Размер не имеет значения: компактный телескоп МГУ научился ловить редчайшие частицы Вселенной
Коллектив физиков-экспериментаторов из Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ (НИИЯФ МГУ) и Ереванского физического института имени А.И. Алиханяна совершил технологический прорыв в области регистрации космических лучей сверхвысоких энергий. В ходе испытаний на высокогорной станции Арагац в Армении учёные впервые подтвердили, что компактный телескоп SAFT (Small-Aperture Fluorescence Telescope) с диаметром линз всего 25 см способен эффективно фиксировать широкие ливневые каскады вторичных частиц, возникающие при столкновении первичной частицы сверхвысокой энергии с ядрами атомов атмосферных газов атмосферы Земли. Это открытие бросает вызов сложившейся практике строительства многометровых зеркальных установок, доказывая эффективность миниатюрных и экономичных систем.
Работа детектора основана на регистрации слабого ультрафиолетового свечения (флуоресценции) молекул азота, которые возбуждаются при прохождении через них каскада частиц ливня. Традиционные наземные обсерватории, такие как американская Telescope Array, используют для этих целей зеркала площадью около 10 м². Российско-армянская группа разработчиков под руководством Павла Климова пошла по пути радикального уменьшения габаритов, оснастив прибор лёгкими линзами Френеля из специального УФ-прозрачного полимера. Такой подход позволяет создавать мобильные детекторы, пригодные как для калибровки наземных комплексов, так и для работы на борту орбитальных станций.
На фото представлен малоапертурный флуоресцентный телескоп SAFT, установленный на станции Арагац. Сверху: Трехмерная схема устройства. Видна оптическая система на базе линз Френеля и матрица чувствительных фотоумножителей, которая фиксирует ультрафиолетовые вспышки. Фотография полностью собранного и готового к работе телескопа «в железе». Компактные размеры позволяют легко транспортировать и устанавливать прибор в труднодоступных высокогорных районах. Источник: M. Zotov, A. Trusov, P. Klimov, K. Asatryan, A. Belov, G. Gabaryan, V. Kudryavtsev, A. Murashov, arXiv:2605.05004
Главной проблемой малой апертуры является низкий уровень полезного сигнала, который буквально тонет в инструментальных шумах. Чтобы «научить» телескоп видеть треки частиц, специалисты по анализу данных применили методы глубокого машинного обучения. Использование свёрточных нейронных сетей (CNN) позволило со стопроцентной точностью отделять истинные вспышки в атмосфере от ложных помех, вызванных прямым попаданием протонов в фотоприёмник телескопа.
В результате автоматизированный конвейер обработки данных надёжно идентифицировал более 15 событий с энергиями в диапазоне 1017–1018 эВ, что полностью соответствует теоретическим ожиданиям.
Сектор обзора под звёздным небом Армении. Панорамный снимок ночного неба над высокогорной станцией Арагац, сделанный камерой всего неба (All-sky camera). Чёрный прямоугольник выделяет поле зрения телескопа SAFT. Несмотря на то, что прибор «видит» лишь небольшую часть небосвода, высокая чувствительность и использование нейросетей позволяют ему эффективно вылавливать редкие треки космических лучей на фоне миллионов звёзд.Источник: M. Zotov, A. Trusov, P. Klimov, K. Asatryan, A. Belov, G. Gabaryan, V. Kudryavtsev, A. Murashov, arXiv:2605.05004
Эксперимент на высоте 3200 метров над уровнем моря стал важным этапом подготовки перспективных космических миссий, таких как проект ERA (Extreme Relativistic Astrophysics). Успешная регистрация частиц подтвердила жизнеспособность электроники и оптической схемы, изначально разработанных для спутников серии «Ломоносов» и орбитального детектора «УФ-атмосфера». Космическое размещение подобных приборов позволит мониторить колоссальные площади земной атмосферы, превращая всю планету в гигантский детектор для охоты за самыми энергичными частицами во Вселенной.
В ближайшем будущем исследователи планируют интегрировать подобные малые телескопы в строящуюся в Сибири обсерваторию Тайга-100. Это создаст гибридную систему мониторинга, где компактные оптические модули будут работать в связке с черенковскими и сцинтилляционными массивами. Совершенствование программных моделей и использование нейросетей для мгновенной реконструкции энергии первичных частиц открывает новую главу в изучении «космических ускорителей» — сверхмассивных чёрных дыр и ядер далеких галактик, являющихся источниками этого экстремального излучения.
© iXBT
