Складки на ткани пространства-времени - Говерт Шиллинг

Проект Большого криогенного гравитационно-волнового телескопа был представлен японскому правительству в самом начале нового тысячелетия. LIGO готовилась к первому научному пуску в Хэнфорде и Ливингстоне, Virgo строилась. Все понимали, что гравитационно-волновую астрономию ждет блестящее будущее. Японские ученые хотели застолбить себе место в новом научном поле. Возникла мысль построить детектор под землей, в шахте Камиока, чтобы избавиться от большей части низкочастотного сейсмического шума. Охлаждение зеркал до сверхнизких температур (отсюда слово «криогенный» в названии) снизило бы тепловые помехи. При низких температурах аморфный кварц не лучший выбор, и зеркала решено было изготовить из сверхчистых искусственно выращенных сапфировых кристаллов.

После нескольких неудач проект был одобрен в июне 2010 г., вскоре после того, как Наото Кан (руководитель Демократической партии Японии) занял пост премьер-министра. Не успело начаться строительство, разразилась катастрофа 11 марта 2011 г. – землетрясение Тохоку и вызванное им мощное цунами стали препятствием для финансирования работ. Только в 2012 г. корпорация Кадзима, одна из крупнейших строительных компаний Японии, начала рыть 3-километровые туннели будущей KAGRA. Работы были выполнены всего за два года – по словам Фламинио, это самый быстрый проект в Японии, связанный с проходкой туннелей.

Тем временем в близлежащей пещере создавалась Криогенная лазерно-интерферометрическая обсерватория – 100-метровый прототип для тестирования системы с глубоким охлаждением зеркал. Вакуумная система KAGRA была завершена в 2015 г. В том же году установили большую часть оборудования интерферометра. Первый научный запуск Initial KAGRA (iKAGRA) состоялся через несколько недель после сообщения LIGO об открытии GW150914, правда, без криогенного охлаждения и дополнительных зеркал, которые должны будут образовать резонатор Фабри – Перо, увеличивающий длину пути и мощность лазерного импульса.

_________

Роскошный скоростной поезд синкансэн за два часа домчит вас от токийской станции Уэно до Тоямы на западном побережье[133]. Там я ранним утром сажусь на автобус и еду в горы. Ошеломительные 75 минут подъема по крутому, поросшему лесом склону среди клочьев тумана, и я выхожу у почтового отделения крохотной шахтерской деревушки Модзуми сразу за границей префектуры Гифу. Горный промысел в этих местах начался еще в VIII в. Шахта Камиока, где добывались цинк и свинец, названная как и городок километрах в десяти вниз по дороге, была закрыта в 2001 г., но здесь до сих пор живет несколько шахтерских семей.

Штаб-квартира KAGRA[134] размещается в новом здании, возвышающемся над деревней. Из уважения к японским традициям я переобуваюсь в шлепанцы, приготовленные для посетителей у входа. К сожалению, они малы для моих голландских ног. Сотрудник подразделения по изучению гравитационных волн NAOJ Ёити Асо сопровождает меня в маленькое помещение управления, где два десятка человек собрались на утреннее десятиминутное совещание. Затем он обряжает меня в каску и светоотражающий защитный жилет, и мы едем около 5 км до входа в шахту, спускаясь на тысячу метров ниже подножия горы Икэно – Икэнояма.

За последние десятилетия шахта Камиока превратилась в многофункциональную физическую лабораторию. В 1991 г. здесь начали рыть огромную пещеру, в которой теперь размещается «Супер-Камиоканде», один из крупнейших в мире детекторов нейтрино (о чем свидетельствуют три последние буквы названия). По сути, это гигантский резервуар из нержавеющей стали высотой 41,4 м и диаметром 39,3 м, заполненный 50 000 т сверхчистой воды. Внутренняя поверхность цилиндра выложена 11 000 фотоэлектронных умножителей – изготовленных методом ручного дутья трубок около 50 см диаметром каждая. Они регистрируют слабые вспышки света, вызванные редкими взаимодействиями высокоэнергетических нейтрино с молекулами воды. В подземной обсерватории Камиока работают и другие инструменты: детектор антинейтрино на жидком сцинтилляторе Камиока и Ксеноновый детектор слабо взаимодействующих массивных частиц, занимающийся поиском темной материи.

Другим горизонтальным туннелем Асо доставляет меня в центральную зону интерферометра KAGRA, где в полном разгаре идет апгрейд оборудования. Впечатляющее зрелище: в огромной полости теснятся блестящие вакуумные резервуары, портальные краны, строительные леса, вилочные погрузчики, путепроводы для лазерного излучения с массивными фланцами на болтах и стойки с электроникой. Резкий контраст грубо обработанной скалы и высокотехнологичного оборудования создает сюрреалистическое впечатление секретной подземной лаборатории безумного ученого из фантастического фильма.

Недостатки размещения гравитационно-волновой обсерватории под землей также очевидны. Вырубленные в скале стены были обработаны противопылевым покрытием, но в пещере, разумеется, не может быть так же чисто, как в центральных зданиях LIGO или Virgo. Самые чувствительные части оборудования спрятаны в «скафандры» – большие пластиковые палатки, куда под давлением нагнетается очищенный воздух.

Намного более серьезной проблемой является вода. Как знает любой спелеолог, в пещерах очень сыро. Относительная влажность в гроте KAGRA 75–100 %. Гора «работает» как губка, объясняет Асо, – поглощает дождевую воду, которая сочится через стены пещер и двух 3-километровых туннелей. Из-за давления грунтовых вод подмокают даже полы туннелей. Воды очень много: в среднем около 500 т в час – 1 % объема детектора Камиоканде.

Асо ведет меня в ближайший конец одного из сырых тускло освещенных туннелей. Стальным трубам из нержавеющей стали влага не страшна, но вода стоит на полу туннеля, и я постоянно слышу звук падающих капель. Часть потолка покрыта огромными листами пластика. Для улучшения дренажа туннели проложены не строго горизонтально, а с уклоном около 2°. Из-за этого зеркало KAGRA также должно быть слегка наклонено – очередная технологическая сложность.

Стены центрального грота также по большей части затянуты пластиком. Вода и здесь главный враг. Проблема встала особенно остро весной 2015 г., когда уровень воды в некоторых местах пещеры достигал 10 см и полы туннеля были совершенно мокрыми. Со сводов капало на скафандры с оборудованием. Монтаж вакуумной системы пришлось отложить на два месяца. Зима того года выдалась снежной, и талые воды оказались очень обильными. Возможно, сказалась и недавняя прокладка туннелей с помощью динамита, повысившая давление грунтовых вод. В год моего визита (я приехал в KAGRA в начале июля 2016 г.) ситуация улучшилась. То ли Икэнояма восстановила состояние равновесия, то ли помог Эль-ниньо 2015 г. – это климатическое событие сопровождается значительным уменьшением количества снега. «Посмотрим, что будет дальше», – замечает Асо.