Научная аппаратура «НУКЛОН»
Где рождаются и как ускоряются галактические космические лучи? Учёные НИИЯФ МГУ намерены найти ответ на этот вопрос с помощью своей научной аппаратуры «НУКЛОН». Подробнее об этом проекте проведения экспериментального исследования рассказал кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией галактических космических лучей НИИЯФ МГУ Дмитрий Михайлович Подорожный.
- Дмитрий Михайлович, давайте начнём с термина «космические лучи», что это?
- Космические лучи – это поток заряженных частиц. По происхождению космические лучи в околоземном пространстве делят на солнечные, инжектированные Солнцем в межпланетное пространство, галактические и внегалактического происхождения. В этой классификации космические лучи различаются, прежде всего, по энергии. Энергия солнечных космических лучей относительно невелика, от нескольких КэВ до нескольких ГэВ (энергия частиц обычно измеряется в единицах электрон-вольт и в производных единицах КэВ=103 эВ, МэВ=106 эВ, ГэВ=109 эВ, ТэВ=1012 эВ). Энергия галактических космических лучей начинается от нескольких сотен МэВ (частицы с более низкими энергиями отклоняются магнитным полем гелиосферы). Энергетическая граница между галактическими и внегалактическими космическими лучами является предметом дискуссии, и, по разным моделям, находится в широком диапазоне от 1015 эВ до 1018 эВ. Предельные энергии космических лучей могут достигать фантастических величин – 1020 – 1021 эВ.
Цель нашего исследования - изучение галактических космических лучей в области высоких энергий - 1011 - 1015 эВ. Это поток, состоящий в основном из ядер: от протонов до самых тяжёлых ядер по таблице Менделеева (конечно, стабильных изотопов, ведь возраст галактических космических лучей оценён в несколько миллионов лет). Также в потоке имеются в небольшом количестве электроны и позитроны.
- Как по галактическим космическим лучам можно определить, где они рождены?
- Исторически рожденный термин «космические лучи» нельзя назвать удачным. Ведь это поток частиц межзвёздного вещества, который распространяется не по прямой линии. Из-за того, что частицы межзвёздного вещества имеют электрический заряд, поток отклоняется от первичной траектории магнитными полями. По той причине, что космические лучи отклоняются, мы не можем увидеть их источник, например, как мы видим источник электромагнитного излучения. Именно поэтому идентификация источников происходит по косвенным данным, таким как состав космических лучей, форма энергетического спектра и возможная анизотропия.
- Какие объекты считаются источниками галактических космических лучей?
- Плотность энергии космических лучей в Галактике значительно выше (~1 эВ/см3) плотности суммарного электромагнитного излучения звёзд в Галактике, плотности энергии теплового движения межзвёздного газа и кинетической энергии его турбулентных движений, а также плотности энергии магнитного поля Галактики. Так вот, исходя из энергетического баланса Галактики, были сделаны первые попытки объяснения происхождения галактических космических лучей. Первыми наиболее вероятными объектами были определены вспышки сверхновых, это мощные источники энергии в нашей Галактике. По мере развития астрофизики появились другие кандидаты, например, нейтронные звёзды. Несмотря на длительную историю изучения галактических космических лучей, особенно в области высоких энергий, многие вопросы не получили ответов. Прежде всего мы бы хотели получить ответ на вопрос: существует ли единый механизм формирования потоков частиц или несколько различных механизмов, действующих в разных областях энергий?
- Что в настоящее время известно о рождении галактических космических лучей?
- Космическая среда состоит в основном из протонов. Примеси тяжёлых элементов во Вселенной чрезвычайно мало. Доля, приходящаяся на тяжёлые элементы, составляет всего лишь 0.01-0.5 % на периферии Галактики. В тонком диске Галактики, где сосредоточены сверхновые, и идёт процесс звездообразования, она составляет не более ~2-3%. А в космических лучах это соотношение на порядки выше! Именно по наличию большого количества тяжёлых элементов мы выявляем космические лучи.
Откуда вообще берутся тяжёлые элементы? За исключением лёгких элементов H, He, и в крайне малом количестве Li, рождённых при образовании Вселенной в Большом взрыве, все элементы во Вселенной вплоть до железа образуются в процессах эволюции звёзд при горении и слиянии лёгких элементов. В ходе эволюции звёзды на всех её этапах непрерывно идёт процесс нуклеосинтеза (лёгкие ядра сливаются с более тяжёлыми в ходе термоядерных реакций внутри звёзд с выделением энергии, обеспечивающей светимость звезды). За счёт гравитационных сил плазма во внутренних областях звёзд имеет огромную температуру, вполне достаточную для синтеза тяжёлых элементов. В конце своей эволюции массивная звезда похожа на луковицу, причём с каждым слоем этой «луковицы» по направлению к её центру возрастает содержание более тяжёлых элементов. Энергия, выделяемая в процессе нуклеосинтеза, уже не может противостоять силам сжатия, звезда коллапсирует. Происходит взрыв, подобный взрыву атомной бомбы, только в десятки тысяч раз сильнее.
- А что известно об ускорении галактических космических лучей?
- Дополнительное ускорение космические лучи приобретают по механизму, предложенному американским физиком Ферми. Частицы межзвёздного вещества под воздействием магнитного поля сверхновой множество раз пересекают фронт ударной волны, набирая с каждым пересечением дополнительную энергию. Процесс носит вероятностный характер, поэтому энергетический спектр, вылетающих в пространство космических лучей, имеет степенной характер. Так что можно быть уверенным, что все имеющиеся на нашей Земле ядра, которые тяжелее углерода, прошли через термоядерную топку какой-нибудь звезды.
Кстати, образование тяжёлых элементов с зарядом ядра выше 26 (железо) происходит в ещё более экзотических топках, чем термоядерные. Согласно современным представлениям, они могут образовываться в результате нейтронного захвата, который возможен только при больших плотностях нейтронов и в условиях очень высокой температуры. Такие условия достигаются только в момент взрыва сверхновой второго типа (это сверхновая, в результате взрыва которой образуется нейтронная звезда) или слияния двух нейтронных звёзд, когда в выбросе сосредоточено большое количество нейтронов при высокой температуре.
Однако не все элементы могут быть рождены в ходе нуклеосинтеза с равной вероятностью. По законам ядерной физики вероятность образования таких элементов как Li, Be, B, Sc, Ti, V, Cr, Mn в термоядерных реакциях мала. Эти элементы образуются, главным образом, в процессах ядерных реакций более тяжёлых ядер с ядрами межзвёздной среды. Из-за того, что они являются фрагментами более тяжёлых ядер, их принято называть вторичными ядрами. В составе космических лучей таких ядер оказывается на несколько порядков больше, чем в средней межзвёздной среде. Изучение доли вторичных ядер является инструментом изучения процессов распространения космических лучей в Галактике. Такой «магистральный» путь рождения галактических космических лучей признан большинством учёных. Но общепризнанных модельных представлений пока нет. Видимо, в реальности всё значительно интереснее.
- Кроме изучения рождения и ускорения галактических космических лучей, что ещё будете исследовать с помощью «НУКЛОН»?
- Практически все задачи физики космических лучей высоких энергий «НУКЛОН» так или иначе затрагивает. Включая такие экзотические, которые могут дать экспериментальные доказательства параметров частиц тёмной материи. Также поиск факта существования частиц странной материи. Но особенное внимание обращено на такую аномалию, как «излом» космических лучей (в области энергии Е~3х1015 эВ), его ещё называют «коленом» космических лучей. Это когда потоки частиц резко уменьшаются с увеличением энергии. «Излом» открыт косвенными методами на наземной установке почти 55 лет назад учёными НИИЯФ МГУ Г.Б. Христиансеным и Г.В.Куликовым. Он неоднократно экспериментально проверялся на десятках наземных установках во всех континентах. В каждом измерении подтверждалось его наличие. А вот объяснить это явление так никто и не смог. Я знаю около 30 теоретических интерпретаций этого феномена - от самых радикальных, которые меняют всю современную физику, до обвинения в неточностях измерений. Ни одна из интерпретаций не может быть подтверждена до тех пор пока не будут получены надёжные экспериментальные данные.
- Как Вы хотите обеспечить надёжными данными?
- В идеале нужно провести статистически обеспеченные исследования непосредственно в области «излома», но такой возможности ни у кого пока нет: слишком дорого и методически трудно из-за очень низкой интенсивности частиц. Тогда мы решили собирать данные в области непосредственно предваряющей «излом». То есть мы подойдём к зоне «излома» вплотную. Мы считаем, что таким образом есть вероятность получить интерпретацию феномена.
- Дмитрий Михайлович, что собой представляет «НУКЛОН»?
- Научный аппарат представляет собой моноблок. Габаритные размеры – меньше метра. Вес - 300 килограмм. Поскольку «НУКЛОН» лёгкий, он будет установлен в качестве дополнительной полезной нагрузки на серийном космическом аппарате «Ресурс-П» №2. К нему «НУКЛОН» будет прикреплён штангой. От него же будет питание и управление. Мощность потребления питания – 160 ватт. Телеметрия - не менее 10 гегабайт в сутки. Несмотря на малые размеры «НУКЛОН» имеет 12 тысяч датчиков, каждый осуществляет свою амплитудную программу с оцифровкой. Запуск научной аппаратуры «НУКЛОН» планируется в декабре этого года. Мы собираемся её экспонировать долго – не менее 5 лет.
- Чем отличается «НУКЛОН» от других научных аппаратур, с помощью которых изучались космические лучи высоких энергий?
- «НУКЛОН» не целевой. Наша аппаратура – это дополнительная полезная нагрузка для серийного спутника дистанционного зондирования Земли. Так сказать небольшой довесок большого космического аппарата. В условиях естественного ограничения по финансированию фундаментальных научных программ такой подход является весьма прогрессивным, а в нашем случае явился единственно возможным. Между программами и учёными идёт конкуренция. Наш подход позволил отказаться от создания дорогостоящего специализированного космического аппарата для нашего эксперимента. Общеизвестно, что килограмм полезной нагрузки на орбите стоит в два раза больше килограмма чистого золота.
- Непосредственно какой прибор будет детектировать космические лучи высоких энергий?
- Мы знаем, что интенсивность космических лучей резко падает с энергией, а наш главный интерес - исследовать именно высокие энергии. На сегодняшний день единственный универсальный прибор, способный регистрировать такие частицы в широком диапазоне энергий, – это ионизационный калориметр. Его придумали вот в этой комнате! Три автора, учёные НИИЯФ МГУ: Н.Л.Григоров, В.С.Мурзин и И.Д.Рапопорт. Это было в 50-х годах прошлого века. До сих пор ничего лучше ионизационного калориметра для исследований частиц высоких энергий и на Земле, и в Космосе пока не придумали. Что интересно, во всех лабораториях мира считается, что ионизационный калориметр родился сам по себе. Как в случае с велосипедом. Может быть потому, что ионизационный калориметр - простой прибор по идеологии. Если сказать совсем упрощённо, то это «железяка», нашпигованная датчиками частиц. Первичная частица входит в плотное вещество, даёт каскад вторичных частиц, по их количеству определяется энергия. Прибор идеологически простой, но он может быть бесконечно сложным по своей реализации при определенных требованиях к точности измерений.
- Ионизационный калориметр должен весить прилично. Как Вы добились радикального снижения массы в целом научной аппаратуры «НУКЛОН»?
- Вспомнили хорошо забытое старое и дополнили старое новым содержанием. Очень давно, в начале 50-х, было отмечено, что при ядерном взаимодействии величина угла разлёта рождённых вторичных частиц зависит от энергии. Такие методы получили название кинематических. Измеряя средний угол вновь рождённых частиц, обычно в ядерных эмульсиях, оценивалась энергия первичной. Правда, с очень большой ошибкой. Поэтому на смену кинематическим методам пришёл ионизационный калориметр. Он определяет энергию первичной частицы со значительно большей точностью по общему количеству вторичных частиц, но для этого требуется большая масса прибора. Мы сочетаем методику очень тонкого ионизационного калориметра (микрокалориметра) с кинематическими методами. Для реализации идеи пришлось применять самые новейшие микротехнологии, например, только независимых датчиков в нашей аппаратуре, как я уже говорил, будет 12 тысяч. В результате готовится лёгкий и точный прибор.
- Какие иностранные коллеги принимают участие в исследованиях с помощью научной аппаратуры «НУКЛОН»?
- «НУКЛОН» - это абсолютно отечественный астрофизический проект. Он включен в Федеральную космическую программу России, заказчиками проекта являются Федеральное космическое агентство и Российская академия наук. Хочу добавить, что для НИИЯФ МГУ, головного изготовителя научной аппаратуры «НУКЛОН», исследования в области астрофизики космических лучей высоких энергий являются традиционными, мы в своей истории имели несомненные выдающиеся достижения в этом направлении, хотелось бы соответствовать на достойном уровне и в будущем.