Этой весной участники экспедиции на Baikal-GVD развернули 15-й и 16-й кластеры телескопа, который находится на дне озера. Телескоп этот, как вы поняли, не обычный. Он находится в озере Байкал на расстоянии 3,6 км от берега и на глубине порядка 1300 м. Это один из крупнейших в мире глубоководных телескопов, который ещё называют нейтринным телескопом. Потому что он улавливает нейтрино, их еще называют «Призраками Вселенной». Из-за слабого взаимодействия с материей и высокой проникающей способности. Далее попытаюсь объяснить, что это за кластеры, подводный телескоп такой, когда этот проект начали реализовывать, с какими проблемами столкнулись и для чего он нужен нашей стране.

В видео показал этот телескоп.

Baikal-GVD

Baikal‑GVD — байкальский подводный нейтринный телескоп. Это проект класса мегасайенс. Что значит, что это масштабный, затратный, высокотехнологичный и уникальный проект. Реализовывать его начали в 2015 году. Официальным сроком введения в строй считается 13 марта 2021 года, хотя установка уже работала до этого. При этом он постепенно растет. И вот, этой весной 2026 года на Байкале развернули еще дополнительно 15-й и 16-й кластеры телескопа.

Baikal‑GVD — это одна из крупнейших астрофизических установок в мире. Он ловит нейтрино, частицы которые прилетают к нам из далекой галактики. Далее будет понятно, что это за частица и зачем ее ловить.

История

Разрабатывать такой телескоп начали в послевоенные годы. В 50-ых годах прошлого века астрофизики начали создавать приборы для регистрации солнечных нейтрино. У этой частицы есть важное свойство, она может преодолевать гигантские расстояния. А так же, нейтрино можно считать носителями информации, причём уникальной. Это связано с их особыми свойствами, которые позволяют им передавать данные о процессах, происходящих в недоступных для прямого наблюдения местах.

Увидеть нейтрино можно только когда эта частица начинает взаимодействовать с веществом, например с водой. В этот момент возникает очень слабый свет, его называют — черенковское излучение. Это излучение получило своё название в честь нашего физика Павла Алексеевича Черенкова. Он впервые экспериментально обнаружил это явление в 1934 году.

Если объяснить на пальцах, то это явление похоже на то как летит самолет, который преодолевает звуковой барьер. За ним будто образуется «конус» звука. Такой же конус, только из света, возникает при пролете частиц в воде со скоростью больше скорости света в этой среде. Это называется черенковским излучением — его и видит байкальский телескоп.

В 1960 году академик Моисей Марков дал такую идею, что нужно в прозрачной среде создать решетку, или можно еще представить ее как мишень из чувствительных приемников, которые бы регистрировали вспышки света, возникающие в результате взаимодействия нейтрино с этой средой. Это может быть вода, лед или соль.

Несмотря на то, что идея была наша, но реализовывать ее, зачем-то, начали советские ученые совместно с США, в 50 километрах от Гавайских островов. Проект назывался DUMAND. Он стартовал в 1970-е годы. Но 1979 году Советский Союз ввел войска в Афганистан для оказания помощи афганскому народу и научное сотрудничество с США свернули. После чего наши ученые решили развивать проект сами. И на Байкале начались эксперименты по созданию нейтринного телескопа.

В 90-ые вместе со страной рушилось и все остальное. В том числе и наука. Люди стали уходить. Денег не было. Но в итоге удалось найти финансирование и в 1994 году зарегистрировать первый нейтрино. В 1998 году — установка стала первым в мире подводным нейтринным телескопом — НТ-200, где 200 означает число детекторов. Отработав свое, стало понятно, что нужна более мощная установка. Эта не способна решить те задачи, которые перед собой ставили ученые.

Байкальский телескоп — уникальный инструмент нейтринной астрономии

В 2015 году началось масштабное строительство нового проекта Baikal‑GVD. Цель довести объем детектора до кубического километра. На данный момент телескоп достиг порядка 0,8 км³, еще чуть-чуть не хватает. В ходе экспедиции этой весной развернули 15-й и 16-й кластеры телескопа. Гирлянда Baikal-GVD несет на себе 36 датчиков, в одном кластере таких «нитей» по восемь штук. Таким образом, только в одной единице телескопа окажется 288 фотодетекторов — в полтора раза больше, чем на всем НТ-200. Это в тысячи раз больше, чем у первых советских установок.

Установка представляет собой сгруппированные тросы, на которых висят «глаза» телескопа — оптические модули. Они сделаны в виде больших стеклянных сфер, внутри находится электроника и очень чувствительные фотоумножители, которые ловят вспышки света от взаимодействия нейтрино с водой.

Эти частицы летят через вселенную никем и ничем не поглощаясь. Так же, они не отклоняются из-за магнитных или электрических полей, то есть их источник находится именно в том направлении откуда зарегистрировали появление нейтрино. Источником появления этих частиц могут быть взрывы сверхновых звезд, черные дыры, активные ядра галактик и двойные звездные системы. Поэтому эта частица является хорошим инструментом для изучения процессов, которые происходят в космосе.

Кстати, байкальский телескоп смотрит вниз, через всю планету к центру нашей галактики и дальше, по сути используя Землю как гигантское сито.

Еще хотел бы заметить, что это не единственная крупная российская научная программа, в нашей стране сейчас реализуется много проектов класса мегасайенс. Например СКИФ, который по совокупности характеристик является лучшим в мире источником синхротронного излучения.

Трудности

При реализации телескопа Baikal-GVD учёные и инженеры столкнулись с рядом технических, природных и организационных сложностей. Например, поставки некоторых комплектующих из-за границы, пришлось искать других поставщиков. В итоге поставлены на испытания первые элементы детектора следующего поколения.

Так же, ежегодно из строя выходит до 1% глубоководных устройств, что не желательно. При том, что идет постоянное увеличении объёма телескопа. Для повышения надёжности начали проводить лабораторные испытания, включая климатические камеры и стенд для долговременных испытаний электронных блоков кластера.

Приходилось разрабатывать уникальные машины для резки льда и укладки кабелей по дну озера, так как стандартные решения не подходили. Например, были созданы устройства, похожие на полуметровые валики с резаками, для выравнивания ледовой поверхности, а также детали, напоминающие огромные шестерёнки, для прорубания льда.

Эти и другие проблемы требовали постоянного совершенствования технологий, методов работы и координации усилий.

Что даст этот телескоп?

Байкальский глубоководный нейтринный телескоп расширяет границы фундаментальной науки и создаёт предпосылки для технологического развития.

Фундаментальная наука, грубо говоря, это область познания, которая занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями основополагающих явлений и поиском закономерностей, управляющих ими. Её цель расширить теоретические представления о мире, понять базовые принципы, лежащие в основе природных и социальных процессов.

В перспективе исследования, проведенные с помощью этого подводного телескопа, могут найти применение в устройствах мобильной связи, системах спутниковой навигации, высокоскоростном транспорте и прочем.

Как сказал один из ключевых участников проекта Дмитрий Наумов:
«Главный практический результат эксперимента ученые видят в построении глобальной физической картины. Это естественный интерес, любопытство, попытка попробовать зайти туда, куда человечество еще не дотягивалось. Этим же, наверное, руководствуются и альпинисты, покоряющие разные вершины. Любопытство, чтобы попробовать понять, как устроен наш мир.»

Так же, ученые в будущем смогут воспользоваться опытом создания нейтринных телескопов и при помощи нейтрино смогут исследовать состав Земли или изобрести принципиально новый вид связи.

При помощи этого телескопа ученые надеются найти ответы на фундаментальные вопросы нашего существования. Они получили возможность изучать процессы, которые происходят в самом центре Солнца. Ведь единственный способ это сделать, это регистрировать нейтрино, которые рождаются внутри звезды.

Дополнительные возможности

Появились и дополнительные возможности от использования этого телескопа. Он оснащён множеством вспомогательных датчиков, которые позволяют вести непрерывное наблюдение за состоянием озера: температурой, давлением, прозрачностью воды, скоростью и направлению течений на разных глубинах. Изучение осадочных процессов, как накапливаются донные отложения, каков их состав и скорость накопления. Это поможет в отслеживании природных аномалий и обнаружении загрязнения, если такое появится.

Так же, расположение телескопа в активной тектонической структуре даёт уникальные возможности сейсмического мониторинга, изучения строения земной коры, прогнозирования землетрясений, исследования подводных разломов.

Данные телескопа Baikal‑GVD косвенно помогают и в геологоразведке: изменения в акустическом фоне, температуре и химическом составе воды могут указывать на выходы рудных тел или углеводородов. На дне Байкала есть залежи метановых гидратов. Их изучение важно как для оценки ресурсов, так и для понимания их роли в климатических процессах.

Инфраструктура телескопа Baikal‑GVD — это ведь еще и полигон для отработки подводных технологий: тестирование оптоволоконных линий, акустических модемов, энергоснабжения подводных объектов, испытания подводных аппаратов для обслуживания телескопа, изучение коррозии, обрастания, долговечности конструкций в пресной воде при низких температурах. Это можно использовать при подводной добыче ресурсов и возведении подводных коммуникаций.

Ведущую роль в проекте играют Институт ядерных исследований РАН и Объединённый институт ядерных исследований. А так же Иркутский государственный университет, Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» и много других организаций.

Будущее

Ученые не стоят на месте и уже планируют развитие проекта телескопа HUNT объёмом до 30 км³, он будет крупнейшим в мире. Скорее всего располагаться будет тоже на Байкале. HUNT будет состоять из 2 тысяч вертикальных «гирлянд» с фотоумножителями, закреплённых на дне водоёма на еще большой глубине. Сейчас идет проработка проекта, а сама реализация начнется после 30-ых годов.

Новый телескоп позволит решать задачи не только в области нейтринной астрофизики, но также геофизики и экологического мониторинга. Это откроет новые возможности уже и для прикладного использования технологий и знаний, полученных в рамках работы с телескопом Baikal-GVD.
Источник