гамма-телескоп

Ночное небо в нейтринном свете напоминает холст, над которым трудятся две руки. Одна держит широкую мягкую кисть — это остатки сверхновых, оболочки, оставшиеся после взрывов звёзд. Другая сжимает тонкое жёсткое перо — микроквазары, двойные системы, где чёрная дыра закручивает вещество в узкие струи.

Гамма-лучи — это самый энергичный свет во Вселенной, электромагнитное излучение с экстремально короткими длинами волн. Но одна их часть, средняя по силе, долго оставалась невидимой: приборы не могли её поймать, и в небе зиял пробел. Учёные называют его «пробелом МэВ» — по единице энергии, мегаэлектронвольту, которую эти лучи несут.

В июле 1969 года, когда «Аполлон-11» летел к Луне, астронавты заметили нечто необычное: короткие вспышки света, которые появлялись даже с закрытыми глазами. Сначала это списали на усталость, но вспышки повторялись у разных экипажей. Постепенно стало ясно: виноваты космические лучи — поток заряженных частиц, летящих сквозь космос с огромной скоростью.

Представьте огромный стадион, заполненный людьми в чёрном. Вы стоите снаружи и пытаетесь понять, что там внутри, хотя не видите ни одного человека. Но если двое столкнутся и обменяются яркими футболками — вы заметите вспышку цвета. Именно так астрономы ищут тёмную материю — гипотетическую форму материи, которая не излучает и не поглощает свет, но проявляет себя через гравитацию.

Гамма-небо, запечатлённое телескопом Fermi, — это грандиозная симфония из тысяч источников. Здесь ритмичные пульсации пульсаров, мощные аккорды активных ядер галактик, но больше всего — неотождествлённых объектов, чья партия остаётся загадкой.

Невидимая рука тёмной материи сжимает галактики в объятия гравитации, но её природа ускользает уже почти век. Ещё Фриц Цвикки заподозрил скрытую массу в скоплениях, а Вера Рубин показала, что звёзды на окраинах кружатся слишком быстро — словно их подгоняет невидимый дирижёр.

Гравитационные волны — это дрожь пространства-времени, порождаемая космическими катаклизмами: слияниями чёрных дыр и нейтронных звёзд.

Галактика похожа на светящийся блин, усеянный звёздами. Если смотреть на неё плашмя, видно всё сразу — и яркие рукава, и тёмные прослойки пыли. Но стоит наклонить блин, и картина меняется: слои накладываются, свет смешивается. Именно этот эффект, как выяснилось, создаёт иллюзию тесной связи между радио- и гамма-излучением в далёких звёздных системах.

Обычные детекторы тёмной материи похожи на футбольного вратаря, который ждёт мощного удара, а мяч еле катится. Частицы-невидимки, заполняющие нашу Галактику, часто движутся слишком медленно, чтобы их заметили чувствительные датчики.

В самом сердце Млечного Пути что-то непрерывно светится в гамма-лучах. Свет этот особенный — с энергией ровно 511 тысяч электронвольт. Такая энергия появляется, когда электрон встречает свою античастицу, позитрон, и они вместе исчезают, оставив вспышку света.

Космический гамма-телескоп Ферми на протяжении 17 лет регистрировал гамма-излучение от активных ядер галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры.

Глубоко под ногами, в толще планеты, идёт медленный распад радиоактивных элементов. При этом рождаются крошечные частицы — геонейтрино. Они проходят сквозь земную кору, мантию и ядро, почти ни с чем не взаимодействуя. Но если поймать хотя бы несколько таких частиц, можно узнать, из чего именно сложены недра Земли — сколько там калия, урана или тория. Это как слушать шёпот из глубин.

Тёмная материя — как невидимый клей, который держит галактики вместе. Она не испускает свет, но если её частицы сталкиваются, может вспыхнуть гамма-излучение. Учёные искали такие вспышки в карликовых галактиках — маленьких звёздных скоплениях, где тёмной материи очень много, а обычной почти нет.

Ночью небо не бывает абсолютно чёрным. Даже вдали от городов верхние слои атмосферы слабо светятся: солнечный свет заставляет атомы водорода испускать красноватое свечение, которое астрономы называют геокорональной эмиссией. Для телескопа это как запотевшее стекло: оно добавляет лишний свет и мешает разглядеть далёкие галактики.

Пожарный с тепловизором видит очаг возгорания сквозь дым. А как увидеть источник радиации, который не пахнет, не светится и не греет? Гамма-камеры решают эту задачу: они ловят гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, и накладывают их «след» на обычную фотографию. Получается снимок, где видно, что источник находится, скажем, за дальней дверью.

Солнечная вспышка — как выстрел из гигантской пушки: она выбрасывает в космос поток заряженных частиц. Когда этот поток долетает до Земли, магнитное поле планеты обычно отклоняет его, но в полярных областях частицы проникают в атмосферу. Там они сталкиваются с атомами воздуха и рождают всплеск гамма-излучения — его и ловят детекторы.

На поле стоит бак с водой, который обычно ловит частицы из космоса. Теперь он следит за тем, сколько влаги в земле под ногами. Вода в баке служит ловушкой для нейтронов — крошечных частиц, которые вылетают из почвы, когда в неё попадают космические лучи. Чем суше земля, тем больше нейтронов вырывается наружу, и тем чаще бак их регистрирует.

В баке с чистой водой частицы, летящие быстрее света в этой среде, оставляют голубоватые вспышки — как самолёт, преодолевший звуковой барьер, рождает гром. По таким вспышкам можно понять, что за гость пролетел: гамма-квант или нейтрон. Задача не праздная: на границах и складах нужно быстро отличать безобидный радиоактивный груз от материала, пригодного для оружия. Сначала работает простой физический порог.

Нейтрино — частицы-призраки, предсказанные Стандартной моделью и почти не взаимодействующие с веществом. Поймать их — всё равно что расслышать шёпот в грохоте водопада. Для этого созданы детекторы ARA и RNO-G, вмороженные в лёд Антарктиды и Гренландии.

Бросьте горсть камешков вдоль тесного ряда столбиков: они рикошетом разлетятся плотным веером. Бросьте под углом — и они рассеются. Гамма-лучи в кристалле ведут себя сходным образом: они порождают каскады вторичных частиц, которые расползаются в стороны, если атомные ряды кристалла не выстроены идеально. Но стоит совместить их с точностью до толщины волоса — и каскад стягивается в узкий направленный пучок.

Космические лучи — это непрерывный ливень заряженных частиц, обрушивающийся на Землю со всех направлений. Представьте: стоит подуть ветру, и капли дождя меняют траекторию. Так и солнечная буря — облако намагниченной плазмы, выброшенное Солнцем, — искривляет пути этих частиц, обычно равномерно осаждающих нашу планету.

Масса искривляет пространство-время, подобно тому как тяжёлый камень продавливает асфальтовую дорогу. Свет, проходя вблизи массивного тела, огибает эту вмятину — область искривлённого пространства-времени, — его путь удлиняется, и он прибывает с опозданием.

Ещё в XVIII веке Уильям Гершель, знаменитый астроном и открыватель Урана, искал признаки жизни на Марсе. Сегодня астрономы целятся не столько в планеты, сколько в артефакты — гипотетические зонды пришельцев, которые могут скрываться в Солнечной системе.

В центре многих галактик расположен незримый маяк — сверхмассивная чёрная дыра. Поглощая вещество, она формирует аккреционный диск и выбрасывает в пространство коллимированный луч гамма-излучения. Если этот луч направлен на Землю, астрономы регистрируют блазар — переменный источник с экстремальной яркостью.

Светлячок вспыхивает на одну десятимиллиардную долю секунды где-то над сибирской тайгой. Увидеть такое невозможно, но установка TAIGA-HiSCORE, разбросанная по долине в Тункинском районе Бурятии, пыталась поймать именно такие вспышки — только не от насекомых, а из глубин космоса. Обычно эта система из множества светочувствительных детекторов ловит частицы космических лучей, которые врезаются в атмосферу Земли.