Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия

Одно из прозвищ Фрэнсиса Халзена – «самое быстрое перо на Западе». Впервые он погрузился в область нейтринной астрономии в свободное время в ходе своей поездки на Гавайи в 1980 году. Он предоставил теоретическую работу

на крупный симпозиум DUMAND

, организованный тем же летом Джоном Лёрндом в Гонолулу. В работе содержались расчеты количества и спектра энергии мюонов, которые данный инструмент мог найти в высокоэнергетических космических лучах.

В симпозиуме участвовали и другие теоретики, в том числе выдающиеся русские ученые. Одна из целей Лёрнда состояла в том, чтобы создать у профессионального сообщества заинтересованность, а теоретическая работа, опирающаяся на эксперимент, обычно в таких случаях помогает. Однако Джон думает, что Фрэнсис подержал DUMAND не только своей феноменологической работой, но и тем, что постоянно рассказывал о DUMAND в ходе своих многочисленных выступлений по всему миру. Это – важная форма научного «перекрестного опыления», поскольку в ходе таких путешествий все участники могут узнать что-то новое. Боб Морс говорит:

Фрэнсис наверняка пришел бы в бешенство, услышав эти мои слова, но ведь Фрэнсис – это наш новый Дейв Клайн. Дейв так же мотался туда и сюда, подлетал к каждому цветку, переносил с собой пыльцу, разбрасывал ее повсюду, а затем делился с нами новостями. Фрэнсис делает то же самое.

* * *

К сожалению, тонкие ростки сотрудничества, начавшие пробиваться в годы холодной войны, вскоре были грубо выдернуты из земли. В декабре 1979 года, менее чем за месяц до начала финансирования DUMAND, СССР вторгся в Афганистан, а после президентских выборов в США в ноябре 1980 года Джимми Картера сменил более воинственный Рональд Рейган. Артур Робертс рассказывает, что

разрыв связей с русскими был произведен элегантно и в хорошем стиле

. Нам конфиденциально сообщили, что мы, конечно, вольны выбирать себе партнеров, но при продолжении работы с советскими учеными может оказаться так, что для нас не найдется финансирования.

«Мы держали каналы открытыми и оставались друзьями, – добавляет Лёрнд, – однако больше не могли работать вместе». Возможно, для русских эта неприятность обернулась большим благом.

Глава 6

Наука в своем лучшем виде

Участники проекта DUMAND сразу начали мыслить масштабно (возможно, слишком масштабно). Изначальная концепция требовала создания массива детекторов объемом 1,6 кубических километра, расположенного в Тихом океане на глубине пяти километров, в 30 км от ближайшего берега. Он должен был состоять из 1200 с лишним «бисерных нитей», по 18 оптических детекторов на каждой, то есть всего более 23 000 детекторов. Каждая «бусина» представляла собой стеклянную сферу, способную выдерживать давление в 500 атмосфер. Внутри сферы располагался фотоэлемент и связанная с ним электроника. Стоимость одних лишь фотоэлементов достигала 70 миллионов долларов

. Нити должны были удерживаться у дна океана с помощью якорей и оставаться вытянутыми с помощью поплавков в их верхней части. В проекте планировалось использовать оптико-волоконные кабели для передачи электрических сигналов на берег, хотя на тот момент необходимая технология еще не была изобретена. Артур Робертс отмечает, что «океанографы были просто поражены – этот проект был в сотни раз масштабнее любого другого мирного океанского проекта»

.

В конце концов участникам DUMAND так и не удалось закрепить хотя бы одну функционирующую нить на дне океана. Первая была утеряна в 1982 году, когда при погружении в воду не выдержал кабель, на котором держались детекторы (несмотря на то, что он был рассчитан на в 20 раз бОльшую нагрузку). Причиной аварии стала так называемая нагрузка рывком (snap loading): если троc с детекторами уже находится на определенной глубине и в этот момент судно-кабелеукладчик вдруг резко поднимается на волне, трос не успевает подняться за ним, поскольку сферы оптических модулей испытывают сильное сопротивление воды – примерно так же, как обычный якорь

. Вторую нить потеряли в 1985 году, «когда не сработали взрывающиеся болты, которые должны были освободить ее в конце запланированного срока пребывания на дне океана»

.

Столкнувшись с реалиями глубоководной гидроинженерии и резким ростом издержек, изначально запланированный рабочий объем проекта начал быстро уменьшаться (одна из глав истории проекта, написанной Робертсом, называется «Невероятно усыхающий массив»). Исследователи разработали запасные концепции меньшего размера – MICRO, MINI и MIDI DUMAND, самая маленькая из этих конструкций состояла всего из 19 нитей.

Министерство энергетики с присущей ему мудростью профинансировало лишь одно технико-экономическое исследование по проекту. В 1982 году министерство отвергло предложение строить массив из 36 нитей и рекомендовало вместо этого обойтись лишь одной нитью, которая к тому же должна была просто свешиваться с палубы корабля, а не стоять на якоре на дне океана. Через семь лет после старта проекта, в 1987 году, наконец удалось установить так называемую короткую нить-прототип

, состоявшую всего из семи оптических модулей, и начать эксперимент, по сути дела, бывший более раскрученной версией экспериментов, которые Лёрнд проводил для своей диссертации еще 20 лет назад. В результате было собрано 38 часов данных, полученных на пяти разных глубинах, от 2 до 4 км, и демонстрировавших зависимость интенсивности направленных вниз атмосферных мюонов от глубины

. Также получилось создать примерный профиль углового распределения мюонов. Министерство энергетики посчитало это достаточным успехом для того, чтобы профинансировать в 1989 году создание массива из девяти нитей (этот проект назывался DUMAND-II).

Тем временем русским удалось добиться значительного прогресса. Примерно в то же самое время, когда в США обсуждался вопрос финансирования DUMAND, Академия наук СССР организовала для нужд байкальского проекта специальную лабораторию в московском Институте ядерных исследований и назначила ее руководителем Григория Домогацкого – того самого теоретика, что в ночи выдавал советские рубли американским хиппи.

И сам Домогацкий, и его ведущий экспериментатор Леонид Безруков предпочитали консервативный подход во всем, начиная с выбора площадки. В их распоряжении были меньшие глубины, примерно километровые, и они предпочли расположить площадку лишь в 3,5 км от берега – примерно одна десятая соответствующей дистанции у DUMAND. На такой малой глубине направленные вниз мюоны буквально кишели, зато сравнительно небольшой масштаб делал проект более управляемым. Кроме того (что оказалось критически важным впоследствии), в течение тех месяцев, когда Байкал был скован льдом, ученые могли не только ходить по своей экспериментальной площадке, но и перевозить по ней тяжелое оборудование.

Наука в России и до сих пор считается достаточно почетным занятием, и байкальский эксперимент в то время был одним из самых важных в области физики. Полевая штаб-квартира проекта до сих пор располагается на заброшенной железнодорожной станции на одной из тупиковых веток Транссибирской магистрали.

В этих местах нет автомобильных дорог. Летом сюда можно добраться лишь на поезде или на лодке. Зимой, когда Байкал замерзает, к станции можно проехать по льду озера из города Листвянка, расположенного на северном берегу Ангары примерно в 50 км к северо-востоку. До 1997 года, когда немецкие участники проекта установили на станции спутниковое оборудование, там не было интернета – единственной связью с внешним миром оставалась старомодная телефонная линия, протянутая вдоль железнодорожной колеи еще в 1930-е годы.

Исследователи живут в небольших деревянных домиках с дровяными печами (чаще всего используются березовые дрова). Водопровода в домиках нет. На станции имеется сауна с ручным водяным насосом, она также отапливается дровами, и каждую субботу обитатели станции моются здесь в несколько смен, поливая водой раскаленные камни в парилке и расслабляясь в клубах пара. Часто по вечерам слышны песни под гитару, и если еда в целом не заслуживает особых похвал, то каждое утро на станции пекут вкуснейший свежий хлеб.

Обслуживание датчиков происходит в марте и начале апреля, когда лед на озере достигает максимальной толщины. Во льду бурят отверстия, а затем ученые вытягивают через них нити со дна озера для ремонта, проверяют их, закрепляют новое оборудование, а затем телескоп вновь погружается на глубину. На последнем этапе ученые связывают вместе кабели, которые использовались для погружения нити, прикрепляют к ним поплавок и опускают под лед. В теплые месяцы поплавок с кабелями будет свободно висеть под поверхностью воды, пока телескоп собирает данные (эти данные затем передаются на берег с помощью кабеля, проложенного по дну озера). Перед началом очередной сезонной проверки водолазы в гидрокостюмах сухого типа опускаются в прорубь и прицепляют к поплавку специальный линь, с помощью которого поплавок вытянут на поверхность.

Каждую весну ученые отмечают выпуск поплавка в ходе церемонии, чем-то похожей на традиционные русские похороны. Один человек стоит на льду рядом с прорубью для установки нити, держа в руках бутылку водки и небольшой стеклянный стаканчик, а остальные по очереди проходят мимо него. Каждому наполняют стакан, он выплескивает несколько капель в прорубь – это дань Бурхану, богу Байкала, – а затем выпивает остаток водки. За этой церемонией следуют баня и вечеринка. (Как-то я спросил у Ральфа Вишневски, одного из немецких участников проекта, окунаются ли они в озеро перед баней? «Некоторые окунаются, да, – ответил Ральф. – Но только нечаянно».)

Как-то раз Кристиан Шпиринг показал мне несколько фотографий с одной из этих церемоний закрытия сезона. На одной из них несколько совершенно голых ученых купаются в сугробах возле бани. На других фото они же стоят на льду на фоне бурых, покрытых лесом сопок, в окружении тяжелой техники и огромных мотков кабеля, или лежат на животах вокруг проруби и смотрят в черную воду сквозь самодельные, неуклюжие водолазные маски. Вот ученые в бесформенной зимней одежде и типичных русских шапках-ушанках с загнутым вверх козырьком и опущенными длинными ушами возятся с электроникой или колдуют над компьютерами внутри каких-то ящиков, напоминающих хижины, которые строят для себя любители подледного лова. На одной фотографии Григорий Домогацкий пристально смотрит в камеру из-под ушанки. Он кажется строгим и собранным даже в мешковатой зимней одежде. Его глаза светятся умом, а из уголка рта торчит папироса.