Как в Тункинской долине разгадывают загадки Вселенной

Установка TAIGA-HiSCORE
Установка TAIGA-HiSCORE

Из чего состоит и откуда взялась «тёмная материя», как рождаются сверхновые звёзды и как устроена Вселенная — на эти и многие другие вопросы ищут ответы учёные-астрофизики крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA, которая расположена в Тункинской долине. Журналист IRK.ru побывала на полигоне и узнала, как выглядят установки, с помощью которых однажды может быть совершено открытие уровня Нобелевской премии.

Знакомство с учеными

Уникальная гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic ray and Gamma Astronomy) находится в 150 километрах от Иркутска на территории Тункинского астрофизического центра коллективного пользования ИГУ. О старте строительства обсерватории объявили в 2017 году, а уже в феврале 2021 года — о её готовности. Она представляет собой комплекс из нескольких установок, задача которых — регистрировать частицы сверхвысоких энергий, приходящих из Вселенной.

Проект стоимостью один миллиард рублей реализует международная коллаборация во главе с ИГУ, куда входят научные организации, институты и университеты России, Германии, Италии и Румынии. Это стало возможным благодаря грантам Правительства РФ и вложениям зарубежных партнёров.

Наша машина остановилась перед въездом на территорию, где расположен небольшой научный посёлок. Буквально в двух шагах от него, на полигоне площадью в один квадратный километр, окруженной горами, расположены уникальные установки для космических исследований. Экскурсия в долину будет чуть позже, а сейчас предстоит встреча с жителями посёлка — учёными и работниками обсерватории.

Нас встречает директор НИИ прикладной физики ИГУ Андрей Танаев. Он пояснил, что место строительства обсерватории выбрано не случайно: оно находится на природной возвышенности и вдали от света городских огней. Кроме этого, здесь хороший климат и много ясных дней и ночей в году. В планах, поделился Андрей Танаев, создание установки TAIGA-10 — на десяти квадратных метрах и на большей высоте относительно уровня моря, возможно, в верховье Тункинской долины или на территории сразу за границей с Монголией.

Заходим в небольшое строение, где находится кухня и столовая. Там хозяйничает Александр Пахоруков, младший научный сотрудник НИИ прикладной физики ИГУ. С кружкой ароматного кофе, который Александр сварил в турке, я с остальными гостями обсерватории устроилась за большим столом, чтобы послушать рассказы о Вселенной, звёздах и будущих открытиях.

– В обсерватории мы занимаемся изучением частиц максимально высоких энергий, которые рождаются при катастрофических процессах во Вселенной: взрывах сверхновых звёзд или в ядрах галактик. Эти частицы приходят не только из галактики, а также из метагалактики (вся обозримая Вселенная, которую мы способны увидеть в телескопы; сюда входят миллиарды галактик и скоплений. – Прим. ред.). Когда высокоэнергетичная частица долетает до нашей Земли, она встречается с атмосферой и, взаимодействуя с ней, порождает каскады вторичных частиц, которые также обладают огромной энергией. Поток вторичных частиц, который доходит до нашей поверхности, мы регистрируем с помощью широких атмосферных ливней (ШАЛ), — рассказывает Александр.

К разговору присоединяется научный сотрудник лаборатории НИИ прикладной физики ИГУ Анна Иванова. 

— Познав их природу, можно получить информацию о глобальных явлениях, происходящих во Вселенной. Речь о сверхновых, активных галактических ядрах, нейтронных звёздах. Существует несколько теорий. Согласно одной из них, именно при взрыве сверхновой звезды возможно рождение высокоэнергетичных частиц. И при помощи проводимых в обсерватории экспериментов мы можем проверить, так ли это на самом деле. Ведь посланники всех этих процессов – это как раз маленькие микрочастицы, получающие при своём рождении гигантские энергии, какие на земных ускорителях получить нельзя, — поясняет Анна.

По словам молодых учёных, есть предположение, что космические частицы являются триггерами землетрясений и грозовой активности. Это предположение позволило им сделать случайное открытие: за несколько часов до крупных толчков, произошедших с сентября 2020 года, приборы зарегистрировали изменение электромагнитного поля. «Но это только предположение, которые учёным только предстоит проверить», — добавили они.

В обсерватории пытаются разгадать природу «тёмной материи».

– В существовании «тёмной материи» все уверены, но увидеть и пронаблюдать её невозможно: это тёмное вещество не взаимодействует со светом так, как взаимодействует обычная материя, из которой состоят звёзды, планеты и живые организмы на Земле. Однако есть предположения, что «тёмная материя» при взаимодействии с другими частицами может порождать высокоэнергетичные гамма-кванты, которые мы как раз и ловим. Поэтому одна из наших задач – это поиск «тёмных» частиц – открытие Нобелевского уровня. И эта задача может быть решена на наших установках, — пояснил Андрей Танаев.

Экскурсия по полигону

Настало время своими глазами увидеть оборудование обсерватории. В ней проводится множество научных экспериментов, какие-то круглосуточно, а некоторые — только в определённые часы. В последних участвует высокочувствительное оборудование, которое может сгореть под солнечными лучами, для него опасна даже лунная засветка.

Как рассказала Анна, на территории гамма-обсерватории TAIGA работает целый комплекс научного оборудования. Каждая установка представляет из себя сеть детекторов, установленных на большой площади; за каждой установкой закреплён научный сотрудник, который следит за её работой и техническим состоянием.

Здесь есть Черенковские установки с высокочувствительными фотоумножителями, с помощью которых в ясные безлунные ночи регистрируют «черенковское излучение»: TAIGA-HiSCORE и Tunka-133. На полигоне установлены и Черенковские телескопы, с помощью которых регистрируют изображение ШАЛ и черенковского света. Есть и сцинтилляционные установки (одна из разновидностей измерительной аппаратуры, предназначенной для регистрации элементарных частиц. — Прим. ред.), регистрирующие вторичные неоны, протоны и электроны, которые приходят к нам в ШАЛ.

На самом деле трудно представить, что все расположенные здесь установки — это дорогостоящее оборудование, которое поможет разгадать тайны Вселенной. На первый взгляд, оно больше напоминает металлические вёдра и ящики. Например, прибор Tunka-133.

Tunka-133 — это первая установка эксперимента TAIGA. Она состоит из 19 внутренних кластеров и семи внешних кластеров. С помощью этого оборудования измеряют черенковское излучение от широких атмосферных ливней во время ясных и безлунных ночей, — поясняет Анна.

Подходим к Черенковской установке TAIGA-HiSCORE, которая напоминает наклоненные ящики. Она регистрирует широкие атмосферные ливни по тому же принципу, что и Tunka-133, но при этом имеет более чувствительные оптические модули. Как пояснил Александр, все датчики ориентированы на созвездие Краб и следят за ним.

— Стеклянная поверхность устройства покрыта специальным составом. Когда фотон попадает на фотокатод, выбивается электрон, который под действием магнитного поля ускоряется, попадает на системы диодов, происходит лавинный процесс, и на выходе мы получаем электрический импульс. Это позволяет регистрировать единичные фотоны. Прилетел фотон, а родилась целая лавина электронов, которые дают импульс, который мы снимаем с фотоумножителя, – поясняет Александр, который курирует работу этой установки.

Черенковские установки позволяют с очень высокой точностью восстанавливать направления прихода энергии первичной частицы. Их недостаток – из-за чувствительных фотодетекторов они не могут работать при ярком свете, поэтому работа идёт только в тёмные, ясные, безлунные ночи. Они всегда закрыты, открываются только после заката, согласно календарю, в котором отмечены дни, когда это можно делать. Чтобы продемонстрировать установку в действии, для нас запустили оборудование, приоткрыв его буквально на несколько секунд.

Учёные здесь не только занимаются наблюдениями, они сами собирают оборудование и даже копают траншеи для прокладки кабелей. «Я здесь всё знаю от и до», — смеётся Александр.

Моё внимание привлек большой телескоп — TAIGA-IACT. Телескоп состоит из сегментированного отражателя и камеры, которая имеет разрешение 574 пикселя, в каждом из которых находится фотоумножитель с конусом Уинстона (светоприёмник). Размер каждого пикселя — 30 миллиметров.

По сути, это большой фотоаппарат, который следит за объектами на небе. Он работает в режиме слежения. Например, в южной полусфере проходит крабовидная туманность (газообразная туманность в созвездии Тельца, являющаяся остатком сверхновой SN 1054. — Прим. ред.), как только она появляется в области видимости телескопа, он сразу на неё наводится и за ней движется. Сейчас он следит за известными источниками, чтобы отработать методику поиска источника.

Одно из оборудований комплекса, которое я хотела увидеть, – это установка Tunka-Grande, которая состоит из 380 сцинтилляционных счётчиков, размещённых в 19 станциях. И мы идём к одной из них. В небольшом помещении, напоминающем гараж, находится наземная часть с двенадцатью счётчиками. Спускаюсь по лестнице в подвал. Здесь расположена подземная часть с восемью счётчиками. Общая площадь всех станций составляет около квадратного километра.

Как пояснил Александр, эти станции измеряют частицы космических лучей вблизи земли, вчастности, электроны и мюоны. Все станции Tunka-Grande расположены вблизи детекторов Tunka-133. Они работают одновременно с антеннами установки Tunka-Rex,чтобы повысить точность определения состава космических лучей.

В отдельном домике находится центр сбора данных. Здесь накапливается и записывается на электронные носители вся информация, которую дежурный увозит в институт. «Множество терабайтов проще увезти на дисках, чем передавать по Интернету», — добавляет Анна. Данные частично обрабатываются в Иркутске, частично – в Москве.

Летом все установки законсервированы, так как вывести электронику из строя могут грозы. Наблюдения также приостановлены. В это время учёные занимаются ремонтом, профилактикой и монтажом нового оборудования. Основная работа ведётся осенью и зимой.

В обсерватории дежурят учёные и студенты. Перед нашим отъездом как раз прибыли несколько студентов третьего курса ИГУ: кто-то занимается на полигоне, кто-то — обработкой данных в Иркутске. Сейчас подходит к завершению калибровка всех устройств, расположенных на территории обсерватории TAIGA. Иркутские исследователи с нетерпением ждут момента, когда оборудование заработает в полную силу, чтобы приблизиться к разгадке тайн Вселенной.