Лед Байкала даст возможность прочесть историю Вселенной

На Байкале заработал уникальный глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD. Он стал крупнейшим в Северном полушарии. С его помощью ученые узнают секреты Вселенной, лучше поймут ее устройство. Событие уже называют очередным триумфом российских ученых и международного научного сотрудничества, а главную роль в работе телескопа будет играть лед Байкала.

В субботу на озере Байкал  ввели в эксплуатацию крупнейший в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп Baikal-GVD. Событие проходило в рамках российского Года науки и технологий. Строительство телескопа началось в 2015 году на 106-м километре Кругобайкальской железной дороги под патронажем исследователей из дубненского Объединенного института ядерных исследований и столичного Института ядерных исследований РАН. В проекте также участвовали ученые и инженеры из других российских научных центров, а также зарубежные исследователи из Чехии, Словакии и Польши.

Телескоп, на разработку и создание которого потребовалось более 2,5 млрд рублей, состоит из системы глубоководных станций (вертикальных гирлянд) и стальных тросов, прикрепленных ко дну озера якорями. Наверху, на глубине 20 м, система поплавков (кухтылей) поддерживает гирлянду в вертикальном положении. К тросу подвешены 36 оптических модулей на расстоянии 15 м друг от друга. Также есть 4 электронных модуля, обеспечивающих электропитание, сбор данных, калибровку, синхронизацию и управление телескопом, и 3-4 гидроакустических модуля (модема) для точного позиционирования оптических модулей в водной среде. Глубоководные станции объединены в кластеры. Каждый из них соединен опто-электрическим кабелем с Береговым центром, где дежурные операторы круглосуточно наблюдают за работой телескопа.

Как рассказал министр науки и высшего образования России Валерий Фальков, телескоп позволяет решить много научных задач. Мы поймем, «как устроена Вселенная, прочитаем историю Вселенной, как зарождались галактики». Baikal-GVD поможет обнаруживать источники нейтрино сверхвысоких энергий, проводить исследования эволюции галактик. Уникальная установка также даст ученым беспрецедентные возможности для проведения геофизических, гидрологических и лимнологических исследований.

Директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ), академик РАН Григорий Трубников назвал событие «очередным триумфом российской науки и международного научного сотрудничества». С запуском телескопа, добавил академик, Россия сразу становится мировым лидером в области «исследования свойств нейтрино». Прежде всего Baikal-GVD позволит «регистрировать лучшую на порядок статистику нейтрино». «С помощью «Байкала» мы сумеем зафиксировать гораздо больше высокоэнергетических частиц, чем раньше, и даже будем регистрировать частицы, которые родились раньше, чем Солнечная система. Это позволит нам лучше понять рождение, развитие и устройство Вселенной. В начале апреля планируем завершить наращивание новых кластеров телескопа», – отметил Трубников.

Получаемые на телескопе данные формируют экспериментальную базу исследований проблем астрономии и астрофизики элементарных частиц. Еще на стадии создания телескопа благодаря его детекторам ученым удалось спрогнозировать 3-4 события от нейтрино высоких энергий астрофизической природы в 2021-2022 годах. Тот факт, что детекторы «поймали» потоки нейтрино и выделили эти частицы из многократно превышающего уровня шумовых и фоновых сигналов, уже является научным достижением мирового уровня.

Нейтрино – это одна из элементарных частиц, появляющихся в результате ядерных реакций, обладает феноменальной проникающей способностью – может преодолеть слой жидкого водорода толщиной в тысячу световых лет. В 2015 году за открытие нейтринных осцилляций, которые доказывают, что нейтрино обладает массой, была присуждена Нобелевская премия по физике. Ученые считают, что нейтрино может долететь до Земли из недр рождающихся или умирающих галактик и различных экзотических звездных объектов без существенных изменений и принести информацию о процессах, происходящих во Вселенной. Поэтому для того, чтобы ответить на главные вопросы астрономии и астрофизики об эволюции галактик и Вселенной, ученым необходимо исследовать потоки нейтрино сверхвысоких энергий от астрофизических источников.

Сложность исследования нейтрино состоит в том, что их очень сложно «уловить». Первые успешные результаты появились в 70-х годах. Детекторы Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН, расположенной в толще горы Андырчи в Приэльбрусье, одни из первых зарегистрировали частицы, летящие от Солнца и вспышек сверхновых. Но для того, чтобы зарегистрировать нейтрино более высоких энергий, необходимо было использовать чистую воду природных водоемов. Так появилась первая версия Байкальского нейтринного телескопа, строительство которой началось еще в 1990 году.

Нейтринные телескопы подобного типа расположены в Средиземном море, в Антарктиде, в Китае и Японии. Они тоже исследуют сигналы от высокоэнергичных нейтрино, прилетающих из космоса: из рождающихся или умирающих галактик и различных экзотических звездных объектов. Самый крупный нейтринный телескоп «Ледяной куб» (IceCube) располагается в Антарктиде и управляется международной коллаборацией. Его эффективный объем – почти половина кубического километра. Телескоп «Байкал» будет исследовать потоки нейтрино, «прошивающие» Землю с Южного полюса и выходящие в Северном полушарии, в районе Байкала. Два крупнейших нейтринных телескопа – антарктический и байкальский – создадут полную объемную картину («4p-геометрию») пронизывающих планету потоков сверхэнергичных частиц.

Ученый-астрофизик, почетный профессор МГУ Владимир Липунов дополняет, что рабочим элементом таких телескопов являются не линзы, а лед. Поэтому новый телескоп будет работать только в зимнее время. «Но фокус в том, что телескоп «ловит» нейтрино, которое пришло с обратной стороны земли. Это нейтрино летит из южного полушария через всю мантию, жидкое ядро и т.д., пока не родится следующая частица – разряженный мезон. Если эта частица рождается во льду, то когда она летит, она испускает черенковское излучение, которое «ловят» ученые. Уже нет сомнения, что нейтрино приходит из глубины Вселенной. Его впервые зарегистрировали лет десять назад на «Ледяном кубе», – отметил астрофизик.

Однако, чтобы понять, откуда именно приходит нейтрино, нужно установить направление, которое «определяется не очень точно». «Мировые телескопы уже пять лет дают не только регистрацию нейтрино, но и оперативную, в течение десятков секунд, информацию о приблизительных координатах его появления. А в России до сих пор не научились этого делать. Первое, что надо сделать – это наладить оперативную подачу информации о принятом нейтрино. В противном случае никто не поверит в ваше нейтрино, да и вы и сами не поймете, откуда оно приходит», – утверждает Липунов.

Сами ученые утверждают, что эффективный объем Байкальского нейтринного телескопа сравняется с «Ледяным кубом» уже в 2021 году и превзойдет его в последующие годы. Совместная работа двух этих установок, а также других телескопов, входящих в Глобальную сеть, позволит вести поиск источников нейтринного излучения на всей небесной сфере. Запуск телескопа решает ключевую задачу формирования мировой нейтринной сети – создание в Северном полушарии детектора, сравнимого по чувствительности с детектором IceCube на Южном полюсе.

По сравнению с другими телескопами главными преимуществами Байкальского нейтринного телескопа являются физические характеристики рабочей среды – байкальского льда. Они позволяют восстанавливать события основного типа – сопровождаемые каскадами заряженных частиц с угловым разрешением в районе 4 градусов. При этом достигаемая точность в IceCube составляет 10-15 градусов. Это значит, что угловое разрешение российского телескопа в несколько раз лучше, и появление телескопа с такими характеристиками открывает беспрецедентные возможности для исследований в области нейтринной астрофизики и астрономии высоких энергий.

«В астрофизике мы узнаем что-то новое об исследуемых объектах благодаря разным видам излучений. Возможность регистрировать нейтрино приносит нам новую информацию. Но нейтрино, помимо всего прочего, уникальны. Эти частицы очень плохо взаимодействуют с веществом и могут выбираться из разных интересных объектов, откуда другие частицы выбраться не могут. Благодаря нейтрино мы можем мониторировать в режиме реального времени темп термоядерных реакций в недрах солнца», – отмечает астрофизик, доктор физико-математических наук Сергей Попов.

Новый телескоп может помочь ученым реализовать давнишнюю идею – зарегистрировать нейтрино высоких энергий, которые возникают в экзотических астрономических процессах. «Но таких частиц мало. Чтобы поймать их, нужны большие детекторы. Есть небольшая вероятность, что нейтрино провзаимодействует с веществом, условно говоря, в стакане воды. Только ждать придется очень долго, но мы хотим получать результаты хотя бы при жизни исследователей. Поэтому мы берем очень большой «стакан» воды. Сначала это были некие цистерны, а потом ученые стали использовать естественные объемы, потому что искусственно создать такой большой контролируемый объем дорого. Появились детекторы в антарктическом льде и больших водных объемах», – пояснил астрофизик.

Самым большим водным объемом являются моря и океаны, но обилие различных святящихся микроорганизмов и сильные волнения воды мешают ученым. Поэтому естественные огромные озера более удобны. «Байкал уникален. Ученые и инженеры давно там работали, но сегодня установка вошла в стадию, когда появился большой детектор. До этого проводились отдельные эксперименты, что скорее было важно для отработки технологии», – сказал Попов.

По его словам, «Ледяной куб» и Baikal-GVD будут смотреть на разные части неба и таким образом начнут дополнять друг друга, смотря в разные стороны как хамелеон. «То, за чем сможет наблюдать байкальский эксперимент, нельзя будет наблюдать из Антарктиды и наоборот. Из Антарктиды не видна Большая Медведица, зато видны Магеллановы Облака – две близлежащие карликовые галактики», – пояснил эксперт.

Однако ждать быстрых открытий не приходится, опыт других телескопов подобного типа говорит о том, что на обнаружение частиц уходят годы. «Хотя наблюдательная астрофизика – это такая наука, где может просто повезти. Все большие проекты правильно делать совместными. Нейтринные данные дополняют данные наблюдения в других диапазонах», – подытожил Попов.