Читаем Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия онлайн бесплатно

Серия «Наука: открытия и первооткрыватели»

Mark Bowen

THE TELESCOPE IN THE ICE

Inventing a New Astronomy at the South Pole

Перевод с английского Павла Миронова

Печатается с разрешения автора при содействии его литературных агентов ICM Partners.

Исключительные права на публикацию книги на русском языке принадлежат издательству AST Publishers.

Вноябре 2013 года международный союз, управляющий работой нейтринной обсерватории IceCube, заявил, чем ему удалось обнаружить высокоэнергетические нейтрино, приходящие на Землю из далекого космоса¹². Эта новость знаменовала рождение новой формы астрономии, связанной не с привычным для нас космическим курьером – светом, но с одной из самых странных из элементарных частиц – нейтрино. Это событие также увенчало поиски, которые начались пятью годами ранее благодаря силе воображения небольшой группы провидцев и в ходе которых было сделано немало героических попыток и случилось много неудач.

Отчасти эти поиски оказались настолько длительными, потому что именно такое время нужно необычному телескопу, чтобы увидеть необычную частицу. IceCube не похож ни на один телескоп, который вам доводилось видеть или о котором приходилось слышать. Более того, его и увидеть никто не сможет, поскольку IceCube погребен на глубине полутора километров во льдах на географическом Южном полюсе.

Создатели телескопа не могли видеть его даже тогда, когда его строили. Фрэнсис Халзен, бельгийский теоретик из Университета штата Висконсин, придумавший весь этот проект, говорит, что процесс строительства напоминал работу в темной комнате без единого окна. В отличие от обычного телескопа, этот инструмент не использует ни линз, ни зеркал. На данный момент он состоит из 86 километровых «нитей» оптических детекторов, каждый из которых запаян в стеклянную сферу размером с баскетбольный мяч, способную выдерживать большое давление. Затем эти «нитки жемчуга» были опущены в 86 скважин глубиной по 2,5 километра, просверленных во льду с помощью гигантского бура, использовавшего горячую воду. Затем нити вмерзли в лед на нужной глубине. Таким образом, самые верхние «жемчужины» располагаются на глубине полутора километров. Отверстия во льду просверлены в точках шестиугольной решетки, покрывающей квадратный километр поверхности льда. В результате свыше 5000 детекторов этого уникального устройства отслеживают все происходящее в массе льда объемом около одного кубического километра и весом около миллиарда тонн – удивительно чистого (на радость ученым) глубинного антарктического льда. Лед в этих местах – чистейшее из всех известных нам природных веществ, он даже чище алмаза.

Когда-то журнал Scientific American назвал этот телескоп «самым странным» из семи чудес современной астрономии³. И, возможно, самая странная его черта состоит в том, что он смотрит не вверх, в антарктическое небо, под которым и располагается; он направлен вниз, прямо в лед. Задача IceCube – изучать северное небо, глядя на него насквозь через всю планету. Поскольку нейтрино – это единственная известная нам частица, способная пройти через весь земной шар, не будучи поглощенной и не отклонившись от своего курса, то понятно, что любая частица, долетевшая до нашего ледяного куба с севера, должна представлять собой нейтрино. Инструмент использует Землю в качестве щита, позволяющего блокировать другие типы частиц (присутствие которых может создать искаженный сигнал).

Нейтрино, так легко проходящее сквозь планету, не любит показывать своего лица. Иногда эту частицу даже называют частицей-призраком. Возможно, что это самая распространенная частица во Вселенной – к моменту, когда вы закончите читать это предложение, перед вашими глазами пронесутся несколько сотен миллиардов нейтрино, – но увидеть ее почти невозможно, и она точно не повредит вашим глазам, поскольку почти не взаимодействует ни с какой материей. Именно поэтому ее очень сложно выявить. Как однажды сказал нобелевский лауреат и комик-любитель Леон Ледерман,

Обычное нейтрино пройдет незамеченным – а следовательно, и невыявленным – даже сквозь кусок свинца толщиной в один световой год, то есть 9,5 триллиона километров. Поэтому у частицы нет никаких проблем с прохождением сквозь Землю, плотность которой значительно меньше, чем у свинца, а толщина в сравнении со световым годом не превышает толщины листа бумаги. Многие нейтрино как раз и будут проходить сквозь IceCube. Однако время от времени какая-нибудь из частиц вступит во взаимодействие со льдом вокруг детектора или с океанским дном под ним. В результате взаимодействия возникнет заряженная частица, которая будет двигаться в том же направлении, что и ее родительское нейтрино, а за ней будет тянуться след светло-синего цвета. Детекторы IceCube улавливают этот свет, а, наблюдая за тем, как он проходит через трехмерную сетку детекторов, ученые могут определить направление движения заряженной частицы и, соответственно, направление движения ее родителя-нейтрино. Это и превращает IceCube в телескоп.

Как это часто бывает, у проблемы, из-за которой эту крошечную частицу так сложно найти, имеются и положительные стороны, особенно интересные для астрономии. Поскольку нейтрино способно проходить через очень плотные типы среды, непрозрачные для света с любой длиной волны, эта частица может нести в себе информацию из областей Вселенной, недоступных обычному телескопу, например из недр звезд – в том числе и взрывающихся звезд, известных нам под названием «сверхновых», – или областей нашей галактики, закрытых облаками межзвездной пыли, – к примеру, из черной дыры, лежащей в центре галактики.

Одна из причин возникновения этой новой астрономии заключается в том, что мы хотим разобраться в сути самых масштабных событий и объектов во Вселенной: сверхновых звезд, звездных скоплений с активным ядром, остатков сверхновых, гамма-всплесков, сталкивающихся галактик и других странных объектов, порой находящихся за пределами нашего воображения. С точки зрения науки это может привести к дальнейшему развитию космологии и успешным поискам таинственной и пока что неизвестной нам холодной темной материи, из которой и состоит в основном Вселенная. Свое развитие получит и чистая физика элементарных частиц, поскольку все эти объекты представляют собой, по сути, огромные ускорители частиц, работающие по тем же базовым принципам, что и ускорители, созданные людьми на Земле, в том числе и Большой адронный коллайдер (БАК) стоимостью в несколько миллиардов долларов, с помощью которого в 2012 году было доказано существование бозона Хиггса, – однако в значительно больших масштабах.

Само по себе нейтрино стало объектом изучения в физике элементарных частиц лишь в последние годы, поскольку в 1998 году этой частице удалось пробить первую и пока что единственную брешь в защите стандартной модели физики элементарных частиц. Эта теоретическая модель описывает «строительные кирпичики» материи, элементарные частицы и то, как они взаимодействуют друг с другом на основе трех из четырех фундаментальных сил: слабого ядерного взаимодействия, сильного ядерного взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Стандартная модель, сформулированная в 1970-е годы, оказалась очень успешной, однако кое-кто начал чувствовать себя в ее рамках как в смирительной рубашке⁴. После открытия бозона Хиггса, последней частицы в стандартной модели, которую было необходимо найти, кажется, что новых открытий уже не предвидится, но физикам не нравится пребывать в слишком жестких (и комфортных) ограничениях. Они всегда ищут чего-то нового, а удивительное поведение нейтрино дает основания предполагать, что нам еще предстоит изучить массу пока неизвестных явлений.

И это возвращает нас к основной причине создания этого необычного инструмента. Совершенно новая научная область – нейтринная астрономия – позволила нам открыть новое окно во Вселенную, и крайне редко в истории астрономии бывает так, что появление подобных окон не приводит к невообразимым прежде открытиям. Классическим примером может служить история Галилея.

Первые оптические телескопы были построены во Фландрии для нужд купцов, которые могли получить преимущество на рынке, если заранее узнавали, какие товары есть, а каких нет, на кораблях, идущих через Ла-Манш⁵. Галилей использовал свои обширные познания в оптике и математике, чтобы собрать достаточно качественный инструмент, который он продемонстрировал венецианскому дожу и предложил использовать в военных действиях. Через несколько месяцев он ясной ночью направил телескоп на Луну, когда Юпитер, второй по яркости объект в небе, находился чуть выше и правее нее. Это позволило ему открыть четыре «Медичийские звезды», известных в наши дни как луны Юпитера. То обстоятельство, что Галилей заметил их необычное, «еретическое» вращение вокруг планеты, доставило ему впоследствии немало проблем.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон, два физика из компании Bell Telephone Laboratories, сделали неожиданное открытие, когда проектировали наземную радиоантенну для спутников связи. Тестируя рогообразную антенну, которая должна была обеспечить связь без каких-либо помех, Пензиас и Уилсон направляли ее на пустые, как им казалось, участки неба и с удивлением обнаружили, что антенна всякий раз улавливала небольшую дозу какого-то шума. Никакие конструкционные улучшения не помогли. Оказалось, что «шум» представляет собой вполне реальный сигнал – космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого взрыва, который породил нашу Вселенную около 14 миллиардов лет назад. Это открытие изменило отношение к Большому взрыву и космологии в целом – из объекта насмешек они вдруг превратились в научные темы, требующие пристального изучения. Этот случай наглядно иллюстрирует еще один аспект научного открытия: ум ученого должен быть готов интерпретировать то, что он измеряет или «видит» – или даже только собирается увидеть. К тому времени, когда Пензиас и Уилсон провели свои измерения, теории Большого взрыва и микроволнового послесвечения уже вынашивались на протяжении десятилетий. Они получили Нобелевскую премию не за то, что нашли сигнал, а за то, что смогли интерпретировать его с помощью знания и инструментов того времени. Именно такие большие скачки от теории к эксперименту двигают науку вперед. Порой лидирующие позиции занимает теория, а порой накопленный вес необъясненных экспериментальных свидетельств приводит к развитию новых теорий или даже к изменению научной парадигмы. И, как мы увидим в этой книге, подобное развитие научных идей может занимать десятилетия.