Кубический километр льда как телескоп

Нобелевскую премию по физике 2026 года получил бельгийско-американский физик Фрэнсис Халзен «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино астрофизического происхождения».

В отличие от многих Нобелевских премий последних лет, эту делить не придется: награда в 12 млн шведских крон досталась одному ученому. Но сам Халзен подчеркивает, что премия фактически отмечает труд огромной международной команды.

В основе открытия — одна из наиболее загадочных элементарных частиц, нейтрино. У него почти нет массы и нет электрического заряда, а с веществом оно взаимодействует чрезвычайно слабо. Каждую секунду через человеческое тело проходят триллионы нейтрино, не оставляя никаких следов.

Для экспериментатора это кошмар: частицу почти невозможно поймать. Для астронома — подарок. Свет по дороге от далекого объекта может поглощаться веществом, а заряженные космические частицы отклоняются магнитными полями и потому уже не указывают на место своего рождения. Нейтрино летит практически по прямой, беспрепятственно проходя через газ, пыль, звезды и целые планеты. Если его все-таки поймать и определить, откуда оно прилетело, можно заглянуть непосредственно в «машинное отделение» самых мощных космических «ускорителей».

Но для этого нужен детектор невероятного размера. Идея Халзена состояла в том, чтобы не строить гигантский резервуар, а воспользоваться тем, что уже создала природа: толщей исключительно чистого антарктического льда. Если нейтрино все-таки сталкивается с атомным ядром, рожденная при столкновении заряженная частица вызывает слабую вспышку черенковского излучения. Ее и регистрируют светочувствительные приборы.

Так возник IceCube («Ледяной куб») — самый необычный телескоп на Земле. В глубине антарктического ледника у Южного полюса размещены тысячи оптических датчиков, превратившие примерно кубический километр, или около миллиарда тонн прозрачного льда, в гигантский детектор. По времени прихода света к разным датчикам компьютер восстанавливает направление и энергию прилетевшей частицы. Фактически телескоп смотрит не столько в небо, сколько сквозь Землю: сама планета помогает отсеивать фон от обычных космических лучей.

Халзен родился в Бельгии в 1944 году, учился в Левенском католическом университете и там же в 1969 году получил докторскую степень. В 1972-м он пришел в Университет Висконсина в Мэдисоне и остается связан с ним уже более полувека. По первоначальной профессии Халзен скорее теоретик: его области — физика элементарных частиц, астрофизика и космология; написанный им вместе с Аланом Мартином учебник Quarks and Leptons стал классическим.

Но главной работой жизни оказался грандиозный эксперимент. В конце 1980-х Халзен включился в проект AMANDA, он был предшественником IceCube. Первые опыты должны были показать, можно ли вообще использовать естественный лед как прозрачную среду для нейтринного телескопа.

В 1991 году эксперимент подтвердил, что идея технически осуществима. В 1999-м ученые подали заявку на строительство детектора объемом 1 куб. км, Халзен стал главным исследователем. IceCube был закончен в 2010 году. Редкая для ученого-теоретика биография: за 20 лет от почти фантастической идеи до работающей обсерватории.

А затем началась собственно новая астрономия. В 2013 году IceCube сообщил о первых высокоэнергетических нейтрино, пришедших из-за пределов Солнечной системы. В 2017-м удалось связать нейтрино с активной галактикой и сверхмассивной черной дырой в ее центре. В 2022 году появились свидетельства нейтринного излучения еще одной активной галактики, а в 2023-м была составлена первая нейтринная картина нашей собственной Галактики.

Значение работы Халзена поэтому куда шире открытия еще одной частицы или еще одного космического источника. На протяжении тысячелетий человек изучал Вселенную почти исключительно по свету — сначала глазами, потом телескопами, радиотелескопами, рентгеновскими и гамма-обсерваториями. Теперь к фотонам добавились новые «вестники»: гравитационные волны и нейтрино. Возникла многоканальная астрономия, в которой одно космическое событие можно одновременно увидеть совершенно разными физическими способами.

Председатель Нобелевского комитета Марк Пирс сказал, что научная прозорливость и упорство Халзена «проложили дорогу новому виду астрономии». Сам 82-летний лауреат сформулировал историю скромнее: когда проект начинался, ни один уважающий себя консервативный физик не захотел бы к нему присоединиться. Но нашлись талантливые люди, которые рискнули. Спустя почти 40 лет выяснилось, что безумная идея превратить кусок Антарктиды в телескоп действительно позволила увидеть Вселенную там, где она прежде была невидима.