Мал, да удал: компактный телескоп МГУ научился фиксировать редчайшие космические частицы

Группа исследователей из НИИЯФ МГУ и Ереванского физического института имени А.И. Алиханяна добилась значительного успеха в сфере изучения космического излучения сверхвысоких энергий. В ходе экспериментов на высокогорной станции Арагац (Армения) учёные продемонстрировали, что небольшой телескоп SAFT (Small-Aperture Fluorescence Telescope) с диаметром оптики всего 25 см способен успешно фиксировать обширные атмосферные ливни — каскады вторичных частиц, возникающие при входе первичных высокоэнергетических частиц в атмосферу Земли. Этот результат ставит под сомнение необходимость создания громоздких многометровых зеркальных систем, подтверждая перспективность более экономичных и компактных решений.

Принцип работы установки основан на детекции слабого ультрафиолетового свечения азота, возбуждаемого при прохождении через него потока частиц. В то время как классические наземные обсерватории вроде американской Telescope Array применяют зеркала площадью порядка 10 м², команда под руководством Павла Климова сделала ставку на радикальную миниатюризацию, использовав облегчённые линзы Френеля из специализированного УФ-прозрачного полимера. Такой подход обеспечивает мобильность системы, что делает её пригодной как для оперативной калибровки наземных комплексов, так и для установки на борту космических аппаратов.

Главный вызов при работе с малой апертурой заключается в низком соотношении полезного сигнала к шуму. Чтобы выделить треки частиц, специалисты применили передовые методы глубокого обучения. Интеграция свёрточных нейронных сетей (CNN) позволила с абсолютной точностью отфильтровывать реальные атмосферные события от случайных помех, вызванных попаданием заряженных частиц непосредственно в приёмную матрицу.

В результате автоматизированная система обработки успешно верифицировала свыше 15 событий с энергией в диапазоне 1017–1018 эВ, что полностью согласуется с теоретическими прогнозами.

Испытания на высоте 3200 метров стали ключевым этапом подготовки будущих космических миссий, в частности проекта ERA (Extreme Relativistic Astrophysics). Эффективная работа аппаратуры подтвердила надёжность схемотехнических решений, разработанных ранее для спутников линейки «Ломоносов» и орбитального детектора «УФ-атмосфера». Размещение подобных инструментов в космосе превратит атмосферу Земли в масштабный детектор, позволяющий проводить мониторинг обширных территорий для поиска самых энергичных частиц во Вселенной.

В ближайшем будущем разработчики планируют включить эти малые телескопы в структуру сибирской обсерватории Тайга-100. Это позволит создать гибридный комплекс, где компактные оптические модули будут дополнять работу черенковских и сцинтилляционных установок. Совершенствование нейросетевых алгоритмов для оперативной реконструкции параметров первичных частиц открывает новые горизонты в изучении «космических ускорителей» — сверхмассивных чёрных дыр и активных ядер далеких галактик, порождающих экстремальное излучение.

Источник: iXBT