|
Поиск призрачных частиц в Антарктиде
|
|
|
|
После многих лет работы над созданием чрезвычайно чувствительного прибора ученые Чикагского университета стояли и наблюдали, как он взлетел и скрылся из виду в ослепительно синем антарктическом небе. Запущенный 20 декабря, он в течение следующих 23 дней будет летать на воздушном шаре НАСА в самых высоких слоях атмосферы, сканируя континент Антарктида со своей 120 000-футовой точки обзора в поисках крошечных пришельцев из космоса, известных как нейтрино.
|
|
|
|
Миссия, известная как Полезная нагрузка для наблюдений за сверхвысокими энергиями, или PUEO, вернулась на Землю 12 января, когда она приземлилась в нескольких сотнях миль от Южного полюса.
|
|
|
|
Хотя PUEO передал некоторые из своих показаний во время полета, поисковая команда отправилась на место посадки, чтобы забрать свой "черный ящик", который содержит полный набор собранных данных. Когда данные поступят обратно в Чикаго, ученые смогут начать изучать их в поисках цели PUEO: набора энергичных частиц, которые еще не были обнаружены, но которые могли бы рассказать нам о самых экстремальных событиях во Вселенной.
|
|
|
|
"Возможно, с помощью PUEO мы обнаружим частицы с самой высокой энергией во Вселенной, но даже если мы не найдем ни одной, мы все равно узнаем о том, как работают самые энергетически заряженные места в нашей Вселенной", - сказали Эбигейл Виерегг, профессор астрономии и астрофизики в Калифорнийском университете и Дэвид Н. Шрамм, директор Института Кавли для космологической физики, которая возглавляет миссию PUEO.
|
|
|
|
НАСА выбрало PUEO для участия в первом классе своих миссий "Пионеры астрофизики". PUEO был запущен первым из них.
|
|
|
|
|
|
|
Поиск частиц во льду
|
|
|
|
Цель PUEO - нейтрино, которые постоянно падают на Землю из космоса. Обычно мы этого не замечаем — они лишь изредка взаимодействуют с нашим миром, — но ученые считают, что существует небольшая группа этих частиц с чрезвычайно высокой энергией, которая еще не была обнаружена.
|
|
|
|
Эти более редкие нейтрино были бы намного более энергичными, чем частицы, ускоряемые на Большом адронном коллайдере в Европе. Их обнаружение может дать нам редкую возможность заглянуть в опасные уголки Вселенной, где могут образовываться такие нейтрино, например, в черные дыры или в результате столкновений между сверхплотными нейтронными звездами.
|
|
|
|
Однако, чтобы поймать что-то, чего раньше никто не видел, нужен необычный инструмент.
|
|
|
|
PUEO, как и ее предшественница, АНИТА, возглавляемая Гавайским университетом, полагается на тот факт, что лед очень легко проводит радиоволны. Если бы высокоэнергетическое нейтрино ударилось об атом в огромном ледяном покрове, покрывающем Антарктиду, столкновение породило бы радиоволны, которые распространялись бы сквозь лед и воздух над ним. Поэтому все, что нужно было сделать команде, - это разработать новый прибор, способный улавливать эти чрезвычайно слабые сигналы; и НАСА запустило бы его на воздушном шаре, который смог бы пролететь над континентом.
|
|
|
|
"По сути, мы используем весь континент Антарктида в качестве детектора", - сказал Космин Диакону, профессор-исследователь из UChicago, который написал программное обеспечение для полета PUEO и помог создать прибор.
|
|
|
|
Команда разработала PUEO таким образом, чтобы он был значительно более чувствительным, чем ANITA, благодаря достижениям в области электроники и новой конструкции, позволяющей объединять сигналы от нескольких антенн в режиме реального времени, чтобы выделить из шума более слабые сигналы нейтрино.
|
|
|
|
За последние пять лет лаборатории по всему миру, в том числе шесть других сотрудничающих учреждений США, а также учреждения в Европе и Азии, изготовили компоненты PUEO и отправили их в Чикаго для сборки. Последний прибор PUEO состоял из концентрических кругов из 96 сверхчувствительных радиоантенн, окружающих "мозг", который сортирует поступающие сигналы и определяет, какие из них потенциально могут исходить от нейтрино. Он питается от множества солнечных панелей.
|
|
|
|
В апреле прошлого года прибор был доставлен в Палестину, штат Техас, для проведения испытаний на объекте НАСА, чтобы убедиться, что он может функционировать в сложных условиях ближнего космоса.
|
|
|
|
"Вам нужно многое проверить, но особенно важно, работает ли ваша электроника в вакууме", - сказал Дикону. "Большая проблема заключается в том, что без воздуха вы не сможете использовать вентиляторы для охлаждения электроники, если она станет слишком горячей".
|
|
|
|
После дополнительных доработок и испытаний группа снова разобрала прибор, чтобы отправить его автомобильным транспортом в Калифорнию; на лодке в Крайстчерч, Новая Зеландия, ближайший крупный порт к станции Мак-Мердо в Антарктиде; и, наконец, по воздуху на станцию НАСА на воздушном шаре в Антарктиде.
|
|
|
|
Там команда ученых, страдающих бессонницей, быстро работала над сборкой полезной нагрузки в последний раз перед открытием стартового окна в середине декабря.
|
|
|
|
На данный момент PUEO прошел все испытания. Но, возможно, самое важное еще впереди.
|
|
|
|
Запускать что-либо на борту гигантского воздушного шара рискованно. Это еще более рискованно, когда инструмент настолько сложен, и все зависит от подходящих условий — непростая перспектива на континенте, известном своими экстремальными погодными условиями. Для успешного запуска воздушных шаров погода должна быть не только ясной, но и стабильной на протяжении всего полета в ближний космос.
|
|
|
|
"Воздушный шар и полезная нагрузка настолько велики, что при сильном колебании слоев атмосферы могут возникнуть проблемы", - объяснил Кит Макбрайд, научный сотрудник UChicago, который руководил разработкой основных компонентов прибора PUEO.
|
|
|
|
"Это вызывает стресс, потому что стартовое окно может открыться в любое время дня и ночи после появления полярного вихря в начале декабря, и вы просто должны быть готовы", - сказал Диакону.
|
|
|
|
PUEO удалось запустить с первой попытки. Метеорологи и представители НАСА определили время для запуска рано утром 20 декабря. Большая ракета—носитель под названием "Босс" доставила ПУЭО на стартовую площадку - большую ровную площадку, где был разровнен снег. Разрешение на запуск поступило почти в 6 часов утра.
|
|
|
|
Первым поднялся воздушный шар. Затем, поднимаясь, он унес с собой инструмент, и весь 700-футовый ансамбль оказался в воздухе. В этот момент наземная команда приказала PUEO расширить свои солнечные батареи, которые питают миссию, когда она поднимается на высоту 120 000 футов. Затем, когда PUEO достигла конечной высоты полета, под основной полезной нагрузкой были установлены дополнительные антенны для повышения чувствительности.
|
|
|
|
"Есть что-то захватывающее (и немного нервирующее) в том, как исчезают последние пять лет вашей работы", - сказала Рэйчел Скрандис, аспирантка UChicago и руководитель отдела радиочастотной электроники PUEO. "Мы построили PUEO, чтобы сделать его самым чувствительным к нейтрино сверхвысоких энергий экспериментом в мире, но после запуска мы окажемся во власти ветров, которые будут переносить нас по льду, что позволит нашему эксперименту сиять".
|
|
Солнце и лед
|
|
|
|
Даже после успешного взлета ПУЭО расслабляться было еще рано.
|
|
|
|
В течение следующих трех недель ученым приходилось посменно следить за показаниями приборов, пока устройство летело в разреженном воздухе на границе космоса.
|
|
|
|
PUEO был сконструирован таким образом, чтобы функционировать как можно более независимо, но экипажу все равно приходилось вносить коррективы во время полета. Например, оказалось, что полезная нагрузка вращается медленнее, чем они ожидали, а это означало, что солнце долгое время падало с одной стороны, нагревая прибор.
|
|
|
|
"Нам приходилось очень внимательно следить за тем, чтобы он не перегрелся, чтобы нам не стало слишком жарко", - сказал Макбрайд.
|
|
|
|
В подобных миссиях важна каждая секунда. Если бы что-то в приборе сломалось, миссия потеряла бы драгоценное время, необходимое для сбора данных.
|
|
|
|
После более чем трех недель полета экипаж принял решение вернуть прибор на Землю.
|
|
|
|
"Метеорологи предсказывали, что ветер стихнет, а вы хотите доставить груз в такое место, где он мягко приземлится, чтобы его можно было забрать", - сказал Диакону.
|
|
|
|
По сигналу НАСА перерезало линию, отделяющую ПУЭО от воздушного шара, и раскрыло парашют. ПУЭО плавно опустился на Землю примерно в 200 милях к северу от Южного полюса, на участке льда, до которого можно было легко добраться на автомобиле.
|
|
|
|
"Черный ящик", который содержал от 50 до 60 терабайт данных, собранных за время миссии, был извлечен и будет доставлен самолетами в Макмердо, Крайстчерч и, наконец, Чикаго. Затем начинается тщательный процесс сортировки, калибровки и анализа данных, чтобы выяснить, удалось ли PUEO поймать какое—либо из этих необычных нейтрино-посланцев из других галактик.
|
|
|
|
Ученые заявили, что ожидают, что первые результаты будут доступны примерно через год.
|
|
|
|
"Вероятно, нам потребуется месяц только на то, чтобы ввести цифры в компьютер — это такой объем данных", - сказал Макбрайд.
|
|
|
|
Но для ученых небольшой перерыв в работе только приветствуется.
|
|
|
|
"Теперь, когда воздушный шар опустился, мы наконец-то можем немного поспать", - сказал Диакону.
|
|
|
|
Источник
|
