Как подводный телескоп в Байкале помогает изучать далёкий космос

В нескольких километрах от берега Байкала, на глубине в сотни метров, висят длинные тросы со стеклянными шарами. В каждом шаре находится чувствительный прибор, способный заметить очень слабую вспышку света. Вместе они образуют Baikal-GVD — телескоп, с помощью которого исследуют процессы в далёком космосе.

Звёздный свет на такую глубину не проходит, но этому телескопу он и не нужен. Установка ищет следы нейтрино — частиц, которые могут прилетать к Земле из областей космоса, где идут процессы с огромным выделением энергии. При взаимодействии нейтрино с веществом могут рождаться другие частицы, оставляющие в воде световой след. Именно этот свет и улавливают датчики.

Что подводный телескоп видит в темноте

Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Большинство нейтрино проходит через вещество без столкновений, которые могли бы заметить приборы. Чтобы всё-таки зарегистрировать отдельные события, исследователям нужен большой объём вещества, в котором есть шанс такого взаимодействия. Большая глубина Байкала позволяет распределить датчики по огромному объёму воды и регистрировать вспышки в нём.

Само нейтрино электрического заряда не имеет и черенковский свет не испускает. Но при его взаимодействии с веществом могут родиться быстрые заряженные частицы. Проходя через воду, они создают излучение, которое и регистрируют оптические модули телескопа.

Такое свечение возникает, когда заряженная частица движется быстрее, чем распространяется свет в воде. Запрет на превышение скорости света в вакууме здесь не нарушается: в воде свет идёт медленнее. Этот эффект называется излучением Вавилова — Черенкова, и он позволяет обнаружить частицу, которую невозможно увидеть обычной камерой.

Одни взаимодействия оставляют протяжённый след, другие создают более компактный каскад вторичных частиц. Модули записывают, когда и сколько света до них дошло. По сочетанию сигналов исследователи восстанавливают положение события, оценивают энергию и направление прилёта нейтрино.

Однако далеко не каждый сигнал связан с нейтрино из далёкого космоса. В приборы попадает и фоновый свет, а заряженные частицы могут приходить сверху из атмосферы. Нейтрино тоже рождаются не только у удалённых космических объектов. Поэтому события отбирают и сравнивают по форме, направлению и энергии, отделяя интересующий сигнал от гораздо более частых помех.

Почему для наблюдений выбрали Байкал

Вода нужна и для взаимодействия частиц, и для передачи возникшего света к датчикам. Поэтому важна не только глубина озера, но и прозрачность: если вода поглотит или сильно рассеет свет, определить, что произошло, будет труднее.

Глубина помогает уменьшить влияние внешнего света и потоков частиц, приходящих из атмосферы. Часть помех остаётся и на глубине, поэтому их приходится учитывать при обработке данных. Датчики размещают далеко друг от друга, чтобы наблюдать за большим участком воды, а её прозрачность позволяет им замечать свет от одного и того же события.

В выбранном месте озеро достигает большой глубины уже сравнительно недалеко от берега. На берегу можно разместить оборудование, подвести питание и организовать работу экспедиции. Кабели связывают подводную часть с береговой станцией: по ним подают электроэнергию, передают команды и получают данные.

Зимой оборудование собирают прямо на льду озера. Если лёд достаточно прочный, на нём размещают лебёдки и всё необходимое для работы монтажных бригад. Гирлянды можно опускать в намеченных точках через проруби, не удерживая судно над местом монтажа на волнах. Так проще монтировать гирлянды, расположенные на значительном расстоянии друг от друга.

Байкал не является единственным подходящим местом для нейтринной астрономии: подобные детекторы работают также в морской воде и в толще льда. Но здесь удачно сочетаются глубина, оптические свойства воды, доступ с берега и возможность зимнего монтажа. Эти условия позволяют и проводить наблюдения, и постепенно добавлять новые гирлянды датчиков.

Как устроены подводные гирлянды

Основной элемент телескопа — оптический модуль. Его прочный прозрачный корпус состоит из двух стеклянных полусфер. Внутри размещены фотоумножитель, который превращает слабый свет в электрический сигнал, и необходимая электроника. Стеклянная оболочка пропускает свет и защищает приборы от воды и высокого давления.

Модули закреплены на длинных вертикальных тросах. В стандартной гирлянде Baikal-GVD их 36, с расстоянием около 15 метров между соседними датчиками. Они находятся на глубинах примерно от 700 до 1240 метров. Внизу трос удерживает якорь, а сверху его поддерживают поплавки.

Сами датчики не лежат на дне: там находятся только якоря. Поплавки натягивают тросы, и модули остаются подвешенными в толще воды. Восемь гирлянд объединяются в кластер — группу со своими средствами управления и передачи данных. Из таких групп и собирают большой телескоп.

Подводные тросы не остаются совершенно неподвижными. Течения немного меняют их положение, а для восстановления пути частицы нужно знать, где находился каждый датчик в момент вспышки. Поэтому положение модулей регулярно измеряют с помощью акустической системы.

Все модули должны точно измерять время прихода света. По разнице между этими моментами можно определить, где прошла частица и в каком направлении она двигалась. Сигналы получают временные метки, передаются по кабелям и объединяются при обработке. Отдельная вспышка в одном модуле даёт мало информации. Если свет зафиксировали сразу несколько модулей, их показания позволяют проверить, могло ли его вызвать прохождение частицы.

Как телескоп собирают со льда

Многие части установки готовят и проверяют ещё на берегу. Во время зимней экспедиции на льду разворачивают лагерь, доставляют оборудование к точкам монтажа и готовят проруби. Затем через них постепенно опускают якоря, тросы и оптические модули, следя за кабелями и соединениями.

Лёд облегчает работу, но не гарантирует одинаковых условий каждый год. Например, в начале экспедиции 2025 года он оказался тонким и сильно растрескавшимся. Тяжёлую колёсную технику на него не выпускали, оборудование приходилось доставлять другими способами, а часть планов по расширению установки перенесли. Поэтому состояние льда определяет и темп работ, и допустимую нагрузку.

После окончания зимнего монтажа телескоп продолжает наблюдения под водой. С береговой станции передают команды подводному оборудованию, следят за его состоянием и получают данные наблюдений. Во время следующих экспедиций доступные элементы обслуживают, ремонтируют или заменяют, а к уже работающей установке добавляют новые группы датчиков.

Такое устройство позволяет расширять телескоп постепенно. Не нужно ждать завершения всей стройки, чтобы начинать наблюдения: каждый кластер способен работать как самостоятельный детектор, а объединение данных увеличивает возможности установки. По мере добавления новых гирлянд исследователи регистрируют больше событий и могут увереннее искать в них следы далёких источников.

Байкальский телескоп не выдаёт привычные фотографии звёздного неба. Его результат — восстановленные направления и энергии частиц, которые сравнивают с наблюдениями других астрономических приборов. Глубокая прозрачная вода позволяет регистрировать редкие взаимодействия нейтрино на огромном пространстве. Поэтому для такого телескопа Байкал оказался подходящей площадкой: часть его измерительной системы составляет само озеро.