Просто космос: как люди используют Антарктиду в качестве лаборатории

Антарктида — лучшее на Земле место для поиска метеоритов. Их здесь найдено уже 4750 штук, это более 60% мировых коллекций. И эти цифры быстро растут. Разумеется, метеориты падают в Антарктиде не чаще, чем где-либо еще. Застать падение и подобрать «свежачок» — почти невероятная удача, если вы не житель Челябинска. Типичная добыча охотников за метеоритами попадает на Землю за тысячи, а то и за миллионы лет до их рождения. И вот такой трофей гораздо легче найти на ледяном континенте, чем на каком-нибудь другом.

И дело не только в том, что здесь нет густых лесов или суетливых хлеборобов, не разбирающих, что там за булыжник угодил под плуг. Сам ледовый панцирь работает как гигантская линия доставки метеоритов.

Упавший с неба камень увязает в местных ледниках. Но лед не остается неподвижным. Медленно, но верно он стекает с возвышенностей в низины, пока не наткнется на какое-нибудь препятствие. Накапливающийся в таких ловушках лед постепенно испаряется под напором сильных антарктических ветров, несмотря на полярные морозы.

А метеориты, накопленные за миллионы лет, остаются. За ними-то и охотятся ученые. К примеру, экспедиция УрФУ 2015–2016 годов собрала почти 20 кг внеземного вещества!

Некоторые метеориты — это обломки астероидов. Изредка встречаются гости с Луны и Марса. Но большинство небесных камней — строительный мусор времен образования планет, так и не вошедший в состав сколько-нибудь крупных тел. Они старше Земли, а порой в них встречаются вкрапления, которые старше самого Солнца.

И, в отличие от нашей беспокойной планеты, «космические консервы» мало изменились за миллиарды лет. Благодаря им мы можем изучать строительный материал Солнечной системы почти в первозданном виде.

Исследователи ценят каждый грамм внеземного вещества. Собирать его в космосе и привозить на Землю очень сложно и дорого. Тем важнее собирать то, что буквально падает с неба.

Ледяное высокомерие

Метеориты — не единственное, что сыплется на Антарктиду с неба. На станции Амундсен-Скотт, расположенной на Южном полюсе, сооружен грандиозный детектор космических нейтрино — IceCube («ледяной куб»). Он использует целый кубический километр прозрачного льда на глубине от 1,5 до 2,5 км. По этому кубу разбросано 5160 датчиков. Они фиксируют вспышки света, сопровождающие визиты космических гостей.

Нейтрино — это очень легкие частицы, не имеющие электрического заряда. Они почти никогда не взаимодействуют с обычным веществом, словно считают это ниже своего достоинства. Поэтому-то нейтрино пронзают толщу планет и звезд, словно пустое пространство. Неизменными (читай невредимыми) проходя сквозь любые преграды, они приносят нам вести из недр Земли, центра Солнца и окрестностей черных дыр.

Нейтрино бывают разные, однако телескоп IceCube нацелен только на нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие из космоса. Когда такой визитер врезается в атом (а иногда это все-таки происходит, иначе любые детекторы были бы бесполезны), из атомного ядра вылетает заряженная частица. Она врезается в следующий атом, и так далее.

Получается целый каскад частиц. Они движутся сквозь лед быстрее, чем двигался бы свет. Здесь нет ошибки. Это в вакууме свет движется с самой большой скоростью из существующих в природе. В прозрачном веществе, будь то вода, лед или стекло, свет распространяется медленнее, и его вполне можно обогнать. А когда заряженные частицы обгоняют свет, они сами становятся источником света. Его-то и улавливают датчики IceCube.

Ежедневно детектор фиксирует сотни нейтрино, рождающихся в атмосфере Земли. Но для него это фоновый шум. Настоящие космические нейтрино — товар штучный. Самые энергичные из них фиксируются по нескольку штук в год, и то лишь благодаря гигантскому объему установки. Понятно, почему IceCube расположен в Антарктиде: где еще найти кубический километр вечного льда?

Уникальный инструмент уже приоткрыл завесу тайны над происхождением космических нейтрино сверхвысоких энергий. Как минимум, часть из них приходит от сверхмассивных черных дыр в центрах галактик. Но пока остается загадкой, как они там образуются и есть ли в космосе другие источники подобных частиц.

Эхо Большого взрыва

На той же станции Амундсен-Скотт работает самый южный в мире радиотелескоп. Не мудрствуя лукаво, создатели назвали его Южным полярным телескопом (South Pole Telescope или SPT). Радиотелескопы улавливают радиоволны, приходящие на Землю из космоса.

Источники этих волн разнообразны: это нейтронные звезды, ядра галактик, межзвездный газ и так далее. Многие из них просто не видны в оптические телескопы. Радиотелескопы работают во множестве стран и на всех континентах.

Зачем понадобилось сооружать SPT именно на Южном полюсе? Дело в том, что он работает на длине волны 1-4 мм. Такие волны сильно поглощаются парами воды. А в Антарктиде, да еще и на высоте 2800 м над уровнем моря, воздух чистый и очень сухой. И еще там весьма флегматичное Солнце: оно то месяцами не заходит, то не восходит.

Светило само по себе не мешает наблюдениям (если не направлять радиотелескоп прямо на него), но важно, что без чехарды восходов и закатов атмосфера становится очень стабильной. Южный полюс — буквально лучшее на Земле место для наблюдений на миллиметровых волнах. По качеству данных SPT может соперничать с орбитальными обсерваториями, но обходится гораздо дешевле.

Главный объект изучения для антарктического телескопа — реликтовое излучение. Оно путешествует по космосу со времен Большого взрыва. Новорожденная Вселенная была очень горячей. Вещество и излучение были перемешаны, фотоны то и дело наталкивались на частицы материи. Но пространство быстро расширялось, энергия распределялась по все большему объему, и вещество остывало.

Примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва реликтовое излучение окончательно отделилось от материи. Но оно доныне хранит следы бурной юности. Изучая «реликт», можно понять, как быстро расширялась Вселенная в первые мгновения жизни и на какие частицы тогда наталкивались фотоны. Среди них могут быть, например, частицы темной материи, до сих пор неизвестные науке.

Впрочем, полярный телескоп наблюдает и многие другие объекты. Это далекие галактики, разного рода космические взрывы и многое другое. Между прочим, SPT входит в сеть радиотелескопов, в 2019 году получившую долгожданное первое изображение черной дыры.

Космическое пограничье

Наша планета — космическое явление и сама по себе. У нее сложные взаимоотношения с потоками частиц и излучений от Солнца и из глубокого космоса. В этом мог убедиться каждый, кто видел неземную во всех смыслах красоту полярного сияния.

Невидимые арки магнитного поля Земли простираются далеко за пределы атмосферы. Но на магнитных полюсах они уходят под поверхность планеты. К слову, магнитные полюса не совпадают с географическими и к тому же постоянно дрейфуют. Сейчас Южный магнитный полюс находится в океане у антарктического побережья.

Магнитное поле защищает нас от солнечного ветра — протонов и электронов, непрерывно истекающих из Солнца. Эти частицы, попав в ловушку геомагнитного щита, раз за разом летят вдоль магнитных линий и отскакивают от сгущений поля на полюсах. Планета будто играет в космический пинг-понг. Но во время магнитных бурь полярные «магнитные пробки» дают прорехи. Тогда частицы проникают в атмосферу и вызывают полярные сияния.

Кстати, атмосфера Земли тоже дама с характером. Выше 50 км ультрафиолетовые и рентгеновские лучи Солнца срывают электроны с атомов, превращая их в ионы. Получается каша (по-научному — плазма) из ионов, электронов и уцелевших молекул. В этой плазме текут электрические токи, ведь ионы имеют заряд, а ток и есть упорядоченное движение зарядов. А всякий ток взаимодействует с магнитным полем и сам, в свою очередь, порождает собственное магнитное поле.

Вблизи полюсов, где геомагнитные линии вторгаются прямо в ионосферу и спускаются до самой поверхности, наблюдаются разные геофизические явления, которых никогда не встретишь в средних широтах.

Разнообразия добавляют космические лучи — заряженные частицы, приходящие из глубин Галактики и даже из других галактик. Плазма солнечного ветра, геомагнитное поле, атмосфера — все это препятствия на пути космических лучей.

В отличие от неуловимых нейтрино, эти гости из глубокого космоса никогда не достигают поверхности Земли: они сталкиваются с атомами воздуха и порождают целые ливни вторичных частиц. В полярных регионах, где практически буквально «своя атмосфера», этот космический бег с барьерами тоже может выглядеть необычно.

В общем, Антарктика, так же, как и Арктика, — природная лаборатория для изучения связей Земли и космоса. На многих антарктических станциях (например, на российских станциях Мирный, Восток, Новолазаревская) следят за состоянием ионосферы и геомагнитного поля. А крупнейший детектор космических лучей в Антарктиде расположен на австралийской станции Моусон.

Марс под боком

У исследователей космоса есть еще одна причина интересоваться Антарктидой. Это самый похожий на Марс уголок Земли. На Красной планете холодно: даже на экваторе среднегодовая температура ниже –40 °С.

Но этим не удивишь полярников со станции «Восток», где она ниже –55 °С. Кстати, именно метеостанция «Восток» 21 июля 1983 года зафиксировала самую низкую температуру воздуха на Земле за всю историю наблюдений: –89,2 °С.

Особенно похожи на Красную планету районы Антарктиды, лишенные льда, например, сухие долины Мак-Мердо. Не зря здесь испытывали аппаратуру для американского аппарата «Викинг», севшего на Марс в 1976 году. К слову, системы «Викинга» не обнаружили жизни в местном грунте. И все же она здесь есть, очень скудная, зато неприхотливая. Здешние грибы выдержали полтора года за бортом МКС в специальной капсуле, имитирующей марсианские условия!

На ледяном континенте испытывают не только космическую технику, но и «космических людей». Еще в 1960-е и 1970-е гг. на станции «Восток» имитировались долгие космические полеты. Эти исследования возобновились в 2018 году, когда в нашей стране вновь заговорили об освоении Луны.

Условия, что называется, приближены к боевым. Девять месяцев в году «Восток» отрезан от внешнего мира: никакой транспорт не выдержит местных морозов. Полярникам, как и космонавтам, в любой ситуации приходится рассчитывать только на себя.

Вылазка за пределы станции напоминает выход в открытый космос: ужасающие температуры, кромешная тьма полярной ночи или сияние незаходящего солнца, обжигающее незащищенные глаза. Да еще и кислорода в воздухе мало: все-таки почти три с половиной километра над уровнем моря. И все же главное испытание — долгая изоляция в ограниченном пространстве, скудность и однообразие быта, нехватка новых впечатлений.

Первопроходцев Антарктиды влекли те же страсти, что и покорителей космоса. Дерзость, стремление выйти за привычные границы, жажда познания. Говорят, Джордж Мэллори на вопрос, почему он хочет подняться на Эверест, ответил: «Потому что он существует». Возможно, это и есть самый честный ответ, почему человек упрямо рвется в самые негостеприимные уголки планеты и за ее пределы.

_{Фото: KATHERINE JOY / ANTARCTIC SEARCH FOR METEORITES PROGRAM / CASE WESTERN RESERVE UNIVERSITY; MARTIN WOLF / ICECUBE / NSF; UNIVERSITY OF CHICAGO; PETER LAYT / AUSTRALIAN ANTARCTIC PROGRAM; RALPH LEWIS}

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 1, февраль 2023}