Глобальное потепление или все-таки похолодание? Как влияет космическая пыль на нашу жизнь? Почему во время грозы происходят молниевые разряды? Что общего между этими вопросами? Ответы на них ищет небольшая научная станция, расположенная в подмосковном Долгопрудном. А недавно она приступила к поиску следов темной материи, приняв участие в международном эксперименте ПАМЕЛА.
— Долгопрудненская научная станция Физического института РАН (ФИАН) была организована в 1946 году по распоряжению Сталина, — рассказывает главный научный сотрудник ФИАН профессор Юрий Стожков. — В распоряжении была всего одна строчка: “Организовать в городе Долгопрудном научную станцию Физического института”. И этого было достаточно, чтобы все было сделано очень быстро. В то время Советский Союз создавал свой ядерный щит, и станция должна была принять в этом участие. Возглавил ее будущий академик Сергей Николаевич Вернов. Им же была поставлена основная научная задача — исследование космических лучей в широком диапазоне энергий. И вот уже более 60 лет мы занимается этими исследованиями, используя шары-зонды. Раньше они запускались ежедневно под Мурманском, в Антарктиде, под Москвой, под Алма-Атой. Сейчас из-за ограниченного финансирования зонды запускаются три раза в неделю и только в трех пунктах: в Антарктиде (обсерватория Мирный), в Долгопрудном и под Мурманском.
Зонды измеряют потоки заряженных частиц на разных высотах в атмосфере от уровня Земли до 30-35 км. Эти частицы образуются под действием первичных космических лучей, приходящих к нам из глубин космоса. Если в атмосфере имеются радиоактивные облака, они также регистрируются в наших экспериментах. К счастью, после того, как был введен мораторий на испытание атомного оружия, радиоактивные облака наблюдаются крайне редко.
Поток космических лучей не постоянен, он изменяется вместе с солнечной активностью, и мы изучаем механизмы этих изменений. Поэтому другое наше направление — исследование солнечной активности и ее прогноз на ближайшие десятилетия. Мы предсказываем низкую солнечную активность в течение двух-трех 11-летних солнечных циклов. Подобная низкая солнечная активность наблюдалась 200 лет назад, в период глубокого минимума Дальтона. До настоящего времени наш прогноз оправдывается вполне удовлетворительно. При низкой солнечной активности ожидаются высокие потоки космических лучей.
Космические лучи — главный источник электрических зарядов в земной атмосфере. Поэтому все электрические явления и вся наука об атмосферном электричестве связаны с этими лучами. Если бы их не было, то не было бы зарядов в атмосфере, не было бы ни грозовых облаков, ни молниевых разрядов.
— Разве?
— А как вы думаете? Создать разряд (пробой) в атмосфере может электрическое поле напряженностью 25-30 киловольт на один сантиметр. Таких сильных полей в атмосфере не бывает. Они обычно в десятки раз меньше.
Что такое грозовая туча? Это облако водяного пара, у которого заряды одного знака (отрицательные) находятся внизу, а другого (положительные) — в верхней части. Обладающие большой энергией частицы космических лучей все время бомбардируют нашу атмосферу (в том числе и облака), образуя в ней широкие атмосферные ливни вторичных заряженных частиц. Те, в свою очередь, создают ионизованные следы, часть которых доходит до поверхности Земли. Если ливень проходит через грозовое облако, то по одному из таких следов и происходят молниевые разряды.
— Как-то можно это проверить? То, что именно космические лучи причастны к появлению молний.
— Да. Совсем недавно мои коллеги, работающие на Тянь-Шанской высокогорной научной станции ФИАН, обнаружили всплески нейтронов во время прохождения молниевых разрядов. А потоки нейтронов могут образовываться только под действием высокоэнергичных космических лучей, то есть они содержатся в самом широком атмосферном ливне. Статья об этом уже опубликована в авторитетном американском журнале Physical Review Letters. Стоит отметить, что несколько лет назад нейтроны во время молниевых разрядов были зарегистрированы сотрудником Института ядерных исследований РАН доктором физико-математических наук Юрием Стенькиным.
Вопрос о роли космических лучей в атмосферных процессах настолько важен, что в последние несколько лет в ЦЕРН выполняется крупный международный эксперимент CLOUD, в котором участвуют сотрудники Долгопрудненской научной станции. Создана специальная большая камера объемом 26 кубических метров, в которой можно имитировать любые атмосферные условия по давлению, влажности, температуре и т.д. и поддерживать их с высокой точностью. От церновского ускорителя в камеру направляется поток заряженных частиц, где создаются положительно и отрицательно заряженные ионы. Мы изучаем, как электрический заряд влияет на образование и рост водных капель, из которых состоят облака.
Вот, скажем, простой, но важный вопрос. Есть два центра конденсации — с положительным и отрицательным электрическими зарядами. Где будет быстрее расти капля? Мы полагаем, что на отрицательно заряженном центре. Это следствие того, что при образовании грозовой тучи (как уже говорилось) ее нижний слой заряжен отрицательно, а верхний — положительно. Такое разделение зарядов и определяет в общих чертах динамику грозовых явлений. Эксперимент CLOUD даст окончательный ответ на поставленный вопрос.
Долгопрудненская научная станция занимается также проблемой глобального потепления. Основываясь на наблюдениях и анализе данных, мы можем сказать, что глобальное потепление закончилось и наступает период похолодания. Причем эти температурные изменения вызваны не деятельностью человека, а космическими причинами. В пространстве между Солнцем и орбитой Марса существует огромное, но сильно разреженное облако пыли — зодиакальное пылевое облако. Наша планета движется сквозь него. Пылинки поступают в земную атмосферу и, будучи потенциальными центрами конденсации водяного пара, способствуют образованию облаков. Чем больше пыли, тем больше облачность и тем меньше солнечной энергии доходит до земной поверхности. В начале XXI столетия мы вступили в длительный период медленного похолодания, и ближе ко второй половине века средняя температура земной поверхности будет примерно такой же, как в 40-х годах прошлого века.
Мы также активно участвует в международном эксперименте ПАМЕЛА. Идея эксперимента принадлежит директору Института космофизики НИЯУ МИФИ профессору Аркадию Моисеевичу Гальперу, который сейчас является его руководителем с российской стороны.
В конце прошлого века институты и лаборатории, расположенные в разных странах, объединили свои усилия, чтобы создать уникальный космический прибор. В частности, ФИАН изготовил нейтронный детектор, позволяющий отделять электромагнитные каскады от ядерных. МИФИ разработал специальный сцинтилляционный детектор для измерения “хвостов” каскадов, образованных в калориметре. Итальянские ученые изготовили трекер и калориметр, немецкие — специальный магнит и т.д. Летом 2006 года российский космический аппарат “Ресурс-ДК1” с прибором ПАМЕЛА (на снимке) был выведен на околоземную орбиту российской ракетой “Союз” с космодрома “Байконур”. Изначально эксперимент был рассчитан на три года, но благодаря полученным интересным результатам его работа продолжается до сих пор.
— Какие наиболее важные научные результаты эксперимента ПАМЕЛА?
— Основные его задачи — поиски антиматерии и частиц-кандидатов на роль темной материи, — вступает в разговор А.Гальпер. — Вещество нашей Галактики состоит из частиц — протонов, нейтронов и электронов. В космических лучах уже найдены антипротоны и позитроны. В эксперименте ПАМЕЛА мы измерили поток антипротонов и их спектр, то есть как они распределены по энергиям, и сравнили полученные результаты с теоретическими предсказаниями. Оказалось, что теория и эксперимент хорошо согласуются друг с другом, если все антипротоны образуются за счет взаимодействия космических частиц с межзвездным газом. Словом, никакого антивещества, связанного с антипротонами, в нашей Галактике мы не обнаружили.
Благодаря уникальным характеристикам прибора ПАМЕЛА, состоящего из комплекса детекторов, в частности детектора нейтронов, созданного сотрудниками Долгопрудненской научной станции, удается разделять каскады в калориметре, образованные электронами и позитронами, и каскады, созданные ядерно-активными частицами. Это позволяет отдельно исследовать поток и спектр электронов и позитронов в космических лучах. И здесь мы обнаружили нечто необычное.
Если, как мы считаем, наша Галактика состоит из вещества, то позитронов в космических лучах должно быть очень мало. Они образуются в основном при распаде положительных пи-мезонов, которые, в свою очередь, образуются при ядерных взаимодействиях космических лучей с межзвездным газом. В то время как электроны ускоряются в основном в астрофизических объектах. Согласно теоретическим расчетам, таких позитронов должно быть в десятки раз меньше, чем электронов. И чем выше энергия частиц, тем меньше должно быть позитронов. Но эксперимент ПАМЕЛА доказал, что это не так. Оказалось, что при высоких энергиях отношение позитронов к электронам увеличивается. Значит, должны быть дополнительные источники позитронов.
Как только эти данные были опубликованы, сразу же появилось множество теоретических работ, авторы которых стали пытаться объяснить такое аномальное явление с помощью темной материи.
— В чем особенность эксперимента ПАМЕЛА?
— Мы все вместе создали магнитный спектрометр — прибор, способный измерять импульс и заряд космических частиц. Это позволило сделать большой шаг вперед в экспериментальном исследовании характеристик космических лучей. У нас была задача — найти хоть какие-нибудь следы частиц темной материи. А как это сделать? Ведь темная материя проявляет себя только в гравитационном взаимодействии. Сейчас многие ученые склоняются к выводу, что частицы темной материи либо не стабильны, либо могут аннигилировать при взаимодействии со своими античастицами. При этом в обоих случаях должны появляться частицы обычной барионной материи — позитроны, возможно, и электроны, вклад от которых и проявляется в наблюдаемых энергетических спектрах космических лучей. Поиски этих следов ведутся уже давно. Но всем исследованиям не хватало точности и надежности. А эксперимент ПАМЕЛА совершенно четко показал, что при высоких энергиях отношение позитронов к электронам растет. Мы нашли то, что до нас безуспешно искали многие. Одним из возможных объяснений этого явления может быть аннигиляция или распад частиц темной материи.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фото Николая Степаненкова
Нет комментариев