Проблемы с инфраструктурой могут замедлить планы строительства телескопа на Южном полюсе | Наука

На протяжении десятилетий Южный полюс был страной чудес для физиков. Они смотрели на его удивительно чистое небо, чтобы изучить послесвечение Большого взрыва — космический микроволновый фон (CMB) — и использовали сам лед, чтобы обнаружить почти незаметные частицы, называемые нейтрино, вылетающими из других галактик. Но планы двух новых крупных проектов на полюсе могут быть отложены на годы из-за менее серьезных проблем с инфраструктурой и ограниченного электроснабжения.

В письме «Уважаемый коллега» от 12 июня Национальный научный фонд (NSF) сообщил исследователям, что после блокировки из-за пандемии он должен заняться незавершенным техническим обслуживанием на нескольких объектах в Антарктике. На Южном полюсе в течение следующих нескольких лет агентство будет поддерживать только те эксперименты, которые уже одобрены для продолжения. “[P]тем, кто ищет поддержки для новых проектов на Южнополярной станции, следует проконсультироваться с компетентным сотрудником программы, чтобы обсудить альтернативные места», — говорится в письме.

Это предложение заставило физиков задуматься, когда NSF приступит к реализации двух крупных проектов, которые должны быть построены на полюсе. Один разместит там новые ы реликтового излучения, а другой расширит гигантский нейтринный детектор IceCube. Проекты, известные как CMB-S4 и IceCube-Gen2, нацелены на то, чтобы начать строительство в течение 5 лет. «Возможно, в ближайшие несколько недель мы немного проясним, что на самом деле означает письмо «Уважаемый коллега», — говорит Мэри Холл Рено, физик-теоретик из Университета Айовы.

Предупреждение NSF прозвучало в деликатное время, поскольку к октябрю специальная группа по определению приоритетов проекта по физике элементарных частиц (P5) должна сформулировать новый 10-летний план для физики элементарных частиц в США. «Проблема в том, что никто не знает» истинных сроков реализации проектов, — говорит Хитоши Мураяма, теоретик из Калифорнийского университета в Беркли, возглавляющий P5.

Но физики, возможно, забегают вперед, говорит Джеймс Ульвестад, исполняющий обязанности директора отдела полярных программ Национального научного фонда. Он отмечает, что ни один из проектов не продвинулся дальше фазы исследований и разработок, не говоря уже о том, чтобы получить одобрение Конгресса на строительство или финансирование. «Простое прохождение этого процесса и последующая подготовка к строительству почти неизбежно приближают вас к концу десятилетия», — говорит он. Он добавляет, что в настоящее время проекты, вероятно, потребуют больше электроэнергии, чем может обеспечить Южнополярная станция.



CMB-S4 призван стать окончательным наземным исследованием затяжного излучения Большого взрыва, которое дает много ключей к разгадке происхождения и структуры Вселенной. В результате сотрудничества NSF и Министерства энергетики на сумму 840 млн. долл. CMB-S4 установит два 6-метровых микроволновых телескопа в Чили, а также один 5-метровый и девять 0,5-метровых телескопов на Южном полюсе. Те, кто находится на полюсе, будут необходимы для ключевой цели: обнаружения вихревых завихрений в поляризации реликтового излучения, известных как первичные B-моды. Эти вихри будут сигналом искажения пространства, называемого гравитационными волнами, пронизывающими раннюю Вселенную, что, в свою очередь, будет свидетельством того, что новорожденный космос претерпел экспоненциальный всплеск роста, известный как инфляция.

Команда CMB-S4 готова начать подготовку площадки, как только она получит добро, надеюсь, в 2028 году, говорит Джон Карлстром, астрофизик и член команды Чикагского университета. Он отмечает, что есть некоторая срочность, поскольку в этом году Япония планирует запустить космический корабль под названием LightBIRD, который также нацелен на обнаружение первичных B-мод. «Честно говоря, в конце десятилетия работает», — говорит Карлстром. «Но если конец десятилетия станет концом следующего десятилетия, у нас будут проблемы».

IceCube-Gen2 увеличит размер крупнейшего в мире детектора нейтрино, который обнаруживает нейтрино сверхвысоких энергий из космоса с помощью цепочки оптических датчиков, встроенных глубоко во лед. Детекторы 5160 наблюдают за вспышкой света — оптической ударной волной — излучаемой заряженными частицами, образующимися при столкновении нейтрино с атомным ядром. В прошлом году физики IceCube сообщили о 79 нейтрино, исходящих из сердца соседней галактики под названием NGC 1068, первого обнаруженного устойчивого источника внегалактических нейтрино.

В рамках проекта Gen2 будут задействованы еще 9600 оптических датчиков, чтобы увеличить объем детектора с 1 до 8 кубических километров, что позволит обнаруживать больше источников нейтрино и откроет эру нейтринной астрономии. Исследователи надеются развернуть первые новые струны в 2028 году и завершить задачу через 7 или 8 лет. Если проект продлится несколько лет, соавторы могут искать другие проекты, отмечает Рено. «У нас уже была трехлетняя задержка с COVID», — говорит она. «Из-за увеличения задержек вы потеряете человеческие ресурсы, необходимые для поддержания этой сложной программы?»

Но ни один из проектов не может начаться до тех пор, пока NSF не исправит инфраструктуру, говорит Ульвестад. Южнополярная станция Амундсен-Скотт площадью 7400 квадратных метров и вспомогательные здания для IceCube и нынешних телескопов CMB тонут в накапливающемся снегу и должны быть подняты. А 48-летние заснеженные хижины Quonset, которые использовались для хранения топлива, припасов и транспортных средств, нуждаются в укреплении.

Конгресс выделил в этом году на такую ​​работу 60 млн. долл., и NSF планирует потратить аналогичные суммы в ближайшие 2 года. Но логистика доставки материалов и людей на полюс означает, что работы там не начнутся до конца 2026 года и, вероятно, займут 2 или 3 года, говорит Ульвестад. Это отодвигает строительство обоих научных проектов не раньше 2028 или 2029 года.

Это может произойти значительно позже. Прежде чем любой проект может быть представлен на одобрение руководящему Национальному научному совету NSF, он должен пройти стадию проектирования, которая обычно длится от 3 до 6 лет, говорит Линнеа Аваллоне, главный директор NSF по исследовательским учреждениям. «Конгресс, в частности, очень откровенно высказался о том, что хочет, чтобы мы следовали нашим процессам», — говорит она. Таким образом, одобрение может быть получено только в конце десятилетия, а полярные работы начнутся через несколько лет.

Среди нерешенных вопросов дизайна – проблема с электроэнергией. CMB-S4 потребует 170 киловатт, что на 20% больше, чем у нынешних телескопов CMB. В конце концов, IceCube-Gen2 потребует 190 киловатт, что в 2,5 раза больше, чем у IceCube. Но мощность на полюсе ограничена, ее обеспечивает дизель-генератор мощностью от 600 до 700 киловатт.

В принципе, NSF может установить больше генераторов и доставить к полюсу больше топлива, говорит Альбрехт Карле, физик и член команды IceCube из Университета Висконсин-Мэдисон. Большая часть топлива буксируется по суше на расстояние 1600 километров от станции Мак-Мердо на побережье с помощью тракторов в рамках так называемого маршрута Южного полюса, который проводится с 2006 года.

Это не обязательно так, говорит Улвестад. По его словам, NSF совершает три траверса за сезон, и по соображениям безопасности увеличение этого числа маловероятно. По словам Ульвестада, для увеличения пропускной способности сети на Южном полюсе также потребуется отдельный проект, даже не предложенный до сих пор, который, вероятно, не может быть реализован задолго до 2040 года.

Опоздание в следующее десятилетие — это именно то, чего физики надеются избежать. «Было бы стыдно думать, что после всех этих лет, даже десятилетий, мы проиграем» в открытии первобытных режимов B, — говорит Карлстром. «Это было бы похоже на: «Правда, мы сделали это не потому, что ждем, когда здание будет поднято?»