Телескоп, построенный для обнаружения нейтрино, космических частиц настолько крошечных, что многие триллионы проходят через каждого из нас каждую секунду, под замерзшим озером Байкал в России близок к получению научных результатов после четырех десятилетий неудач.
Стеклянный шар размером с пляжный мяч падает в проем во льду и спускается по металлическому тросу на дно самого глубокого озера в мире. Потом еще и еще.
Эти светочувствительные шары останавливаются подвешенными в кромешной тьме на глубине до 4000 футов от поверхности. Кабель, по которому они проходят, содержит 36 таких шаров, расположенных на расстоянии 50 футов друг от друга. В двух милях от неровного южного берега этого озера в Сибири с дном глубиной более мили вниз проложено 64 таких троса, удерживаемых якорями и буями .
Это телескоп, самый большой в своем роде в Северном полушарии, созданный для исследования черных дыр, далеких галактик и остатков взорвавшихся звезд. Он делает это путем поиска нейтрино, космических частиц, настолько крошечных, что каждую секунду через каждого из нас проходят триллионы. Если бы мы только могли научиться читать сообщения, которые они несут, как считают ученые, мы могли бы нанести на карту Вселенную и ее историю способами, которые мы еще не можем полностью постичь.
«Никогда не упускайте шанс задать природе какой-либо вопрос, — сказал 80-летний Григорий Домогацкий, российский физик, который в течение 40 лет руководил поисками создания этого подводного телескопа. После паузы он добавил: «Никогда не знаешь, какой ответ получишь».
Он все еще строится, но телескоп, о котором давно мечтали доктор Домогацкий и другие ученые, ближе, чем когда-либо, к достижению результатов. И эта охота за нейтрино из дальних уголков космоса, охватывающая эпохи геополитики и астрофизики, проливает свет на то, как России удалось сохранить часть научного мастерства, характерного для Советского Союза, а также на ограниченность этого наследия.
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, охватывающего около четверти кубической мили льда в Антарктиде.
Григорий В. Домогацкий, русский физик, в течение 40 лет руководил поисками строительства обсерватории.
Телескоп находится в двух милях от южного побережья озера Байкал в Сибири. Дно озера находится на глубине более мили, что делает его самым глубоким озером в мире.
Евгений Плисковский, ученый, отслеживает данные из здания на берегу Байкала.
Используя сетку световых детекторов, аналогичную байкальскому телескопу, IceCube идентифицировал в 2017 году нейтрино, которое, по словам ученых, почти наверняка пришло из сверхмассивной черной дыры. Это был первый случай, когда ученые определили источник дождя частиц высокой энергии из космоса, известного как космические лучи, — прорыв в нейтринной астрономии, которая остается в зачаточном состоянии.
Специалисты в этой области полагают, что, научившись читать Вселенную с помощью нейтрино, они смогут делать новые, неожиданные открытия — так же, как создатели линз, которые первыми разработали телескоп, не могли представить, что Галилей позже воспользуется им для открытия спутников Юпитера .
«Это как смотреть на небо ночью и видеть одну звезду», — сказал в телефонном интервью Фрэнсис Л. Халзен, астрофизик из Университета Висконсина в Мэдисоне и директор IceCube, описывая текущее состояние охоты. для призрачных частиц.
Ранние работы советских ученых помогли доктору Хальзену в 1980-х годах создать детектор нейтрино во льдах Антарктики. Доктор Халзен говорит, что его команда полагает, что, возможно, она обнаружила два дополнительных источника нейтрино, прибывающих из глубокого космоса, но с уверенностью сказать трудно, потому что никто другой их не обнаружил. Он надеется, что это изменится в ближайшие годы по мере расширения Байкальского телескопа.
«Мы должны быть сверхконсервативными, потому что в настоящий момент никто не может проверить, что мы делаем», — сказал доктор Халзен. «Мне интересно провести еще один эксперимент, с которым можно взаимодействовать и обмениваться данными».
В 1970-х годах, несмотря на холодную войну, американцы и Советы вместе работали над созданием первого глубоководного нейтринного детектора у побережья Гавайев. Но после того, как Советский Союз вторгся в Афганистан, Советский Союз был исключен из проекта. Итак, в 1980 году Институт ядерных исследований в Москве начал свою собственную работу по созданию нейтринного телескопа, возглавляемую доктором Домогацким. Место, где можно было попробовать, казалось очевидным, хотя до него было около 2500 миль: Байкал.
Этот проект не продвинулся далеко за рамки планирования и проектирования, пока Советский Союз не распался, в результате чего многие ученые страны оказались в нищете, а их усилия — в беспорядке. Но институт за пределами Берлина, который вскоре стал частью немецкого центра исследования частиц DESY, присоединился к усилиям Байкала.
Кристиан Спиринг, возглавлявший немецкую команду, вспоминает, как отправлял сотни фунтов масла, сахара, кофе и колбасы для ежегодных зимних экспедиций по льду Байкала. Он также привез в Москву наличные на тысячи долларов в дополнение к скудным зарплатам россиян.
Доктор Домогацкий и его команда настаивали. Д-р Спиринг вспоминает, что когда литовский производитель электроники отказался принимать рубли в качестве оплаты, один из физиков договорился об оплате поездом, полным кедрового дерева.
В разговоре с доктором Спирингом доктор Домогацкий однажды сравнил своих ученых с лягушкой из русской пословицы, которая упала в чан с молоком и у которой был только один способ выжить: «Она должна двигаться, пока молоко не превратится в масло».
Восходящее солнце над Байкалом. Зимой озеро покрывают три фута льда, что является идеальной платформой для установки подводного фотоумножителя.
Исследователи делают перерыв на чай в фургоне на территории обсерватории.
Буи ждут, пока их соединят со сферическими детекторами света, прежде чем погрузиться под лед.
К середине 1990-х российской группе удалось идентифицировать «атмосферные» нейтрино — те, которые образуются в результате столкновений в атмосфере Земли, — но не те, которые приходят из космоса. Для этого потребуется детектор побольше. Когда в 2000-х годах при президенте Владимире Путине Россия начала реинвестировать в науку, доктору Домогацкому удалось получить более 30 миллионов долларов финансирования на строительство нового байкальского телескопа размером с IceCube.
Озеро имеет глубину в милю, с одной из самых чистых пресных вод в мире, а железная дорога царских времен удобно огибает южный берег. Самое главное, зимой он покрыт льдом толщиной в три фута: это идеальная природная платформа для установки подводного фотоумножителя.
«Как будто Байкал создан для такого рода исследований», — сказал Баир Шайбонов, исследователь проекта.
Строительство началось в 2015 году, и первая фаза, включающая 2304 световых шара, подвешенных в глубинах, должна быть завершена к моменту таяния льда в апреле. (Сферы остаются подвешенными в воде круглый год, наблюдая за нейтрино и отправляя данные на базу ученых на берегу озера по подводному кабелю.) Телескоп собирал данные в течение многих лет, но министр науки России Валерий Н. Фальков погрузился в воду через прорубь во льду, сделанной цепной пилой в рамках церемонии открытия, сделанной для телевидения в этом месяце.
Байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету, с другой стороны, 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. Но почти все нейтрино — 100 миллиардов из которых проходят через кончик вашего пальца каждую секунду — продолжают, по сути, по прямой.
Тем не менее, когда нейтрино очень редко попадает в атомное ядро в воде, оно производит конус синего света, называемый черенковским излучением. Эффект был обнаружен советским физиком Павлом А. Черенковым, одним из бывших коллег доктора Домогацкого в его институте в Москве.
Многие физики считают, что если вы потратите годы на наблюдение за миллиардом тонн глубокой воды на предмет невообразимо крошечных вспышек черенковского света, вы в конечном итоге найдете нейтрино, которые можно проследить до космических пожаров, которые испустили их на миллиарды световых лет от нас.
Ориентация синих конусов даже показывает точное направление, откуда пришли вызвавшие их нейтрино. Не имея электрического заряда, нейтрино не подвержены влиянию межзвездных и межгалактических магнитных полей и других влияний, которые перемешивают пути других типов космических частиц, таких как протоны и электроны. Нейтрино проходят сквозь вселенную настолько прямо, насколько позволяет эйнштейновская гравитация .
Это то, что делает нейтрино столь ценными для изучения самых ранних, самых далеких и самых жестоких событий во Вселенной. И они могут помочь прояснить другие загадки, например, что происходит, когда звезды, намного более массивные, чем Солнце, коллапсируют в сверхплотный шар нейтронов примерно 12 миль в поперечнике, испуская огромное количество нейтрино.
Старое здание железной дороги на южной оконечности озера было преобразовано в столовую для ученых, работающих в обсерватории.
Узоры на льду на поверхности озера.
Несмотря на значимость проекта, он имеет скромный бюджет: почти все из примерно 60 ученых провели февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты.
«Он путешествует по Вселенной, не сталкиваясь практически ни с чем и ни с кем», — сказал доктор Домогацкий о нейтрино. «Для него вселенная — прозрачный мир».
Байкальский телескоп изучает небо в Южном полушарии, поскольку он по сути смотрит сквозь планету. Это делает его дополнением к IceCube в Антарктиде, наряду с европейским проектом в Средиземном море, строительство которого находится на ранней стадии.
«Нам нужен аналог IceCube в Северном полушарии», — сказал д-р Спиринг, который по-прежнему участвует в проектах IceCube и Baikal.
Доктор Домогацкий говорит, 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 ученых, работающих над телескопом, обычно проводят февраль и март в своем лагере на Байкале, устанавливая и ремонтируя его компоненты. IceCube, напротив, включает около 300 ученых, большинство из которых никогда не были на Южном полюсе.
В наши дни доктор Домогацкий больше не участвует в ежегодных зимних экспедициях на Байкал. Но он по-прежнему работает в том же институте советской эпохи, где он поддерживал свою нейтринную мечту на плаву через коммунизм, хаотические 1990-е и более чем два десятилетия правления г-на Путина.
«Если вы беретесь за проект, вы должны понимать, что вы должны реализовать его в любых возникающих условиях», — сказал д-р Домогацкий, стуча по столу для подчеркивания. «В противном случае нет смысла даже начинать».
Олег Мацнев участвовал в исследовании.
