Журнал `Компьютерра` №725

Видимо? Не видимо!..

Автор: Юрий Нешпор

Астрофизика занимается исследованиями физических процессов, протекающих внутри и в окрестностях различных объектов Вселенной, причем мы знаем, что многие из этих процессов невозможно воспроизвести в земных условиях - отсюда особый интерес к "экстремальным", высокоэнергетическим проявлениям физической природы Мироздания.

Автор работает 
заместителем заведующего лабораторией 
гамма-астрономии Крымской 
астрофизической обсерватории

В глубинах космоса можно встретить магнитные поля всего в 10–6 гаусс, то есть в миллионы раз слабее магнитного поля Земли, но встречаются и 1012 гаусс, то есть их напряженность в тысячи миллиардов раз больше магнитного поля Земли. Объекты с такими полями, как правило, излучают огромное количество энергии. Например, галактики с активными ядрами излучают до 1046 эрг/с, что во многие миллиарды раз больше энергии, которую излучает наше Солнце.

Надо сказать, что многие излучающие объекты "светят" в широком диапазоне частот, их "видят" обычные и радиотелескопы, однако некоторые из них загадочным образом "черны". Впервые мы узнали об их существовании лишь благодаря гамма-телескопии. И лишь она дает возможность в этом случае хоть что-то рассмотреть на кухне Мироздания, где царят поистине непередаваемые уровни энергий и масштабы процессов.

В результате наблюдений на наземных гамма-телескопах к настоящему времени зарегистрировано гамма-излучение сверхвысоких энергий (СВЭ) от четырнадцати объектов, пять из которых были открыты астрономами Крымской астрофизической обсерватории (КрАО). Чаще всего - это активные ядра галактик (АЯГ). Восемь АЯГ принадлежат к типу лацертид. Они получили свое название от галактики BL Lac. Лацертиды характеризуются переменностью большой амплитуды в оптическом диапазоне, переменным радиоизлучением и заметной поляризацией излучения. Они имеют вид звездоподобных объектов, окруженных туманными оболочками. Гамма-излучающая галактика M 87 - это радиогалактика с джетом в ядре; объекты Geminga, Vela, Crab и Cyg X-3 содержат пульсары, излучающие гамма-кванты СВЭ.

Из четырнадцати объектов тринадцать наблюдаются в широком диапазоне частот, от радио- до гамма-излучения СВЭ, но вот для источника Cyg gamma-2 есть данные только в гамма-диапазоне СВЭ. Он - классический "невидимка".

Земная атмосфера не прозрачна для гамма-излучения практически во всем диапазоне его энергий, поэтому для регистрации гамма-квантов в диапазоне от 105 эВ до 109 эВ (так называемые высокие энергии - ВЭ) используются приборы, устанавливаемые на спутниках и стратостатах (баллонах). Регистрация гамма-квантов с энергией Е > 1011 эВ (это уже сверхвысокие энергии - СВЭ) осуществляется на наземной аппаратуре с использованием промежуточного физического явления - черенковского излучения [Черенковское излучение - свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Открытие было сделано в 1934 году Павлом Черенковым в лаборатории Сергея Вавилова, а теоретическое объяснение разработали И. Тамм и И. Франк в 1937 году].

Надо сказать, что поток частиц в этом энергетическом диапазоне очень мал. В круг диаметром 400 метров попадает приблизительно одна частица в секунду, причем ожидаемые гамма-кванты от источника, который мы собрались наблюдать, составят лишь доли процента от общего числа частиц.

Падение фрагментов кометы Шумейкер-Леви 9 на Юпитер в 1994 г. дало возможность впервые наблюдать и изучать эффекты, связанные со взрывами кометных тел в атмосфере планет. Комета Шумейкер-Леви 9 за два года до ее падения распалась в поле тяготения Юпитера более чем на двадцать осколков, постепенно вытянувшихся в своеобразный "поезд". В течение недели в июле 1994 г. осколки друг за другом врезались в атмосферу Юпитера. Место падения было в южном полушарии на обратной стороне планеты. Вследствие вращения Юпитера область падения появлялась на его лимбе только через 10–15 минут после взрывов осколков.

Хотя с Земли нельзя было наблюдать возникшие при этом взрывы, удалось зарегистрировать моменты падения некоторых из обломков, наблюдая отражение световой вспышки взрыва от спутника Юпитера Ио, находившегося в это время позади Юпитера. Спектральные и фотометрические наблюдения позволили оценить энергию, выделившуюся при взрывах, которая на два порядка превосходит энергию взрыва Тунгусского метеорита.

Исследователи В. В. Прокофьева и В. П. Таращук обратили внимание на многократность взрывов на Юпитере, наблюдавшуюся 20 июля 1994 г. при падении самого яркого фрагмента, получившего обозначение Q. Было достоверно обнаружено не менее семи взрывов, следствием которых стало увеличение яркости на лимбе Юпитера, зарегистрированное разными наблюдателями.

Случись подобное на нашей планете, это была бы трагедия глобального масштаба и имела бы самые катастрофические последствия для человечества и жизни на Земле.

Н. И. Шаховская

Для их наблюдения мы используем то обстоятельство, что гамма-кванты сверхвысокой энергии, взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, образуют вторичные быстрые электроны, которые испускают кванты черенковского излучения (черенковские вспышки) в оптическом диапазоне частот под малым (около одного градуса) углом к направлению движения первичного кванта. Это дает возможность определять область, из которой исходит поток гамма-излучения. Площадь, освещаемая черенковской вспышкой, кстати, довольно велика: десятки тысяч квадратных метров земной поверхности.

Впервые черенковское излучение в атмосфере стали наблюдать в 1950-х годах [Первые эксперименты по наблюдению черенковских вспышек от космических частиц были выполнены В. Голбрайтом и Дж. Джелли, а также Н. М. Нестеровой и А. Е. Чудаковым]. В Крымской астрофизической обсерватории первые черенковские вспышки были зарегистрированы в ночь на 14 декабря 1968 года. Регулярные наблюдения предполагаемых гамма-источников сверхвысокой энергии (E>1011 эВ) на гамма-телескопе первого поколения под руководством доктора физ.-мат. наук Арнольда Арташесовича Степаняна (1931–2005) были начаты в Крымской астрофизической обсерватории в марте 1969 года. Этот первый гамма-телескоп, сконструированный на базе армейских зенитных прожекторов, состоял всего из четырех светоприемников. Каждый светоприемник (детектор) представлял собой параболическое зеркало диаметром 1,56 метра, в фокусе которого располагался фотоумножитель с сопутствующей электроникой.

Наблюдения проводились путем сканирования двумя группами детекторов (двух секций), каждая из которых состояла из двух параллельно направленных приемников света, включенных в схему совпадения. Измерения проводились следующим образом: сначала на космический объект вручную наводились детекторы первой секции, и в течение двенадцати минут регистрировался возможный поток гамма-квантов от источника (регистрировалось число черенковских вспышек за этот интервал времени). Через двенадцать минут на наблюдаемый объект наводились детекторы второй секции. При этом на первой секции регистрировались черенковские вспышки небесного фона (источник вне поля зрения гамма-телескопа). Еще через двенадцать минут на наблюдаемый объект вновь наводилась первая секция и т. д. Таким образом, исследуемый объект постоянно находился в поле зрения одной из секций, причем другая секция в это время регистрировала фон вне объекта.

На этой установке были проведены наблюдения сорока трех небесных объектов различного типа: пульсаров, остатков сверхновых звезд, источников гамма-квантов с энергией 108 эВ и др. Зарегистрировано гамма-излучение СВЭ E>2х1012 эВ от пульсара CP 1133, от рентгеновского источника Cyg X-3 и объекта Cas g-1 с высокой степенью достоверности. Детальный анализ результатов наблюдений показал, что два типа объектов можно уверенно считать источниками гамма-квантов СВЭ - это пульсары и источники гамма-излучения в области 108 эВ. Особое внимание было уделено рентгеновскому источнику Cyg X-3, который наблюдали в Крыму с 1972 года по 1980 год включительно. В результате девятилетних наблюдений был определен с высокой точностью период излучения в 4,8 часа и его производная. Показано, что как в гамма-излучении СВЭ, так и в рентгеновском излучении источника Cyg X-3 присутствует составляющая с периодом 328 суток.

Для уверенного обнаружения гамма-квантов сверхвысоких энергий от определенного объекта при наблюдениях на простейших гамма-телескопах (гамма-телескопы первого поколения), которые регистрировали только само наличие черенковской вспышки, требовалось очень длительное время регистрации, при наблюдениях некоторых источников достигавшее нескольких лет. Это очень сильно затрудняло поиск новых объектов и особенно исследование переменных источников гамма-квантов, хотя именно такие объекты являются типичными и самыми распространенными. Наибольшим препятствием для обнаружения и исследования источников гамма-квантов СВЭ является значительный фон космических лучей, заряженные частицы которых вызывают в атмосфере Земли черенковские вспышки, трудно отличимые от вспышек, вызванных гамма-квантами. Тем не менее различия между ними есть. Используя этот факт, многие группы исследователей построили новые, конструктивно более сложные, гамма-телескопы. Главная особенность современных гамма-телескопов (телескопы второго поколения) - это применение многоканальных камер, а следовательно, и возможность строить изображение черенковских вспышек.

Первый в мире сдвоенный гамма-телескоп второго поколения ГТ-48 (в нем насчитывается 48 зеркал) был построен в Крымской астрофизической обсерватории под руководством А. А. Степаняна (научный руководитель и главный конструктор проекта). Практические наблюдения в КрАО на этом гамма-телескопе (комплексной установке) были начаты в 1989 году.

Установка состоит из двух идентичных альт-азимутальных монтировок (секций) - северной (N) и южной (S), расположенных на расстоянии 20 м в направлении север-юг на высоте 600м над уровнем моря. На каждой монтировке установлено по шесть телескопов, которые здесь правильнее называть элементами. Оптика каждого элемента состоит из четырех 1,2-метровых зеркал, имеющих общий фокус. В фокальной плоскости каждого такого элемента расположен светоприемник (камера), состоящий из 37 фотоумножителей (37 ячеек), с помощью которого, собственно, и регистрируются изображения черенковских вспышек в видимой области спектра (300–600 нм).

Перед каждым фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) помещен конический световод. Наружные поверхности окон световодов имеют форму шестигранников и вплотную прилегают друг к другу, так что весь свет, поступающий в светоприемник, попадает на катоды ФЭУ. Средний диаметр входного окна световодов определяет угол поля зрения одной ячейки (0,4 градуса). Сигналы от ячеек четырех элементов, направленных на один и тот же участок неба, линейно складываются, а вспышки регистрируются лишь в том случае, когда амплитуды сигналов, совпадающих по времени (в диапазоне 15 нс) в каких-либо двух из 37 каналов, превышают установленный порог.

Оставшиеся два элемента монтировки имеют фокусное расстояние 3,2 м и предназначены для регистрации вспышек ультрафиолетового излучения в области 200–300 нм. Светоприемниками там являются солнечно-слепые фотоумножители. Общая площадь зеркал на обеих монтировках (секциях) составляет 54 кв. м. Движение установки осуществляется системой управления с точностью ведения ±0,05 градуса. Наблюдения могут проводиться как в режиме совпадения между двумя секциями, так и независимо каждой секцией. Эффективная пороговая энергия регистрации гамма-квантов - 1 ТэВ. Управление телескопом ГТ-48 осуществляется с помощью персонального компьютера, соответствующие программы для которого были написаны сотрудниками нашей лаборатории.

Наблюдения на гамма-телескопах второго поколения проводятся в различных точках земного шара, однако таких телескопов во всем мире не больше десятка: три из них установлены в южном полушарии, остальные в северном, один из них - в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО).

Применение эффекта Вавилова-Черенкова - именно в силу физических свойств возникающего излучения - позволяет решить непростую задачу пространственной локализации наблюдаемого источника излучения.

Характер черенковского излучения таков, что, фиксируя с высоким временны,м разрешением его кванты и зная пространственную геометрию экспериментальной установки (зная координаты размещения фотоэлектронных умножителей), мы при помощи вычислений можем достаточно точно определить местоположение источника первичного излучения в сферической системе координат, связанной с экспериментальной установкой. Таким образом, соединение системы датчиков и вычислителя рождает качественно иное устройство - телескоп.

Эффект Вавилова-Черенкова позволяет конструировать телескопы, способные успешно работать не только в области гамма-астрономии сверхвысоких энергий [Космические частицы высоких энергий способны формировать в атмосфере так называемые широкие атмосферные ливни вторичных быстрых заряженных частиц, исследование которых также осуществляется при помощи датчиков черенковского излучения]. Целый ряд интереснейших физических процессов во Вселенной (в частности, в недрах Солнца, куда принципиально не способен "заглянуть" ни один из оптических, радио- или гамма- инструментов) происходит с выделением нейтрино - до сих пор во многом загадочной частицы, главным из свойств которой является, пожалуй, чрезвычайно слабое взаимодействие с веществом. Тем не менее редкие взаимодействия нейтрино с атомами вещества рождают вторичные заряженные частицы высоких энергий, которые при движении в подходящей среде способны излучать "черенковские" фотоны.

Ничтожная плотность событий взаимодействия нейтрино с веществом определяет необходимость строительства (иного слова не подберу!) огромных по размеру и массе детекторов - их масса достигает сотен тысяч тонн. А само использование черенковского излучения (оптического) приводит к тому, что детекторы должны быть прозрачными и с возможно более высоким показателем преломления. На практике же самым подходящим веществом для создания детектором нейтринных телескопов оказалось… вода.

Что же собой представляет нейтринный телескоп?

Сильно упрощая, это устройство можно описать так: бак со специально подготовленной водой, снабженный системой многочисленных датчиков черенковских фотонов (фотоэлектронные умножители, способные реагировать на единичные кванты света), плюс электроника, позволяющая с возможно большим временны,м разрешением фиксировать кванты черенковского излучения. Ну и, конечно, вычислитель. Разумеется, конструкция нейтринного телескопа гораздо сложнее, а его размеры и инженерная сложность - поражают. Ведь для того, чтобы исключить попадание в объем детектора случайных заряженных частиц (например, из космоса), его необходимо окружить мощнейшей защитой. С этой целью установку помещают глубоко под землю или под воду.

Например, нейтринный телескоп Kamiokande-II японцы упрятали в шахту глубиной 1 км. Сердцем телескопа является цилиндрическая стальная емкость диаметром 15,5 м и высотой 16 м. В емкость залито три тысячи тонн тщательно очищенной воды [В столь чистой воде длина пробега фотона достигает 55 м.]. В качестве приемников черенковских фотонов использовались 1300 фотоэлектронных умножителей. В той же шахте расположился усовершенствованный телескоп Super-Kamiokande, снабженный водяным детектором массой пятьдесят тысяч тонн. Компьютер обрабатывает сигналы от 13600 фотоэлектронных умножителей. Эта установка обеспечивает пространственное разрешение, достаточное для исследования нейтринных потоков не только от Солнца, но и от взрывов сверхновых звезд и других нейтринных источников в далеком космосе.

Поистине уникальным является Баксанский подземный галлий-германиевый нейтринный телескоп (ГГНТ) с детектором из шестидесяти тонн металлического галлия. Этот телескоп, служащий для исследования солнечных нейтрино, расположен на расстоянии 3,5 км от входа в горный тоннель (3670 м в глубь горы).

Впечатляюще выглядит Байкальский нейтринный телескоп НТ200, в котором в качестве детектора используется вода озера Байкал. Столь оригинальную конструкцию удалось реализовать благодаря природным условиям озера: глубины более километра и высокая прозрачность воды (пробег света достигает 20 м). Сам телескоп состоит из наращиваемого числа фотоприемников (типа "Квазар"; собраны в высокопрочных стеклянных сферах, способных выдерживать давление в 150 атмосфер на рабочих глубинах), которые на тросах опущены в воду на глубину 1,2 км в южной оконечности озера. Береговой центр обработки данных по черенковским вспышкам регистрирует каждую частицу, вычисляет ее траекторию и отбрасывает все измерения, оставляя лишь частицы, двигавшиеся снизу - то есть сквозь земной шар, не представляющий для нейтрино существенной преграды.

Очень красив по замыслу проект нейтринного телескопа АМANDA в Антарктиде, на американской станции Амундсен-Скотт. Южный полюс Земли покрывает мощнейший слой льда, толщина которого достигает 3 км, что дает возможность создавать в его толще нейтринные телескопы, использующие лед в качестве детектора. Скважины во льду для размещения гирлянд фотоприемников (конструкция, в принципе, аналогичная "Байкальской") глубиной до 2 км "вытаивают" при помощи горячей воды. После опускания в скважину датчиков и замерзания канала устройство готово к работе. В настоящее время AMANDA состоит из 677 фотоприемников, размещенных на девятнадцати гирляндах-стрингах, и является крупнейшим нейтринным телескопом. Начаты работы по расширению установки до объема 1 куб. км. Новая установка IceCube будет состоять из 4800 оптических модулей на 80 стрингах.

Юрий Романов