Охота за частицей
Обсерваторию построили в живописной бурятской Тункинской долине, окруженной высокими горами и простирающейся от озера Байкал до озера Хубсугул в Монголии.
Ученые из разных научных организаций давно размещают в этой местности телескопы. Там хорошие условия для наблюдений за космосом, так как много ясных дней в году и, что еще важнее, поблизости нет светящих огнями городов.
В Тункинской долине по соседству с небольшим селом Торы находится астрофизический полигон Иркутского государственного университета (ИГУ). Именно на нем и развернули гамма-обсерваторию, получившую название TAIGA (сокращенно от Tunka Advanced Instrument for cosmic ray and Gamma Astronomy) и ставшую одной из самых лучших в мире.
О том, что обсерватория построена, ИГУ объявил в феврале 2021 года. Проект стоимостью 1 млрд рублей реализовала международная коллаборация во главе с Иркутским госуниверситетом. В него вложили гранты правительства РФ и средства зарубежных партнеров.
Гамма-обсерватория TAIGA — это комплекс разных установок. С их помощью ученые регистрируют прилетающие из далекого космоса элементарные частицы, рожденные в результате каких-то катастрофических процессов, при которых выделилась гигантская энергия. Это могут быть взрывы сверхновых звезд или взрывы в ядрах галактик, рассказывает хрупкая темноволосая девушка — Анна Иванова, научный сотрудник лаборатории НИИ прикладной физики ИГУ.
Если быть еще точнее, то предмет охоты ученых — частицы гамма-кванты. Они путешествуют по просторам Вселенной не хаотично, как некоторые другие частицы, а имеют направление на источник, их породивший. Поэтому, если удастся засечь гамма-квант, подтвердить, что это именно он, восстановить его путь, то получится узнать, откуда он прилетел и что его породило.
То есть частицы для ученых — это маркеры космических процессов. Они могут пролить свет на то, что и как происходит во Вселенной, как она устроена. Даже могут помочь заглянуть в ее прошлое. Летят эти посланники до нас миллионы и миллиарды лет. Это значит, что частица, долетевшая до Земли сегодня, родилась в результате какого-то явления в космосе, которое произошло давным-давно.
Ведра с начинкой на миллион
Глядя на гамма-обсерваторию, не воскликнешь в восторге: "Это же какой-то космос!" Это просто поле у подножия гор, по которому расставлены большие металлические ведра и ящики. Лишь одна высокая конструкция с зеркалами бросается в глаза и наводит на мысль, что местность имеет какое-то отношение к космосу. Эта конструкция — гамма-телескоп TAIGA-IACT. Он является частью обсерватории.
"А круглые ведра — это детекторы установки "Тунка-133", — знакомит с полигоном Анна. — Это и правда ведра. Но их начинка стоит миллионы".
Под крышками в ведрах находятся светочувствительные детекторы, способные улавливать слабые свечения в небе. Таких ведер с электроникой внутри на полигоне 133 штуки. "Тунка-133", запущенная в 2009 году, стала одной из установок, с которых и началось создание гамма-обсерватории.
Под ящиками скрываются детекторы другой установки — TAIGA-HiSCORE. Во время наблюдений, а они проводятся не беспрерывно, ведра и ящики открывают. В остальное время оборудование стоит закрытым в емкостях. Еще на территории обсерватории есть подземные детекторы — они закопаны на глубину до 1,5 м и регистрируют частицы, проникающие туда.
Охраны на полигоне нет, он даже не обнесен забором, поэтому среди установок бегают собаки и пасутся коровы, которые время от времени повреждают кабель в тех местах, где он выходит из-под земли на поверхность. Приходится ремонтировать.
Хотя на полигоне много дорогого оборудования, вандалы или воры для него не опасны — слишком уж оно специфическое. В хозяйстве его не приспособишь, ценного металла в нем нет, в основном только стекло и пластик.
Молодые исследователи
Руководитель Анны, директор НИИ прикладной физики ИГУ Андрей Танаев, рассказывает, что гамма-обсерватория не испытывает дефицита в научных кадрах. В самом НИИ работают больше 100 человек, а для научной организации это немало.
Костяк исследователей — молодые сотрудники в возрасте около 30 лет. Им удается зарядить интересом к науке студентов физфака ИГУ, и те работают на астрофизическом полигоне параллельно с учебой.
"Вся молодежь, которая здесь сейчас работает, еще училась, когда начиналось создание обсерватории. Были студентами и доросли до исследователей. Интерес у молодежи простой. Во-первых, каждый студент физфака ИГУ на втором курсе выбирает для себя направление исследований. А раз в университете рядом с физфаком есть НИИ прикладной физики, то многие начинают интересоваться этой тематикой. Я сам преподаю физику на первых курсах специально для того, чтобы отбирать для института самых лучших", — говорит Танаев.
Во-вторых, студентам за работу и дежурство в обсерватории НИИ платит 20 тыс. рублей в месяц. Не много, но деньги для них не лишние. В-третьих, до пандемии у НИИ была возможность отправлять молодежь на международные конференции, что также мотивировало студентов.
Анна, как и все нынешние молодые сотрудники НИИ, стала приезжать на полигон еще студенткой. Она родилась в семье архитекторов, а решение связать свою жизнь с наукой приняла после того, как в старших классах школы познакомилась с сотрудниками НИИ прикладной физики ИГУ. Они и стали примером для школьницы, которая в итоге поступила на физфак.
Сейчас большую часть времени девушка проводит в НИИ в Иркутске, а на полигон приезжает, когда идет монтаж оборудования и калибровка.
Ее основная работа — обработка данных, которые поступают с установок. Центр сбора данных находится в небольшом домике на полигоне.
Там информацию собирают, а потом дежурный увозит ее в институт на материальных носителях. Терабайты данных передать обработчикам быстрее именно таким образом, нежели перегонять по Сети.
Наука, общение, лыжи
По стопам Анны пошел ее младший брат Александр Пахоруков. Худощавый паренек с выбивающимися из-под бейсболки рыжими кудрями сейчас занимает в НИИ должность младшего научного сотрудника. В общей сложности больше шести месяцев в году он проводит в Тункинской долине, передвигаясь по полигону на мотоцикле. А еще может часами рассказывать о космосе.
"Тут и образ жизни, и режим работы, и тематика, хорошее сочетание работы и головой, и руками, и смена мест, красивая природа", — перечисляет он все то, за что любит свою работу.
Александр впервые оказался на полигоне, учась на втором курсе физфака. В это время разворачивали установку "Тунка-133". Он помогал копать траншеи для прокладки кабеля. А сегодня отвечает за работу установки TAIGA-HiSCORE — в обсерватории за каждой установкой закреплен научный сотрудник, который следит за ее работой и техническим состоянием.
Чтобы показать содержимое вверенной ему установки, молодой ученый ненадолго открывает ящик, в котором находятся детекторы. Они настолько чувствительны к свету, что на солнце могут просто сгореть. Даже лунный свет для них опасен, поэтому наблюдения проводят только в безлунные ночи.
Летом вывести электронику из строя могут еще и грозы, поэтому на лето все установки консервируют, а наблюдения сворачивают. Это время используют для ремонта аппаратуры, монтажа нового оборудования, прокладки кабельных линий.
В обсерватории группами дежурят ученые и студенты. Одна смена длится от двух недель до месяца в зависимости от того, какие наблюдения проводятся, какие установки работают или какой ремонт идет. Для проживания сотрудников построены коттеджи. Выглядят они довольно свежо и современно.
Еду готовят вместе на кухне отдельного старенького дома. Сегодня на обед борщ с курицей и макароны с подливой. Александр на мотоцикле умчался в село, чтобы купить угощения к чаю.
Летом, когда все время занимает ремонт и монтаж оборудования, приглашают для этого помощницу — жительницу села. В сезоны наблюдений свободного времени больше, и дежурные ходят в горы и катаются на лыжах.
В ожидании открытий
То, чем занимаются астрофизики в гамма-обсерватории TAIGA, относится к фундаментальным исследованиям, то есть позволяет расширить знания о мире. Принесет ли это когда-нибудь практическую пользу для народного хозяйства, неизвестно.
Может быть, эти исследования позволят сделать открытия в каких-то смежных областях. Например, ученые поймут, как можно предсказывать землетрясения. Сейчас у астрофизиков есть предположения, что космические частицы являются спусковыми крючками для подземных толчков.
На Байкале и Хубсугуле в последнее время часто происходят сильные землетрясения, и недавно во время наблюдений астрофизики случайно заметили, что за несколько часов до толчков менялось электромагнитное поле. Связь между землетрясениями и космическими частицами ученые теперь будут проверять.
Не исключено, что TAIGA поможет астрофизикам сделать и открытия уровня Нобелевской премии. К примеру, они найдут частицы темной материи, о которой известно только то, что она существует.
Есть на счету гамма-обсерватории уже сделанные открытия. 12 лет назад с помощью установки "Тунка-133" ученые обнаружили в спектре космических лучей так называемое второе колено — изгиб, о котором раньше не знали. Танаев говорит, что это очень важное с научной точки зрения открытие.
Модное течение в науке
Танаев рассказывает, что гамма-астрономия сейчас — это мейнстрим. Ученые во всем мире ею увлеклись, потому что научились ловить частицы сверхвысоких энергий и поняли, что с их помощью можно раскрыть секреты Вселенной.
Учеными, которые пытаются проникнуть в тайны мироздания, движет не только перспектива получить мировое признание, но и обычное любопытство.
"Человека всегда интересовало, а что там — в космосе. Наверное, и первобытный человек, сидя у костра, смотрел в небо, на звезды. Нас всегда интересует, что там — за горизонтом", — отвечает Анна на вопрос о том, почему она и ее коллеги стремятся узнать, что происходит далеко за пределами Земли.
Для нее физика — это созидательный процесс, который приносит удовольствие, а все новое, что получается узнать и найти, воспринимается как чудо. В одном анекдоте говорится: не учи в школе физику, и вся жизнь будет наполнена чудесами и волшебством. Ученые НИИ прикладной физики ИГУ считают иначе: изучайте физику, тогда жизнь наполнится чудесами.
Засечь частицу сверхвысоких энергий — это тоже отчасти чудо, ведь гамма-кванты долетают до нас очень редко. Анна приводит такую статистику: за год на 1 кв. км площади, а этот как раз площадь обсерватории TAIGA, может прилететь одна частица. Но по одной частице никаких выводов не сделать. Нужно ловить больше гамма-квантов, а для этого нужны и установки побольше.
Астрофизики ИГУ с монгольскими коллегами планируют построить еще одну гамма-обсерваторию, но уже на площади 10 кв. км. Сейчас идут предпроектные работы. Для размещения рассматривается местность недалеко от озера Хубсугул в Монголии. Но когда обсерватория появится, пока неизвестно.
"Там достаточно долгосрочный этап по измерениям прозрачности атмосферы, влажности, погодных условий. На основе этой статистики мы будем доказывать инвесторам, что это хорошее место и там имеет смысл строить эту установку", — объясняет Андрей Танаев.
Светлана Латынина