*
Проект TAIGA: как изучают самые мощные объекты во Вселенной?
08 апреля

Проект TAIGA: как изучают самые мощные объекты во Вселенной?

Исследования потоков астрофизических гамма-квантов настолько сложны, что во всем мире установок для подобных исследований существует всего три. Четвертой будет TAIGA — гамма-обсерватория в Тункинской долине в Бурятии, на астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета. Однако для начала надо понять, что такое гамма-кванты и какая от них польза.

Небесный фейерверк

— Многие тысячи лет всю информацию о космосе человек получал с помощью оптических наблюдений, — объясняет руководитель Тункинского астрофизического центра коллективного пользования, доктор физмат наук, декан физического факультета ИГУ Николай Буднев. — Эта информация приходит к нам с помощью видимого света. Но на самом деле даже наше Солнце является источником многих других типов излучений, которые наш глаз, конечно, не улавливает. Чтобы лучше понять, какие процессы происходят в космических объектах, мы должны изучать все виды носителей информации. Одним из них является электромагнитное излучение в широком диапазоне энергий. Обычный свет, который воспринимает глаз человека, — это очень малая часть электромагнитного спектра. Любое излучение характеризуется его энергией. Энергия рентгеновского излучения в несколько тысяч раз выше, чем энергия видимого света. А есть объекты, которые излучают вот эти гамма-кванты с энергией в миллионы и миллиарды раз большей, чем рентгеновское излучение. Гамма-кванты — это кванты (минимальные неделимые порции) электромагнитной энергии, которая измеряется вот такими величинами.

Задача всех гамма-обсерваторий в том, чтобы исследовать космические источники, которые излучают гамма-кванты сверхвысоких энергий. Однако просто уловить гамма-кванты нельзя: наша атмосфера для них непрозрачна. Уже на высоте 30-40 километров они взаимодействуют с атомами воздуха.

Гамма-кванты обладают такой гигантской энергией, что встреченные ими молекулы распадаются на куски, которые с огромной скоростью летят дальше, сталкиваются с другими атомами, которые тоже разваливаются. В процессе этих столкновений образуется множество самых разных частиц, которые каскадами обрушиваются на Землю.

Но как гамма-обсерватория может регистрировать эти каскады? Дело в том, что, двигаясь к Земле, частицы каскадов светятся, излучая так называемый черенковский свет. Гамма-телескопы регистрируют именно эти вспышки света, порождаемые каскадом после взаимодействия гамма-квантов с атмосферой.

Зеркало и глаз

Основная информация о гамма-излучении получена с помощью специальных установок. В них имеется от двух до пяти телескопов с зеркалами диаметром от 4 до 28 метров и камерами, регистрирующими изображения каскадов в атмосфере в черенковском свете. В принципе эти камеры подобны камерам обычных фотоаппаратов, только имеют диаметр больше метра, обладают очень высокой чувствительностью и быстродействием. По свойствам изображения, которое получается в камере, можно определить направление движения гамма-квантов, их энергию и выделить их потоки из фона, создаваемого другими частицами.

Подобных установок в мире всего три: в Намибии, в США и на Канарах. Обсерватория TAIGA должна стать четвертой. Условия работы таких обсерваторий крайне жесткие. Наблюдения можно вести только ночью в ясную погоду при отсутствии фоновых источников света. В местах расположения гамма-обсерваторий должно быть очень много ясных дней в году, очень прозрачная атмосфера и никаких населенных пунктов поблизости. В Европе такую установку не построишь: слишком сильный световой фон и слишком загрязненная атмосфера. Поэтому гамма-обсерватории размещаются или в пустыне (как в Намибии и США) или высоко в горах, как на Канарах. В России оптимальным местом для обсерватории оказалась Тункинская долина в Бурятии, где уже много лет существует Тункинский астрофизический центр коллективного пользования ИГУ.

Все гамма-обсерватории весьма дороги. Для получения достоверных данных о событии каждую вспышку надо увидеть не с одной точки, а с нескольких. Чем больше точек, тем выше точность получаемых данных. Поэтому в каждой из трех главных гамма-обсерваторий мира работает несколько телескопов. В Намибии их пять. На Канарских островах два, в США четыре. Особенность всех трех установок в том, что телескопы в них находятся на небольшом расстоянии друг от друга — примерно в ста метрах. Вся информация восстанавливается по данным этих телескопов.  

Уникальность российской установки состоит в следующем. Ученые-астрофизики международной коллаборации TAIGA на основе многолетнего опыта исследований разработали проект, в котором классические гамма-телескопы работают совместно с относительно дешевыми детекторами.

— Эти детекторы представляют собой сверхчувствительный глаз, который смотрит в небо и регистрирует вспышки, — рассказывает Николай Буднев. — На площади один квадратный километр мы установили 120 детекторов с шагом 106 метров. Получается такая решетка. Важно, что эти детекторы во много раз дешевле телескопов.

По данным решетки детекторов можно с очень высокой точностью определить энергию и направление каскада, повторяющее направление полета гамма-квантов. Однако эти данные не решают проблему радикально. Помимо  гамма-квантов в атмосферу постоянно приходят ядра с очень высокими энергиями. Их куда больше, чем гамма-квантов. Ученым важно определить, какой частицей порожден каскад: ядром или гамма-квантом. Это можно сделать только на основе анализа изображений, которые регистрируют камеры телескопов.

Но если знать данные детекторов, для выделения гамма-квантов из потока ядер достаточно зарегистрировать каскад только одним телескопом. Это ноу-хау астрофизиков позволило увеличить расстояние между телескопами и соответственно уменьшить их количество при создании установки на большой площади. Если в других установках телескопы ставятся на расстоянии сто метров друг от друга, то в Тункинской долине их разделяет 400-500 метров. Это означает, что на один квадратный километр надо всего три телескопа, а не десятки.

— А представьте, сколько телескопов потребовалось бы на площадь 10 кв км! — говорит Буднев. — Теперь с нашими детекторами их будет всего около полутора десятков. Но не сто. В этом особенность нашего подхода. Он позволяет сделать установку на большой площади и при этом не слишком дорогую.

Сверхновая над Иркутском

Гамма-кванты излучают только космические объекты с колоссальным  выделением энергии. На сегодняшний день таких объектов обнаружено уже больше 200. Какие-то видны в Южном полушарии, какие-то в Северном. Установка в Тункинской долине самая северная в мире. Она позволяет изучать объекты, которые не видны на других установках. С помощью данных гамма-обсерваторий можно понять природу космических объектов и получить представление об их химическом составе и процессах, которые в них происходят.

Первым объектом, которые начали изучать в гамма-обсерватории TAIGA, стала Крабовидная туманность, которая по космическим меркам находится довольно близко от Солнечной системы. Это остатки сверхновой взорвавшейся в 1054 году. Взрыв был таким мощным, что, как сообщают летописи, на Земле ночью было светло. Кстати, ученые полагают, что и Вифлеемская звезда тоже была сверхновой, взорвавшейся неподалеку от нас.

— Цель нашей обсерватории — изучить объекты с самой высокой энергией, какие есть во Вселенной: сверхновые звезды, блазары и некоторые другие, —говорит Буднев. — Мы делаем спектральный анализ этих объектов в самых высокоэнергетических зонах спектра. С помощью одной установки невозможно измерить весь диапазон спектра. Мы специализируемся на верхнем энергетическом диапазоне. Остальные исследуют, в основном, потоки гамма-квантов более низких энергий. Потом все данные складываются, что позволяет получить более или менее понятную картину вселенной высоких энергий.

Цель международной коллаборации ученых во главе с иркутскими астрофизиками — создать установку с площадью в 10 раз больше, чем тот пилот, который уже действует в Тункинской долине. Понятно, что прежде чем запускать такой проект, нужно досконально изучить все физические и технические стороны работы пилотной установки. Это позволит с минимальными затратами довести гамма-обсерваторию TAIGA до полной реализации.

— Мы сейчас года два будем тестировать эту маленькую установку, — объясняет Буднев. — Она уже работает, но мы все время что-то совершенствуем в ней. Еще два года уйдет на создание проекта новой установки. В итоге мы планируем запустить в работу большой комплекс года через 4-5. Тут трудно назвать точные сроки. Понятно, что его стоимость будет значительно больше, чем стоимость нашей установки, которая стоит около 500 млн рублей. Большой проект обойдется примерно в 5 млрд.

Для справки. Проект TAIGA относится к разряду мегасайенс и делается, что называется, всем миром. Головной организацией в международной коллаборации является ИГУ. В 2013 году ИГУ выиграл мегагрант правительства РФ в размере 90 млн рублей. В 2015 году грант был продлен на два года, и ИГУ получил еще 30 млн. В 2017 году Минобрнауки России поддержало проект дополнительным финансированием в размере 170,7 млн рублей.

Основные понятия

Квант — минимальная неделимая порция чего-либо.

Гамма–кванты — кванты электромагнитного излучения, несущие огромную энергию.

Черенковское излучение — свет, который излучается заряженными частицами, когда они движутся в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Этот эффект был открыт в 1934 году советскими физиками Сергеем Вавиловым и Павлом Черенковым. В 1958 году, уже после смерти Сергея Вавилова, за это открытие советские ученые Черенков, Тамм и Франк получили Нобелевскую премию по физике.

Сверхновая звезда или вспышка сверхновой — явление, в ходе которого звезда резко увеличивает свою яркость на 4-8 порядков (на 10-20 звездных величин). После чего сравнительно медленно затухает. Вспышка является результатом катастрофических процессов, происходящих в конце эволюции некоторых звезд. Взрыв сверхновой сопровождается выделением огромного количества энергии.

Блазары — активные ядра галактик, одни из самых мощных объектов во Вселенной.

Текст: Ольга Андреева

Фото: второй атмосферный черенковский телескоп гамма-обсерватории TAIGA // Виктор Ежов