Владимир Сурдин - Разведка далеких планет

Тут самое время вспомнить, что наша Земля – не только «модель экзопланеты», но и сама – полноправная планета. Может ли она играть роль телескопа или хотя бы как-то способствовать изучению Вселенной? Казалось бы, земные явления только мешают астрономическим наблюдениям: достаточно вспомнить о свечении ночного неба, атмосферном дрожании, почти полной непрозрачности атмосферы в рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Несмотря на это, в последние годы Земля все чаще становится элементом астрофизических приборов. Вот несколько примеров.

Чтобы наблюдать космическое гамма-излучение, как уже говорилось, аппаратуру приходится выводить за пределы земной атмосферы на космических аппаратах. Но и в космическом пространстве трудно зарегистрировать «сверхжесткие» гамма-кванты, энергия которых превышает 100 ГэВ. Это «сверхпроникающее» излучение способны задержать и обнаружить только детекторы размером в десятки и сотни метров. Для их запуска в космос даже нет достаточно грузоподъемной ракеты. К счастью, оказалось, что детектором для таких квантов может быть… атмосфера Земли! Ученые воспользовались тем обстоятельством, что гамма-квант сверхвысокой энергии, проходя через земную атмосферу, создает в ней ливень элементарных частиц. Каждая заряженная частица этого ливня, двигаясь с околосветовой скоростью (которая выше скорости распространения света в атмосфере), вызывает черенковское свечение. Поток оптических фотонов распространяется в том же направлении, что и породивший его гамма-квант. Остается только зарегистрировать этот свет с помощью обычного телескопа.

Первыми в мире систематические наземные исследования космического гамма-излучения начали проводить сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) еще в 1964 г. На Тянь-Шаньской высокогорной станции ФИАНа и в Крымской астрофизической обсерватории регистрация черенковского излучения успешно осуществлялась сначала с помощью параболических зеркал диаметром 1,5 м (от прожекторов ПВО), а позже – с помощью многозеркальных коллекторов света. Атмосфера Земли не только не мешала им, но и была необходимым элементом установки.

Сейчас уже в нескольких странах действуют подобные гамма-телескопы. Один из крупнейших – VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в Аризоне состоит из четырех 12-метровых коллекторов света и регистрирует кванты с энергией от 50 ГэВ до 50 ТэВ. Каждый из коллекторов собран из 350 плоских шестиугольных зеркал, которые отражают свет в фокус коллектора, где находится система регистрации на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). С помощью этих приборов уже обнаружены десятки источников сверхжесткого гамма-излучения, как в нашей Галактике, так и в соседних. Кстати, таким же методом регистрируют и частицы космических лучей сверхвысокой энергии, которые также при взаимодействии с атмосферой Земли порождают поток вторичных частиц – широкий атмосферный ливень, дающий вспышку черенковского излучения.

Рис. 5.5. Схема регистрации сверхжестких космических гамма-квантов, порождающих в земной атмосфере черенковское свечение. Атмосфера планеты играет роль сцинтиллятора – прозрачной среды, в которой рождаются черенковские фотоны.

Неоценима роль Земли и при наблюдении космических нейтрино. В нашей стране в недрах горы Андырчи в Приэльбрусье сооружен один из крупнейших в мире нейтринных телескопов, в котором Земле отведено сразу несколько важных функций. Во-первых, она служит фильтром, не пропускающим к телескопу потоки космических лучей. Во-вторых, земной шар используется в качестве мишени, взаимодействуя с которой нейтрино рождают потоки мюонов. Эти мюоны регистрируются счетчиками нейтринного телескопа. Сравнивая потоки нейтрино, приходящие сверху и снизу, можно определить сечение взаимодействия нейтрино с земным шаром, иначе говоря, измерить коэффициент пропускания планеты-фильтра.

Рис. 5.6. Четыре коллектора света, составляющих черенковский телескоп VERITAS.

Такие подземные установки по регистрации нейтрино работают уже в нескольких странах. Одна из самых совершенных расположена близ города Садбери (пров. Онтарио, Канада). В шахте Крайгтон на глубине 2070 м находится прозрачный плексигласовый шар диаметром 12 м, заполненный 1000 т тяжелой воды (D 20). Вокруг него расположены 9600 ФЭУ, направленные в центр шара и регистрирующие вспышки черенковского света от быстрых электронов, рождающихся в реакции