Физика/ 9. Астрофизика и космические лучи

Учитель физики высшей квалификационной категории Онькова О.В.

МКОУ Сокурская СОШ Мошковского р-на Новосибирской обл., Россия

Недремлющее око Байкала

Чтобы как-то застраховать себя от непредвиденных ситуаций, происходящих в окружающем необъятном пространстве, человек должен держать ситуацию под контролем, используя для этого новейшее оборудование. Исследовать загадочные объекты Вселенной, черные дыры и сверхновые звёзды, а также следить за состоянием климата Земли российским ученым помогает самый необычный телескоп мира – нейтринный, установленный в глубинных водах Байкала. Этот уникальный прибор можно сравнить с глазами, которые сквозь Землю смотрят на Вселенную. Более 30 лет около 50 российских и зарубежных астрофизиков работают на Байкале, чтобы поймать мельчающую частицу – нейтрино. И это неудивительно – их исследования имеют мировое значение![5]

Нейтрино – это самые неуловимые и в тоже время самые интересные для ученых-физиков и астрономов элементарные частицы. Бесконечно легкие, они движутся почти со скоростью света, очень слабо взаимодействуя с окружающим веществом. Именно благодаря этим свойствам они могут пройти сквозь плотную материю и принести много ценной информации об устройстве сверхмощных источников энергии во Вселенной – так называемых, активных галактических ядрах, сверхновых звездах и квазарах. В силу уникальных свойств нейтрино очень сложно изучать: обычные телескопы не способны их увидеть – требуются специальные, нейтринные. Сегодня на планете всего 3 нейтринных телескопа: на Южном полюсе, в Средиземном море и на Байкале. Байкал идеально подходит для таких исследований. Пресная байкальская вода не портит дорогостоящие материалы, высокая прозрачность воды позволяет получать точные данные. В Байкале не водятся светящиеся организмы, которые «засвечивают» нейтрино в соленых морских водах. Кроме того, на Байкале реже, чем в море или океане случаются шторма, относительно слабые течения не сносят оборудование. А зимой озеро покрывается толстым слоем льда, который очень удобно использовать как платформу для монтажных работ.

Нейтринный телескоп помогает понять, что происходит в черных дырах и на солнце, что представляет собой темная материя. Помимо этого, он помогает решать и земные задачи. С его помощью специалисты обнаружили, что вода Байкала обладает собственным свечением. А по его интенсивности можно судить о степени загрязнения озера. Уже несколько лет физики помогают биологам следить за экологией Байкала.

Первая лаборатория нейтринной астрофизики высоких энергий, целью которой стало создание на озере Байкал глубоководных установок для исследования потоков мюонов и нейтрино, была построена в 1980 г. в ИЯИ АН СССР. Создание больших детекторов для исследований в области нейтринной астрофизики в таком естественном водоеме как озеро Байкал имело следующие преимущества:

v Наличие мест в озере Байкал с глубиной более 1 км, расположенных недалеко от берега.

v Поглощение и рассеяние света в Байкальской воде мало. Длина поглощения света в месте дислокации детектора составляет 20 м. Длина рассеяния около 15 м.

v Наличие ледового покрова в течение приблизительно 8 недель существенно облегчает развертывание детектора (по сравнению с реализацией аналогичных проектов в океане).

Байкальский нейтринный телескоп (см. рис.) состоит из двух сотен светочувствительных фотоумножителей (“Квазаров”), закрепленных на восьми тросах (стрингах), собранных в единую зонтикообразную структуру, и спущенных в воду южного Байкала на глубину больше километра. Сигналы от “квазаров” уходят по проложенным по дну кабелям на берег, где располагается Центр управления, приема и обработки данных телескопа [3]. “Квазары” регистрируют в среднем 10 вспышек за секунду, почти 900 тысяч в сутки – и это при условии, что километровая толща воды над фотоумножителями отсекает большую часть посторонних частиц, движущихся сверху. Поэтому, регистрируя каждую частицу, определяют ее траекторию и, затем, отбирают только те частицы, которые двигались снизу вверх (они рождаются в воде или в толще Земли при прохождении нейтрино сквозь земной шар). Одна такая частица попадается раз вдвое суток. Раз в год, когда на озере встает лед, гирлянды телескопа поднимают на поверхность. Ученые заменяют неисправные элементы.

Григорий Домогацкий, руководитель байкальского нейтринного проекта, пояснил:

— У байкальского детектора есть очень симпатичное качество, что, находясь здесь, он способен сквозь Землю в течение 16 часов видеть центр нашей Галактики - район активнейших процессов, где протекают очень активные астрофизические процессы, откуда, наверняка, должен идти мощный поток нейтрино, и который можно наблюдать и исследовать [1].

Подобная мощная установка есть и на Южном полюсе, установленная американскими учеными. Они разместили детекторы прямо во льду. Эти два телескопа дополняют друг друга и позволяют представить полную картину, происходящую во Вселенной. Однако, как считают специалисты, шансов получить информацию о самых мощных источниках энергии во Вселенной больше у наших ученых. Сотрудник Объединенного института ядерных исследований Игорь Белолаптиков отметил:

«На Южном полюсе установка может смотреть только в одну сторону, а мы можем смотреть абсолютно в другую. И наиболее интересные объекты Вселенной, наиболее яркие, как раз находятся в той точке, в которую мы можем смотреть» [4].

В 2011 году на телескопе происходили очень важные события: завершалось тестирование новых – современных и мощных – оптических модулей. При условии удачного завершения эксперимента, эти модули начнут тиражировать. Для байкальского телескопа их нужно будет сделать более двух тысяч штук. Хрупкий с виду шар выдерживает громадное давление воды – его опускают на глубину почти полтора километра. Внутри размещен специальный прибор для регистрации нейтрино и фотоумножитель. Несмотря на то, что пока ведутся только фундаментальные исследования, ученые смотрят в будущее с оптимизмом. Руководитель проекта «Байкальский нейтринный телескоп» Григорий Домогацкий уверен:

«Человеку нужно исследовать мир, в котором он живет. Наука в этом смысле вещь совершенно непредсказуемая. Куда она выстрелит, какой она даст выход, вам никто, даже самый мудрый ученый, не предскажет».

Телескопы пока регистрируют только те нейтрино, что родились в атмосфере нашей планеты. Усовершенствованный мегателескоп, больше существующего в сто раз, планируют запустить лет через шесть. И тогда, как уверены ученые, нейтрино, долетевшие из самых дальних уголков Вселенной, смогут рассказать об устройстве космоса, о том, что происходит в других галактиках или даже - что такое черные дыры.

Литература:

1. http://www.irk.ru/news/20110411/telescope/

2. http://prnadzor.e-baikal.ru/news/?record_id=539

3. http://nuclphys.sinp.msu.ru/neutrino/newtrino_s/baik.htm

4. http://oko-planet.su/science/sciencenews/106297-issledovaniya-na-baykale-pomogut-ponyat-vselennuyu.html

5. http://www.baikalov.ru/about/blog/73/

6. http://www.zateevo.ru/?section=page&action=edit&alias=baikal_teleskop

7. http://www.5-tv.ru/news/27662/

8. http://www.ogirk.ru/news/2012-04-13/20029.html

9. http://elementy.ru/lib/430618?page_design=print

10. Домогацкий Г.В., Комар А.А., Чудаков А.Е. Подземные и подводные эксперименты в физике и астрофизике // Природа, 1989, № 3, с. 22–36.

11. Лернд Дж., Эйхлер Д. Глубоководный нейтринный телескоп (перевод из Scientific American) // УФН, 1982, № 7, с. 449–465.

12. Бакал Дж. Нейтринная астрофизика. М.: Мир, 1993.