Как в Тункинской долине разгадывают тайны Вселенной

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 ее 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 партнеров.

Наша машина остановилась перед въездом на территорию, где расположен небольшой научный поселок. 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 поселка — учеными 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. Молодой ученый с большой копной рыжих волос, выбивающихся из-под кепки, весело нам сообщил, что большую часть года проводит здесь, на полигоне.

«А у нас свет только что выключили. Но ничего, сейчас запустим запасной генератор», — сказал он и быстро вышел из домика. Через несколько минут в комнате загудели генератор и чайник. С кружкой ароматного кофе, который Александр сварил в турке, я с остальными гостями обсерватории устроилась за большим столом, чтобы послушать рассказы о Вселенной, звездах и будущих открытиях.

— В обсерватории мы занимаемся изучением частиц максимально высоких энергий, которые рождаются при катастрофических процессах во Вселенной — взрывах сверхновых звезд 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. Впервые на полигон Анна приехала, будучи еще студенткой, и ее так захватила научная деятельность, что девушка решила посвятить себя ей. Анна занимается обработкой данных, поэтому большую часть времени проводит в Иркутске, а сюда приезжает по необходимости. Девушка рассказала, зачем ученые изучают вторичные частицы с высокой проникающей энергией.

— Познав их природу, можно получить информацию о глобальных явлениях, происходящих во Вселенной. Речь о сверхновых, активных галактических ядрах, нейтронных звездах. Существует несколько теорий. Согласно одной из них, именно при взрыве сверхновой звезды возможно рождение высокоэнергичных 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 своем рождении гигантские энергии, какие на земных ускорителях получить нельзя, — поясняет Анна.

По словам молодых ученых, 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 ученым только предстоит проверить», — добавили они.

В обсерватории пытаются разгадать природу «темной материи».

— В существовании «темной материи» все уверены, но увидеть и пронаблюдать ее невозможно: это темное вещество не взаимодействует со светом так, как взаимодействует обычная материя, из которой состоят звезды, планеты и живые организмы на Земле. Однако есть предположения, что «темная материя» при взаимодействии с другими частицами может порождать высокоэнергетичные гамма-кванты, которые мы как раз и ловим. Поэтому одна из наших задач – это поиск «темных» 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. Александр Пахоруков прыгнул на мотоцикл и быстро умчал к одной из установок, чтобы запустить генератор и показать нам устройства в действии. А мы с Анной неспешно пошли за ним.

В обсерватории проводится множество научных экспериментов, какие-то круглосуточно, а некоторые — только в определенные 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 закреплен научный сотрудник, который следит за ее 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 (это 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 ведра 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 идет только в темные, 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.

Ученые здесь не только занимаются наблюдениями, они сами собирают оборудование и даже копают траншеи для прокладки кабелей. «Я здесь все знаю от и до», — смеясь, говорит Александр.

Мое внимание привлек большой телескоп — это TAIGA-IACT. Телескоп состоит из сегментированного отражателя и камеры, которая имеет разрешение 574 пикселя, в каждом из которых находится фотоумножитель с конусом Уинстона (светоприемник). 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 нее 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 счетчиков, размещенных в 19 станциях. И мы идем к одной из них. В небольшом помещении, напоминающем гараж, находится наземная часть с двенадцатью счетчиками. Спускаюсь по лестнице в подвал. Здесь расположена подземная часть с восьмью счетчиками. Общая площадь всех станций составляет около квадратного километра.

Как пояснил Александр, эти станции измеряют частицы космических лучей вблизи земли, в частности, 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 ученые занимаются ремонтом, профилактикой и монтажом нового оборудования. Основная работа ведется осенью и зимой.

В обсерватории дежурят ученые и студенты. Перед нашим отъездом как раз прибыли несколько студентов третьего курса ИГУ: кто-то занимается на полигоне, кто-то — обработкой данных в Иркутске. Девушки с горящими глазами приезжают сюда в надежде однажды стать частью крупного открытия.

– Я работаю с телескопом, – говорит Александра. – В прошлом году проходила практику, а сейчас приезжаю уже как полноценный сотрудник.

– Я прохожу практику, – рассказывает Арина. – Пишу курсовую работу. Но в будущем также хочу здесь работать.

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.

Анастасия Маркова, IRK.ru
Фото автора

Анастасия Маркова, IRK.ru