В поисках антигалактик: Большие надежды на большой инструмент
Программа полетов американских шаттлов завершается. Запланировано около полутора десятков стартов, за которые NASA намерено завершить 12-летнюю эпопею строительства орбитальной станции, и на этом миссия «космических челноков» будет выполнена. Фактически, осталась одна крайне серьезная задача. Для решения ее конгрессу пришлось в 2008 г. выпустить отдельный акт, по которому шаттл в 2010 г. выполнит еще один специальный полет и доставит на МКС уникальный инструмент AMS (Alpha Magnetic Spectrometer, «Альфа-магнитный спектрометр»), создание которого обошлось — вы не поверите — в 1,5 млрд долларов. Главная его цель тоже поражает: поиск галактик, целиком состоящих из антивещества.
Помимо того, есть у AMS и другие не менее увлекательные задачи. Он исследует темную материю, субстанцию, которая, как считается, отвечает за более чем 83% массы Вселенной, но совершенно не наблюдается и проявляет себя лишь по гравитационному взаимодействию с обычной материей.
Еще одна цель работы AMS — поиск странжелетов, теоретически предсказанной сверхплотной формы вещества, состоящей из странных кварков. Кстати, именно странжелеты были одной из потенциальных опасностей работы Большого Адронного Коллайдера, на которую указывали некоторые мнительные люди (мы все их разбирали в заметке «Суд над частицами»).
Все эти экзотические формы существования вещества могут быть исследованы по вторичным признакам — высокоэнергетическим космическим лучам, которые они испускают и которые как раз улавливаются детектором AMS. «Космические лучи впервые будут исследованы с достаточной точностью, — подчеркивает Нобелевский лауреат по физике Самуэль Тин (Samuel Ting), который курирует проект начиная с его проектирования, которое началось почти 15 лет назад.
Впрочем, антиматерия, темная материя, странжелеты — все это явления, о которых что-нибудь да известно. Но история учит нас, что самые интересные открытия могут прийти с той стороны, откуда никто не мог ожидать. Как радио- и инфракрасные телескопы открыли совершенно новые, не проявляющиеся в видимом спектре космические явления, так и AMS вполне способен открыть новую страницу в изучении космоса. «Мы вступаем на совершенно неисследованную территорию, — говорит Тин, — И можно ожидать открытий, которые превосходят все, что мы способны вообразить».
Сам ученый часто сравнивает AMS с мощными ускорителями частиц — такими, как работающий в центре CERN в Швейцарии (читайте о нем: «Властелин колец»). Разумеется, эти инструменты не предназначены для работы с космическими лучами, их задача — разгонять элементарные частицы до невероятных скоростей и сталкивать их, исследуя все, что при этом происходит: выброс излучения, появление новых частиц и так далее. Но AMS использует примерно тот же подход. В нем также траектории движения элементарных частиц меняются под воздействием мощного внешнего магнитного поля, и затем попадают на чувствительный детектор. «По сути, — объясняет Самуэль Тин, — AMS — это универсальный детектор частиц, запущенный в космос».
Чтобы обсчитать собранные таким образом данные требуется сила самых мощных суперкомпьютеров, способных вывести массы, энергии, заряды и другие характеристики частиц. Пересылать весь колоссальный массив информации на Землю слишком накладно, и суперкомпьютер пришлось монтировать прямо на борту AMS. Поэтому-то прибор и будет работать на борту МКС, а не в качестве самостоятельного спутника: он слишком тяжел и требует слишком много энергии. 650 его процессоров и другие системы потребляют 2,5 КВт энергии, что находится за пределами возможностей обычных солнечных батарей, но вполне по плечу 100-киловаттной энергосистеме орбитальной станции.
Впрочем, от подземных детекторов частиц AMS отличают два важных момента. Во-первых, он специализируется на работе с частицами слишком тяжелыми и высокоэнергетическими для обычных детекторов. Даже Большой Адронный Коллайдер (кстати, все об этом поразительном инструменте — от науки до песен — можно найти в нашей статье «Пока не случился БАК») способен работать с частицами, совокупная энергия которых достигает 7 ТэВ. А энергия частиц космических лучей может достигать 100 млн ТэВ и даже выше. Вторая разница состоит в том, что обычно ускорители разгоняют и сталкивают частицы, чтобы по результатам столкновения судить об исходных частицах. А AMS непосредственно улавливает частицы, прилетающие из космоса.
Зачем же все это нужно? Возьмем хотя бы то же антивещество. Здесь давно существует и пока не нашла окончательного объяснения такая проблема. Самые тщательные расчеты по теории Большого Взрыва показывают, что антиматерии и материи во Вселенной должно было появиться, в общем-то, одинаковое количество. Нет причин тому, чтобы материя появилась в изобилии, а антиматерия оказалась чем-то экзотическим — но ведь именно так обстоит дело в действительности. Выходит, за прошедшее с тех пор время антивещество куда-то «испарилось»? Или оно по какой-то причине не видна в наблюдаемой части Вселенной, иначе мы бы часто видели следы его взаимодействия с обычной материей — аннигиляции, которая сопровождается мощными выбросами рентгеновских лучей.
Действительно, одна из гипотез предполагает, что львиная доля антивещества образовала где-то далеко от нас собственные галактики, совсем как обычные, только целиком состоящие из антивещества. Более того, поскольку антивещество «зрительно», по излучению ничем не отличается от обычной материи, мы просто не можем сказать, не из нее ли состоит та или иная далекая галактика. Зато сказать сможет AMS, способный различить антивещество по создаваемым им космическим лучам.
Стоит сказать, что теоретически антивещество может порождаться и недалеко от нас — скажем, как результат взаимодействия частиц тех же космических лучей. Однако вероятность такого события столь мала, что если детектор AMS обнаружит в них хотя бы один атом анти-гелия, можно будет с уверенностью сказать, что он появился не здесь, а далеко, в области Вселенной, где доминирует анти-вещество. Если же подобного не случится, то, по словам Самуэля Тина, «мы будем знать, что в пределах 1000 мегапарсек — то есть, почти до границ наблюдаемой Вселенной — галактик из антивещества нет».
Читайте подробнее об антивеществе: «Кривое зеркало мира» и даже о существующих планах создания двигателя, работающего на нем: «Антиматерия в упряжке».
По сообщению NASA