Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Охотно верится, что свойств невидимых, кроющихся в природе вещей, более, чем видимых. Однако кто в состоянии раскрыть перед нами весь мир этих свойств, во всей их совокупности? Кто в состоянии выяснить степень важности, их сходства и различия, роль каждого из них? Каковы их функции, где их место – вот вопросы, вкруг которых вечно блуждает человеческий ум, никогда, однако, их не разрешая.

Серия «Наука: открытия и первооткрыватели»

Mark Bowen

THE TELESCOPE IN THE ICE

Inventing a New Astronomy at the South Pole

Перевод с английского Павла Миронова

Печатается с разрешения автора при содействии его литературных агентов ICM Partners.

Исключительные права на публикацию книги на русском языке принадлежат издательству AST Publishers.

© 2017 by Mark Bowen

© Перевод. П. Миронов, 2018

© Издание на русском языке AST Publishers, 2018

Вступление

Об ошибках

Вселенная не может существовать в привычном нам виде без нейтрино, однако кажется, что эти частицы существуют в своей отдельной Вселенной, и мы пытаемся вступить в контакт с этой потусторонней Вселенной нейтрино. И хотя я как физик понимаю происходящее с точки зрения математики и разума, меня не перестает поражать то, что меня повсеместно окружает нечто, напоминающее дух или бога, которого я не могу коснуться, но которого могу оценить с помощью измерений. Я умею это делать, и мне кажется, что я измеряю духовный мир или что-то в этом роде[1].

Вноябре 2013 года международный союз, управляющий работой нейтринной обсерватории IceCube, заявил, чем ему удалось обнаружить высокоэнергетические нейтрино, приходящие на Землю из далекого космоса12. Эта новость знаменовала рождение новой формы астрономии, связанной не с привычным для нас космическим курьером – светом, но с одной из самых странных из элементарных частиц – нейтрино. Это событие также увенчало поиски, которые начались пятью годами ранее благодаря силе воображения небольшой группы провидцев и в ходе которых было сделано немало героических попыток и случилось много неудач.

Отчасти эти поиски оказались настолько длительными, потому что именно такое время нужно необычному телескопу, чтобы увидеть необычную частицу. IceCube не похож ни на один телескоп, который вам доводилось видеть или о котором приходилось слышать. Более того, его и увидеть никто не сможет, поскольку IceCube погребен на глубине полутора километров во льдах на географическом Южном полюсе.

Создатели телескопа не могли видеть его даже тогда, когда его строили. Фрэнсис Халзен, бельгийский теоретик из Университета штата Висконсин, придумавший весь этот проект, говорит, что процесс строительства напоминал работу в темной комнате без единого окна. В отличие от обычного телескопа, этот инструмент не использует ни линз, ни зеркал. На данный момент он состоит из 86 километровых «нитей» оптических детекторов, каждый из которых запаян в стеклянную сферу размером с баскетбольный мяч, способную выдерживать большое давление. Затем эти «нитки жемчуга» были опущены в 86 скважин глубиной по 2,5 километра, просверленных во льду с помощью гигантского бура, использовавшего горячую воду. Затем нити вмерзли в лед на нужной глубине. Таким образом, самые верхние «жемчужины» располагаются на глубине полутора километров. Отверстия во льду просверлены в точках шестиугольной решетки, покрывающей квадратный километр поверхности льда. В результате свыше 5000 детекторов этого уникального устройства отслеживают все происходящее в массе льда объемом около одного кубического километра и весом около миллиарда тонн – удивительно чистого (на радость ученым) глубинного антарктического льда. Лед в этих местах – чистейшее из всех известных нам природных веществ, он даже чище алмаза.

Когда-то журнал Scientific American назвал этот телескоп «самым странным» из семи чудес современной астрономии3. И, возможно, самая странная его черта состоит в том, что он смотрит не вверх, в антарктическое небо, под которым и располагается; он направлен вниз, прямо в лед. Задача IceCube – изучать северное небо, глядя на него насквозь через всю планету. Поскольку нейтрино – это единственная известная нам частица, способная пройти через весь земной шар, не будучи поглощенной и не отклонившись от своего курса, то понятно, что любая частица, долетевшая до нашего ледяного куба с севера, должна представлять собой нейтрино. Инструмент использует Землю в качестве щита, позволяющего блокировать другие типы частиц (присутствие которых может создать искаженный сигнал).

Нейтрино, так легко проходящее сквозь планету, не любит показывать своего лица. Иногда эту частицу даже называют частицей-призраком. Возможно, что это самая распространенная частица во Вселенной – к моменту, когда вы закончите читать это предложение, перед вашими глазами пронесутся несколько сотен миллиардов нейтрино, – но увидеть ее почти невозможно, и она точно не повредит вашим глазам, поскольку почти не взаимодействует ни с какой материей. Именно поэтому ее очень сложно выявить. Как однажды сказал нобелевский лауреат и комик-любитель Леон Ледерман,

частицу, которая вообще ни с чем не реагирует, невозможно найти. Рассказы о ней вполне могут оказаться сказками. Вряд ли нам удастся получить факты, подтверждающие существование нейтрино.

Обычное нейтрино пройдет незамеченным – а следовательно, и невыявленным – даже сквозь кусок свинца толщиной в один световой год, то есть 9,5 триллиона километров. Поэтому у частицы нет никаких проблем с прохождением сквозь Землю, плотность которой значительно меньше, чем у свинца, а толщина в сравнении со световым годом не превышает толщины листа бумаги. Многие нейтрино как раз и будут проходить сквозь IceCube. Однако время от времени какая-нибудь из частиц вступит во взаимодействие со льдом вокруг детектора или с океанским дном под ним. В результате взаимодействия возникнет заряженная частица, которая будет двигаться в том же направлении, что и ее родительское нейтрино, а за ней будет тянуться след светло-синего цвета. Детекторы IceCube улавливают этот свет, а, наблюдая за тем, как он проходит через трехмерную сетку детекторов, ученые могут определить направление движения заряженной частицы и, соответственно, направление движения ее родителя-нейтрино. Это и превращает IceCube в телескоп.

Как это часто бывает, у проблемы, из-за которой эту крошечную частицу так сложно найти, имеются и положительные стороны, особенно интересные для астрономии. Поскольку нейтрино способно проходить через очень плотные типы среды, непрозрачные для света с любой длиной волны, эта частица может нести в себе информацию из областей Вселенной, недоступных обычному телескопу, например из недр звезд – в том числе и взрывающихся звезд, известных нам под названием «сверхновых», – или областей нашей галактики, закрытых облаками межзвездной пыли, – к примеру, из черной дыры, лежащей в центре галактики.

Одна из причин возникновения этой новой астрономии заключается в том, что мы хотим разобраться в сути самых масштабных событий и объектов во Вселенной: сверхновых звезд, звездных скоплений с активным ядром, остатков сверхновых, гамма-всплесков, сталкивающихся галактик и других странных объектов, порой находящихся за пределами нашего воображения. С точки зрения науки это может привести к дальнейшему развитию космологии и успешным поискам таинственной и пока что неизвестной нам холодной темной материи, из которой и состоит в основном Вселенная. Свое развитие получит и чистая физика элементарных частиц, поскольку все эти объекты представляют собой, по сути, огромные ускорители частиц, работающие по тем же базовым принципам, что и ускорители, созданные людьми на Земле, в том числе и Большой адронный коллайдер (БАК) стоимостью в несколько миллиардов долларов, с помощью которого в 2012 году было доказано существование бозона Хиггса, – однако в значительно больших масштабах.

Само по себе нейтрино стало объектом изучения в физике элементарных частиц лишь в последние годы, поскольку в 1998 году этой частице удалось пробить первую и пока что единственную брешь в защите стандартной модели физики элементарных частиц. Эта теоретическая модель описывает «строительные кирпичики» материи, элементарные частицы и то, как они взаимодействуют друг с другом на основе трех из четырех фундаментальных сил: слабого ядерного взаимодействия, сильного ядерного взаимодействия и электромагнитного взаимодействия. Стандартная модель, сформулированная в 1970-е годы, оказалась очень успешной, однако кое-кто начал чувствовать себя в ее рамках как в смирительной рубашке4. После открытия бозона Хиггса, последней частицы в стандартной модели, которую было необходимо найти, кажется, что новых открытий уже не предвидится, но физикам не нравится пребывать в слишком жестких (и комфортных) ограничениях. Они всегда ищут чего-то нового, а удивительное поведение нейтрино дает основания предполагать, что нам еще предстоит изучить массу пока неизвестных явлений.

И это возвращает нас к основной причине создания этого необычного инструмента. Совершенно новая научная область – нейтринная астрономия – позволила нам открыть новое окно во Вселенную, и крайне редко в истории астрономии бывает так, что появление подобных окон не приводит к невообразимым прежде открытиям. Классическим примером может служить история Галилея.

Первые оптические телескопы были построены во Фландрии для нужд купцов, которые могли получить преимущество на рынке, если заранее узнавали, какие товары есть, а каких нет, на кораблях, идущих через Ла-Манш5. Галилей использовал свои обширные познания в оптике и математике, чтобы собрать достаточно качественный инструмент, который он продемонстрировал венецианскому дожу и предложил использовать в военных действиях. Через несколько месяцев он ясной ночью направил телескоп на Луну, когда Юпитер, второй по яркости объект в небе, находился чуть выше и правее нее. Это позволило ему открыть четыре «Медичийские звезды», известных в наши дни как луны Юпитера. То обстоятельство, что Галилей заметил их необычное, «еретическое» вращение вокруг планеты, доставило ему впоследствии немало проблем.

В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон, два физика из компании Bell Telephone Laboratories, сделали неожиданное открытие, когда проектировали наземную радиоантенну для спутников связи. Тестируя рогообразную антенну, которая должна была обеспечить связь без каких-либо помех, Пензиас и Уилсон направляли ее на пустые, как им казалось, участки неба и с удивлением обнаружили, что антенна всякий раз улавливала небольшую дозу какого-то шума. Никакие конструкционные улучшения не помогли. Оказалось, что «шум» представляет собой вполне реальный сигнал – космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого взрыва, который породил нашу Вселенную около 14 миллиардов лет назад. Это открытие изменило отношение к Большому взрыву и космологии в целом – из объекта насмешек они вдруг превратились в научные темы, требующие пристального изучения. Этот случай наглядно иллюстрирует еще один аспект научного открытия: ум ученого должен быть готов интерпретировать то, что он измеряет или «видит» – или даже только собирается увидеть. К тому времени, когда Пензиас и Уилсон провели свои измерения, теории Большого взрыва и микроволнового послесвечения уже вынашивались на протяжении десятилетий. Они получили Нобелевскую премию не за то, что нашли сигнал, а за то, что смогли интерпретировать его с помощью знания и инструментов того времени. Именно такие большие скачки от теории к эксперименту двигают науку вперед. Порой лидирующие позиции занимает теория, а порой накопленный вес необъясненных экспериментальных свидетельств приводит к развитию новых теорий или даже к изменению научной парадигмы. И, как мы увидим в этой книге, подобное развитие научных идей может занимать десятилетия.

После подписания в 1963 году договора о запрещении ядерных испытаний в трех средах Министерство обороны США начало отправлять на орбиту спутники, чтобы удостовериться в том, что СССР не нарушает условий договора, испытывая бомбы в космосе, под водой или на Луне. Идея проверки состояла в том, чтобы пытаться уловить гамма-лучи (невидимое для глаза излучение с более короткой длиной волны, чем рентгеновское), возникающие при ядерном взрыве. Спутники так и не смогли уловить этих лучей, однако смогли выявить целый ряд неких «нарушений договора» в глубоком космосе, а именно коротких и поразительно интенсивных всплесков гамма-лучей где-то очень далеко. Научное сообщество узнало об этом открытии лишь через несколько лет, когда с данных был снят гриф секретности, а загадочным источникам всплесков было дано ни к чему не обязывающее название «гамма-всплески» (gamma ray bursters, или GRB). За краткий период длительностью от 1 до 20 секунд GRB испускают примерно столько же света, что и все остальные звезды и галактики в известной нам Вселенной. Теория утверждает, что при этом они должны отдавать и нейтрино, поэтому GRB представляют большой интерес для IceCube.

Астрофизик Кеннет Лэнг отмечает, что

наша небесная наука, по всей видимости, определяется наличием у нас тех или иных инструментов, и ее развитие будет идти за счет неожиданных открытий, сделанных с помощью уникальных телескопов и оборудования для отслеживания новых явлений… можно быть уверенным в том, что наблюдаемая нами Вселенная представляет собой лишь малую толику того, что еще ждет своего открытия6.

Мечта о большом открытии – это лишь один из стимулов ученого; однако мне представляется, что мышление ученых несколько искажено чрезмерной чувствительностью к мнению СМИ и к престижным наградам вроде Нобелевской премии. Уже ставшее своеобразным клише восприятие научных результатов как чего-то грандиозного особенно заметно в физике. Порой кажется, что в этой науке открытие, «меняющее наше представление о Вселенной», происходит чуть ли не каждые несколько месяцев. В газетных и журнальных статьях неминуемо возникают слишком громкие формулировки для описания даже самых незначительных результатов, и в сложившейся ситуации отчасти стоит винить и самих физиков, которые предпочитают заявлять во всеуслышание о своих открытиях на пресс-конференциях – еще до публикации в научной литературе и не дождавшись критической оценки со стороны коллег. В реальности же открытия уровня теории относительности или дарвиновской эволюции делаются крайне редко.

Тем не менее во всем этом шуме, который любит научная журналистика, есть своя правда. Ученые в самом деле искренне наслаждаются своей работой, и именно жажда открытия заставляет их вылезать по утрам из постели и приниматься за дела. Почти каждый день они узнают что-то новое, пусть и не очень важное, решают запутанные технические проблемы или проливают свет на какой-то до сих пор темный уголок в области, в которой работают. Больше чем в половине случаев они ошибаются, однако при этом как минимум движутся по верному пути. И понимание собственной неправоты – процесс, ведущий от смятения к ясности, – может быть столь же вдохновляющим, как и осознание своей правоты.

По словам Фрэнсиса Халзена, покойный Джон Бакал, уважаемый теоретик нейтрино из принстонского Института перспективных исследований, утверждал, что

у физиков есть два сокровенных и темных секрета, которые они старательно прячут от мира. Первый состоит в том, что физика не развивается логическим образом, а представляет собой цепь неудач… А второй заключается в том, что физикам настолько нравится заниматься своей работой, что они готовы делать ее даже бесплатно.

Цель этой книги состоит в том, чтобы продемонстрировать вам правоту Бакала. Я расскажу вам о внутренних деталях эксперимента, который дал физикам очень многое из того, ради чего они живут. Почти 20 лет я наблюдал за этим процессом, заняв самое лучшее место в зрительном зале.

Впервые с IceCube меня познакомил в 1997 году Брюс Коси, главный бурильщик. Это произошло довольно странным образом. Солнечным июньским днем в моем бостонском доме раздался звонок от редактора журнала Natural History. Она поинтересовалась, найдется ли у меня время написать статью о палеоклиматологе Лонни Томпсоне, который изучает керны высокогорного льда, чтобы узнать, каким был климат в прошлом и какие именно изменения в нем произошли.

Через неделю я уже летел в боливийскую столицу Ла-Пас, а еще через неделю добрался до базового лагеря у подножия самой высокой горы в стране – потухшего вулкана Сахама высотой в 6,5 километра. Вершина Сахамы была увенчана круглым снежным куполом – позже я узнаю, что это идеальная форма для бурения ледяных кернов. Лонни и его команда к тому моменту уже проработали на вершине около двух недель и планировали еще через несколько дней запустить аэростат, наполненный горячим воздухом, чтобы с его помощью доставить первые фрагменты ледяной шапки к подножию горы, где их уже ждал фургон-рефрижератор. Я понял, что мой долг профессионального журналиста – во что бы то ни стало оказаться на вершине и увидеть все происходящее там своими глазами. Я вскарабкался на гору – возможно, слишком быстро, если учесть, о каких высотах мы говорим, – и вошел в залитый полуденным солнцем лагерь бурильщиков за несколько часов до запланированного запуска аэростата. У меня с собой был только легкий рюкзак, и я не догадался даже захватить спальный мешок.

Мне тут же стало понятно, что я попал в чрезвычайно необычный мир – мир очень специфической работы, зверского холода и захватывающих пейзажей под огромным лазурным небом. Впрочем, команда бурильщиков была равнодушна к окружающим красотам. Эти люди приехали сюда работать, а не любоваться ландшафтами, и их приверженность своему делу была заметна с первых минут. Они отлично знали друг друга. Они десятилетиями вместе бурили вместе по всему миру и годами вместе жили на ледниках. Их разговоры ограничивались обсуждением текущих задач. В те моменты, когда они с помощью своих элегантных буров на солнечных батареях извлекали метровые керны, регистрировали их в лабораторном блокноте, а затем упаковывали образцы в теплоизолирующие короба и закапывали в норы, вырытые в снегу, на вершине царило почти медитативное молчание. Затем керны спускали к подножию, после чего они отправлялись к конечной точке путешествия на другую сторону земного шара – в огромный холодильник Лонни в Университете штата Огайо.

Поначалу я почти не замечал Брюса. Нужно сказать, что и он сам не стремился особенно попадаться мне на глаза. Но я никогда не забуду свой первый разговор с ним, который я даже описал в своей книге 2005 года «Тонкий лед»7:

Вскоре солнце опустилось слишком низко, чтобы обеспечивать питание для наших батарей. Пирамидальная тень горы протянулась по пустыне до самого горизонта. Небо стало пурпурным, а затем серым. Мы спустились в снежную пещеру, прямоугольное отверстие длиной 4,5 метра и шириной в полтора – слишком низкое для того, чтобы встать там во весь рост. Пещера служила одновременно столовой, гостиной и спальней. Мы сели друг напротив друга на некое подобие скамеек, вырубленных в снегу, колено к колену, нога к ноге, спиной к ледяным стенам и принялись пить чай и есть суп почти в полном молчании.

После ужина мне пришлось признаться о том, что у меня нет с собой нужного снаряжения для ночлега. Тогда Брюс Коси медленно поднялся и скрылся в глубине пещеры. Через несколько минут он подозвал меня. В руках у него были четыре куска пенопласта толщиной в 15 см, которые бурильщики использовали в качестве теплоизолирующих прокладок для льда, и два самых мягких спальных мешка, которые мне только доводилось трогать в жизни, – несравненное более теплые, чем мой спальник, оставшийся в лагере. Коси помог мне перенести пенопласт в мою палатку и расстелить на нем спальники.

«Вот, – сказал он. – А теперь обернись ими, как лиса оборачивается своим хвостом»8.

Это было первое из множества проявлений щедрости по отношению ко мне и другим людям, которые Брюс затем демонстрировал все годы нашего знакомства.

К тому времени он уже почти 20 лет работал с Лонни в качестве ведущего бурильщика. Эта пара совместно изобрела в начале 1980-х технологию бурения с помощью солнечной энергии и в 1983 году добыла первый в мире высокогорный ледяной керн на ледниковой шапке Кельккайя в Перу, к северу от Сахамы. Брюс был вежливым, тихим и скромным человеком, уникальным в своем роде и обладавшим глубокой духовной связью с миром природы. После того как я уехал из экспедиции и завершил свою статью, мне очень захотелось еще раз встретиться и с ним, и с Лонни.

Поначалу это было непросто, поскольку оба они после боливийской экспедиции провели дома – Брюс у себя на Аляске, Лонни в Огайо – всего две недели, а затем отправились на три месяца в Тибет. Наконец, в середине ноября я получил письмо от Брюса:

Марк,

я только что вернулся из Тибета, на самом деле недели три назад, но только что наконец собрался с силами, чтобы прочитать сотни отправленных мне сообщений. Работа в Сахаме была довольно успешной, все получилось и в Тибете, где мы пробурили несколько кернов до самого скального основания… Вскоре я направляюсь на Южный полюс, где мы будем бурить дырки глубиной 2400 метров, чтобы с их помощью искать нейтрино. Этот проект кажется мне очень интересным, это самый что ни на есть передний край того, что сейчас происходит в астрофизике высоких энергий, так что мы наверняка наделаем кучу ошибок…

Мир тебе,

БК.

Я захотел больше узнать об этом физическом проекте. Брюс написал, что проект называется AMANDA (сокращение от Antarctic Muon And Neutrino Detector Array – «Антарктический массив мюонных и нейтринных детекторов»):

Интересно, что наши проекты совершенно не похожи друг на друга. Мы с Лонни обычно используем легкое оборудование и с его помощью вытаскиваем на поверхность тяжеленные ледяные керны. А в AMANDA у нас будет огромный бур (весит 90 тонн), но данные, которые мы будем получать, не весят ровным счетом ничего.

Брюс связал меня с Фрэнсисом Халзеном и его коллегой Бобом Морсом из Висконсинского университета – ведущего научного учреждения в рамках проекта AMANDA. Это была пара очень приветливых ученых, которые отлично дополняли друг друга: Фрэнсис – теоретик, а Боб – экспериментатор. Боб был главным человеком непосредственно на месте, в Антарктиде, и руководителем проекта. Его работа финансировалась грантом Национального научного фонда (National Science Foundation, NSF), основного спонсора AMANDA. Как ни странно, Фрэнсис, придумавший весь этот проект, был назначен заместителем Морса, то есть не имел тех же полномочий, что и Боб, – по крайней мере на бумаге. Однако в процессе работы быстро стало понятно, что у Фрэнсиса гораздо больше функций и ответственности, чем кажется на первый взгляд. Какой бы ни была формальная иерархия, именно он оставался интеллектуальным лидером, душой проекта, а в случае провала именно его голова оказалась бы на плахе.

Как бы то ни было, и Боб, и Фрэнсис вели себя свободно, дружелюбно и довольно открыто. Они пригласили меня на встречу участников проекта, которая должна было пройти в рамках открытого семинара Калифорнийского университета в Ирвайне весной 1998 года.

Участников на тот момент было сравнительно немного. Основателями проекта еще в 1990 году стали Висконсинский университет и университеты штата Калифорния в Беркли и в Ирвайне; в 1992 году к американцам присоединился шведский контингент из университетов Стокгольма и Упсалы, а еще через два года – группа из одного небольшого института физики высоких энергий, находившегося на территории бывшей ГДР. Участники проводили закрытые встречи примерно три раза в год, время от времени совмещая их с семинарами.

Цель нынешнего семинара состояла в том, чтобы собрать вместе теоретиков, у которых были какие-то идеи относительно астрофизических источников нейтрино, астрономов, изучающих нейтрино, ученых и инженеров, знакомых с подходящими в данном случае технологиями, экспертов по антарктической логистике и представителей спонсоров. Предстояло обсудить «концептуальный дизайн IceCube – километровой установки, призванной изучать нейтрино в Антарктиде». Основная идея заключалась в «расширении технологий AMANDA на километровые масштабы»9. Как выяснилось позже, этот был первый семинар, посвященный конкретно телескопу IceCube.

Причина, по которой нужно было масштабировать технологию AMANDA, заключается в том, что степень чувствительности и угловая разрешающая способность нейтринного телескопа прямо связаны с его размером. Из-за «уклончивости» нейтрино ученым придется следить за максимально большим объемом льда, поскольку это дает больше шансов на то, что оказавшиеся здесь нейтрино «снизойдут» до того, чтобы взаимодействовать, умереть и дать жизнь какому-то потомку, доступному для наблюдения.