Получается таинственное голубое свечение. Именно его и наблюдают при запуске ядерных реакторов.
Оно называется черенковским свечением, или эффектом Вавилова — Черенкова. За открытие этого явления природы советскому физику Павлу Черенкову и его коллегам Игорю Тамму и Илье Франку дали в 1958 году Нобелевскую премию. Учёные решили, что в названии эффекта должно быть увековечено и имя Сергея Ивановича Вавилова — именно в его лаборатории и под его руководством в 1934 году впервые удалось увидеть этот свет.
Но самое интересное, что его можно наблюдать не только в лаборатории или на АЭС. Явление встречается и в природе, а именно в океанских глубинах. Во тьме у самого дна иногда бывают тусклые всполохи — это распадаются радиоактивные изотопы калия и другие природные радионуклиды, которые попадают в воду из земных недр в результате естественных процессов. Результат этого распада тот же самый: вылетают электроны, а вместе с ними фотоны.
Космос, каким его никто не видел. Лучшая во Вселенной карта неба — фото
А ещё бывает, что в атомы воды врезаются нейтрино. Это такие вездесущие частицы, которые возникают в результате ядерных реакций и внутри звёзд, и на Земле, и в атмосфере из-за её бомбардировки космическими лучами. «Нейтрино» — итальянское слово, переводится как «нейтрончик». Термин придумал физик Энрико Ферми, создатель первого в мире ядерного реактора и человек, который сформулировал знаменитый «парадокс Ферми» («Где инопланетяне?»). Этим словом обозначили, что частица нейтральная и очень маленькая — намного меньше, чем нейтрон. Разница между двумя этими частицами в том, что нейтрон состоит из трёх ещё более мелких частиц — кварков, а у нейтрино составных частей нет. Этими крохами кишит Вселенная, но их никто не замечает — они практически не взаимодействуют или, во всяком случае, очень слабо взаимодействуют с другими частицами. Для них почти всё прозрачно.
— Испустилась эта частица где-то и летит себе. Как летит, так и летит, не реагируя ни на что. Даже если нейтрино на своём пути какую-нибудь звезду встретит, спокойно сквозь эту звезду пройдёт, — объяснил координатор Байкальского нейтринного проекта, заведующий лабораторией Института ядерных исследований РАН Григорий Домогацкий.
Но в достаточно плотной среде, то есть там, где высока концентрация атомов, нейтрино всё же может налетать на некоторые из них и порождать целые ливни светящихся частиц. Самое интересное, что они «проливаются» точно в том же направлении, что и исходный нейтрино. Так вот, идеальный кандидат на роль такой плотной среды — вода: атомов много и в то же время прозрачная. Можно зафиксировать примерно такие светящиеся полоски.
И это не просто красиво. Поскольку нейтрино не замечают препятствий, они движутся, строго сохраняя изначальное направление и никуда не сворачивая. А это значит, что полоски указывают, ОТКУДА прилетели нейтрино.
— Нейтрино, стукаясь о ядра воды, либо создаёт каскад заряженных частиц — такой пучок, который летит, либо создаёт такую частицу — мюон, которая очень долго летит. И вы видите траекторию, длинную такую траекторию, которая показывает, как эта частица шла, справа налево или слева направо, сверху вниз или снизу вверх. А дальше вы уже легко вычисляете, что это за точка на небе, и смотрите, что там есть, — рассказал председатель научного совета РАН по нейтринной физике.
Нейтрино в водах Байкала ловят избирательно — не всякие требуются. Атмосферные, солнечные или вылетающие из реакторов в данном случае ни к чему. Нужны только гости из далёкого космоса. Их отличают по огромной энергии потока — десятки тысяч миллиардов электронвольт и выше.
Про толстый лёд и цели исследований. © YouTube / BAIKAL-GVD
О чём говорят нейтрино?
Во-первых, все прочие телескопы «видят» только то, что снаружи, а нейтрино вырываются прямо из звёздных ядер, из самого сердца галактик, из эпицентров взрывов сверхновых и всевозможных столкновений. Первым в мире идею погрузить нейтринные детекторы в естественный водоём предложил советский физик Моисей Александрович Марков ещё в 1960 году. Лишь через полтора десятка лет начались попытки реализовать это технически, притом на первых порах они были неудачными — задача оказалась невероятно сложной. Подводные нейтринные обсерватории появились в мире только в середине 1990-х: на Байкале (до нынешнего телескопа там работал НТ-200), на Южном полюсе (AMANDA, затем IceCube), а с 2008 года — в Средиземном море (ANTARES).
В 2010 году построили крупнейшую в мире (по крайней мере, пока) установку — IceCube в Антарктиде. Вдвоём с Baikal-GVD они смогут искать источники нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере.
— Если оперировать словом «эпоха», то сейчас эпоха рождения многоканальной астрономии, когда к изучению Вселенной с помощью регистрации оптическими инструментами, детекторами радиоизлучения, гамма-телескопами добавились детекторы гравитационных волн и нейтрино высоких энергий. Это совершенно новая астрономия, — подчеркнул учёный.
Во-вторых, нейтрино совершенно не укладываются в рамки современной науки. Согласно стандартной модели физики элементарных частиц, у них никак не может быть массы. А она есть. Правда, пока точно не известно, какая именно.
— Определение массы любой частицы — это первое дело, это её фамильная карточка, — отметил координатор Байкальского нейтринного проекта.
И в-третьих, загадочные частицы наводят астрофизиков на мысль: а может быть, они помогут раскрыть тайну скрытой массы Вселенной? Теоретически нейтрино могут возникать и при распаде частиц тёмной материи.
— Эти детекторы (детекторы Байкальского подводного телескопа. — Прим. Лайфа) могут многое дать нейтринной астрономии. Они обладают возможностью искать частицы тёмной материи. Если это массивные частицы, то их можно искать такими глубоководными детекторами. Они продвигаются в направлении решения важнейшего вопроса о том, что же такое тёмная материя во Вселенной. Это массивные, тяжёлые частицы или это лёгкие частицы? Этот вопрос — один из мощнейших вызовов человечеству, — заявил Григорий Домогацкий.
Нейтринная обсерватория на дне Байкала
Нейтрино — это двигающиеся со скоростью света, нейтральные частицы. До недавнего времени считалось, что их масса равна нулю. Экспериментальное исследование этих частиц чрезвычайно затруднено, поскольку нейтрино имеют очень маленькое сечение взаимодействия с веществом. Для них проницаемо практически все, они беспрепятственно преодолевают гигантские расстояния и доставляют на Землю информацию о процессах, происходящих во всех частях Вселенной. Поэтому сегодня нейтрино-объект изучения мощных научных лабораторий во всех странах мира.
Верхние слои атмосферы постоянно бомбардируются частицами, прилетающими из космоса (в основном это протоны). Энергии их таковы, что они порождают цепочки ядерных реакций, одним из продуктов которых могут быть нейтрино. Источником нейтрино служит еще Солнце. Именно солнечные нейтрино помогают понять процессы, происходящие внутри Солнца и других звезд. И, наконец, следует сказать о нейтрино сверхвысоких энергий, потоки которых возникают, например, при взрывах сверхновых.
Для регистрации различных нейтрино строятся соответствующие установки, которые отличаются конструкцией, размерами и местоположением, в соответствии с тем, какой метод детектирования они осуществляют и на какую энергию частиц рассчитаны.
Озеро Байкал в России предоставляет учёным идеальную среду для наблюдения нейтрино, потому что эти частицы излучают видимый свет при прохождении через прозрачную воду. Глубина озера также может защитить детекторы от излучения и помех.
«Рыбалка» началась
13 марта 2021 года состоялась официальная церемония запуска нейтринного телескопа Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector). Это крупнейшая подобная установка в Северном полушарии и одна из самых больших в мире (конкуренцию ей может составить только инструмент IceCube, сооруженный в Антарктиде).
Один из оптических модулей
«Мы ожидаем, что скоро все вместе поймем Вселенную, мы раскроем ее историю, то как зарождались галактики», — заявил журналистам министр науки и высшего образования России Валерий Фальков. Он отметил, что это также важно для региона, поскольку наука является одним из двигателей регионального развития.
Директор Института ядерных исследований РАН Максим Либанов сообщил журналистам, что в проект вложено около 2,5 млрд рублей. Планируется развивать и дополнять проект. К 2030 году, если в мире не будут построены новые более крупные телескопы, Baikal-GVD станет крупнейшим на Земле.
Телескоп состоит из нескольких кластеров по восемь вертикальных гирлянд (тросов, на которых подвешены фотодетекторы). Одна такая гирлянда несет 36 фотодетекторов. Таким образом, всего в одном кластере 288 датчиков — больше, чем во всем НТ-200.
Первый такой кластер был запущен еще в 2016 году и тогда же начал сбор научных данных. В последующие годы добавлялись все новые кластеры и тоже сразу же включались в работу. Так что состоявшаяся недавно церемония открытия — в известной мере условность, ведь команда Baikal-GVD охотится за нейтрино уже несколько лет.
Всего в телескопе на данный момент семь кластеров, но уже в апреле текущего года планируется добавить восьмой. Тогда в установке будет 64 гирлянды и более 2300 фотодетекторов — объем в 0,4 кубического километра, в котором он способен «видеть» вспышки и идентифицировать частицы. В перспективе планируется довести эффективный объем телескопа до кубического километра.
«Никогда не упускайте шанс задать природе какой-либо вопрос. Никогда не знаешь, какой ответ получишь» — сказал 80-летний Григорий Домогацкий, российский физик, который в течение 40 лет возглавлял создание этого подводного телескопа.
Почему Байкал?
Исследователей привлекла не только глубина огромного водоема, позволяющая установить большой детектор. Вода Байкала очень прозрачна (видимость составляет до 20 метров). Кроме того, всю зиму поверхность озера покрыта толстым надежным льдом, через лунки в котором удобно опускать в воду оборудование. На глубине же зимой и летом царит температура +4°C, в самый раз для стабильной работы аппаратуры.
Поэтому именно на Байкале был сооружен первый в истории подводный телескоп, зафиксировавший космические нейтрино — НТ-200. Он был создан коллаборацией из нескольких российских НИИ во главе с Институтом ядерных исследований (ИЯИ РАН) в сотрудничестве с германским исследовательским центром DESY. Строительство НТ-200 началось в 1993 году, а уже через год телескоп зарегистрировал первые нейтрино. В 1998 году сооружение телескопа закончилось.
Этот инструмент получил интересные результаты. Но его скромные масштабы (всего 200 фотодетекторов, регистрирующих черенковское излучение) никак не могли удовлетворить астрономов. Для масштабного исследования космоса нужны и инструменты космического масштаба.
Поэтому была образована международная научная коллаборация «Байкал» во главе с ИЯИ РАН и Объединенным институтом ядерных исследований для строительства Baikal-GVD.
Домогацкий сказал, что его команда уже обменивается данными с охотниками за нейтрино в других местах и что она нашла доказательства, подтверждающие выводы IceCube о нейтрино, прибывающих из космоса. Тем не менее он признает, что проект «Байкал» значительно отстает от других в разработке компьютерного программного обеспечения, необходимого для идентификации нейтрино в режиме, близком к реальному времени.
Несмотря на значимость проекта, он по-прежнему имеет ограниченный бюджет — почти все из примерно 60 учёных, работающих с телескопом, обычно проводят февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты. IceCube, напротив, включает около 300 учёных, большинство из которых никогда не были на Южном полюсе.
Гирлянды индивидуальных детекторов нейтрино, составляющие Байкальскую обсерваторию
Как ловить?
Байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито. По большей части, более крупные частицы, ударяющиеся о «противоположную сторону» планеты, в конечном итоге сталкиваются с атомами.
Идея нейтринного телескопа обсуждалась еще в 1970-х годах, работающего в реальном времени благодаря эффекту Вавилова–Черенкова. «Сердце» такого телескопа — это огромная масса прозрачного вещества (воды или льда). Когда нейтрино врезается в протон атомного ядра, тот превращается в нейтрон и испускает другую частицу — мюон. Тот тоже врезается в какое-нибудь атомное ядро, и так далее. В результате рождается целый каскад заряженных частиц, движущихся сквозь воду или лёд быстрее света.
Но как это возможно? Разве скорость света — не предельно возможная по законам физики (причина неутолимой печали для всех, кто мечтает о межзвёздных путешествиях)? Да, но лишь пока речь идет о скорости света в вакууме. А в любой другой среде свет движется медленнее и его вполне можно обогнать. Когда же заряженная частица движется сквозь среду быстрее света, она сама испускает свет (это и называется эффектом Вавилова–Черенкова). Такое свечение и фиксируют специальные датчики-фотодетекторы.
Поскольку нейтрино очень редко сталкиваются с атомными ядрами, объем воды или льда должен быть огромным.
«Байкал» — северный напарник
Предприятие на Байкале — не единственная попытка охоты за нейтрино в самых отдаленных уголках мира. Десятки приборов ищут частицы в специализированных лабораториях по всей планете. Но новый российский проект станет важным дополнением к работе IceCube, крупнейшего в мире нейтринного телескопа, американского проекта стоимостью 279 миллионов долларов, который охватывает около четверти кубической мили льда в Антарктиде.
Используя сетку световых детекторов, аналогичную байкальскому телескопу, IceCube идентифицировал в 2017 году нейтрино, которое, по словам учёных, почти наверняка пришло из сверхмассивной черной дыры. Это был первый случай, когда учёные определили источник дождя высокоэнергетических частиц из космоса, известного как космические лучи, — прорыв в нейтринной астрономии, которая остается в зачаточном состоянии.
«Это как смотреть на ночное небо и видеть только одну звёзду», — сказал Фрэнсис Л. Халзен, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне и директор IceCube, описывая текущее состояние «охоты на призрачных частиц». Ранние работы советских учёных вдохновили Хальзена в 1980-х годах на создание детектора нейтрино во льдах Антарктики.
Исследователей Вселенной интересуют нейтрино с очень высокой энергией: 60-100 тераэлектронвольт. Только такие частицы можно надежно выделить из потока нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли под действием космических лучей. По словам руководителя проекта Baikal-GVD члена-корреспондента РАН Григория Домогацкого, при восьми работающих кластерах можно ожидать регистрации четырех–пяти подобных частиц в год. Для сравнения: за последние десять лет IceCube «поймал» их около сотни.
Как и сами нейтрино, проекты по их изучению не признают границ. Baikal-GVD и IceCube входят в консорциум «Глобальная нейтринная сеть» (Global Neutrino Network). Его третий участник — сеть KM3NeT, строительство которой сейчас ведется в Средиземном море у берегов Франции, Италии и Греции. Пока оно находится в начальной стадии: установлено лишь несколько гирлянд с фотодетекторами. Но в перспективе это будет очень масштабный инструмент.
Антарктида, Байкал и Средиземноморье довольно удалены друг от друга. Благодаря этому система из трех нейтринных телескопов приобретает своего рода стереоскопическое зрение, позволяющее точнее определять направление на источник нейтрино.
Зафиксировав интересное событие, астрономы могут сразу же указать его координаты своим коллегам, работающим с оптическими и другими телескопами. Подобное «быстрое наведение» давно практикуется астрономами, изучающими скоротечные процессы. Так что Baikal-GVD вливается в тесную компанию самых разных проектов, объединенных общей целью — раскрыть тайны Вселенной.
«Нейтрино путешествует по Вселенной, не сталкиваясь практически ни с чем и ни с кем», — сказал Домогацкий. «Для него Вселенная — прозрачный мир».
На правах рекламы
VDS для любых целей — это именно про виртуальные серверы от нашей компании. Сконфигурируйте собственный тариф в пару кликов, устанавливайте любую операционную систему и абсолютной любой софт.