Уявіть телескоп, який не дивиться в небо і взагалі не схожий на телескоп. Його основна частина захована майже на два з половиною кілометри під льодом Антарктиди, а замість дзеркал там працюють тисячі світлочутливих датчиків. Саме за допомогою такої системи фізики навчилися ловити одні з найбільш невловимих частинок у Всесвіті.
За внесок у створення цієї системи Нобелівську премію з фізики 2026 року отримав американський учений бельгійського походження Френсіс Гальзен. Він став однією з ключових постатей у створенні нейтринної обсерваторії IceCube на Південному полюсі.
Йдеться не просто про великий науковий прилад. IceCube буквально дозволив астрономам подивитися на Всесвіт іншим способом — не через світло, а через нейтрино, які прилітають до Землі після надзвичайно потужних процесів у космосі.
Хто такий Френсіс Гальзен і чому саме він отримав премію
Френсіс Гальзен народився у Бельгії, але багато років працює у США. Він є професором фізики в Університеті Вісконсину в Медісоні та десятиліттями займається фізикою елементарних частинок.
Його головною науковою історією став IceCube.
Ще задовго до того, як обсерваторія почала працювати, ідея виглядала дуже сміливо. Фізики хотіли використати товщу антарктичного льоду як частину гігантського детектора. Замість того щоб будувати величезну конструкцію на поверхні, датчики вирішили опустити глибоко під землю.
Так з’явився IceCube — установка об’ємом близько одного кубічного кілометра.
Гальзен багато років був одним із головних рушіїв цього проєкту. Він працював над його фізичною концепцією, розвитком нейтринної астрономії та міжнародною співпрацею, без якої подібний експеримент просто неможливо було б реалізувати.
Нейтрино пролітають крізь нас щосекунди, але спіймати їх надзвичайно складно
Головні герої цієї історії — нейтрино. Це елементарні частинки без електричного заряду, які мають дуже малу масу і майже не взаємодіють із речовиною.
Через кожну людину постійно проходить величезна кількість нейтрино. Ми цього не відчуваємо, адже для них людське тіло, будинок і навіть ціла планета часто не є серйозною перешкодою.
Нейтрино можуть спокійно пролетіти крізь Землю і не зіткнутися практично ні з чим.
Для науковців це водночас проблема і велика перевага.
Проблема в тому, що частинку дуже складно зафіксувати. Перевага в тому, що під час подорожі через космос нейтрино майже не змінює напрямок і може донести інформацію безпосередньо від місця, де виникло.
Тобто якщо вченим вдається зрозуміти, звідки прилетіло нейтрино, вони отримують шанс знайти його космічне джерело.
Як виглядає IceCube під льодом Антарктиди
IceCube знаходиться біля американської станції Амундсен-Скотт на Південному полюсі. Найцікавіша частина обсерваторії прихована під ногами дослідників.
У товщі льоду встановили 5160 цифрових оптичних модулів. Вони закріплені на 86 вертикальних лініях, які йдуть на глибину приблизно від 1450 до 2450 метрів.
Тобто частина обладнання знаходиться більш ніж за два кілометри під поверхнею.
Масштаби проєкту теж відповідні. Обсерваторія охоплює приблизно кубічний кілометр антарктичного льоду, а її будівництво коштувало близько 279 мільйонів доларів.
Навіщо знадобився цілий кубічний кілометр льоду
Причина проста. Нейтрино настільки рідко взаємодіють із речовиною, що маленького детектора було б недостатньо.
Вченим потрібен величезний об’єм, щоб збільшити шанс зафіксувати хоча б частину таких взаємодій.
У певний момент нейтрино може зіткнутися з частинкою в льоду. Після цього виникає заряджена частинка, яка рухається крізь середовище і створює слабке блакитне світіння.
Цей ефект називають черенковським випромінюванням.
Саме його й ловлять тисячі датчиків IceCube.
Потім комп’ютерні системи аналізують, які сенсори спрацювали першими, скільки світла вони зафіксували і як сигнал поширювався крізь лід. На основі цього фізики можуть приблизно визначити напрямок руху частинки та оцінити її енергію.
Антарктичний лід тут працює не просто як місце, де заховали обладнання. Він фактично є частиною самого детектора.
Найважливіший прорив стався після років спостережень
IceCube почав повноцінно працювати на початку 2010-х років, а вже незабаром команда отримала результат, на який чекали роками.
У 2013 році дослідники повідомили про 28 надзвичайно енергійних подій, зафіксованих із травня 2010-го до травня 2012 року.
Ці сигнали було складно пояснити лише нейтрино, які утворюються в атмосфері Землі. Дані вказували на те, що частина частинок прилетіла з далекого космосу.
Для фізиків це був серйозний прорив.
IceCube показав, що високоенергетичні астрофізичні нейтрино реально можна не лише реєструвати, а й використовувати як інструмент для вивчення Всесвіту.
Після цього нейтринна астрономія почала швидко розвиватися.
Одне нейтрино привело вчених до далекої галактики
Особливо показова історія сталася у вересні 2017 року.
IceCube зафіксував нейтрино дуже високої енергії. Система визначила приблизний напрямок, звідки воно прилетіло, і надіслала сигнал іншим обсерваторіям.
До цієї ділянки неба швидко спрямували телескопи.
Там знаходився блазар TXS 0506+056 — активне ядро далекої галактики з надмасивною чорною дірою.
Блазари належать до найбільш енергійних об’єктів у Всесвіті. Речовина поблизу чорної діри може розганятися до величезних швидкостей, утворюючи потоки частинок і випромінювання.
Після подальшого аналізу архівних даних IceCube вчені знайшли ще один надлишок нейтрино з напрямку цього об’єкта у 2014–2015 роках.
Так один сигнал у товщі антарктичного льоду допоміг пов’язати нейтрино з конкретним далеким космічним джерелом.
IceCube показав Чумацький Шлях так, як ми його раніше не бачили
Після перших відкриттів обсерваторія продовжила збирати дані.
У 2022 році вчені повідомили про нейтринне випромінювання від активної галактики NGC 1068, відомої також як Messier 77. Вона знаходиться приблизно за 47 мільйонів світлових років від Землі.
Ще один помітний результат з’явився у 2023 році.
Дослідники вперше створили зображення Чумацького Шляху не за допомогою видимого світла, радіохвиль або рентгенівського випромінювання, а використовуючи нейтрино.
Це дало можливість побачити нашу Галактику буквально через інший канал інформації.
Для сучасної астрономії такий підхід стає дедалі важливішим. Одну й ту саму космічну подію можна досліджувати одразу через світло, гравітаційні хвилі, космічні промені та нейтрино.
Чому нейтрино особливо цікаві для дослідження чорних дір і вибухів
У космосі є багато об’єктів, де частинки розганяються до колосальних енергій.
Серед можливих джерел високоенергетичних нейтрино фізики досліджують
- активні ядра галактик
- околиці надмасивних чорних дір
- залишки вибухів наднових
- надзвичайно потужні космічні джети
Зі звичайними зарядженими частинками є проблема. Під час подорожі через космос їхній напрямок змінюють магнітні поля.
У нейтрино електричного заряду немає.
Тому якщо така частинка прилітає до Землі, її траєкторія може набагато краще вказати на джерело.
Саме через це IceCube іноді називають телескопом, хоча зовні він взагалі не нагадує звичний астрономічний прилад.
За одним Нобелем стоять сотні науковців
Френсіс Гальзен став лауреатом Нобелівської премії, але IceCube — це величезна міжнародна робота.
У колаборації беруть участь близько 450 фізиків із десятків наукових установ у різних країнах.
Для такого проєкту потрібні не лише астрофізики.
Над ним працюють інженери, програмісти, фахівці з електроніки, аналізу великих масивів даних і моделювання.
Сам IceCube працює безперервно. Детектори постійно реєструють сигнали, після чого дослідникам потрібно відокремити цікаві космічні події від величезної кількості фонових даних.
Більшість нейтрино, які бачить обсерваторія, взагалі виникають в атмосфері Землі. Тому пошук рідкісних частинок із далекого космосу нагадує пошук кількох потрібних сигналів серед величезного інформаційного шуму.
Обсерваторію вже готують до наступного етапу
IceCube не залишився експериментом минулого десятиліття.
Проєкт модернізують, щоб підвищити точність вимірювань і отримувати ще більше даних про нейтрино.
Серед напрямів роботи — детальніше вивчення властивостей самих частинок, пошук нових космічних джерел і перевірка фізичних моделей, які можуть пояснити процеси за межами того, що науковці вже добре розуміють.
Історія Френсіса Гальзена добре показує, наскільки незвичайними сьогодні можуть бути астрономічні інструменти.
Щоб досліджувати далекі галактики, чорні діри та процеси за мільйони світлових років від Землі, вчені не лише будують телескопи на вершинах гір або запускають їх у космос.
Іноді для цього потрібно пробурити антарктичний лід на два кілометри, опустити туди понад п’ять тисяч датчиків і чекати, поки крізь цей величезний природний детектор пролетить майже невловима частинка з далекого Всесвіту.
Редакторка Omega.lviv.ua. Відповідає за відбір тем і підготовку новин Львова та Західної України до публікації. Стежить, щоб кожен матеріал мав перевірене першоджерело і був викладений зрозумілою мовою.