Эксперимент EUSO-SPB

На фото — запущенный 24 апреля стратостат размером с футбольное поле, несущий уникальный телескоп EUSO-SPB (Extreme Universe Space Observatory on a Super Pressure Balloon — Космическая обсерватория экстремальной Вселенной на аэростате со сверхвысоким давлением), предназначенный для изучения космических лучей. Телескоп будет улавливать флюоресцентное свечение, которое порождают космические лучи ультравысоких энергий, влетая в атмосферу Земли. Фактически в этом эксперименте сама атмосфера используется в роли детектора частиц.

Космические лучи — это частицы и ядра атомов, которые летают в космосе и время от времени попадают в Землю. В зависимости от энергии они имеют разное происхождение: космические лучи с энергией не выше нескольких ГэВ (10⁹ эВ) происходят в основном из Солнца. Количество космических лучей падает примерно экспоненциально с энергией. Космические лучи с энергией примерно до 10¹⁸ эВ происходят из нашей собственной Галактики. Источниками таких лучей являются остатки от взрывов сверхновых. А лучи с энергиями более 10¹⁸ эВ классифицируются как лучи ультравысоких энергий (Ultra-high-energy cosmic rays). Их происхождение является одной из самых интригующих загадок Вселенной. В каких невероятно мощных процессах они получают свою энергию? Каков механизм их разгона? Как они соотносятся с космическими лучами более низких энергий?

Зависимость потока космических лучей от их энергии. Желтая область обозначает космические лучи, приходящие в основном от Солнца, голубая и фиолетовая — от различных источников внутри нашей Галактики. При энергиях выше 10¹⁸ эВ космические лучи классифицируются, как лучи ультравысоких энергий (на рисунке отдельным цветом не обозначены). Считается, что они рождаются за пределами Млечного Пути. Видно, что количество космических лучей падает примерно экспоненциально с энергией. График с сайта en.wikipedia.org

Считается, что космические лучи ультравысоких энергий возникают за пределами нашей Галактики. Дело в том, что частицы ускоряются магнитными полями, и для того, чтобы частица набрала такую колоссальную энергию, поля должны быть мощнейшими. Сейчас есть две гипотезы о том, какие поля могут разгонять частицы до ультравысоких энергий: это либо магнитные поля больших объектов (крупнейших галактик и скоплений галактик), либо магнитные поля компактных объектов (нейтронных звезд, квазаров и др.). Если верна гипотеза больших источников, то наша Галактика не может быть таким источником — слишком маленькая. Если же верна гипотеза компактных источников, а в нашей Галактике был хотя бы один такой, то распределение направлений прилета космических лучей указывало бы на этот источник, то есть не было бы неоднородным. Но оно однородное. Так и так выходит, что источник космических лучей ультравысоких энергий находится вне нашей Галактики.

Но чтобы понять, что же все-таки может так сильно ускорять частицы и ядра, необходимо существенное увеличение статистики наблюдений, собрать которую не так просто: космические лучи ультравысоких энергий долетают до Земли крайне редко. Ожидаемая частота событий с энергией 10²⁰ эВ — всего 1 частица на квадратный километр в столетие, поэтому обсерватория космических лучей должна обозревать сразу огромную площадь. Это можно делать либо с земли, но тогда обсерватория сама должна иметь гигантскую площадь (например, у обсерватории им. Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) площадь 3000 км²), либо с большой высоты — из стратосферы или с орбиты, — обозревая сразу большую часть атмосферы. Достоинство наземного метода изучения состоит в том, что можно построить много детекторов разного типа: черенковские, мюонные, флюоресцентные, радио (см. Cosmic-ray observatory). А при наблюдении из стратосферы или с орбиты приходится ограничиваться только флюоресцентными детекторами, но зато гораздо легче охватить большую площадь.

Проходя через атмосферу, высокоэнергетичная частица взаимодействует с молекулами в воздухе и рождает поток вторичных частиц, которые, будучи все еще очень энергичными, рождают частицы следующего поколения, — так образуется ливень частиц. Он вызывает возбуждение молекул воздуха, в частности молекул азота, которые при переходе в основное состояние испускают свечение. Это свечение может быть зарегистрировано чувствительными флюоресцентными детекторами. По интенсивности свечения и ширине ливня можно судить об энергии первичной частицы. А по ориентации ливня — о том, откуда она прилетела.

Внешний вид будущего эксперимента JEM-EUSO, который планируют установить на МКС в этом году. Рисунок с сайта jem-euso.uchicago.edu

Эксперимент EUSO-SPB — это часть проекта JEM-EUSO, орбитальной космической обсерватории космических лучей ультравысоких энергий, которая, как планируется, будет установлена на Международной космической станции в этом году. Эксперимент EUSO-SPB является её, как говорят на Западе, «следопытом» (pathfinder), то есть вспомогательным экспериментом, главной задачей которого является проверка технической выполнимости главного эксперимента. В случае с экспериментами в космосе, для которых установка оборудования всегда сопряжена с намного большими трудностями, чем для наземных, такие перепроверки необходимы.

EUSO-SPB использует аэростат со сверхвысоким давлением (superpressure balloon), чтобы доставить аппаратуру на высоту 38 км. Запуск осуществлен из местечка Уанака (Wanaka) в Новой Зеландии. Теперь шар «отдан на волю ветров», которые в стратосфере вокруг полюса образуют устойчивый завиток, так что стратостат, отпущенный из Новой Зеландии, полетит все время на восток и сделает полный круг вокруг Антарктиды. Отметим, что запуск первоначально был назначен на 25 марта, но произошел только спустя месяц, в понедельник 24 апреля. Все это время над Новой Зеландией находился «карман» очень медленных стратосферных ветров, дующих в самых разных направлениях, в которых шар скорее всего застрял бы и не смог бы выбраться. Для запуска шара необходимо совпадение благоприятных условий как в нижней атмосфере, так и в верхней, так что откладывание назначенной даты запуска для стратостатов — обычное дело.

Красным показан путь, который шар EUSO-SPB успел проделать за два дня полета. Далее шар должен лететь по практически круговой траектории вокруг Антарктиды, пролететь над южной оконечностью Южной Америки и приземлиться в Австралии. Изображение с сайта csbf.nasa.gov

По ночам, когда дневной свет не мешает наблюдать слабое флюоресцентное свечение, с помощью высокочувствительной камеры будет исследоваться атмосфера Земли. Ожидается, что полное время наблюдений составит 118 часов. Инструмент включает полную копию модуля регистрации фотонов JEM-EUSO с 2304 высокочувствительными детекторами (как матрица в цифровом фотоаппарате с 2,3 килопикселями) и тремя линзами Френеля со стороной 1 м. Угол обзора составляет ±6 градусов, что в пересчете на площадь составляет 50 км². Так как азот флюоресцирует в ультрафиолетовом свете, пропускающая полоса фильтра настроена на длины волн от 290 до 430 нм. Данные будут сниматься с частотой 400 кГц. Гондола также оборудована плавучими средствами на случай, если придется садиться на воду.

Слева — гондола EUSO-SPB. Свет проходит через окно внизу гондолы. Справа — линза Френеля для EUSO-SPB. Фото с сайта eusospb.uchicago.edu

Калибровка инструмента будет проводиться с помощью лазера с вертолета, который будет лететь под шаром на высоте около 3 км. Лазер направляется горизонтально и возбуждает флюоресцентное свечение воздуха, аналогичное свечению от космических лучей, что позволяет провести калибровку аппаратуры в контролируемых условиях (схему можно посмотреть здесь).

Цели эксперимента EUSO-SPB следующие:
    1) провести полное тестирование основных подсистем эксперимента JEM-EUSO,
    2) измерить эффективный ультрафиолетовый фон атмосферы,
    3) впервые провести измерение ливней космических лучей ультравысоких энергий из околокосмической зоны.

Последнее является основной вехой, на которую будут опираться все будущие космические обсерватории космических лучей ультравысоких энергий.

На фото — кадр из видео старта эксперимента.

Михаил Столповский