Текст книги "Телескоп во льдах. Как на Южном полюсе рождалась новая астрономия"

До тех пор пока эта конференция не стала слишком популярной и не начала все больше посвящать себя темам за пределами нейтринной астрономии, она была одной из любимых конференций Фрэнсиса (а таких было совсем немного). Встречи проводились в венецианском Институте наук, литературы и искусства (Istituto Veneto di Scienze, Lettere ed Arti), в благородных залах XVI века, которые некогда почтил своим присутствием сам Галилей²⁸². Поначалу конференция была очень скромной, и попасть на нее можно было только по личному приглашению. Фрэнсис Халзен вспоминает:

В ходе первых наших встреч в Венеции мы собирались в одном из залов палаццо Лоредан, одном из зданий Академии. Все участники работали на нейтринных телескопах; мы собирались, чтобы обсудить работу и помочь друг другу – мы знали, что дело будет сложным… эти встречи были очень камерными, и я отлично помню этот зал заседаний. В нем стоял небольшой проектор для слайдов, во время перерывов транслировавший крошечную репродукцию «Мадонны с младенцем» Тинторетто.

Возможно, присутствие Миллы несколько сглаживало воинственность склонных к соперничеству ученых-мужчин. По словам Фрэнсиса, ее концепция конференции описывалась словами «помогая друг другу, мы все сможем преуспеть». К примеру, вспоминал он, на встрече в начале 1990-х, когда Фрэнсис уже начал работать в проекте AMANDA, он задал одному участнику DUMAND какой-то вопрос относительно компьютерных симуляций, которые те разрабатывали для своего прибора. В ответ собеседник просто выдал Фрэнсису соответствующую компьютерную программу целиком. С точки зрения Халзена, привыкшего к миру физики элементарных частиц, где принято грубо распихивать друг друга локтями, это был невероятно щедрый жест.

Ко времени первой венецианской встречи в 1988 году идея «DUMAND на льду» уже привлекла внимание Боба Марча. Вместе с Лёрндом и Халзеном он написал статью под названием «Обнаружение нейтрино в чистом полярном льде»²⁸³. Из приведенного ниже отрывка видно, что у Марча имелся и литературный дар:

Описанный в этой работе детектор можно, пожалуй, назвать DUMAND на твердой почве… Необходимо, впрочем, отметить, что для успешной работы этого детектора необходимо выполнение трех условий вне нашего контроля:

– примерно в километре от поверхности должен иметься массив чистого льда площадью не менее нескольких десятков тысяч квадратных метров и толщиной в несколько сотен метров;

– параметры передачи света во льду в черенковском [голубом] диапазоне должны быть сопоставимы с параметрами чистой воды, с длиной ослабления (поглощение и рассеяние), равной десяткам метров;

– ледяной массив должен располагаться неподалеку от уже имеющейся постоянно действующей исследовательской станции, чтобы расходы на строительство, текущую работу и снабжение базы оставались в допустимых пределах… Это третье условие фактически ограничивает перечень возможных площадок американской антарктической станцией и советской станцией «Восток»…

Таким образом, для того чтобы идея этого детектора была успешно реализована, необходим целый ряд счастливых случайностей. Однако в случае успеха это обеспечит нам самый низкозатратный способ постройки большого нейтринного телескопа. Исследования на Южном полюсе могли бы начаться уже через несколько лет.

Фрэнсис по-настоящему увлекся проектом. Однако, поскольку Лёрнд был вынужден выйти из игры, Халзену нужно было найти другого напарника для экспериментальной части работы. Очевидным выбором мог бы стать Марч или один из его коллег по CCFMR, поэтому Фрэнсис время от времени спрашивал коллег не хотят ли они заняться чем-то более серьезным, чем написание очередной научной статьи? Через некоторое время, говорит он,

при каждом моем появлении на этаже, где работали экспериментаторы, все они тут же бежали в свои кабинеты и плотно закрывали за собой двери. Все они думали, что я свихнулся… все, за исключением Боба Морзе.

Боб идеально подходил для этой работы, причем по двум причинам. Для начала, он специализировался на запуске новых проектов. А кроме того, он одним из первых переметнулся от создания ускорителей к астрофизике частиц. По его собственным словам, примерно в то же время он присоединился к Дейву Клайну и Карло Руббиа, проводившим свой неудачный эксперимент HPW в Юте:

Джек Фрай и Уго Камерини убедили Дейва в том, что мы просто обязаны заняться астрономией гамма-лучей. И я подумал: «Отлично!» – и отправился на Гавайи, на гору Халеакала!

Меня часто упрекают в том, что я быстро теряю первоначальный энтузиазм; мне нравится затевать что-то новое, однако меня никогда нет рядом, чтобы помочь другим разобраться с деталями и завершением работы.

Но думаю, что это не вполне правильное обвинение. На самом деле мне нравится и планировать что-то новое, и создавать детальные схемы, и заниматься полевой работой. Как бы то ни было, Джек Фрай, как заправский рекламный агент, убедил нас, что где-то в небе могут быть звезды… отдающие высокоэнергетические импульсы (ключевое слово!) в виде гамма-лучей.

Телескоп для исследования гамма-излучения, установленный группой CCFMR на горе Халеакала, представлял собой первый эксперимент в области астрофизики частиц – в отличие от других, более традиционных телескопов на вершине этого трехкилометрового вулкана. К сожалению, связанная с ним идея не сработала, как и идея HPW. Камерини и Клайн довольно самонадеянно предполагали, что им удастся сорвать банк с помощью прежних методов работы на ускорителе и выявить то, что они сами считали периодическими импульсами гамма-лучей от источников, излучавших и другие периодические сигналы (например, рентгеновских пульсаров). Им казалось, что данные посыплются к ним потоком, словно монеты из игрального автомата. Примерно через десять лет, когда первые ученые действительно смогли найти первые высокоэнергетические гамма-лучи, исходившие из Крабовидной туманности²⁸⁴, они оказались совсем не периодическими. И лишь в 2008 году более чувствительному инструменту второго поколения наконец удалось уловить периодическое гамма-излучение от пульсара в центре туманности²⁸⁵. В итоге физики, изучающие частицы, получили урок в области астрономии, а не наоборот.

Однако одно побочное достоинство проекта на вулкане Халеакала состояло в том, что именно он привел Боба Морса на Южный полюс. Вместе со своими друзьями он быстро понял, что экватор – не лучшее место для поиска периодических сигналов, поскольку этому процессу мешают побочные эффекты: ежедневный цикл движения Солнца, а также движение тех самых звезд, за которыми они пытались наблюдать. Довольно сложно измерить один периодический сигнал, когда он накладывается на другой, и, соответственно, дневные циклы лишь увеличивали уровень шума.

На Южном полюсе в течение года можно наблюдать один очень долгий день. Солнце всходит и заходит в дни равноденствий, примерно 21 сентября и 21 марта, соответственно, в течение примерно шести месяцев оно располагается ниже линии горизонта и не мешает исследованиям. Звезды в южном небе также не поднимаются и не опускаются. Каждая из них описывает в небе круг, центр которого находится в зените; они видны всегда, хотя их сложнее увидеть летом, когда Солнце оказывается достаточно высоко. Таким образом, если вы настроите свой телескоп на отслеживание движения конкретной звезды, то сможете наблюдать за ней всю зиму, невзирая на облака, порывы снега и множество сияний в небе. Два основных препятствия из тех, что имелись на Халеакала, здесь просто отсутствовали.

Поэтому в какой-то момент в конце 1980-х Боб начал обсуждать со своим другом Джоном Линчем из NSF идею перенесения проекта Халеакала на полюс.

Мартин Померанц, недавно ушедший в отставку директор Бартольского института, к тому времени уже был известен как «отец астрономии на Южном полюсе». Он был первым человеком, занявшимся астрономией в этом регионе, и он активно продвигал идею уникальности полюса для определенных видов наблюдений.

Антарктида на Южном полюсе напоминает океан, за исключением того, что он белый и что вы можете по нему ходить. Поверхность льда расположена примерно на той же высоте, что и вершина горы Халеакала, около 2800 метров – именно такова в этом месте толщина Восточно-Антарктического ледникового щита. Всю зиму тут темно, на небе постоянно видны одни и те же звезды, а воздух, благодаря чрезвычайно низкой температуре, очень сухой. Все это делает регион прозрачным для инфракрасного света, поэтому полюс особенно хорошо подходит для изучения космического микроволнового шума. Также это прекрасное место для изучения космических лучей, поскольку заряженные частицы часто путешествуют по линиям магнитных полей, соответственно, притягиваются магнитным полем Земли к северному и южному магнитным полюсам. Авроры на юге и полярные сияния на севере – это всего лишь свет, порожденный космическими лучами, проникающими в атмосферу на полюсах.

В эпохальном 1987 году Померанц и забавный ученый-шотландец по имени Алан Уотсон (участник команды из Лидса, совершившей неверное и случайное «открытие» звезды Лебедь X‑3) установили на полюсе детектор космических лучей под названием SPASE (South Pole Air Shower Experiment). В этом эксперименте участвовал и коллега Померанца по Бартолу Том Гайссер, ранее работавший с Фрэнсисом Халзеном.

Боб Морс объясняет, как именно наука начинает в какой-то момент двигаться в новом направлении:

Вокруг вас постоянно кипит что-то новое на грани критической массы… Все участвуют во всем.

Он поговорил с Линчем о возможности реализации идеи Халеакала на полюсе; Померанц и Уотсон запустили проект SPASE; Джон Лёрнд присутствовал почти повсюду одновременно; Тревор Уикс, руководитель команды, которая позднее обнаружила гамма-лучи из Крабовидной туманности, был очень заинтересован в том, чтобы установить на полюсе телескоп, аналогичный тому, который уже работал в Аризоне; а Фрэнсис Халзен путешествовал по миру и всячески рекламировал идею «DUMAND на твердой почве».

Экономическая политика тоже развернулась в благоприятную для проекта сторону: в 1989 году, отчасти в ответ на экономическую угрозу со стороны нарастающего технологического превосходства Японии, Национальный научный фонд США начал финансировать так называемые научно-технологические центры (Science and Technology Centers), предназначенные для обмена передовым опытом в конкретных предметных областях. С научной точки зрения такой центр обычно находился под эгидой какого-нибудь университета, а Фонд инвестировал средства в инфраструктуру центра и в разработку в нем продвинутого оборудования, которое затем могли бы использовать команды исследователей по всей стране. Дополнительная выгода, как предполагалось, состояла в том, что все эти новые технологии смогут найти применение и в частном секторе.

В июне 1989 года Мартин Померанц провел в Бартоле конференцию, где поставил задачу как можно быстрее организовать в институте научно-технологический центр, который должен был получить название Исследовательский центр астрофизики Южного полюса (South Pole Astrophysics Research Center, SPARC)²⁸⁶. Хотя проект SPARC так никогда и не был реализован, сама эта конференция стала эпохальным событием. На ней присутствовали многие первопроходцы в области астрофизики частиц, в том числе Лёрнд, Уотсон, Уикс, работники института Том Гайссер и Тодор Станев и, конечно же, серьезный десант из Мэдисона. Морс представил свою идею «Халеакала на полюсе», а Фрэнсис Ханзел прочитал свою стандартную лекцию на тему нейтринной астрономии²⁸⁷. Ближе к концу выступления он предположил, что

полевые исследования смогут начаться сразу после того, как нам удастся изучить соответствующие оптические свойства глубинного антарктического льда. Невероятно увлекательно представлять себе антарктический ледяной массив в виде гигантского нейтринного телескопа, а весь земной шар – в виде вращающегося полосового фильтра²⁸⁸.

На этот раз пыльца упала на два очень восприимчивых цветка – двоих аспирантов из Беркли, которых звали Даг Лаудер и Энди Вестфал. Они приехали в Делавэр со своим наставником Бафордом Прайсом, руководителем кафедры физики в Беркли, чтобы рассказать о задуманном ими эксперименте с аэростатом, который они планировали провести через несколько месяцев, когда наступит антарктическое лето²⁸⁹.

Бафорд Прайс – обходительный южанин с необычайно обширным диапазоном интересов – и научных, и прочих. К примеру, он говорит по-русски. Он получил образование в области физики твердого тела и уже в самом начале своей карьеры изобрел несколько новых методов для фиксации следов продуктов ядерного распада в твердых материалах. Это привело его к исследованиям древних следов, оставляемых продуктами распада в природных материалах, таких как слюда, – и тем самым в область геофизики (следы в древних камнях выступают в роли своеобразных подписей для радиоактивных составляющих, которые сами уже давно распались). Он был избран в Национальную академию наук США еще в весьма юном возрасте и стал одним из немногих исследователей, кому были выданы образцы «лунной пыли», доставленные на Землю астронавтами программы «Аполлон». В рамках своего нового проекта он вместе с Лаудером и Вестфалом планировал отправить записывающее устройство в стеклянном корпусе в воздух над Антарктидой, чтобы изучить изотопный состав тяжелых, связанных с железом элементов в космических лучах. Это помогло бы ученым ответить на вопрос, являются ли сверхновые звезды (представляющие собой, по сути, взорвавшиеся железные шары) источником космических лучей, создаваемых в нашей галактике.

Неизвестно, удалось ли Лаудеру и Вестфалу пообщаться с Фрэнсисом после его выступления; он, во всяком случае, этого не помнит. В конечном счете он по-прежнему был всего лишь теоретиком. И он вскоре после лекции улетел из Делавэра в следующую точку своего сияющего пути.

Но сезонный цикл в Антарктике уже начал свою историю.

Американская станция «Амундсен-Скотт» на Южном полюсе (или, как называют ее местные, просто Pole, «Полюс») расположена примерно в 1400 км от ближайшей станции на побережье – Мак-Мердо, главной базы США на континенте. Самый быстрый и самый надежный способ добраться от Мак-Мердо до «Полюса» – на самолете.

Начиная с 1988 года воздушный мост Мак-Мердо – «Полюс» поддерживает 109-й авиаотряд Воздушной национальной гвардии Нью-Йорка, единственное подразделение ВВС США, в составе которого есть транспортные самолеты «Локхид LC‑130 Геркулес» – турбовинтовые машины, оборудованные уникальной комбинацией шасси и лыж, позволяющей им взлетать и садиться и на обычную взлетно-посадочную полосу, и на снег²⁹⁰.

Понятно, что для полетов на «Полюс» нужна хорошая погода – частенько рейсы «Геркулесов» совершаются «бумерангом», то есть им приходится разворачиваться в середине полета и лететь назад. Важное условие взлета состоит в том, что температура воздуха не должна быть ниже –50 °C ²⁹¹,¶ поскольку при более низкой температуре топливо превращается в желе, а жидкость в гидросистемах становится настолько вязкой, что все движущиеся элементы конструкции самолета просто перестают двигаться. Это ограничивает летнее рабочее время на полюсе примерно тремя с половиной месяцами – от конца октября или начала ноября до середины или конца февраля. Когда последний LC‑130 взлетает и делает прощальный круг над станцией, на ней остается лишь команда зимовщиков, готовых провести в полной изоляции следующие девять холодных, темных, но возвышенно красивых месяцев. Зимовщики поддерживают идущие на станции научные эксперименты, сохраняют станцию (и самих себя) в нормальном и работоспособном состоянии, а также развлекаются – однако они почти не работают ни над совершенствованием самой станции, ни над новыми экспериментами. Все это – и многое другое – делается во время короткого и беспокойного антарктического лета.

Лето в Антарктиде – это как зима в Висконсине. Насколько помнит Фрэнсис, в один прекрасный зимний день, примерно через шесть месяцев после конференции в Бартоле, он сидел у себя в кабинете, как вдруг ему позвонил

раздраженный программный менеджер из Национального научного фонда (NSF) и сказал, что двух парней из Беркли только что поймали за попыткой протащить в Антарктиду несколько фотоумножителей, чтобы заняться поисками мюонов в льду. Не я ли вбил им в головы эту безумную идею? Но я никогда прежде слыхом о них не слыхивал…²⁹²

Вы должны понять, я – теоретик; мою работу финансирует Министерство энергетики США, и я в жизни не разговаривал ни с одним человеком из NSF. И тут мне звонит этот парень, орет на меня, а затем говорит: «Вы вообще понимаете, что это такое – заниматься наукой в Антарктиде? Это вам не шуточки!» Помню, я подумал: «Это либо какой-то сумасшедший, либо он ошибся номером».

Конечно же, это были Лаудер и Вестфал. Их эксперимент с аэростатом был включен в рамки полевого исследования, которое проводил знаменитый гляциолог из Калифорнийского технологического института по имени Германн Энгельгардт. Они перемещались вдоль быстро двигавшегося ледяного потока на Восточно-Антарктическом ледяном щите и сверлили неглубокие отверстия, чтобы изучить это движение. Лаудер и Вестфал сами вызвались помочь с бурением, чтобы получить шанс провести свой эксперимент с аэростатом. А кроме того, они прихватили с собой простенький аппарат, построенный еще одним учеником Бафорда Прайса, Стивом Барвиком, в надежде провести одно из «полевых исследований», о которых рассказывал Фрэнсис в Бартоле. Они планировали опустить источник света в одно из отверстий, пробуренных для проекта Энгельгардта, затем опустить пару фотоумножителей во второе отверстие неподалеку, включить свет и измерить степень прозрачности льда. Они даже не знали, что нарушают какие-то правила, поскольку Энгельгардт сказал им, что в этом нет ничего страшного.

Сотрудник NSF все же поверил в то, что Фрэнсис не имел никакого представления об этом маленьком хулиганстве, а Фрэнсис убедил менеджера позволить этим шалунам еще немного повеселиться. По иронии судьбы, они так никогда и не провели этот эксперимент, поскольку бур Энгельгардта сломался до того, как им представилась такая возможность. В том сезоне Лаудеру и Вестфалу вообще не везло, поскольку их эксперимент с аэростатом также потерпел неудачу.

Случилось так, что тем же летом Боб Морс впервые приехал на «Полюс», чтобы установить там некое подобие телескопа Халеакала под названием GASP (Gamma-ray Astronomy at the South Pole). Для появившегося вскоре проекта AMANDA было довольно типично, что первая «предварительная встреча» его активных участников состоялась в самом популярном баре Антарктиды – Вилли Филд. Боб рассказывал:

Я познакомился с Дагом Лаудером, когда он выходил из мужского туалета в Вилли Филд на базе Мак-Мердо. Я представился… но он был не в лучшем настроении. Сказал мне, что больше не хочет оставаться в этом чертовом месте, что его эксперимент застрял на месте и что он напрасно тратит тут свое время.

Людей в таком настроении можно довольно часто встретить на Мак-Мердо, крупнейшей базе Антарктиды. Капризы воздушного сообщения на континенте порой заставляют вас застрять здесь на неделю на пути домой или к месту вашей работы. Кое-кто считает, что «Мактаун» – это вообще не Антарктида, поскольку, когда вы там, вам совершенно незачем выходить на улицу.

Тем временем совпадения продолжали множиться. В том же году в австралийском городе Аделаида проходила международная конференция по космическим лучам, а когда вы возвращаетесь с «Большого льда», то вы, как правило, летите из Мак-Мердо в новозеландский Крайстчерч, а потом у вас обычно стыковка в Австралии. Боб Морс заехал на конференцию по пути домой. Там были и Фрэнсис, и Бафорд, и Стив Барвик. Одним солнечным январским днем, когда эти четыре человека сидели вместе на лужайке рядом с главным зданием Аделаидского университета, они решили организовать коллаборацию и построить нейтринный телескоп на Южном полюсе – а поскольку Морс уже бывал в Антарктиде, он выступил в качестве своеобразного «специалиста по логистике». На кончике его носа были заметны следы обморожения, и он считал это знаком своего нового высокого статуса. По всей видимости, в дискуссии участвовал и Алан Уотсон из Лидса, но он отказался присоединиться к союзу. Почему-то все считают, что в Аделаиде был и Даг Лаудер, хотя это не так. Он пишет:

Ни Эндрю, ни я не ездили на эту конференцию! Пока все эти парни отдыхали, пили австралийское пиво и болтали, мы с Эндрю работали в поте лица в Антарктиде!..

Возможно, так оно и было.

Так или иначе, участники договорились, что два профессора, Бафорд Прайс и Фрэнсис Халзен, поговорят на эту тему с Джоном Линчем из Национального научного фонда. Джон этого уже ждал. Ну вот, начинается, сказал он себе и спросил своего начальника Питера Уилкнесса: не хочет ли тот принять участие в реализации проекта? Ответом было: «Еще бы!»

Весной 1990 года Фрэнсис, Бафорд, Боб и Стив Барвик встретились со своими потенциальными спонсорами в кабинете Уилкнесса в штаб-квартире NSF недалеко от Вашингтона. Ученые представили общее описание проекта и объяснили, что их первая и довольно узкая цель состоит в изучении оптических качеств льда на Южном полюсе. Когда началось обсуждение того, как это лучше сделать, Линч взял паузу, а затем сказал: «Подождите секунду. Давайте-ка пригласим Цимми!» Он имел в виду Германа Циммермана, директора по вопросам полярной гляциологии в департаменте полярных программ фонда – того самого человека, который несколькими месяцами ранее накричал на Фрэнсиса по телефону. Циммерман контролировал вопросы бурения во всех проектах NSF – не только в Антарктиде, но и в Гренландии, где как раз шла подготовка к началу летнего сезона.

На первом шаге было нужно пробурить отверстие во льду, опустить в него несколько фотоэлементов и посмотреть, удастся ли поймать направленные вниз мюоны, – то есть сделать то же самое, что несколькими годами ранее делал Джон Лёрнд для своей дипломной работы в Каскадных горах. Циммерман сказал: «Думаю, на Южном полюсе сделать это будет трудновато, но ведь мы можем начать с Гренландии?»

Ученые решили провести свой первый тест на трехкилометровой толще Гренландского ледяного щита. Это примерно такая же глубина, как на Южном полюсе, и одна команда американских ученых как раз в тот момент успешно завершала многолетнее бурение ледяной шапки до самого скального основания.

Но кто будет финансировать всю эту авантюру? По словам Фрэнсиса, в тот момент Циммерман считал идею «настолько безумной, что, если бы ему самому пришлось давать по ней заключение, он никогда бы не дал на нее денег». Но физик Линч вовсе не считал идею дурацкой, а кроме того, нашел творческое решение проблемы финансирования. За несколько недель до этого Линч прочитал о новом механизме финансирования – малых исследовательских грантах (Small Grant for Exploratory Research, SGER; на жаргоне NSF – sugar, «сахар»). Грант, размер которого не превышал 50 000 долларов, разрешалось потратить только на один проект, зато для его получения не требовалось формального заключения. Уилкнесс с готовностью согласился выделить пятьдесят тысяч, а Джон разделил эту сумму на два гранта: один для Мэдисона с Бобом Морсом в качестве ведущего исследователя, а другой – для Беркли и Бафорда Прайса. Он искренне гордится тем, что первым получил грант SGER от NSF, и тем, что это был первый грант, выданный департаментом полярных программ.

Итак, физики наконец получили шанс встретиться с кристально чистым льдом – а затем они познакомились с Брюсом Коси.