Происхождение космических лучей — потоков заряженных частиц, открытых в 1912 году, много лет оставалось загадочным. Но сейчас можно не сомневаться в том, что основные их источники — сверхновые звёзды. Вообще, в отношении лучей с энергией менее 1015—1016 эВ картина в целом достаточно ясна. К числу же «особенно важных и интересных» вопросов можно отнести лишь происхождение ультравысокоэнергичных лучей — свыше 1019 эВ. Наивысшая наблюдавшаяся энергия лучей составляет около 3•1020 эВ. Ускорить частицы (скажем, протон) до такой энергии нелегко, но, по-видимому, это может происходить в активных ядрах галактик. Однако возникает трудность: частицы с ультравысокими энергиями, соударяясь с микроволновым (реликтовым) излучением (его температура 2,7 К), порождают пионы, теряют энергию и с очень больших расстояний дойти до нас не могут. Кроме того, неясно, могут ли известные галактические ядра обеспечить ускорение до энергии 3•1020 эВ. Частицы могли бы ускоряться космическими струнами и другими «топологическими дефектами», находящимися вне Галактики на расстояниях до 20 Мпк. Однако никаких указаний на их наличие, да ещё сравнительно близко, не имеется. По другой гипотезе, первичные частицы сверхвысокой энергии — это не обычные протоны, фотоны, ядра и т. д., а какие-то другие, пока не известные частицы. Тогда они могут прийти издалека, а ближе к нам или даже в земной атмосфере превратиться в обычные частицы и дать широкий атмосферный ливень — ШАЛ. Наконец, проще всего, пожалуй, предположить, что в составе тёмной материи в Галактике имеются сверхмассивные частицы массой более 1021 эВ, живущие дольше возраста Вселенной (1010 лет), но всё же нестабильные. Продукты их распада в атмосфере и порождают ШАЛы (частицы с энергией выше 1015 эВ наблюдаются только по ШАЛам). В общем, проблема космических лучей экстремально высокой энергии действительно загадочна и уже поэтому интересна.
В. Л. Гинзбург. «Наука и жизнь» № 12, 1999 г.
Космические лучи — потоки заряженных частиц, летящих от далёких космических объектов, пронизывают межзвёздное пространство. Попадая в атмосферу Земли, они взаимодействуют с ядрами атомов и создают каскады вторичных заряженных частиц — широкие атмосферные ливни (ШАЛ). Такие каскады уже много лет регистрируют установки, расположенные на Земле, и природа света от ШАЛ хорошо известна — это излучение Вавилова—Черенкова и флуоресценция атмосферы, вызываемые заряженными частицами каскада в атмосфере.
В области космических лучей умеренных энергий (порядка 1012 —1014 эВ) состав первичных частиц изучен. В большинстве это ядра атомов вещества Вселенной, лишённых электронов. Распределение первичных ядер по атомному номеру находит объяснение в теории происхождения космических лучей во взрывах сверхновых звёзд. Именно в этих взрывах генерируются не только протоны, но и более тяжёлые ядра, содержащиеся в космических объектах. При обсуждении состава космических лучей по атомному номеру часто используют термины «лёгкие ядра» (атомные номера от 1 до 4) и «тяжёлые ядра» (атомные номера около 56).
Но особый интерес для физиков представляют космические лучи предельно высоких энергий, более 5x1019 эВ. Даже длительные наблюдения с помощью наземных установок не дают ответов на все вопросы астрофизиков о свойствах и происхождении таких частиц. В 2016 году, с запуском российского университетского спутника «Ломоносов» с ультрафиолетовым телескопом* ТУС (Трековая УСтановка) на борту, начался новый этап экспериментального изучения космических лучей высоких энергий — со «взглядом» на атмосферу сверху вниз.
Попадание в атмосферу частиц космических лучей высоких энергий — событие достаточно редкое, поэтому из каждого такого события желательно извлечь максимум информации. Флуоресцентные детекторы, работающие на поверхности Земли, не позволяют полностью использовать замечательную особенность флуоресцентного свечения — его изотропность, то есть равномерное по углам распределение фотонов из точки излучения. Другие компоненты излучения ШАЛ имеют узкую диаграмму направленности, и для перекрытия большой площади поиска первичных частиц приходится применять сети детекторов, каждый из которых перекрывает лишь небольшую часть всей площади установки.
Во второй половине XX века было создано несколько «сетевых» установок для изучения космических лучей ультравысоких энергий. Одной из первых стала установка в Якутске площадью S ~ 15 км2, которая работает в разных вариантах и по сей день, с накопленным временем регистрации около 40 лет. Затем вступили в строй установки Наvеrah Park (Великобритания) с S ~ 20 км2 и SUGAR (Австралия) с S ~ 60 км2. В установке AKENO (Япония) площадь достигла 100 км2. На установках Fly’s Eye и HiRes (США) был применён метод регистрации флуоресцентного излучения ШАЛ, позволивший получить площадь порядка 1000 км2 для частиц с энергией более 1020 эВ. Наибольшего совершенства достигли установки с одновременной регистрацией флуоресценции атмосферы и потока заряженных частиц ШАЛ — так называемые гибридные установки. В Южном полушарии (Аргентина) работает гибридная установка Pierre Auger Observatory (PAO), созданная международной коллаборацией с тем же названием. Она охватывает самую большую площадь атмосферы S ~ 3000 км2. В Северном полушарии на территории США действует Тelescope Аrray (TA), который использует площадь S ~ 600 км2.
С помощью этих установок казалось возможным решить одну из наиболее интересных астрофизических проблем — найти положение источников космических лучей ультравысоких энергий на небесной сфере, поскольку частицы с энергией, большей или равной 5x1019 эВ, должны приходить к Земле по прямой линии, слабо отклоняясь в магнитных полях Галактики и в межгалактических полях. Примерно этим же энергиям соответствует ожидаемый обрыв энергетического спектра космических лучей, который называют эффектом ГЗК (Грейзена — Зацепина — Кузьмина). Однако окончательного ответа на поставленные вопросы до сих пор не получено, несмотря на достаточно длительные измерения.
С помощью данных гибридных установок на небесной сфере найдены намёки на активные области, откуда преимущественно приходят частицы самых высоких энергий: в Южном полушарии — из района созвездия Кентавра, а в Северном — из района созвездия Девы. Но статистика наблюдений, накопленная крупнейшими наземными установками, не позволяет уверенно это подтвердить.
Экспериментальное изучение космических лучей самых высоких энергий — одна из наиболее трудных задач из-за весьма низкой их интенсивности. За последнее десятилетие зарегистрировано не более 100 событий, связанных с частицами с энергией выше 5x1019 эВ (выбранное значение энергетического порога удобно для сопоставления данных о частицах до и после ожидаемого ГЗК-обрыва спектра). Стоимость «сетевой» установки растёт пропорционально росту рабочей площади и, по современным оценкам, составляет сотни миллионов долларов при площади на два порядка выше площади PAO. При такой стоимости с наземными установками вполне могут конкурировать флуоресцентные детекторы на борту спутников Земли.
Первые оценки возможности построения флуоресцентного детектора на спутнике сделал в 1981 году Джон Линсли (США). Эти оценки показали, что один флуоресцентный детектор ШАЛ, наблюдающий ночную атмосферу с орбиты высотой в несколько сотен километров с полем зрения ±30о, может перекрыть площадь 3x105 км2, то есть площадь, необходимую для статистически надёжного изучения космических лучей предельно высоких энергий. В будущем такие орбитальные детекторы смогут перекрывать наблюдениями площадь всей атмосферы: ~107—108 км2.
Однако условия работы флуоресцентного детектора в открытом космосе отличаются от условий на Земле. В космическом детекторе, находящемся на расстояниях в сотни километров от источника излучения в атмосфере, сигнал флуоресцентного излучения ШАЛ в сотни раз слабее по сравнению с сигналом, принимаемым наземными детекторами на расстояниях в десятки километров. Зато прозрачность атмосферы в вертикальном направлении, по которому регистрируются космические частицы с борта спутника, в десятки раз выше. При работе орбитального детектора, направленного вертикально вниз, регистрируется другая форма трека ШАЛ, которая сильно зависит от направления первичных частиц.
Флуоресцентный детектор ТУС на борту спутника «Ломоносов»
Разработкой новой технологии космического флуоресцентного детектора занялись несколько научных групп из разных стран. Роскосмос по предложению Совета по космосу РАН запланировал создание нового детектора флуоресценции со сравнительно малой апертурой (площадью зеркала-концентратора). Такой детектор должен получить первые полноценные изображения треков ШАЛ, генерируемых космическими лучами самых высоких энергий, с борта спутника с высотой орбиты около 500 км и научиться различать истинные события ШАЛ и фоновые. Фон могут создавать не только космические частицы, но и светящиеся электрические разряды в атмосфере, а также вспышки, сопровождающие человеческую деятельность на Земле.
Детектор ТУС разрабатывали, используя опыт применения новых композитных материалов при создании зеркала-концентратора по типу зеркала Френеля и опыт построения многоканальных фотодетекторов в области длин волн флуоресцентного излучения атмосферы (320—400 нм) с разрешением во времени в доли микросекунды. Инженерная часть проекта выполнена в АО «ВНИИЭМ».
В детекторе (рис. 1) две части: параболическое зеркало-концентратор типа зеркала Френеля и фотоприёмник, состоящий из 256 квадратных ячеек размером 15 x 15 мм.
Ось детектора (рис. 2) направлена в надир — на Землю — с точностью 0,1о с помощью системы ориентации спутника, разработанной в АО «НИИЭМ». В таком положении излучение вертикального ШАЛ максимально концентрируется зеркалом так, что размер фокусного пятна определяется качеством изготовления зеркала-концентратора и угловым отклонением направления ШАЛ от оптической оси. С увеличением зенитного угла сигнал ШАЛ начинает переходить из ячейки в ячейку и в фотоприёмнике регистрируется пространственно-временная картина движения диска частиц ШАЛ — его трек.
Фотоприёмник представляет собой матрицу из 16 x 16 = 256 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Перед каждым ФЭУ находится светофильтр, пропускающий ультрафиолетовое излучение в диапазоне 240—400 нм. На входе каждой ячейки расположен световод, который собирает свет с квадратного входного окна ячейки (15 x 15 мм) на круглый фотокатод ФЭУ (диаметром 13 мм), и бленда для защиты от боковой засветки. В ячейки записываются цифровые данные событий, отобранных триггером детектора (электронной системой отбора). Основной режим работы детектора — регистрация треков ШАЛ, генерируемых частицей космических лучей ультравысоких энергий. В этом режиме данные ячеек записываются как осциллограммы с длиной развёртки 256 шагов по 0,8 микросекунды.
Поле зрения одной ячейки детектора равно 0,01 рад, что при высоте орбиты 500 км соответствует наблюдению в атмосфере квадрата 5 x 5 км. Такое сравнительно грубое разрешение должно быть улучшено на порядок при создании полномасштабных детекторов космических лучей ультравысокой энергии, поскольку размер диска ШАЛ — источника флуоресцентного излучения составляет 0,2—1 км. Полученное качество зеркала позволяет проводить первые измерения треков ШАЛ, однако очевидна необходимость применения многокомпонентной оптической системы для расширения поля зрения детектора до ±30о.
Для изучения физики космических лучей ультравысоких энергий с помощью орбитального детектора была создана международная коллаборация Lomonosov-UHECR/TLE. В неё вошли Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского государственного университета (НИИЯФ МГУ), международный Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ) и университеты Республики Корея и Мексики.
Первые события в области ультравысоких энергий, зарегистрированные детектором ТУС
Спутник «Ломоносов» с детектором ТУС запущен 28 апреля 2016 года с космодрома «Восточный» на солнечно-синхронную орбиту с высотой 500 км и с наклонением 97,3о. В ходе работы на орбите стало ясно, что большинство осциллограмм отобранных детектором событий (примерно в 80% случаев) похожи на шум от сравнительно слабого свечения ночной атмосферы. К этому шуму добавляются вспышки в районах грозовой активности длительностью 1—1000 миллисекунд.
Отдельную группу среди шумоподобных событий составляют случаи неравномерной засветки фокальной плоскости, в которых значительная часть смежных ячеек (до половины) освещена в существенно большей степени, чем другая (рис. 3, слева). Такие события регистрируются в периоды полнолуния и вызваны боковой засветкой прибора светом Луны. Более интересны события, в которых освещена небольшая компактная группа ячеек (рис. 3, справа). Анализ географического положения этих событий показал, что в большинстве случаев их причина — антропогенные источники света: населённые пункты, аэропорты, морские платформы по добыче газа или нефти. Можно предположить, что сигнал создают светодиодные или ксеноновые лампы, часть излучения которых попадает в УФ-диапазон. В безлунные ночи ТУС, как правило, регистрирует несколько таких событий на каждой орбите.
Отбор ШАЛ, генерированных космическими лучами самых высоких энергий, производит электронный триггер. Он учитывает основные черты флуоресцентного трека, создаваемого в атмосфере заряженными частицами диска ШАЛ. Сложность поиска полезных событий в том, что необходимо выделить слабый сигнал ШАЛ на изменяющемся фоне свечения атмосферы. На первом этапе триггер отбирает в ячейках детектора сигналы, превышающие пороговые значения за время 12 мкс — это минимальное время прохождения диска частиц ШАЛ через поле зрения ячейки. На втором этапе триггер рассматривает карту сработавших ячеек и выбирает события, в которых сигнал переходит из локальной группы ячеек в соседнюю группу («наклонные» ШАЛ) так, что общее число сработавших ячеек превышает пороговое число. Срабатывание группы ячеек вместо одной, ожидаемой при малом фокусном пятне детектора, связано с реально полученным качеством оптической системы и размером изображения. После формального отбора каждый такой «кандидат» подвергается всестороннему детальному анализу: рассматривается пространственно-временная динамика сигнала, метеорологические условия в районе наблюдения, исследуется наличие возможных антропогенных источников и т. д.
За время работы детектора ТУС, а это более года, было отобрано 13 кандидатов в события ШАЛ. Из них всем требованиям удовлетворяет лишь одно событие, зарегистрированное 3 октября 2016 года в безлунную ночь. По предварительным оценкам, это событие вызвано прохождением ШАЛ от протона с энергией ≥1020 эВ. Активные каналы сгруппированы в вытянутое пятно на краю фотоприёмника (рис. 4). Видно, что происходит последовательное перемещение максимума сигнала от ячейки к ячейке, это позволяет определить направление прихода частицы (зенитный и азимутальный углы).
При регистрации этого события не было замечено ни одной молнии в радиусе 930 км в течение 10 с до и после момента записи события. Отсутствие грозовой активности — дополнительный аргумент в пользу рассмотрения выбранного события как события ШАЛ.
Другие события, отобранные триггером ШАЛ
Интересную группу событий, составляющих в среднем около 10% от полного набора данных, представляют интенсивные вспышки, достигающие своего максимума в течение одного шага развёртки осциллографа (то есть не более чем за 0,8 мкс) в группе смежных ячеек. Такие события получили название мгновенных трекоподобных вспышек (рис. 5). Моделирование показало, что их источниками могут быть космические протоны с энергиями в диапазоне 0,1—10 ГэВ, проходящие через стеклянные УФ-фильтры, которыми закрыты фотоэлектронные умножители фотодетектора. Эти протоны вызывают флуоресценцию в стекле.
Другие события, отобранные триггером ШАЛ, как правило, представляют собой транзиентные (кратковременные) атмосферные явления грозовой природы. Эти события — предмет отдельного исследования, не связанного с физикой космических лучей.
Детектор ТУС обладает высоким временны`м разрешением при огромной апертуре приёма фотонов. Это позволяет получать новые сведения о пространственно-временной динамике молний и транзиентных атмосферных явлений, исследовать географическое распределение явлений разного типа и произвести поиск вне грозовых атмосферных вспышек ультрафиолета. Самые короткие по времени типы таких явлений называют «эльв» (от английского ELVE, Emission of Light and Very-low frequency perturbation from an Electromagnetic pulse sources). «Эльв» выглядит как расширяющееся светящееся кольцо, распространяющееся в ионосфере на высоте 90—100 км. Радиус «эльва» может достигать 300 км, а длительность — примерно 1 мс. Примеры регистрации «эльва» — на рис. 6 и 7.
Планы по исследованию космических лучей ультравысоких энергий с борта спутника
Ультрафиолетовая установка ТУС на борту спутника «Ломоносов» — лишь первая попытка регистрации космических лучей ультравысоких энергий с орбиты Земли по флуоресцентному треку ШАЛ в атмосфере. Первые измерения показали как работоспособность данного метода, так и очевидные проблемы: высокую долю грозовых явлений, необходимость большей защиты от боковых засветок (в частности, от света Луны), влияние радиационной обстановки.
Опыт работы космического детектора ТУС будет учтён при создании орбитальных детекторов космических лучей ультравысоких энергий следующего поколения. В планах — создание детектора «КЛПВЭ» (космические лучи предельно высоких энергий) для российского сегмента МКС. Новый детектор позволит регистрировать в год более сотни событий космических лучей с пороговой энергией около 1020 эВ, причём с равномерной экспозицией по всей небесной сфере, что принципиально недостижимо для наземных детекторов.
Авторы благодарны всем участникам работы по проекту Lomonosov-UHECR/TLE (список участников см. сайт http://uhecr.sinp.msu.ru/ru/tus.html), внёсшим на разных этапах существенный вклад в получение результатов «космического эксперимента» по поиску событий ШАЛ ультравысоких энергий.
«Наука и жизнь» о космических лучах:
Алиханов А. Космические лучи. — 1945, № 7, 8—9.
Фрадкин М. Происхождение космических лучей. — 1954, № 6.
Гинзбург В. Новое в астрофизике космических лучей. — 1964, № 1.
Дорман Л. Вариации космических лучей. — 1965, № 2.
Зацепин Г. Что такое космические лучи? — 1987, № 1.
Гинзбург В. Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас, на пороге XXI века, особенно важными и интересными? — 1999, № 12.
Петрукович А., Зелёный Л. У природы есть и космическая погода. — 2001, № 10.
Хренов Б. Космические лучи самых высоких энергий. Есть ли энергетический предел для частиц, приходящих из космоса к Земле? — 2008, № 10.
Гуськов А., Жемчугов А., Шелков Г. Ливни знаний. — 2013, № 4.
Понятов А. «ПАМЕЛА» — охотница за космическими лучами. — 2017, № 7.
Комментарии к статье
* Ультрафиолетовый телескоп на борту спутника «Ломоносов» создан в рамках Федеральной космической программы РФ по развитию фундаментальных астрофизических исследований и Программы развития Московского университета. Головная организация по проведению исследований космических лучей самых высоких энергий — Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
