Лучшее место для изучения ядер галактик, квазаров, сверхновых звёзд и других сверхмощных источников энергии Вселенной — глубины Байкала, уверены учёные Иркутского госуниверситета. На 106 км Кругобайкалки на глубинах в 1,3 км работает Байкальский нейтринный телескоп — одна из двух уникальных планетарных установок для «отлова» нейтрино. В июле ИГУ выиграл грант федеральной целевой программы приоритетных научных исследований до 2012 года под Байкальский нейтринный проект. В течение двух лет на модернизацию телескопа будет направлено 1,4 млн. рублей из федерального бюджета и не менее 40 тыс. евро — из бюджетов иностранных научных центров.

Грант был получен под исследования в области рационального природопользования. Обязательное условие — участие иностранных научных организаций. Иркутяне работают с Институтом ядерных исследований РАН (Москва), Объединённым институтом ядерных исследований РАН (Дубна), институтом ядерной физики МГУ, лабораторией DESY (Германия) и институтом EAWAG (Швейцария). Основное направление исследований международного сотрудничества «Байкал» — регистрация самых лёгких из существующих стабильных элементарных частиц — нейтрино.

Посланник чёрной дыры

— Нейтрино не имеют электрического заряда и практически не взаимодействуют с веществом, к примеру, свободно проходят сквозь тело человека или земной шар, — рассказывает профессор ИГУ Николай Буднев. — Появляются они при термоядерных реакциях в таких звёздах, как Солнце. А ещё — в далёких и сверхмощных объектах Вселенной. Науке пока неизвестны процессы ускорения элементарных частиц и ядер в таких объектах до сверхвысоких энергий, при столкновении и распадах которых появляются нейтрино.

Это ядра галактик, сверхновые звёзды, чёрные дыры. «Нейтрино, родившееся много миллиардов лет тому назад, может достичь Земли в таком же виде и принести информацию о своём «родителе», — говорит Николай Буднев. — На Землю приходят элементарные частицы и ядра с такой же энергией, какая есть в теннисном мяче, посланном самым сильным теннисистом мира. А теперь сравните вес ядра и мячика».

Учёные пытаются приблизиться к решению одной из основных проблем современной науки — тайны «тёмной материи» Вселенной.

— Изучая движение галактик, учёные установили, что та масса, которая содержится в известных нам формах материи (излучение, звёзды, планеты, межзвёздный газ, те же самые нейтрино), составляет только 4% от всей гравитационной массы Вселенной, — рассказывает Николай Буднев. — Но галактики притягиваются друг к другу с силой в 20 раз большей, чем гравитация всех известных в них форм материи. 96% — это некая «тёмная материя» и «тёмная энергия», обладающие гравитацией, но людям не удалось пока их наблюдать.

«Тёмная материя» плохо взаимодействует с видимым веществом, и для регистрации гипотетических «тёмных» частиц и нейтрино высоких энергий нужны высоко-чувствительные детекторы размером около 1 куб. км и более, весом в миллиарды тонн. Построить такое сооружение нереально.

«В 1960 году советский физик академик Моисей Марков предложил использовать в качестве детектора воду чистого природного водоёма, — рассказывает Николай Буднев. — В воде должна была появиться «решётка» из приборов, которые регистрируют свет». Почему именно свет? Все существующие приборы могут «отлавливать» электрически заряженные частицы. А нейтрино заряда не имеет. Но если частица всё-таки вступит в контакт с веществом воды (а это происходит в среднем один раз на миллион), то это «касание» рождает заряженные частицы мюоны, которые генерируют светящийся «след».

«На поверхность Земли приходит огромное количество частиц. Для того чтобы выявить нейтрино, нужен некий «фильтр». Это земля, вода. Вода, прозрачная для нейтрино, задерживает большинство других частиц», — рассказывает Николай Буднев. Но детекторы регистрируют в сутки около 900 тыс. световых «следов». Первопричиной каких из них было нейтрино? Для этого учёные определяют траекторию движения каждого мюона. Траектории, направленные снизу вверх, точно порождены нейтрино, так как только эта частица способна пройти сквозь земной шар. Задача учёных — определить, из каких мест Вселенной они пришли, и установить их энергию.

Водяные гирлянды

Сегодня в мире два действующих нейтринных телескопа — Антарктическая мюонная и нейтринная детекторная сетка AMANDA (США плюс ряд европейских стран) и байкальский телескоп. AMANDA вморожена на 1,5 км в лёд Южного полюса. Американцы пытались создать телескоп в Тихом океане, но проект из-за огромных трудностей (волнение, работы с кораблей) был свёрнут. На Байкале монтаж зимой был сделан прямо со льда. «AMANDA мощнее нашей установки, но оптические свойства вод Байкала лучше для регистрации нейтрино, чем льды, — говорит Николай Буднев. — Поэтому с меньшим количеством приборов мы имеем практически равные возможности».

Академик Александр Чудаков озвучил идею нейтринного телескопа на Байкале в 80-е годы. Несущий каркас был установлен в 1992 году, а первый телескоп НТ200 начал работать в 1998-м. Он расположен в 3,6 км от берега на 106 км Кругобайкальской железной дороги. На глубине 1366 м лежат якоря (ковши с кусками трамвайных рельсов), на которых закреплены тросы, находящиеся в натянутом состоянии за счёт каркаса и системы поплавков в верхних слоях воды. На тросы навешаны высокопрочные стеклянные сферы, выдерживающие давление 150 атмосфер. В сферах — сверхчувствительные приборы для регистрации света. Первый телескоп представлял собой подобие кристаллической решётки из одной «гирлянды» в центре и семи по краям в радиусе 21 м (192 оптических приёмника). Сегодня к этой конструкции прибавились три «гирлянды» с 36 приёмниками на расстоянии 100 м от центра НТ200. По дну Байкала проложены четыре кабельных линии к берегу, где находится исследовательская база.

Собирали НТ200 более десятка российских и зарубежных институтов. К примеру, уникальные сферы создали в Институте электровакуумного стекла, а устойчивость ажурной конструкции рассчитали в Санкт-Петербургском госуниверситете морских технологий. Электронная «начинка» монтировалась как минимум четырьмя НИИ России и Германии.

— Сегодняшняя установка ещё не охватывает кубический километр, — говорит Николай Буднев. — Но мы уже начали практическую отработку элементов конструкции на 1,3 тыс. детекторов, это около 90 «гирлянд».

Нейтрино порождает не только светящийся след, но и высокочастотный звуковой хлопок. «Звук слабо поглощается в пресной воде и распространяется на километры, — рассказывает Николай Буднев. — Звуковой детектор должен контролировать не кубический километр, а, по крайней мере, 100 куб. км. В этом году два наших сотрудника — Алексей Кочанов и Георгий Паньков — получили премию губернатора за разработку первого в мире акустического детектора. Первая «ячейка» будущего прибора уже установлена на телескопе, в будущем их нужно не менее тысячи».

Пульс Байкала

В федеральном конкурсе приняли участие 40 НИИ России, но победа досталась только 13. Госуниверситет был четвёртым в рейтинге значимости проектов. К 1,4 млн. рублей федерации будет добавлено 1,6 млн. рублей из внебюджетных источников. По словам Николая Буднева, в течение двух лет иностранные участники проекта поставят оборудование не менее чем на 40 тыс. евро. Деньги учёные намерены потратить на модернизацию телескопа, которая позволит проводить исследования природной среды озера. «Половина наших исследований по-священы Байкалу и тем процессам, которые в нём происходят, — рассказывает Николай Буднев. — Озеро уникально — жизнь в нём существует от поверхности до абиссальных глубин».

Дно «двойника» Байкала, озера Танганьика, безжизненно — в его глубины не поступает кислород, и скапливается сероводород, убивающий всё живое. Байкал насыщен кислородом от поверхности до дна, потому что воды его активно перемешиваются. «Детали этого процесса очень важны для лимнологов, — отмечает Виктор Буднев. — Им приходится работать в сезонном режиме с кораблей, данные получаются разрозненными. А мы научились создавать стационарные научные станции под водой».

Один из методов исследования обмена воды в озере — температурный. На трёх «гирляндах» учёные подвесили более 50 термометров, измеряющих температуру на разных глубинах. Самая тяжёлая вода — при плюс 4 градусах. Как только поверхность Байкала нагревается (или остывает) до этой температуры, вода начинает «тонуть», выталкивая на поверхность более лёгкие слои. Дважды — в июне и ноябре — верхний 300-метровый слой воды полностью перемешивается. А вот процессы, которые управляют «перемешиванием» Байкала до самых глубин, пока ещё не изучены. «Но нам впервые удалось непосредственно наблюдать за проникновением поверхностных вод вдоль крутого склона озера в придонную область», — говорит Николай Буднев.