​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.
    1336
  • 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.
    335
  • 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.
    521
  • 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).
    285
  • 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.
    467
  • 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​.
    380
  • 20/01/2021

    Технологию безмазутного розжига котлов ТЭЦ успешно испытали инженеры НГТУ НЭТИ

    15 января 2021 года учёные и инженеры НГТУ НЭТИ и «КОТЭС Инжиниринг» успешно провели испытания электроионизационной технологии безмазутного розжига пылеугольных котлов на огневом стенде мощностью 5 МВт на площадке Института теплофизики СО РАН.
    760
  • 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.
    955
  • 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).
    428
  • 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.
    197