​Исследования потоков астрофизических гамма-квантов настолько сложны, что во всем мире установок для подобных исследований существует всего три. Четвертой будет TAIGA — гамма-обсерватория в Тункинской долине в Бурятии, на астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета. Однако для начала надо понять, что такое гамма-кванты и какая от них польза.  
 
Небесный фейерверк 
 
— Многие тысячи лет всю информацию о космосе человек получал с помощью оптических наблюдений, — объясняет руководитель Тункинского астрофизического центра коллективного пользования, доктор физмат наук, декан физического факультета ИГУ Николай Буднев. — Эта информация приходит к нам с помощью видимого света. Но на самом деле даже наше Солнце является источником многих других типов излучений, которые наш глаз, конечно, не улавливает. Чтобы лучше понять, какие процессы происходят в космических объектах, мы должны изучать все виды носителей информации. Одним из них является электромагнитное излучение в широком диапазоне энергий. Обычный свет, который воспринимает глаз человека, — это очень малая часть электромагнитного спектра. Любое излучение характеризуется его энергией. Энергия рентгеновского излучения в несколько тысяч раз выше, чем энергия видимого света. А есть объекты, которые излучают вот эти гамма-кванты с энергией в миллионы и миллиарды раз большей, чем рентгеновское излучение. Гамма-кванты — это кванты (минимальные неделимые порции) электромагнитной энергии, которая измеряется вот такими величинами. ​
 
Задача всех гамма-обсерваторий в том, чтобы исследовать космические источники, которые излучают гамма-кванты сверхвысоких энергий. Однако просто уловить гамма-кванты нельзя: наша атмосфера для них непрозрачна. Уже на высоте 30-40 километров они взаимодействуют с атомами воздуха. 
 
Гамма-кванты обладают такой гигантской энергией, что встреченные ими молекулы распадаются на куски, которые с огромной скоростью летят дальше, сталкиваются с другими атомами, которые тоже разваливаются. В процессе этих столкновений образуется множество самых разных частиц, которые каскадами обрушиваются на Землю. 
 
Но как гамма-обсерватория может регистрировать эти каскады? Дело в том, что, двигаясь к Земле, частицы каскадов светятся, излучая так называемый черенковский свет. Гамма-телескопы регистрируют именно эти вспышки света, порождаемые каскадом после взаимодействия гамма-квантов с атмосферой. 

 
Зеркало и глаз 
 
Основная информация о гамма-излучении получена с помощью специальных установок. В них имеется от двух до пяти телескопов с зеркалами диаметром от 4 до 28 метров и камерами, регистрирующими изображения каскадов в атмосфере в черенковском свете. В принципе эти камеры подобны камерам обычных фотоаппаратов, только имеют диаметр больше метра, обладают очень высокой чувствительностью и быстродействием. По свойствам изображения, которое получается в камере, можно определить направление движения гамма-квантов, их энергию и выделить их потоки из фона, создаваемого другими частицами. 

 
Подобных установок в мире всего три: в Намибии, в США и на Канарах. Обсерватория TAIGA должна стать четвертой. Условия работы таких обсерваторий крайне жесткие. Наблюдения можно вести только ночью в ясную погоду при отсутствии фоновых источников света. В местах расположения гамма-обсерваторий должно быть очень много ясных дней в году, очень прозрачная атмосфера и никаких населенных пунктов поблизости. В Европе такую установку не построишь: слишком сильный световой фон и слишком загрязненная атмосфера. Поэтому гамма-обсерватории размещаются или в пустыне (как в Намибии и США) или высоко в горах, как на Канарах. В России оптимальным местом для обсерватории оказалась Тункинская долина в Бурятии, где уже много лет существует Тункинский астрофизический центр коллективного пользования ИГУ. 
 
Все гамма-обсерватории весьма дороги. Для получения достоверных данных о событии каждую вспышку надо увидеть не с одной точки, а с нескольких. Чем больше точек, тем выше точность получаемых данных. Поэтому в каждой из трех главных гамма-обсерваторий мира работает несколько телескопов. В Намибии их пять. На Канарских островах два, в США четыре. Особенность всех трех установок в том, что телескопы в них находятся на небольшом расстоянии друг от друга — примерно в ста метрах. Вся информация восстанавливается по данным этих телескопов.   
 
Уникальность российской установки состоит в следующем. Ученые-астрофизики международной коллаборации TAIGA на основе многолетнего опыта исследований разработали проект, в котором классические гамма-телескопы работают совместно с относительно дешевыми детекторами. 

 
— Эти детекторы представляют собой сверхчувствительный глаз, который смотрит в небо и регистрирует вспышки, — рассказывает Николай Буднев. — На площади один квадратный километр мы установили 120 детекторов с шагом 106 метров. Получается такая решетка. Важно, что эти детекторы во много раз дешевле телескопов. ​

 
По данным решетки детекторов можно с очень высокой точностью определить энергию и направление каскада, повторяющее направление полета гамма-квантов. Однако эти данные не решают проблему радикально. Помимо  гамма-квантов в атмосферу постоянно приходят ядра с очень высокими энергиями. Их куда больше, чем гамма-квантов. Ученым важно определить, какой частицей порожден каскад: ядром или гамма-квантом. Это можно сделать только на основе анализа изображений, которые регистрируют камеры телескопов. 
 
Но если знать данные детекторов, для выделения гамма-квантов из потока ядер достаточно зарегистрировать каскад только одним телескопом. Это ноу-хау астрофизиков позволило увеличить расстояние между телескопами и соответственно уменьшить их количество при создании установки на большой площади. Если в других установках телескопы ставятся на расстоянии сто метров друг от друга, то в Тункинской долине их разделяет 400-500 метров. Это означает, что на один квадратный километр надо всего три телескопа, а не десятки. 

 
— А представьте, сколько телескопов потребовалось бы на площадь 10 кв км! — говорит Буднев. — Теперь с нашими детекторами их будет всего около полутора десятков. Но не сто. В этом особенность нашего подхода. Он позволяет сделать установку на большой площади и при этом не слишком дорогую. ​

 
Сверхновая над Иркутском 
 
Гамма-кванты излучают только космические объекты с колоссальным  выделением энергии. На сегодняшний день таких объектов обнаружено уже больше 200. Какие-то видны в Южном полушарии, какие-то в Северном. Установка в Тункинской долине самая северная в мире. Она позволяет изучать объекты, которые не видны на других установках. С помощью данных гамма-обсерваторий можно понять природу космических объектов и получить представление об их химическом составе и процессах, которые в них происходят. 
 
Первым объектом, которые начали изучать в гамма-обсерватории TAIGA, стала Крабовидная туманность, которая по космическим меркам находится довольно близко от Солнечной системы. Это остатки сверхновой взорвавшейся в 1054 году. Взрыв был таким мощным, что, как сообщают летописи, на Земле ночью было светло. Кстати, ученые полагают, что и Вифлеемская звезда тоже была сверхновой, взорвавшейся неподалеку от нас. 
 
— Цель нашей обсерватории — изучить объекты с самой высокой энергией, какие есть во Вселенной: сверхновые звезды, блазары и некоторые другие, —говорит Буднев. — Мы делаем спектральный анализ этих объектов в самых высокоэнергетических зонах спектра. С помощью одной установки невозможно измерить весь диапазон спектра. Мы специализируемся на верхнем энергетическом диапазоне. Остальные исследуют, в основном, потоки гамма-квантов более низких энергий. Потом все данные складываются, что позволяет получить более или менее понятную картину вселенной высоких энергий. ​​
 
Цель международной коллаборации ученых во главе с иркутскими астрофизиками — создать установку с площадью в 10 раз больше, чем тот пилот, который уже действует в Тункинской долине. Понятно, что прежде чем запускать такой проект, нужно досконально изучить все физические и технические стороны работы пилотной установки. Это позволит с минимальными затратами довести гамма-обсерваторию TAIGA до полной реализации. 

 
— Мы сейчас года два будем тестировать эту маленькую установку, — объясняет Буднев. — Она уже работает, но мы все время что-то совершенствуем в ней. Еще два года уйдет на создание проекта новой установки. В итоге мы планируем запустить в работу большой комплекс года через 4-5. Тут трудно назвать точные сроки. Понятно, что его стоимость будет значительно больше, чем стоимость нашей установки, которая стоит около 500 млн рублей. Большой проект обойдется примерно в 5 млрд. 
 
Для справки. Проект TAIGA относится к разряду мегасайенс и делается, что называется, всем миром. Головной организацией в международной коллаборации является ИГУ. В 2013 году ИГУ выиграл мегагрант правительства РФ в размере 90 млн рублей. В 2015 году грант был продлен на два года, и ИГУ получил еще 30 млн. В 2017 году Минобрнауки России поддержало проект дополнительным финансированием в размере 170,7 млн рублей. 

 
Основные понятия 
 
Квант — минимальная неделимая порция чего-либо. 
 
Гамма–кванты — кванты электромагнитного излучения, несущие огромную энергию. 
 
Черенковское излучение — свет, который излучается заряженными частицами, когда они движутся в прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Этот эффект был открыт в 1934 году советскими физиками Сергеем Вавиловым и Павлом Черенковым. В 1958 году, уже после смерти Сергея Вавилова, за это открытие советские ученые Черенков, Тамм и Франк получили Нобелевскую премию по физике. 
 
Сверхновая звезда или вспышка сверхновой — явление, в ходе которого звезда резко увеличивает свою яркость на 4-8 порядков (на 10-20 звездных величин). После чего сравнительно медленно затухает. Вспышка является результатом катастрофических процессов, происходящих в конце эволюции некоторых звезд. Взрыв сверхновой сопровождается выделением огромного количества энергии. 
 
Блазары — активные ядра галактик, одни из самых мощных объектов во Вселенной. 
 
Текст: Ольга Андреева. 
 
Фото: второй атмосферный черенковский телескоп гамма-обсерватории TAIGA // Виктор Ежов.

Источники

Проект TAIGA: как изучают самые мощные объекты во Вселенной?
Годнауки.рф, 08/04/2021
Проект TAIGA: как изучают самые мощные объекты во Вселенной?
Иркутский государственный университет (isu.ru), 09/04/2021
АлтГУ участвует в "мегасайенс"-исследованиях космоса в составе международной астрофизической коллаборации TAIGA
Главное управление образования и молодежной политики Алтайского края (educaltai.ru), 12/04/2021

Похожие новости

  • 18/05/2021

    Гамма-обсерватория TAIGA. Новый уровень

    Как изучаются самые мощные объекты во Вселенной и какую информацию из космоса несут гамма-кванты, что из себя представляют детекторы, их улавливающие, и на каком уровне находится сегодня развитие крупнейшей в мире гамма-обсерватории TAIGA – подробно об этом рассказали ученые-физики Иркутского государственного университета журналистам региональных и федеральных СМИ.
    1520
  • 13/04/2021

    Алтайский государственный университет участвует в «мегасайенс»-исследованиях космоса в составе международной астрофизической коллаборации TAIGA

    В конце марта 2021 года успешно завершилась командировка молодых ученых АлтГУ в Тункинскую долину (Бурятия). Здесь, в 50 км от озера Байкал, расположен пилотный комплекс гамма-астрономической обсерватории TAIGA.
    452
  • 23/04/2021

    ИГУ и ОИЯИ планируют создание совместной астрофизической лаборатории

    ​22 апреля в Объединенном институте ядерных исследований (г. Дубна) состоялась рабочая встреча директора ОИЯИ Григория Трубникова с представителями Иркутского госуниверситета. Делегация ИГУ в составе ректора Александра Шмидта, декана физического факультета Николая Буднева и директора НИИ прикладной физики ИГУ Андрея Танаева прибыла в ОИЯИ с рабочим визитом.
    609
  • 08/04/2021

    Сотрудники ИРНИТУ исследовали эффективность наземных и беспилотных электромагнитных зондирований на льду Байкала

    Сотрудники института ИРНИТУ провели испытания двух новых вариантов технологий электромагнитах зондирований - ЭМЗ-ВП (EMS-IP) и БПЛА-МПП (UAV-TEM) в районе посёлка Большое Голоустное. Проект развивает коллектив института «Сибирская школа геонаук» (SSG).
    360
  • 17/05/2021

    Институт квантовой физики ИРНИТУ и «РТ-Техприемка» создадут IT-решение для изучения парниковых газов планеты

    ​Компания «РТ-Техприемка» Госкорпорации Ростех и Институт квантовой физики (ИКФ, входит в Иркутский национальный исследовательский технический университет) в рамках действующего соглашения о сотрудничестве планируют создать интернет-ресурс, с помощью которого можно будет проводить научные исследования и получать современные оценки поглощательной способности атмосферных газов.
    553
  • 26/04/2021

    Иркутская TAIGA проверит физику на прочность

    ​На астрофизическом полигоне Иркутского государственного университета завершено создание пилотного комплекса гамма-обсерватории TAIGA. Эта уникальная установка — один из крупнейших и наиболее чувствительных инструментов в мире для решения задач в области астрофизики высоких энергий — возможно, станет началом Новой физики, находящейся за пределами Стандартной модели​.
    538
  • 28/05/2021

    Профессор ИРНИТУ Денис Сидоров стал членом редколлегии одного из самых авторитетных в мире журналов по энергетике

     Заведующий лабораторией промышленной математики Байкальского института БРИКС Иркутского политеха, профессор РАН, д.ф.-м.н. Денис Сидоров стал членом редколлегии одного из самых авторитетных в мире журналов по энергетике Renewable Energy, который входит в первый квартиль международных баз данных Web of Science и Scopus.
    1087
  • 17/08/2021

    Участки, перспективные для поиска урана, обнаружили в Бурятии ученые

    Ученые ИРНИТУ, АО «Сосновгео», Всероссийского института минерального сырья им Н.М. Федоровского (ВИМС) выполнили ревизионные работы на юге Бурятии. Результаты работы экспедиции позволили выделить участки, перспективные для возможных поисков урана.
    453
  • 01/03/2021

    Статья о беспилотной системе для электромагнитных зондирований опубликована в журнале Applied Sciences (Q1)

    Сотрудники ИРНИТУ совместно с коллегами из Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) и Всероссийского научно-исследовательского института минерального сырья им. Н.М. Федоровского (ВИМС) опубликовали статью в высокорейтинговом журнале Applied Sciences (Q1, Scopus).
    501
  • 06/07/2021

    ИГУ получит грант на развитие уникальной научной установки

    На развитие гамма-обсерватории TAIGA Иркутский государственный университет в течение трех лет получит 150 миллионов рублей как победитель конкурса грантов Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
    307