В Женеве охотятся за звездной пылью

Так выглядит сегодня международная космическая станция МКС. NASA

Физика высоких энергий и космических частиц является сегодня наиболее активно развивающимся направлением физики элементарных частиц. Исследования в этих областях позволяют ученым изучать физический мир природы в его наиболее загадочных проявлениях, таких как поле Хиггса или темная материя. 

В настоящее время сразу два сложнейших детектора, — один международный, другой китайский, — находятся на околоземной орбите с целью изучения загадочных космических частиц. Активное участие в создании концепции этих детекторов принимал Женевский университет. В настоящее время он анализирует часть полученной и пересланной ими на Землю информации.

Но сначала о том, что это за аппараты. Первый называется «AMS-02». Он уже пять с половиной лет работает на Международной космической станции (МКС), являющейся результатом сотрудничества американцев, русских, европейцев, японцев и канадцев. Второй, названный «Полар» («Polar»), был запущен в космос 15 сентября 2016 года вместе с китайской орбитальной научной станцией «Тянгун-2» («Tiangong-2»). Цель и назначение этих устройств состоит в обнаружении и анализе астрочастиц, генерируемых звездами.

Действуют эти детекторы примерно так же, как и родственные им устройства для исследования элементарных частиц в «ЦЕРНе» (CERN) за одним только исключением: орбитальные детекторы исследуют частицы, возникшие не посредством экспериментов на Большом Адронном коллайдере, но созданные самой природой естественным путем. Впрочем, детекторы «AMS» и «Polar» обязаны многим не только ЦЕРН, но еще и Факультету ядерной физики и физики частиц Университета Женевы (DPNC).

Для специалистов, но не только…

Для начала два слова о магнитном альфа-спектрометре AMS. Разработанный нобелевским лауреатом Сэмюэлом Тингом (Samuel Ting), этот сверхмощный магнит состоит из 6 тыс. сочлененных деталей, изготовленных из металлического сплава, прокрытого специальным легированием. Имея ровно посередине особое отверстие, детектор напоминает огромный бублик диаметром в 110 см и высотой в 80 см. Его задача: отсепарировать друг от друга элементарные частицы в зависимости от их электрического заряда, а затем пропустить их через серию детекторов-анализаторов для определения их свойств.

Детектор AMS, таким образом, должен быть способен идентифицировать протоны, и даже атомы антиматерии, и навести ученых-физиков на след загадочной «темной материи», связь которой с антиматерией все еще является предметом ожесточенных споров. К сожалению, обнаружив за пять лет своего существования почти 100 миллиардов частиц, детектор AMS пока еще не совершил какого-либо выдающегося открытия. Впрочем, результаты его работы уже весьма пригодились физикам в деле совершенствования разрабатываемых ими теоретических моделей.

Магнитный альфа-спектрометр AMS стал результатом 16-летнего труда ученых (на англ. языке).

Кому-то такие результаты могут показаться разочаровывающими. Однако Соня Натале (Sonia Natale), ученая-физик из ЦЕРН, работавшая над созданием детектора AMS, с такой постановкой вопроса не согласна. Она напоминает, что в науке не стоит спешить с выводами, что все может в любой момент измениться, и что случай здесь играет не последнюю роль. В подтверждение своих слов она приводит пример с гравитационными волнами, обнаруженными в первый же день после повторного запуска LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), лазер-интерферометрической гравитационно-волновой Обсерватории в США, несколько лет находившейся до этого на ремонте.

«Как бы там ни было…», — говорит Соня Натале, — «…детектор AMS делает то, что никогда еще прежде сделать не удавалось, а именно, наладить постоянное наблюдение за всеми потоками частиц, достигающих Земли, источником большинства которых является наше Солнце. Мониторинг будет продолжаться вплоть до окончания срока эксплуатации орбитальной станции, то есть, примерно до 2024 года, а может, и дольше, благодаря чему физики получат ценнейшие сведения об изменениях в поведении Солнца за полный 11-летний цикл его активности. А это позволит более точно оценить степень влияния Солнца на жизнедеятельность людей, на процесс климатических изменений, на качество радиосвязи и так далее».

«Хьюстон, у нас проблема!»

Эти данные передаются в распоряжение ученых, работающих на французской площадке ЦЕРН на территории коммуны Превессен-Моэн. И здесь уже чувствуется присутствие американской бюрократии. Несмотря на то, что сам этот научный кластер Национальному управлению (агентству) по воздухоплаванию и исследованию космического пространства не принадлежит, конкретно детектор AMS подпадает именно под юрисдикцию НАСА. «Американцы управляют всей инфраструктурой и поддерживают ее работу, а потому мы должны соблюдать их правила», — объясняет Соня Натале. 

«Если, например, возникает необходимость перезагрузить компьютер AMS, то сделать это можно только через ноутбук на борту станции. Соединение между нами и детектором устанавливается космонавтом на станции», — рассказывает Соня Натале. «Но мы не можем связаться с ним напрямую, нам нужно обращаться в НАСА. В Хьюстоне у них есть специально обученные люди, и только они могут общаться с космонавтами. Это вопрос психологии». А если вдруг в AMS случится поломка и понадобится ремонт, то «миссия» и вовсе будет невыполнима.

«Однажды мы хотели поменять вышедшую из строя деталь», — вспоминает Соня Натале. «Нам пришлось отправить в НАСА полный пакет документов и ждать примерно два месяца, чтобы узнать, что это невозможно, поскольку, оказывается, для осуществления такой процедуры понадобился бы выход космонавта в открытый космос, а у корпуса AMS острые кромки, которые могут повредить скафандр. Так что нам пришлось найти иное решение, распутав проблему посредством модификации программного обеспечения».

Китайская дисциплина

С трудностями бюрократического характера пришлось столкнуться и Николя Продюи (Nicolas Produit), но уже не в Женеве, и не в Хьюстоне, а в Китае. Этот ученый-физик, бывший сотрудник ЦЕРН, в настоящее время работающий в Женевской обсерватории, является разработчиком аппарата «Полар», первого научного эксперимента, концепция которого была создана не в Поднебесной, но размещенного на борту китайской орбитальной станции, запущенной 15 сентября 2016 года — пока в беспилотном режиме.

Несмотря на наличие официальной аккредитации, разрешавшей ему и двум его коллегам присутствовать на запуске станции с космодрома Цзюцюань посреди пустыни Гоби, накануне дня старта им вдруг запретили покидать свой отель. Так что пуск ракеты «Великий поход» им пришлось наблюдать с его крыши. Власти аргументировали свое решение тем, что несколькими днями раньше гостей из Европы видели в квартале города, в котором они не должны были бы находиться, поскольку там как раз в это время был проездом какой-то высокопоставленный чиновник. Напомним, что суровые китайские военные полностью контролируют китайскую космонавтику и с дисциплиной они шутить не любят.

Ракета-носитель «Чанчжэн» («Великий поход») стартует с космодрома Цзюцюань в пустыне Гоби. Reuters

Сегодня этот инцидент кажется Николя Продюи скорее забавным недоразумением. Ведь за исключением этой неприятности он остался очень доволен тем, что ему удалось-таки убедить китайцев разместить его детектор на их орбитальной станции. «Отправить сейчас что-то в космос невероятно трудно. Нужно пройти через жесточайший конкурсный отбор, и я прошел сразу несколько таких конкурсов. Я вел переговоры с Европейским космическим агентством (ESA), с русскими, индийцами, но убедить мне удалось только китайцев».

Детектор «Полар» является прибором, размещенным в алюминиевом корпусе габаритами 40 на 40 см. Внутри у него смонтированы 1 600 сцинтилляторов. Это такие кристаллы, которые обладают способностью излучать свет при поглощении внешнего ионизирующего излучения. В итоге «Полар» должен помочь ученым ответить только на один вопрос: «Подвергаются ли поляризации фотоны, излучаемые в самой интенсивной фазе всплесков космического гамма-излучения, или нет?»

Вселенский катаклизм

Напомним, что так называемый «гамма-всплескВнешняя ссылка» — это масштабный космический выброс энергии взрывного характера, наиболее яркое электромагнитное событие, происходящие во Вселенной. Продолжительность типичного всплеска составляет несколько секунд, но он может длиться и от миллисекунд до часа.

За всплеском обычно следует долгоживущее «послесвечение», излучаемое на более длинных волнах рентгеновского, видимого и радиодиапазонов. Большинство наблюдаемых гамма-всплесков, предположительно, представляет собой узкий луч мощного излучения, испускаемого во время вспышки сверхновой звезды, когда быстро вращающаяся массивная звезда коллапсирует, превращаясь в чёрную дыру.

Подкласс «коротких» всплесков, по-видимому, является побочным эффектом слияния двойных нейтронных звёзд. Гамма-всплески регистрируются приблизительно раз в день, они с равной вероятностью приходят с любого направления Вселенной. Так, например, в 2016 году вышел в свет очередной каталог гамма-всплесков от спутника Ферми. В течение семи с лишним лет аппарат видел пару всплесков каждые три дня. Всего их набралось в итоге почти полторы тысячи.

«Гамма-всплеск» — наиболее яркое электромагнитное событие, происходящие во Вселенной (на английском языке).

«Здесь затрагиваются области физики, в рамках которых объективно невозможно проведение лабораторных исследований. Энергия этих частиц достигает величин, немыслимых даже для такого уникального ускорителя, как БАК в ЦЕРНе. Это абсолютно новое явление, в отношении которого мы пока можем делать только выводы общего характера», — объясняет Николя Продюи.

Поэтому-то детектор «Полар» разработан таким образом, чтобы постоянно «видеть» четверть наблюдаемой Вселенной. Тем самым он должен, по идее, регистрировать один гамма-всплеск каждые четыре дня и в итоге дать информацию о том, как распространяется гамма-излучение и способно ли оно поляризовать фотоны?

Оранжевая смерть

Спрашивается, зачем нам на Земле нужно знать о том, что происходит, как правило, на расстояниях в миллиарды световых лет? «Огромные расстояния до источников гамма-всплесков — это огромное счастье для нас», — подчеркивает Николя Продюи. «Если такой всплеск случится в границах Млечного пути, то есть нашей галактики, то это будет не очень хорошо, я бы сказал, это будет весьма неприятно для всего живого на Земле».

«Неприятно»? Если верить информации, опубликованной в 2013 году в журнале «Nature», мощный гамма-всплеск, достигший Земли, способен за несколько секунд разрушить минимум треть озонового слоя. Ультрафиолетовое излучение Солнца резко увеличит свою интенсивность, в результате сельское хозяйство планеты будет в течение нескольких недель уничтожено в половину, и можно только себе представить, чем это обернется для человечества.

Чтобы добавить красок в эту апокалиптическую картину, следует уточнить, что фундаментальное изменение химии атмосферы повлечет за собой формирование слоя токсичных облаков с высоким содержанием оксида азота, которые заслонят солнце, окрасят небо в желто-оранжевый цвет и зальют землю кислотными дождями. Так что можно считать, что до сих пор землянам везло — и очень крупно.

Перевод на русский: Евгений Мамонтов и Игорь Петров.