Перспективы сотрудничества России и Китая в области астрофизики — международный эксперимент LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory).

Одним из интереснейших направлений международного сотрудничества России и Китая в области астрофизики является эксперимент LHAASO. Помимо Китая, где он расположен, в проекте принимают участие Россия, Швейцария, Франция, Таиланд. Первая половина этого детектора была запущена в 2019 году.

Установка мультизадачная: это и изучение источников — как они ускоряют элементарные частицы, до каких энергий, и проверка лоренц-инвариантности, и поиск темной материи. Российские ученые из Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН сейчас создают в рамках LHAASO свою экспериментальную установку: они интересуются происхождением так называемых колен, то есть изломов в энергетическом спектре космических лучей. Также стоит задача поиска и изучения гамма-всплесков. В октябре 2022 года был зафиксирован мощнейший в истории гамма-всплеск, который на установке LHAASO был очень хорошо виден (более 200 стандартных отклонений).

Детекторы установки LHAASO расположены на площади в один квадратный километр: это 1200 мюонных детекторов диаметром 7 м каждый (бетонные «бочки», заглубленные в землю, с пороговой энергией 1 ГэВ), 5249 электронных детекторов (пластиковые сцинтилляторы размером 1 кв. м с оптоволоконным светосбором на небольшой фотоумножитель). В центре установки находится большой водный бассейн, разделенный на ячейки размером 5х5 м, глубиной 4,5 м. На дне каждой ячейки располагается большой 20-дюймовый полусферический фотоумножитель, а также маленький фотоумножитель для регистрации больших энерговыделений. Наконец, есть черенковский телескоп из 18 имиджевых детекторов, направленных в небо. Российский физик академик Георгий Тимофеевич Зацепин (1917–2010), работавший в ФИАН, а затем в ИЯИ РАН (с 1970 года), первым показал, что широкие атмосферные ливни (ШАЛ) элементарных частиц в атмосфере Земли — это не электромагнитный каскад, а ядерный. Вместе с академиком Александром Евгеньевичем Чудаковым (1921–2001) они впервые предложили метод изучения космических лучей по излучаемому ШАЛ в воздухе черенковскому свету. Чудаков реализовал эту идею и сконструировал первые черенковские телескопы, смотрящие в небо, для поиска астрофизических гамма-квантов. Таким образом, они положили начало гамма-астрономии еще в середине ХХ века.

Российская часть установки LHAASO — Electron-Neutron Detect Array (ENDA) — это относительно небольшая установка нового типа (100x100 кв. м), регистрирующая как электронную, так и адронную компоненты ШАЛ. В настоящее время работает лишь первая очередь установки, состоящая пока из четырех кластеров, объединяющих 64 детектора. В дальнейшем она будет расширена до 400 детекторов.

В целом по размерам, масштабу и количеству детекторов эксперимент LHAASO не имеет аналогов, и количество его мюонных и электронных детекторов перешло в новое качество: установка обладает выдающимся угловым разрешением — 0,03 градуса — и огромной светосилой. Поэтому она первой стала получать уникальные результаты благодаря плотности детекторов (расстояние между электронными детекторами всего 15 м, мюонными — 30 м). Также благодаря большой площади мюонных детекторов она обладает высокой вероятностью разделения гамма-ливней и адронных ливней.

В 2021 году на установке LHAASO было открыто 12 новых космических источников гамма-квантов сверхвысоких энергий, которые ранее не были известны астрономам, в том числе с энергией выше 1 ПэВ (что означает, что в нашей Галактике работают пэватроны). Статья с этими результатами была опубликована в журнале Science. Как правило, вблизи этих источников имеются пульсары, и только в окрестностях четырех из 12 источников были обнаружены остатки сверхновых звезд. Это противоречит современной теории ускорения частиц: до сих пор считается, что основным ускорителем космических лучей являются остатки сверхновых. «В качестве объяснения можно привести работу Феликса Агараняна и др., которые в качестве основных источников космических лучей предлагали считать скопления молодых массивных звезд»,— отмечает Юрий Стенькин, ведущий научный сотрудник лаборатории лептонов высоких энергий ИЯИ РАН.

В конце мая 2023 года на Зацепинских чтениях в ИЯИ РАН был доложен другой результат эксперимента LHAASO (научная публикация должна выйти в Astrophysical Journal, к настоящему моменту выложен препринт): описаны 43 источника космических лучей, 32 из которых — новые. Практически все они лежат в плоскости Галактики. Опять же большая часть источников лучей ассоциируется с пульсарами. При этом семь новых источников с энергиями выше 1 ТэВ не имеют вообще никаких ассоциаций: в их ближайшем окружении не видно никаких известных источников каких-либо лучей. Поэтому их даже назвали темными источниками. Измеренные спектры источников указывают на их адронную природу. Это означает, что наша Галактика работает как ускоритель, разгоняя элементарные частицы минимум до 15–20 ПэВ, что также противоречит бытующему в современной астрофизике утверждению, что в области 3–5 ПэВ происходит переход от галактических к внегалактическим лучам. При этом восемь из описанных 43 источников не дают сигнала при низких энергиях, а при высоких он есть. Это можно объяснить так, что там нет ускорителя электронов, но есть ускорение протонов — пэватроны.

Еще одна работа, опубликованная по следам работы LHAASO в мае 2023 года, посвящена диффузному излучению. Измерены спектры в абсолютных единицах, и видно, что измеренная интенсивность диффузного излучения в три раза выше ожидаемой для центральной части Галактики и в два раза — для периферии Галактики. Кроме того, известно, что по интенсивности свечения гамма-квантов известных астрофизических объектов можно сделать выводы об уровне нарушения лоренц-инвариантности, что и было сделано уже в другой работе LHAASO.

Кроме того, в начале июня в Science вышла статья о чрезвычайно ярком гамма-всплеске, зафиксированном многими установками, в том числе LHAASO, в октябре 2022 года (также этот всплеск регистрировался приборами Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН). В составе эксперимента LHAASO имеется большой водно-черенковский бассейн — детектор WCDA, содержащий 3500 ячеек бассейна размером 5х5 м. Гамма-квант, попадая в черенковский детектор, взаимодействует с веществом, образуя ускоренный электрон, излучающий черенковский свет в воде. В данном случае речь шла об энергиях 2–7 ТэВ, то есть это не широкие атмосферные ливни, а небольшие электромагнитные каскады, поскольку изначальной частицей был гамма-квант. Установкой WCDA была зарегистрирована мощная вспышка (на уровне более 200 стандартных отклонений) в направлении на источник гамма-всплеска в другой Галактике. Был измерен временной профиль всплеска. Полная длительность данного гамма-всплеска составила около 3000 с, а спустя 650 с возникло укручение спада его светимости. В целом можно сказать, что во время прохождения этого всплеска на небе «светила лампочка», и мы пока не знаем, чем был обусловлен этот «свет», с каким катаклизмом во Вселенной он связан. Одно из возможных объяснений здесь — что всплеск возник в конусе углов и по оси шли самые высокоэнергичные гамма-кванты, и случайно так совпало, что центральный луч «чиркнул» по Земле. Иначе наши телескопы могли бы зарегистрировать только оптические или рентгеновские лучи, а так был зарегистрирован весь спектр.

В заключение можно сказать, что детектор LHAASO по своим характеристикам и ценности для астрофизики не имеет аналогов. Вряд ли у него в ближайшие годы появятся конкуренты, так как это очень масштабная установка. При работе лишь части установки на ней уже получены выдающиеся результаты, достойные публикации в журналах Science и Nature. Стоит ожидать и дальнейших открытий в области астрофизики, космологии, астрономии, поиска темной материи и изучения космических лучей. У российских ученых в рамках коллаборации есть большие перспективы научных открытий.

Источник: «Коммерсантъ»

Текст: Полина Юдина

Фото: LHAASO Team