Астрономия сверхвысоких энергий

Хотя сигналы, фиксируемые радиотелескопами, обычно описывают как радиоволны, как и любое другое электромагнитное излучение, они состоят из фотонов, то есть из частиц. Энергия фотона Е в потоке, составляющем электромагнитную волну, рассчитывается по формуле Е = hc/?, где ? — длина волны. Если величина X выражена в метрах, это можно записать как E = 1,97?10^-7/? эВ. Поскольку максимальная длина волны, доступная для наблюдений с помощью антенной решетки со сверхдлинными базами, — около 1 м, энергия фотона в этом случае меньше одной миллионной электрон-вольта.

В противоположной области спектра на борту обсерватории «Комптон» работал гамма-телескоп высоких энергий (Energetic Gamma Ray Experiment Telescope, EGRET). Максимальная энергия фотона, доступная ему, составляла 30 ГэВ = 3?10¹⁰ эВ, что соответствует длине волны порядка 10^-17 м.

В то время несколько человек, включая меня, стремились пойти еще дальше как в наращивании энергии, так и в типе искомых частиц. В середине 1970-х я участвовал в проекте, в ходе которого предполагалось установить большой детектор на дне океана, на глубине 4,8 км, в районе южного побережья (область Кона) Большого острова Гавайи. Проект получил название DUMAND — Deep Underwater Muonand Neutrino Detector («Глубоководный детектор мюонов и нейтрино»). Целью проекта было открытие целого нового окна[22] во Вселенную путем поиска космических сверхвысокоэнергетических нейтрино с энергией более 1 ТэВ (10¹² эВ). Первоначально руководителем проекта был Фредерик Райнес, который в 1995 году разделил с Клайдом Кованом Нобелевскую премию по физике за совместное открытие нейтрино в 1956 году.

Считалось, что теоретически высокоэнергетические нейтрино могут появляться из гигантских источников энергии, существующих в центрах активных галактик (см. описание активных галактик в главе 9). Поскольку они, по-видимому, происходили из более глубоких недр галактик, чем фотоны, мы надеялись, что они дадут нам информацию об этих колоссальных источниках энергии. В 1984 году я опубликовал в «Астрофизическом журнале» статью, в которой доказал, что активные галактики могут при определенных условиях производить сверхвысокоэнергетические нейтрино, доступные наблюдению^{271}.

Предложенный метод все еще является основным для всех экспериментов, которые до сих пор проводятся в астрофизике сверхвысоких энергий наряду с экспериментами по распаду протона. Если заряженная частица движется быстрее скорости света в прозрачной среде, такой как вода или воздух (но все же медленнее, чем со скоростью с), она испускает электромагнитную ударную волну, называемую излучением Вавилова — Черепкова, представляющую собой голубоватый свет, который можно обнаружить с помощью сверхвысокочувствительных фотодетекторов, называемых фотоэлектронными умножителями.

Проект DUMAND подразумевал установку большого массива этих фотодетекторов на дне океана, где фоновое космическое мюонное излучение минимально. В упомянутых в главе 11 экспериментах по регистрации распада протона Kamiokande и IMB также использовался этот метод: фотоэлектронные умножители устанавливались в больших цистернах с очень чистой водой на дне глубоких шахт.

Во время работы над проектом DUMAND в 1980-е я параллельно принимал участие еще в одном эксперименте, который, как мне казалось, должен был дать дополнительную информацию, полезную для проекта DUMAND. Рабочая группа под руководством Тревора Уикса из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики установила в обсерватории имени Уипла на горе Хопкинс в Аризоне очень недорогое зеркало диаметром 10 м, состоящее из плоских пластин, формирующих сферическую отражающую поверхность. В его фокусе было установлено несколько небольших фотоэлектронных умножителей.

Когда сверхвысокоэнергетический фотон гамма-излучения ударяется о верхнюю часть атмосферы, он генерирует ливень из тысяч электронов и других заряженных частиц, низвергающихся на Землю. Этот телескоп был спроектирован с целью обнаружить излучение Вавилова — Черенкова, возникающее в этом воздушном ливне.

В 1989 году, после того как я покинул проект на горе Хопкинс, чтобы поработать над аналогичным экспериментом ближе к дому, на горе Халеакала на острове Мауи, Уикс и его коллеги сообщили, что им удалось с высокой степенью статистической значимости обнаружить сигнал, идущий из Крабовидной туманности^{272}. Крабовидная туманность представляет собой остатки сверхновой, вспышку которой зафиксировали арабские, китайские, индийские и японские астрономы в 1054 году.

Крабовидная туманность всегда считалась очень перспективной, и мы внимательно наблюдали за ней. В 1968 году в центре этой туманности был обнаружен вращающийся пульсар, который определили как нейтронную звезду. Магнитное поле нейтронной звезды, имеющее очень высокую скорость вращения — один оборот за 33,5 мс, — может ускорять электроны до очень высоких энергий. Когда они сталкиваются с окружающим газом, то образуют фотоны гамма-излучения, а также, как я надеялся, нейтрино.

Крабовидная туманность находится в пределах нашей Галактики. В 1992 году Уикс с коллегами сообщили об обнаружении внегалактического источника, блазара Маркарян-421. Мы с моим ассистентом Питером Горхэмом также считали блазары перспективными источниками, поскольку их лучи направлены в сторону Земли.

Тем временем исследовательская группа из Германии установила на Канарских островах еще один телескоп, названный HEGRA (High Energy Gamma Ray Astronomy — «Высокоэнергетическая гамма-астрономия»). В 1996 году данные с этого телескопа подтвердили наличие источников, обнаруженных в обсерватории имени Уипла, а в 1997 году исследовательская группа сообщила об обнаружении еще одного блазара, Маркарян-501^{273}.

Итак, верхний предел энергетического спектра наблюдаемых космических сигналов сместился вверх еще на один порядок по сравнению с доступным комптоновскому гамма-телескопу высоких энергий (EGRET). Должен заметить, в денежном выражении это обошлось на много порядков меньше.

Но все же эти фотоны с энергией в триллионы электрон-вольт — на 18 порядков большей, чем фотоны радиоизлучения, обнаруженные с помощью антенной решетки со сверхдлинными базами (VLBA), — это не самые высокоэнергетические объекты во Вселенной. С тех пор как множество детекторов частиц заняли огромные территории на нашей планете, ученые наблюдают ливни из частиц, возникающие вследствие столкновения с атмосферой космических лучей, в том числе первичных космических лучей с энергией вплоть до 1 ЗэВ = 10²¹ эВ.

Однако существует предел энергии космических частиц, пересекающих Вселенную, названный пределом Грайзена — Зацепина — Кузьмина и равный 0,5 ЗэВ. Сверх этого предела они будут терять энергию в столкновении с частицами реликтового излучения. Таким образом, частицы с энергией порядка зептоэлектрон-вольт, вероятно, исходят из источников, относительно близких к Земле. Один из возможных источников — галактика М 87 в созвездии Девы, находящаяся «всего лишь» в 53 млн. световых лет от нас и имеющая активное ядро, в котором, по мнению ученых, имеется сверхмассивная черная дыра.

В то же время сверхвысокоэнергетические нейтрино не ограничены этим пределом, и только они позволяют наблюдать такие высокие энергии на больших расстояниях.

В момент написания этой книги «нейтринное окно» во Вселенную уже было открыто благодаря сверхновой 1987, а теперь появляются новые впечатляющие результаты наблюдений на значительно более высоких уровнях энергии. Однако, после того как были приложены огромные усилия, включая установку на дне океана множества очень сложных и дорогостоящих контрольно-измерительных приборов, проект DUMAND признали технически слишком сложным, и в 1995 году финансирующая организация — Министерство энергетики США — закрыла его. Тем не менее проект DUMAND послужил испытательным полигоном для самой идеи сверхвысокоэнергетической нейтринной астрономии, а на основании полученной информации был разработан ряд других похожих проектов. Как мы увидим в следующей главе, эти эксперименты начинают приносить плоды. В частности, в 2013 году появился отчет исследователей, работающих на Южном полюсе, о наблюдении 28 нейтрино с энергией свыше 30 ТэВ.