Зачем в Байкал погрузили один из мощнейших телескопов в мире? Интервью с доктором физико-математических наук

В марте произошло знаковое событие для всей российской науки. На Байкале запустили нейтринный телескоп. 

Что такое нейтрино? Что еще ученые хотят узнать о космосе? Зачем им сканировать Землю? Что это даст экосистеме озера? Мы расспросили обо всем этом доктора физико-математических наук, непосредственного руководителя нейтринной программы Объединённого института ядерных исследований, Дмитрия Наумова.

О нейтрино

В мире существует очень много разных элементарных частиц, о некоторых каждый вспомнит со школьной скамьи, это протоны и нейтроны. Некоторые из них вполне стабильны, могут жить бесконечное практически время, а некоторые распадаются, превращаясь в другие ядра. Существуют три вида такой радиоактивности, и в одном из этих видов радиоактивности, испускаются электроны, и вместе с этими электронами вылетают эти самые нейтрино. В физике, и вообще в науке они появились драматичным образом. В физике считается, что закон сохранения энергии – это фундаментальный закон, который не может нарушаться. И вот физики, когда стали изучать радиоактивные распады ядер с рождением электрона, они обнаружили, что энергия не сохранялась. Это был настоящий кризис, и тогда в такой отчаянной попытке спасти положение австрийский теоретик Вольфгам Пауле говорит: «Давайте, ребята, предположим, что вместе с электроном что-то еще улетает и уносит эту самую энергию, поэтому мы ее и недосчитываемся». Вот так появилось в физике нейтрино. И вот почти через три десятка лет оно экспериментально было обнаружено. И вот на сегодня известно, что существует три разных вида нейтрино, и физики с ними уже хорошо и успешно работают.

Зачем нужны нейтринные телескопы?

При помощи такого прибора можно сказать, где на небе было рождено нейтрино. То есть мы в нейтринных лучах разглядываем какой-то объект на небе. Что нам собственно разглядывать в нейтринных лучах, почему нельзя это сделать при помощи электромагнитных телескопов? А разглядывать нужно такие объекты, из которых свет, может быть, и вырваться-то не может. Существует такая вещь, как активное галактическое ядро. Когда галактики еще только образовывались, представьте себе, галактика состояла из десятков миллиардов звезд, и эти звезды крутились друг относительно друга, и через какое-то время какая-то одна более удачливая звезда могла пожрать другую звезду. Как и у нас на земле, эволюция происходит, борьба за существование. И становилась через некоторое время еще более тяжелой, превысила некоторый предел, и стала Черной дырой. Она все становилась ярче больше, а потом «бац», и исчезла с поля зрения. Но на самом деле мы просто перестали видеть ее свет, и эта Черная дыра продолжала пожирать другие звезды вокруг себя. Представляете, Черная дыра, которая не светится, массой миллиарды солнц. И поскольку она становилась большой, тяжелой, то вокруг нее таким хороводом уже разорванные на кусочки звезды летали. Терлись друг о дружку, и вот это кольцо светилось, как просто большой прожектор. Это были самые яркие во вселенной объекты, называются такие объекты активные галактические ядра.

И вот в этих объектах, точнее в некоторой струе газа, которая вырывалась перпендикулярно плоскости вращения, возникал такой естественный ускоритель частиц, который мы на земле никогда построить не сможем, до таких энергий добраться. Наверное, читатели вашего портала слышали про ускорители «большой андронный коллайдер» и так далее, мы в этом смысле на Земле можем отдыхать, мы никогда не сможем построить ускоритель, который сможет разгонять до таких энергий. Но если он ускоритель частиц, он это делает, он ускоряет частицы, и в этих ускорениях рождается весь зоопарк частиц, и в том числе, нейтрино. Эти частицы, которые рождаются, они прямо там же, можно сказать, и дохнут, потому что выбраться из этого пекла невозможно. А нейтрино, у нее есть такая замечательная особенность, она почти не взаимодействует. Для нее вот это страшное месиво из звезд и черной дыры, просто как пустое место. И она совершенно спокойно оттуда выходит, проходит через полвселенной, приходит к нам на землю, на озеро Байкал, спотыкается о какую-нибудь молекулу воды, и дает сигнал, который мы нашим нейтринным телескопом регистрируем, восстанавливаем направление, смотрим, и говорим: «Опа, вот из этого места у нас вылетала нейтрино». Таким образом, мы делаем новую науку, которая называется «нейтринная астрономия».

Что это даст обществу?

Разработанные технологии перекочевывают в нашу обыденную жизнь. Так Интернет появился в Церне, в той научной европейской организации, он был исключительно придуман для удобства передачи данных от детектора в компьютеры этой установки, потом это разошлось по всему миру. Сотовые телефоны, которые есть у каждого из нас – это просто кладезь всех физических эффектов, технологий, которые мы физики и другие ученые, инженеры создают для своих приборов, чтобы двигаться дальше.

Если говорить конкретно про нейтринный телескоп, что останется людям. Масштаб телескопа – это один кубический километр. Если собрать всех людей на планете Земля, в такой Ноев ковчег, то этот Ноев ковчег будет занимать объем меньше, чем половина кубического километра. Это большой объем воды, и внутри этого объема, на большой глубине, порядка полтора километра, где наш телескоп работает, там полная темнота, ничего нет. Но нам нужно знать точное положение наших датчиков где они стоят в пространстве, иначе мы не сможем определить точное направление прилета нейтрино. И нам нужно синхронизировать эти датчики до наносекунды. Опять же в магазине таких технологий не было, сейчас эти технологии есть, благодаря, в том числе, байкальскому нейтринному телескопу.

Дальше, в принципе, если уже идти немного в область некоторого более отдаленного будущего. Нейтрино, как я уже говорил, они проходят совершенно спокойно через Землю, соответственно, они могут сделать томографию Земли, они просвечивают Землю насквозь. Соответственно, мы сможем определить при помощи нейтрино состав земли по плотности, а также по химическим элементам. Никаким другим способом сделать это невозможно.

И наш прибор он оказался такой чувствительный, что он следит за состоянием озера Байкал лучше, чем это могли бы сделать любые экологи с любыми приборами. Любая маленькая вспышка света, нами сразу регистрируется, поэтому в режиме 27/7 смотрим за состоянием озера, для нас это в каком-то роде фон, но для озера – это полезно.

Про телескоп в Бурятии и астрофизический центр на Байкале

Значит ли все это научное движение, что Байкал, Иркутская область, Бурятия, частично становятся в принципе, если не центром, то частью большой фундаментальной науки, и возможно появится какая-нибудь обсерватория, либо большой университет построят?

Мы прилагаем большие усилия, чтобы оно так и произошло. Действительно, Байкал, Иркутская область в этом смысле очень уникальные места, там очень хорошая география, там есть очень мощный нейтринный телескоп, о котором мы сейчас говорим. Рядом есть Тункинская долина, это на юге, уже за Байкалом, ближе к Аршану, и там есть другой мощный телескоп, который работает с гамма-излучением, называется «Тунка», или «тайга», в зависимости от вкуса по-разному называют этот телескоп.Мы хотим, чтобы это все было объединено в единый астрофизический центр. И вот сейчас на озеро Байкал приезжал с визитом министр науки и высшего образования Валерий Николаевич Фальков, он остался очень доволен тоже тем, что там происходит. Мы обсуждали возможные сценарии развития, он тоже очень горячо поддерживает, чтобы в Иркутске образовался и Байкальский нейтринный центр, причем может быть там же, где телескоп и установлен, и научные лаборатории. Поэтому посмотрим что получится, надеюсь, что получится хорошо. То есть в принципе, люди доброй воли, что называется, к этому подошли бы правильно, из Иркутска, и Иркутской области можно было сделать такой мировой научный центр, прямо передовой.

Почему телескоп появился именно на Байкале?

Стоимость байкальского нейтринного телескопа раз в 20 меньше, навскидку скажу, чем телескопа на Южном Полюсе. Деньги они если не решают все, то довольно многое. Почему так происходит? Дело в логистике. На Южный полюс не ходят обычные рейсовые самолеты, там целая спецоперация, чтобы туда попасть, занимающая иногда пару месяцев. Лед толщиной три километра. Нужно было в этом льду протопить при помощи дизельных генераторов трехкилометровые лунки диаметром почти что метр, и соответственно высотой три километра и потом в эти лунки они помещали свои оптические приборы. Одна стоимость солярки, горючего – это уже очень большая сумма, плюс это очень серьезная работа, у людей двойные-тройные зарплаты, чтобы работать на Южном полюсе. То есть это довольно дорогое удовольствие.

Теперь если перейти к морю, соленая или пресная вода – фундаментальной разницы нет, но тоже есть нюансы. Поскольку там вода теплая, там и живности больше, а живность она вся светится. А как мы уже говорили, свечение – это всегда фон, это всегда лишний свет, от которого еще нужно уметь избавляться. В этом смысле Байкал хорошо, что он почти не светится таким не нужным нам светом.

Еще один фактор - Байкал покрыт в течение двух с половиной месяцев году покрыт толстым слоем льда. Сам лед нам для детектирования нейтрино не нужен, но он нам нужен для того, чтобы мы могли поставить туда тяжелую технику: всякие лебедки, машины, краны у нас есть. И это дешево и легко. Мы выпиливаем квадратные отверстия во льду, подгоняем туда лебедки при помощи тяжелой техники, насаживаем на тросы оптический модуль и опускаем.

И опять же есть природой данной замечательное свойство, которое не было оценено с самого начала по достоинству, нашими коллегами с Южного полюса. Мы обсуждаем такую вещь как нейтринный телескоп, нам очень важно определить правильно направление. То есть смотрите, когда свет рождается от взаимодействия нейтрино во льду, свет в нем бешено перерассеивается. Вот если вы мысленно себе представите какой-нибудь лампочку, которая у вас за куском льда, если кусок льда хотя бы 20 см, то вы уже не увидите лампочку, вы увидите равномерное свечение. А байкальская вода из-за своей прозрачности свет практически не перерассеивает. Он как родился, как полетел в те сторону, там и летит. А для определения направления очень важно, чтобы он не менял своего направления этот самый свет. Поэтому по факту точность реконструкций направления у нас в Байкале 5-10 раз лучше, чем на Южном полюсе. Мы не просто еще один телескоп, мы телескоп, который это сделает лучше, гораздо лучше, чем это могут сделать другие телескопы.