Учёные используют огромные объёмы воды и льда, чтобы обнаруживать нейтрино — крошечные частицы, которые могут проходить сквозь Землю, почти не взаимодействуя с веществом. Идею такого способа регистрации ещё в 1960 году предложил советский академик Моисей Марков. Подробности раскрыл ректор МГУ Виктор Садовничий на Международном фестивале «Наука 0+».
В 2026 году Нобелевскую премию по физике получил Фрэнсис Хальцен (Francis Halzen) за вклад в создание и развитие нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино космического происхождения. Установка помогает учёным изучать процессы во Вселенной, которые трудно наблюдать обычными телескопами.
Что такое нейтрино и зачем их изучают
Нейтрино — элементарные частицы, которые очень редко взаимодействуют с веществом. Они могут проходить сквозь Землю, звёзды и огромные облака космического газа, почти не меняя своего движения. Поэтому их часто называют «призрачными частицами», ведь обнаружить их крайне сложно.
Особенно интересны нейтрино с высокой энергией. Они возникают в мощных космических процессах, например в окрестностях чёрных дыр и в активных ядрах галактик. Поскольку подобные частицы почти не отклоняются магнитными полями и могут проходить через плотные облака газа и пыли, они помогают исследовать далёкие объекты и процессы, которые трудно изучать другими способами.
До появления IceCube учёные уже обнаруживали нейтрино от Солнца и других источников. В 1987 году они также зарегистрировали нейтрино, связанные со взрывом сверхновой SN 1987A. Однако обнаружить высокоэнергетические нейтрино из далёкого космоса было гораздо сложнее.
Идея советского академика Моисея Маркова
В 1960 году советский физик и академик Моисей Марков предложил использовать большие объёмы природной воды для регистрации нейтрино. Позднее этот принцип стали применять и к антарктическому льду.
Дело в том, что нейтрино очень редко сталкиваются с другими частицами. Чтобы повысить вероятность такого события, нужен огромный объём вещества. Создать под землёй искусственный детектор размером в кубический километр чрезвычайно сложно, зато можно использовать природные водоёмы или толщу льда.
Когда нейтрино всё же взаимодействует с веществом, могут возникнуть заряженные частицы. Они движутся через воду или лёд и создают слабую вспышку света. Это явление называется черенковским излучением. Специальные светочувствительные датчики улавливают вспышки, а учёные по сигналам восстанавливают характеристики произошедшего события.
Идея Маркова стала одним из ранних оснований для развития крупных нейтринных телескопов. Позже такие установки начали создавать в разных странах, в том числе на Байкале и в Антарктиде.
Какие открытия сделала нейтринная обсерватория IceCube
Нейтринная обсерватория IceCube находится на Южном полюсе, в толще антарктического льда. Её датчики размещены на вертикальных линиях на глубине примерно от 1,45 до 2,45 километра. Всего в установке около 5 160 оптических датчиков, а объём льда, в котором она регистрирует события, составляет около одного кубического километра.
Строительство IceCube завершили в 2010–2011 годах. До этого учёные испытывали технологию на меньшей установке AMANDA.
В 2013 году IceCube представил свидетельства существования потока высокоэнергетических нейтрино, приходящих из-за пределов Солнечной системы. Это стало важным подтверждением того, что во Вселенной существуют источники, способные разгонять частицы до чрезвычайно высоких энергий.
В 2017 году обсерватория зарегистрировала нейтрино, которое помогло связать его возможный источник с блазаром TXS 0506+056. Блазары — активные ядра галактик, из центральной области которых выбрасываются мощные потоки вещества. Событие изучали совместно с другими телескопами, регистрирующими гамма-излучение.
Позднее учёные получили свидетельства нейтринного излучения от активной галактики NGC 1068 и обнаружили нейтрино, связанные с плоскостью Млечного Пути. Эти результаты помогают искать источники космических частиц и лучше понимать процессы в далёких галактиках.
Российский телескоп Baikal-GVD
Свой крупный нейтринный телескоп есть и в России. Baikal-GVD расположен в озере Байкал. Его оптические датчики находятся в специальных герметичных сферах, подвешенных на вертикальных гирляндах глубоко под водой.
Установка состоит из отдельных кластеров, которые можно расширять по мере монтажа нового оборудования. В отличие от IceCube, использующего лёд, Baikal-GVD работает в воде. Это создаёт другие условия для распространения света и обслуживания оборудования.
Обе установки используют общий физический принцип: регистрируют слабые вспышки света, возникающие при взаимодействии нейтрино с веществом. Вместе с телескопом KM3NeT в Средиземном море они помогают исследовать нейтрино, приходящие из разных областей неба.
Зачем нужны нейтринные телескопы
Свет от далёких космических объектов может поглощаться газом и пылью. Нейтрино взаимодействуют с веществом гораздо реже и способны приносить информацию из областей, которые сложно изучать обычными телескопами.
Наблюдения помогают исследовать окрестности чёрных дыр, активные ядра галактик и происхождение космических лучей высокой энергии. Учёные также используют такие данные для проверки физических теорий.
Идея использовать огромные природные объёмы воды и льда для поиска почти неуловимых частиц, предложенная Моисеем Марковым в 1960 году, стала одним из важных этапов развития нейтринной астрономии. Сегодня такие установки позволяют изучать Вселенную не только по свету, но и по частицам, которые приходят из её далёких уголков.