Стоять на Южном полюсе — это почти то же самое, что находиться на другой планете. Если пройти несколько сотен ярдов от исследовательской станции Национального научного фонда, вы увидите однообразную равнину снега и льда, вероятно, лишённую живых существ крупнее микробов на сотни миль вокруг. При отсутствии чего-либо, кроме снега, от которого могут отражаться звуковые волны, стоит жуткая тишина. Легко погрузиться в мечтания, созерцая суровый ландшафт. Но затем я вспоминаю, что я здесь по делу: работать над, возможно, самым странным телескопом в мире, наблюдая за одними из самых загадочных субатомных частиц природы.
Этот зимний ландшафт является домом для нейтринной обсерватории IceCube. Этот необычный телескоп — детище Фрэнсиса Хальцена, лауреата Нобелевской премии по физике 2026 года за его работу по руководству этим проектом и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения.
Я астрофизик и часть международной команды учёных, которые начали строить IceCube в 2005 году и продолжают эксплуатировать его сегодня. Хотя детектор предназначен для работы преимущественно удалённо, некоторые работы должны выполняться лично: обслуживание и замена электроники, установка нового оборудования и модернизация инструментов. Каждый студент и учёный, приезжающий на Южный полюс, чувствует это же благоговение. Даже когда мы анализируем данные в своих офисах дома, образы нашего времени на полюсе таятся в глубине нашего сознания.
Нейтрино намекают на то, откуда приходят космические лучи
Каждую секунду более 10 000 высокоэнергетических частиц — протонов и атомных ядер — выпадают из космоса на каждый квадратный метр атмосферы Земли. Некоторые из них несут более чем в миллион раз больше энергии, чем протоны в самом мощном ускорителе частиц — Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. К счастью, атмосфера поглощает большинство из них, но несколько stray частиц проходят через ваше тело каждую секунду.
Учёные обнаружили эти частицы, известные как космические лучи, более века назад. Но магнитные поля, заполняющие Вселенную, отклоняют космические лучи на их пути, поэтому направление, в котором они движутся, достигая поверхности Земли, не говорит нам, где они были первоначально произведены. Поскольку сами космические лучи не указывают обратно на свои источники, мы вместо этого ищем нейтрино — тип субатомных частиц, которые должны производиться как побочный продукт ускорения космических лучей, где бы оно ни происходило.
Нейтрино очень странные — их называют частицами-призраками. Они очень редко взаимодействуют с другой материей, поэтому, чтобы увидеть их, нужен очень большой детектор. Наш телескоп называется IceCube, потому что мы используем кубический километр — миллиард тонн — антарктического ледяного щита, чтобы ловить нейтрино.
Большинство нейтрино проходят невидимо через IceCube, но случайно некоторые из них врезаются в протон или нейтрон во льду, высвобождая ливень высокоэнергетических электронов, фотонов и других частиц, которые детекторы могут видеть. Измеряя количество и направление этих видимых частиц, мы можем определить направление, откуда пришло исходное нейтрино, его энергию и тип, также называемый его «ароматом». Один за другим мы строим картину неба, сияющего в нейтрино, а не в звёздном свете.
Хорошо для науки, тяжело для людей
Хальцен предложил идею построить нейтринный телескоп в Антарктиде в 1988 году. Южный полюс может не звучать как очевидное место для строительства такого телескопа, но на самом деле это самое лёгкое место для этого. Соединённые Штаты содержат там научный объект, где помимо IceCube расположены несколько других экспериментов. Что наиболее важно для нас, станция на Южном полюсе находится на вершине почти 1,8 мили (3 километров) самого чистого, самого прозрачного льда в мире — идеальной мишени для нейтрино, просто ждущей использования.
Но «самое лёгкое» не то же самое, что «лёгкое» — Южный полюс — сложное место для работы. Поездка на полюс из США обычно занимает неделю или больше. Последний этап поездки — на специальном грузовом самолёте LC-130, оснащённом лыжами, которым управляет Национальная гвардия ВВС, который садится на взлётно-посадочную полосу из утрамбованного снега. Эти самолёты могут достичь полюса только четыре месяца в году: в середине лета — в январе в Южном полушарии — средняя температура составляет мягкие минус 15 градусов по Фаренгейту (минус 26 градусов по Цельсию), но к марту температуры падают до минус 50 F (минус 45 C), слишком холодно для работы LC-130.
Мы упаковываем нашу работу в эти летние месяцы, затем передаём IceCube двум стойким «зимовщикам». Наши зимовщики — часть команды из 45 человек, которые остаются на станции на остаток года, отрезанные от остального мира на восемь месяцев, за исключением интернета и радиосвязи. Летом население станции расширяется до примерно 150 человек. Южный полюс — это высокогорная пустыня, поэтому воздух разреженный и очень, очень сухой. Но холод — не самая тяжёлая часть работы на Южном полюсе — по крайней мере, летом. Самое странное, по крайней мере для меня, — это постоянный дневной свет.
На Южном полюсе Солнце остаётся в небе шесть месяцев, кружа вдоль горизонта и медленно спускаясь по спирали, пока не зайдёт в осеннее равноденствие. Затем наши зимовщики получают шесть месяцев постоянной темноты до восхода весной. Это разрушает циркадные ритмы; я просыпался и видел на часах 3:00, не зная, утра это или вечера, спал ли я четыре часа или 16. Несмотря на то, что это одно из самых изолированных мест на Земле, станция также очень переполнена летом. Требуется много дорогого топлива, чтобы отапливать здания, поэтому пространство на вес золота — и, Needless to say, большинство из нас работает в помещении. Также требуется топливо, чтобы растопить воду, поэтому душ rationed до двух минут проточной воды дважды в неделю, что способствует уникальной рабочей атмосфере на Южном полюсе.
Результаты пошли
Дорога к нейтринной обсерватории IceCube была долгой. Хальцен начал работу на Южном полюсе в 1993 году с проектом под названием AMANDA, к которому я присоединился в 1997 году. AMANDA показала, что мы можем обнаруживать нейтрино во льду, но она была слишком мала, чтобы увидеть какие-либо источники — это было похоже на использование бинокля, когда нам нужен был серьёзный телескоп.
Нам нужно было идти большими шагами. Хальцен создал команду, которая могла масштабировать процесс, и убедил научные агентства в США и других странах, что результаты будут стоящими. IceCube был полностью введён в эксплуатацию в 2011 году, в срок и в рамках бюджета, при этом Хальцен координировал усилия более 300 учёных по всему миру.
Нейтрино, взаимодействующее со льдом внутри телескопа IceCube, производит электрически заряженные вторичные частицы, которые обнаруживаются благодаря процессу, называемому черенковским излучением. Черенковский свет — синий свет, испускаемый заряженными частицами, проходящими через среду со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, — распространяется через лёд на сотни метров.
Через два года после завершения IceCube мы объявили, что идентифицировали нейтрино из-за пределов Солнечной системы — первые записи на нашей карте нейтринного неба. Мы назвали первые два Бертом и Эрни. К настоящему времени мы увидели тысячи нейтрино, приходящих из космоса, некоторые с энергией в сотни раз больше, чем у протонов, ускоренных в ЦЕРНе. Но было удивительно трудно определить, откуда именно они приходят. Никакие отдельные источники сразу не выделяются на небе — большинство нейтрино образуют диффузное свечение, как видение свечения неба ночью, а не отдельных созвездий звёзд.
IceCube делает прогресс в определении происхождения некоторых космических лучей путём идентификации их нейтринного излучения. Одно высокоэнергетическое нейтрино пришло от блазара — сверхмассивной чёрной дыры, всасывающей материю из своей галактики-хозяина и выбрасывающей часть её в струю длиной в тысячи световых лет, направленную прямо на Землю. Другие пришли из близлежащих галактик, а некоторые даже из нашего Млечного Пути. Но эти источники могут объяснить лишь малую часть нейтрино, обнаруживаемых IceCube. Остаётся много вопросов, и для ответа на них нужна дополнительная работа.
В летний сезон 2025–2026 годов на Южном полюсе мы установили IceCube Upgrade — расширение, предназначенное для более чёткого фокусирования неба путём улучшения калибровки детектора. Планы ещё одной, ещё более крупной обсерватории IceCube Gen2 находятся в разработке, и есть несколько других нейтринных телескопов, строящихся по всему миру, включая KM3NeT, Baikal-GVD, TRIDENT и новый проект, над которым я работаю, под названием P-ONE.
IceCube дал нам первый взгляд за занавес на самые мощные источники нейтрино во Вселенной, и я с нетерпением жду, какие ещё сюрпризы нас ждут.
Что такое нейтрино и почему они важны?
Нейтрино — это элементарные частицы, которые почти не имеют массы и не несут электрического заряда. Они были впервые предсказаны в 1930 году Вольфгангом Паули и обнаружены в 1956 году Клайдом Коуэном и Фредериком Райнесом. Нейтрино образуются в результате радиоактивного распада, ядерных реакций в звёздах (включая Солнце) и в экстремальных астрофизических процессах, таких как взрывы сверхновых, столкновения чёрных дыр и активность блазаров.
Поскольку нейтрино почти не взаимодействуют с материей, они могут путешествовать через космос на миллиарды световых лет, не отклоняясь магнитными полями и не поглощаясь пылью или газом. Это делает их идеальными «посланниками» из далёких уголков Вселенной, несущими информацию о процессах, которые невозможно наблюдать другими способами.
Обнаружение высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения — это важнейший шаг в развитии «многоканальной астрономии», которая объединяет наблюдения в электромагнитном спектре, гравитационных волнах и нейтрино. Это позволяет учёным строить более полную картину Вселенной и понимать её самые экстремальные явления.
IceCube продолжает работать и модернизироваться. Установка IceCube Upgrade в сезоне 2025–2026 годов — это первый шаг к созданию IceCube Gen2, который будет в восемь раз больше по объёму и в десять раз чувствительнее. Gen2 позволит обнаруживать нейтрино с ещё более высокими энергиями и, возможно, идентифицировать больше источников.
Параллельно в разных частях мира строятся другие нейтринные телескопы: KM3NeT в Средиземном море, Baikal-GVD в озере Байкал, TRIDENT в Южно-Китайском море и P-ONE в Тихом океане. Эти проекты будут дополнять IceCube, покрывая разные участки неба и обеспечивая более полное покрытие.
Нейтринная астрономия — молодая область, которой всего около десяти лет. Но она уже открыла новые горизонты в понимании Вселенной. И, как говорит автор статьи, «я с нетерпением жду, какие ещё сюрпризы нас ждут».
Источники: IceCube Neutrino Observatory, Национальный научный фонд (NSF), Нобелевский комитет по физике, ЦЕРН, журнал Nature, Science.
Ваш комментарий