Земля — фильтр, мишень, детектор

Тут самое время вспомнить, что наша Земля — не только «модель экзопланеты», но и сама — полноправная планета. Может ли она играть роль телескопа или хотя бы как-то способствовать изучению Вселенной? Казалось бы, земные явления только мешают астрономическим наблюдениям: достаточно вспомнить о свечении ночного неба, атмосферном дрожании, почти полной непрозрачности атмосферы в рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Несмотря на это, в последние годы Земля все чаще становится элементом астрофизических приборов. Вот несколько примеров.

Чтобы наблюдать космическое гамма-излучение, как уже говорилось, аппаратуру приходится выводить за пределы земной атмосферы на космических аппаратах. Но и в космическом пространстве трудно зарегистрировать «сверхжесткие» гамма-кванты, энергия которых превышает 100 ГэВ. Это «сверхпроникающее» излучение способны задержать и обнаружить только детекторы размером в десятки и сотни метров. Для их запуска в космос даже нет достаточно грузоподъемной ракеты. К счастью, оказалось, что детектором для таких квантов может быть... атмосфера Земли! Ученые воспользовались тем обстоятельством, что гамма-квант сверхвысокой энергии, проходя через земную атмосферу, создает в ней ливень элементарных частиц. Каждая заряженная частица этого ливня, двигаясь с околосветовой скоростью (которая выше скорости распространения света в атмосфере), вызывает черенковское свечение. Поток оптических фотонов распространяется в том же направлении, что и породивший его гамма-квант. Остается только зарегистрировать этот свет с помощью обычного телескопа.

Первыми в мире систематические наземные исследования космического гамма-излучения начали проводить сотрудники Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) еще в 1964 г. На Тянь-Шаньской высокогорной станции ФИАНа и в Крымской астрофизической обсерватории регистрация черенковского излучения успешно осуществлялась сначала с помощью параболических зеркал диаметром 1,5 м (от прожекторов ПВО), а позже — с помощью многозеркальных коллекторов света. Атмосфера Земли не только не мешала им, но и была необходимым элементом установки. Сейчас уже в нескольких странах действуют подобные гамма-телескопы. Один из крупнейших — VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в Аризоне состоит из четырех 12-метровых коллекторов света и регистрирует кванты с энергией от 50 ГэВ до 50 ТэВ. Каждый из коллекторов собран из 350 плоских шестиугольных зеркал, которые отражают свет в фокус коллектора, где находится система регистрации на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). С помощью этих приборов уже обнаружены десятки источников сверхжесткого гамма-излучения, как в нашей Галактике, так и в соседних. Кстати, таким же методом регистрируют и частицы космических лучей сверхвысокой энергии, которые также при взаимодействии с атмосферой Земли порождают поток вторичных частиц — широкий атмосферный ливень, дающий вспышку черенковского излучения.

Неоценима роль Земли и при наблюдении космических нейтрино. В нашей стране в недрах горы Андырчи в Приэльбрусье сооружен один из крупнейших в мире нейтринных телескопов, в котором Земле отведено сразу несколько важных функций. Во-первых, она служит фильтром, не пропускающим к телескопу потоки космических лучей. Во-вторых, земной шар используется в качестве мишени, взаимодействуя с которой нейтрино рождают потоки мюонов. Эти мюоны регистрируются счетчиками нейтринного телескопа. Сравнивая потоки нейтрино, приходящие сверху и снизу, можно определить сечение взаимодействия нейтрино с земным шаром, иначе говоря, измерить коэффициент пропускания планеты-фильтра.

Рис. 5.5. Схема регистрации сверхжестких космических гамма-квантов, порождающих в земной атмосфере черенковское свечение. Атмосфера планеты играет роль сцинтиллятора — прозрачной среды, в которой рождаются черенковские фотоны.

Рис. 5.6. Четыре коллектора света, составляющих черенковский телескоп VERITAS.

Такие подземные установки по регистрации нейтрино работают уже в нескольких странах. Одна из самых совершенных расположена близ города Садбери (пров. Онтарио, Канада). В шахте Крайгтон на глубине 2070 м находится прозрачный плексигласовый шар диаметром 12 м, заполненный 1000 т тяжелой воды (D₂O). Вокруг него расположены 9600 ФЭУ, направленные в центр шара и регистрирующие вспышки черенковского света от быстрых электронов, рождающихся в реакции

v_e + D → е + р + р.

Вся эта конструкция помещена в еще больший резервуар с 7300 т обычной, но очень чистой воды, играющей роль защиты от радиоактивного излучения горных пород. Именно на Садберийской нейтринной обсерватории (SNO) в 2002 г. была решена так называемая проблема солнечного нейтрино — слабость наблюдаемого потока электронных нейтрино из недр Солнца по сравнению с теоретически рассчитанным потоком, который должен быть, если в глубинах Солнца идут термоядерные реакции. Оказалось, что по пути от Солнца к Земле часть электронных нейтрино превращается в нейтрино других сортов — мюонные и тау, а их пока не умеет регистрировать ни один детектор, кроме детектора SNO. Открытие взаимных превращений (осцилляций) нейтрино разных сортов (поколений) заставило физиков взяться за модернизацию теории элементарных частиц.

Рис. 5.7. Схема обнаружения нейтрино, пронизывающего земной шар. Установка такого типа — в полном смысле слова «планета-телескоп».

Масштаб Садберийского прибора поражает, но эта установка не самая крупная среди нейтринных детекторов. Например, японский детектор «Супер-Камиоканде», также опущенный глубоко под землю, имеет резервуар диаметром 40 м, заполненный 22 000 т обычной воды и окруженный 11 200 фотоумножителями. Вес всей установки 50 000 т. Но не нужно думать, что астрофизики страдают гигантоманией. Неуловимые нейтрино, с легкостью пронизывающие Солнце и Землю, просто не замечают на своем пути установки меньшего масштаба.

Развивая идею «планета-телескоп», некоторые научные коллективы решили вообще отказаться от искусственных резервуаров гигантского объема, а использовать вместо этого природные резервуары — озера и моря. Глубоководный водоем может быть и фильтром (не нужна шахта!), и сцинтиллятором (не нужен дорогой резервуар). Требуются только ФЭУ, которые следует опустить «во глубину» прозрачных вод и следить там, в абсолютной темноте, за слабенькими вспышками черенковского света, сопровождающими ливни элементарных частиц, рожденных нейтрино в толще воды. Такие установки уже начали работать на озере Байкал, где детекторы опущены на глубину 1 км, а также в Средиземном море — у берегов Франции (эксперимент ANTARES) на глубине 2,5 км и у побережья Греции (эксперимент NESTOR) на глубине 4 км. Если смотреть в перспективу, то весьма привлекательными «планетами-телескопами» для исследователей нейтрино со временем могут стать Европа, спутник Юпитера, и Энцелад, спутник Сатурна, с их подледными океанами глубиной в десятки километров.

Кстати, лед — тоже отличная среда для сооружения гигантских черенковских детекторов, и этим уже воспользовались астрофизики. В ледяном куполе Антарктиды, прямо на Южном полюсе, в течение последних нескольких лет проводился эксперимент AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array — массив мюонных и нейтринных детекторов в Антарктике). Во льду были проплавлены вертикальные скважины и в них на глубину от 1,5 до 2 км опущены гирлянды фотоумножителей. Под давлением вышележащих слоев лед приобретает чрезвычайно высокую прозрачность, к тому же он обладает очень низким радиационным фоном и хорошо охлаждает ФЭУ, уменьшая уровень шумов. Эксперимент оказался успешным, и теперь установка расширяется вглубь и вширь, получив новое имя — IceCube Neutrino Observatory. Глубина увеличилась до 2,5 км, а площадь, на которой по ледяному куполу распределены гирлянды детекторов, достигнет 1 км². Так что объем ледяного черенковского телескопа будет равен одному кубическому километру! Как у ядра небольшой кометы.

А теперь вспомним, что в воде и во льду лучше всего распространяется все же не свет, а звук. Именно поэтому для рыб слух важнее зрения. Еще в 1977 г. советские физики Г.А. Аскарьян и Б.А. Долгошеин предложили проект акустической регистрации нейтрино. Ливень вторичных частиц, рожденных при взаимодействии нейтрино с ядрами атомов воды, должен вызывать в воде короткий щелчок, длительностью всего около 100 мкс. Зарегистрировав звук из нескольких точек, можно определить направление прихода нейтрино. Особый интерес к этому методу появился в связи с тем, что в годы «холодной войны» на дне океанов были раскинуты обширные сети чувствительных гидрофонов для обнаружения вражеских подводных лодок. Например, база США в Атлантике вблизи Багамских островов занимает подводное пространство площадью 250 км². Сейчас там планируется создать подводную акустическую установку с 52 гидрофонами для обнаружения нейтрино. Еще более грандиозный проект DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector) развивался с 1976 по 1995 гг. в Тихом океане близ острова Гавайи. Там на глубине 5 км предполагалось развернуть объединенную систему оптической и акустической регистрации нейтрино. Сейчас проект остановлен, но его наработки и часть оборудования используются в других, менее дорогостоящих, проектах подводных нейтринных детекторов.

Но, пожалуй, еще более грандиозная идея — использовать всю Землю целиком в качестве телескопа. Планета Земля может служить детектором самого экзотического вида излучения — гравитационных волн. В поле гравитационного излучения Земля в простейшем случае должна деформироваться в эллипсоид, вытянутый перпендикулярно направлению приходящей волны, причем степень вытянутости изменяется с частотой приходящего гравитационного излучения. В результате в теле Земли будут возбуждаться сейсмические колебания. В принципе такие же колебания должны возбуждаться и в лабораторных твердотельных детекторах гравитационных волн. Это, как правило, металлические болванки массой около тонны, снабженные чувствительными датчиками колебаний. Наилучшим образом такие детекторы откликаются на ту гравитационную волну, частота которой совпадает с частотой собственных колебаний болванки: для лабораторных детекторов это звуковые частоты (1 Гц — 10 кГц), для Земли — инфразвуковые (0,1—10 Гц), что интереснее с точки зрения астрофизики. Регистрируя колебания земной поверхности специальным сейсмометром, исследователи надеются обнаружить гравитационное излучение пульсаров и вращающихся белых карликов. Уже четверть века в различных районах Земли ставятся такие эксперименты. За это время чувствительность аппаратуры была повышена в тысячи раз, но пока на фоне сейсмических шумов не удалось выделить колебаний с периодами, близкими или кратными периодам известных пульсаров. Были даже попытки поставить аналогичный эксперимент на Луне, куда участники экспедиций «Аполлон» доставили сейсмометры. Но эти попытки закончились безрезультатно.

Рис. 5.8. Схема регистрации гравитационных волн, в которой используется специальный сейсмометр, фиксирующий колебания земного шара.

Впрочем, астрофизики постоянно пытаются приспособить Луну для изучения космоса. Ее роль при исследовании Солнца и звезд мы уже обсуждали, но и нейтринная астрономия тоже приглядывается к Луне. Пролетая сквозь планету или ее спутник, высокоэнергичное нейтрино может родить ливень вторичных заряженных частиц, которые, как мы знаем, испускают в среде черенковское излучение, причем не только оптическое, но и радио. Если оптические черенковские вспышки можно заметить только в прозрачной среде (воздух, вода), то радиоволны могут выходить из глубин планеты. Кстати, этот метод регистрации нейтрино тоже предложил Г.А. Аскарьян еще в 1961 г. Для генерации черенковского радиоизлучения прекрасно подходит Луна, особенно ее обратная сторона — заповедное место в смысле радиопомех. Но наземным радиотелескопам обратная сторона Луны не видна. Поэтому исходящее оттуда излучение должен регистрировать спутник на окололунной орбите, снабженный чувствительными радиоантеннами. Вот такой нейтринный телескоп получается: даже не планета, а спутник (Луна) + спутник спутника.

А теперь вернемся к Луне в роли гравитационной антенны. Если пока Луну в этой роли не удается использовать «соло», то почему бы не создать дуэт «Земля — Луна»? При прохождении гравитационной волны между свободными телами периодически меняется расстояние. При этом чем больше расстояние, тем сильнее оно меняется. Гравитационная антенна «Земля — Луна» отлично подходит для регистрации длинноволнового гравитационного излучения с периодом колебаний около 2—3 секунд. Для этого нужно точно измерять расстояние между центрами Земли и Луны. Такие измерения осуществляются методом лазерной локации с использованием уголковых отражателей, доставленных на поверхность Луны советскими и американскими космическими аппаратами. Достигнутая при этом точность — около 1 см — пока недостаточна для целей гравитационноволновой астрономии, но можно надеяться, что переход от локации к лазерной интерферометрии резко повысит чувствительность гравитационной антенны «Земля — Луна», так как интерферометр способен почувствовать изменение расстояния в несколько ангстрем.