Фотография взрыва от американского ядерного испытания в космосе, известного как Starfish Prime, 9 июля 1962 года

Ядерные взрывы в космосе, проведенные Соединенными Штатами в 1960-х годах, вызывали впечатляющие полярные сияния и вырубали электроэнергию на Земле. Если бы подобный эксперимент был проведен в орбите сегодня, мы бы потеряли навигацию, связь и прогнозирование погоды на долгий срок. Космос сейчас плотно населен спутниками, которые не смогли бы выжить под воздействием электромагнитного импульса и потока частиц от ядерного взрыва. Однако американские чиновники обеспокоены тем, что российская военная сила рассматривает возможность такого удара против космических констелляций — что дает украинской армии преимущество — и даже запускает космические аппараты для тестирования компонентов будущей “ядерной мины”. Насколько реальна эта угроза? И действительно ли кто-то поместил оружие на орбиту? Арег Данагулиан, американский физик, отвечает на эти вопросы.

Проблема поиска ядерного оружия: Почему так сложно найти бомбу на Земле?

Никто не может подорвать ядерную бомбу, даже в самом отдаленном уголке земного шара, не будучи замеченным. Глобальная сеть мониторинговых станций, контролируемая Организацией всеобъемлющего договора о запрете ядерных испытаний – сейсмическая, гидроакустическая, инфразвуковая и радионуклидная – немедленно зарегистрирует такое событие. В отсутствие ядерных испытаний эти же станции отслеживают атмосферные взрывы космических тел, таких как метеор Челябинска.

Обнаружение ядерной боеготовности — или ее компонентов — намного сложнее. Уран и плутоний высокого качества излучают нейтроны и гамма-излучение. Но эта активность очень низкая. На расстоянии всего от 10 до 20 метров (около 30 до 65 футов) — в зависимости от того, основано ли устройство на плутонии или уране — излучаемое им излучение едва отличимо от естественного фона. Простой дозиметр не поможет в этом случае. Он считывает только общий фон, не может отличить гамма-лучи от тока нейтронов и легко сбивается другими источниками радиации, такими как гранит.

Обнаружение ядерного оружия требует сложных, специализированных детекторов: инструменты, способные строить спектры гамма-лучей с высокой точностью и измерять энергию и поток нейтронов. Именно это позволяет им отличить ядерную боеголовку на основе урана или плутония от совершенно другого объекта.

Даже это не всегда достаточно. В 2002 году журналисты из ABC News тайно пронесли 15 фунтов обедненного урана — который, когда он защищен, излучает подпись радиации, очень похожую на ту, что используется в высоко обогащенном уране в бомбах — через таможню в порту Нью-Йорка, спрятав его в грузовом контейнере. Таможенные офицеры отметили контейнер как высокорискованный и все равно его проверили. Их оборудование не заметило уран.

Более надежный подход использует активные детекторы, которые испускают поток нейтронов или гамма-излучение сами по себе. Нейтроны “разрывают” ядра урана или плутония и генерируют новые нейтроны, выявляя наличие деления материала. Если объект, обстрелянный нейтронами, излучает мощный поток нейтронов, это ядерное устройство.

В июле 1989 года советские и американские физики провели совместный полевой эксперимент по обнаружению ядерной боеголовки на борту советского крейсера “Слава” — позднее переименованного в “Москва”, и сейчас на дне Черного моря. Специалисты из Американского совета по природным ресурсам использовали высокоразрешающий полупроводниковый детектор, построенный на основе германия высокой очистки. Его разместили на корабле рядом с ракетой, в трех метрах (около 10 футов) от крышки запускной трубы. Советские ученые из Института Курчатова пытались обнаружить боеголовку с вертолета, который облетал крейсер на расстоянии от 30 до 80 метров (около 100 до 260 футов). Вертолет нес систему “Советник” с датчиками нейтронов гелия-3. Американский детектор обнаружил, что боеголовка содержала мало урана-238 — не более 4% — и некоторое количество урана-232, что указывало на ядерный реактор. Советское устройство обнаружило нейтроны, исходящие от боеголовки, с расстояния 76 метров (около 250 футов). Эксперимент показал, что ядерные боеголовки на морских крылатых ракетах могут быть обнаружены — что означало, что стратегический договор об ограничении стратегического вооружения, будущий СТАРТ, мог бы быть подтвержден.

Если поиск бомбы на Земле уже сложен, становится ли еще сложнее это сделать в космосе?

Да. Статья IV Договора о деятельности в космосе запрещает размещение ядерного оружия в космосе или его установку на небесных телах. Но проверить соблюдение этого запрета гораздо сложнее, чем договор о запрете ядерных испытаний.

Если для обнаружения бомбы, находящейся всего на несколько десятков метров от вас, требуется сложное оборудование, то найти ядерное оружие на борту спутника в сотнях или тысячах километров вверху гораздо сложнее. И не только из-за расстояния: слабое излучение ядерной боеголовки легко теряется на фоне космического излучения.

Арег Данагулиан, физик, специализирующийся на контроле ядерного оружия в Массачусетском технологическом институте, является одним из людей, работающих над этим вопросом. В интервью для подкаста Nature, Данагулиан заявил, что Соединенным Штатам нужны надежные способы обнаружения оружия на борту космических аппаратов в момент, когда подозрения среди ядерных держав достигают верхней точки и обвинения в “милитаризации” космоса становятся все более частыми.

По его словам, в теории, небольшой инспекционный спутник мог бы быть направлен к подозрительному космическому объекту и, однажды рядом с ним, осветить его потоком частиц или излучением, чтобы запустить процесс, который мог бы выявить наличие ядерного оружия на борту. “Но это довольно враждебный акт. Другая сторона может подумать, что вы пытаетесь уничтожить их спутник”, — сказал Данагулиан.

Его решение — позволить природе провести исследование: обнаруживать вторичные частицы, которые естественные частицы из космоса выбивают из ядерного устройства. В этом случае страна, запустившая подозрительный объект, не имела бы оснований обвинять кого-либо в атаке.

Данагулиан предложил использовать естественные протоны с энергией более 750 миллионов электрон-вольт в качестве источника внешнего потока частиц.

Эти протоны имеют сложное происхождение. Высокоэнергетические космические частицы извне солнечной системы — известные как галактические космические лучи — сталкиваются с атомами в верхней атмосфере и порождают обширные воздушные душки, состоящие из разнообразных частиц: мезоны, мюоны и нейтроны. Большинство из них падают на Землю, но некоторые поднимаются в радиационные пояса, где нейтроны распадаются на протоны и электроны.

Когда такой протон с энергией около миллиарда электрон-вольт встречается с ядром тяжелого элемента — например, ураном или плутонием — происходит реакция, известная как спалляция: протоны и нейтроны вышибаются из ядра сразу всех вместе. Протоны, поскольку они несут электрический заряд, замедляются веществом, а нейтроны продолжают движение. Физики используют этот же процесс для генерации потоков нейтронов в своих собственных лабораториях.

“Один протон с правильной энергией может произвести, в зависимости от условий, от 10 до 14 нейтронов”, – сказал Данагулиан.

Чтобы определить, несет ли подозрительный космический аппарат ядерную боеголовку, достаточно обнаружить характерный поток нейтронов, исходящий от него.

Предложение Данагулиана: как работает естественный ядерный инспектор?

Согласно расчетам Данагулиана, спутник-детектор мог бы быть небольшим CubeSat в формате 9U — девять кубов размером 10 сантиметров (около 4 дюймов), сложенных вместе.

Детектор сам по себе состоит из двух панелей размером 30 на 30 сантиметров (примерно 12 на 12 дюймов), разделенных зазором в 10 сантиметров (около 4 дюймов). Панели сделаны из пластикового сцинтиллятора — любого вещества, которое излучает вспышку света, когда на него попадает высокоэнергетическая частица, заряженная или нет. Сцинтиллятор покрыт с обеих сторон пластинами кристалла алмаза с одним кристаллом. В отличие, алмаз почти исключительно реагирует на заряженные частицы: они ионизируют атомы углерода, высвобождая электроны и оставляя дыры в пластине, и начинается ток.

Такая конфигурация позволяет автоматически отличить заряженные частицы от нейтральных: если срабатывает только сцинтиллятор, в детектор вошел нейтрон; если сработали и сцинтиллятор, и пластина из алмаза, частица заряженная, и эти данные отбрасываются.

Две панели позволяют детектору определить, с какого направления пришел нейтрон, разделяя частицы, вылетевшие из “подозреваемого”, от случайных.

Чтобы определить, несет ли космический аппарат ядерную боеголовку, инспектору Данагулиана нужно оставаться в пределах четыр