По следам темной материи

Владимир Полканов

Как занимаются наукой по-крупному

Во Вселенной постоянно происходят катастрофические события: взрывы сверхновых, падения звезд в черные дыры, взрывы в активных ядрах далеких галактик. Природа таких явлений, сопровождающихся мощнейшим выделением энергии, очень слабо известна науке, и их изучение – передний край современной астрофизики. Одним из лучших источников информации в этой сфере являются порожденные такими процессами высокоэнергичные гамма-кванты, долетающие до Земли. Крупнейший комплекс астрофизических установок для исследований в области наземной гамма-астрономии, а также физики космических лучей сверхвысоких энергий расположен в России недалеко от Байкала в Тункинской долине.

Гамма-обсерватория TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy) – международный "мегасайенс"-проект, в котором участвуют ученые из 15 отечественных и зарубежных университетов и научных организаций. Ее площадь – более квадратного километра. Оборудование обсерватории позволяет регистрировать фотоны с энергией свыше сотни триллионов электрон-вольт, что делает российскую научную станцию уникальной. В программу наблюдения входят источники, которые достаточно удобно отслеживать в северных широтах: Крабовидная туманность, сверхновая Тихо Браге, источники в туманности Cygnus Cocoon, блазары Мрк-421, Мрк-501 и другие объекты, в которых происходят процессы с невероятной энергией – в миллиарды раз более мощной, чем способно выделить Солнце.

К примеру, Крабовидная туманность – это остатки от взрыва сверхновой, который на Земле наблюдали в 1054 году: по описаниям, тогда на некоторое время на небе появилась новая звезда – настолько яркая, что ее было видно днем. Спустя тысячу лет туманность продолжает порождать частицы с энергией в триллионы электрон-вольт. Встречаясь с атмосферой Земли, эти гамма-кванты вызывают широкие атмосферные ливни – каскады вторичных частиц, которые регистрирует обсерватория.

Ливни могут порождаться и другими высокоэнергичными частицами – космическими лучами, которые также являются предметом исследований на обсерватории. Ученые пока не могут определить их источники: в отличие от гамма-квантов, летящих по прямой, такие частицы много раз меняют траекторию полета по галактике. "Энергия космических лучей в десять миллионов раз выше, чем у частиц в Большом адронном коллайдере (БАК), – рассказывает директор НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета Андрей Танаев. – Но до сих пор неизвестно, в каких конкретно астрофизических объектах и как именно частицы ускоряются до сверхвысоких энергий. С помощью детекторов TAIGA ученые пытаются ответить и на эти вопросы". "Теоретически высокоэнергичные кванты могут рождаться в результате распадов частиц темной материи, оставшихся от Большого взрыва, и, следовательно, нести уникальную информацию о природе этой загадочной субстанции", – добавил Андрей Танаев.

Таким образом, проект TAIGA решает несколько основных задач: исследует механизмы ускорения частиц до сверхвысоких энергий, их источники, процессы, сопровождающие распространение гамма-квантов в межгалактической среде, а также занимается поиском частиц темной материи и в целом – проверкой фундаментальных законов природы, перечислил ученый.

Проводить такие исследования позволяет широкий и постоянно пополняемый в рамках нацпроекта "Наука и университеты" комплекс самого современного научного оборудования. Так, в июне 2022 года на астрополигоне начали работу три атмосферных черенковских гамма-телескопа, еще два поступят в конце этого и в следующем году. Эти установки являются основным инструментом наземной гамма-астрономии сверхвысоких энергий. Они регистрируют потоки так называемых черенковских фотонов – компонентов широких атмосферных ливней. Благодаря этому можно определить, чем вызваны те или иные каскады – гамма-квантами или заряженными частицами космических лучей.

В состав обсерватории также входят 120 широкоугольных оптических детекторов установки TAIGA-HiSCORE, 19 станций сцинтилляционной установки Tunka-GRANDE, станции перспективной сцинтилляционной установки TAIGA-MUON и др. В канун начала 2022 года заработал новый центр контроля и управления установками: из операторского зала дежурные следят за состоянием детекторов, энергопитанием и другими важнейшими параметрами.

Десятилетие науки и технологий обещает быть богатым на результаты работы проекта TAIGA. "Создана не имеющая аналогов в мире гибридная система установок гамма-обсерватории TAIGA на площади свыше квадратного километра для исследования процессов во Вселенной с катастрофическим выделением энергии. Получены первые экспериментальные данные о потоках гамма-квантов на краю энергетического спектра. Качество этих данных на сегодняшний день – самое высокое в мире. В потоках высокоэнергичных космических лучей открыты неизвестные ранее особенности", – сообщил Андрей Танаев.