Лаборатория размером со Вселенную: за какими экспериментами следят астрономы

Современная картина мира, возможно, показалась бы ученым, работавшим всего столетие назад, безумной: у Вселенной появился возраст, мы знаем, что некоторая время назад она возникла и с тех пор непрерывно расширяется (да еще и с ускорением). Сама природа времени и пространства оказалась иной, не говоря уже о том, что на месте единственного «звездного острова» появились миллиарды и миллиарды галактик, которые объединяются в скопления, а те — в сверхскопления, образуя огромную трехмерную паутину с пустотами-войдами.

Оказалось, что «обычное» вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов — только небольшая часть массы Вселенной, и значительно большая ее доля приходится на темную материю, природа которой нам совершенно неясна, но которая при этом сделала возможным появление звезд и галактик. А еще существует загадочная темная энергия, и под ее действием Вселенная расползается с ускорением. И мы не имеем ни малейшего понятия, что это. 

А еще астрономы научились видеть не только видимый свет, но и рентген, и гамма-излучение, и радиоволны, и гравитационные волны и обнаружили множество новых странных объектов — от черных дыр и нейтронных звезд до квазаров и «горячих юпитеров».

Поэтому астрономия, которая многие века была по преимуществу наукой математической — дисциплиной, нужной для точного описания движения небесных тел в основном в целях навигации, изменилась до неузнаваемости. Сегодня это в большей степени астрофизика, а астрономы теперь — это люди, тщательно наблюдающие за экстремальными экспериментами с материей, которые ставит природа.

Вселенная не только фантастически расширилась и заполнилась странными объектами и процессами, она превратилась в огромную лабораторию, и нужно лишь найти способы увидеть, какие именно эксперименты там ставятся, и какие знания о природе материи, пространства и времени они дают. И в последние десятилетия количество и качество «глаз», смотрящих во Вселенную, изменилось самым кардинальным образом.

Как мы смотрим?

Все предшествующие века мы смотрели на Вселенную сквозь «замочную скважину» — узкий фрагмент электромагнитного спектра от 380 до 780 нанометров, то есть диапазон видимого света. Но в XX веке мы перекрыли этот спектр практически от начала и до конца — от гамма-излучения до радиоволн. Во многих случаях нам приходилось выводить наблюдательные устройства в космос, потому что атмосфера непрозрачна для значительной части электромагнитного спектра, и в окрестностях Земли работали и работают космические телескопы, один перечень названий которых занял бы несколько десятков строк. Расскажем о некоторых из последних пополнений.

Изучаем центральную машину

В конце 1950-х годов ученые с помощью радиотелескопов начали обнаруживать странные объекты: они были очень яркими в радиодиапазоне, но в оптике были либо вовсе не видны, либо на их месте были очень слабые звезды, спектр которых был крайне необычным. Природа этих квазизвездных радиоисточников или квазаров стала ясна уже в 1970 годы, когда удалось установить, что эти объекты находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от нас, и представляют собой активные ядра галактик. 

Согласно современным представлениям, в центре большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Материя, которую такая черная дыра притягивает, образует аккреционные диски и джеты — разогретые до температур в миллионы градусов, они светят во всех диапазонах, с яркостью миллионов звезд.

Характеристики этих дисков и джетов, помимо того что они позволяли исследовать свойства материи в экстремальных условиях, могли дать сведения о черной дыре — «центральной машине», чье тяготение создавало эту иллюминацию. А кроме того, поведение вещества на границе горизонта событий черной дыры может в перспективе указать путь к решению главной проблемы физики — поиску «моста» между квантовой механикой и теорией относительности. 

Исследование активных ядер галактик было одной из главных задач самого крупного в истории космического радиотелескопа — «Радиоастрона», идея которого была сформулирована еще в 1965 году астрофизиком Николаем Кардашевым.

Космический аппарат «Спектр-Р» с десятиметровой антенной этого радиотелескопа был выведен на орбиту в 2011 году. Хотя он и был включен в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой в истории космический радиотелескоп, главное его преимущество было не в размере собственно космической антенны, а в возможности создать наземно-космический интерферометр — то есть вести одновременные наблюдения с орбиты и с наземных радиотелескопов. Такие наблюдения с двух разнесенных в пространстве точек дают значительно большее пространственное разрешение.

«Радиоастрон», двигаясь по орбите, удалялся от Земли на дистанцию в 344 тысячи километров, таким образом интерферометр с его участием не был ограничен размерами нашей планеты и обеспечивал рекордное пространственное разрешение — до 8 микросекунд дуги. Для сравнения: разрешение телескопа «Хаббл» составляет 0,05 угловой секунды, то есть интерферометр с участием «Радиострона» смог бы разглядеть на Луне объект размером  3 см (если бы он излучал в радиодиапазоне).

За семь с половиной лет работы «Радиоастрон» провел более 4 тысяч сеансов наблюдений, в которых участвовали в общей сложности 58 наземных радиотелескопов.

Собранные данные позволили астрономам увидеть тонкие детали джетов — потоков вещества, выбрасываемых квазарами, в частности определить их структуру и динамику, механизмы «работы», получить рекордно четкое изображение такого джета, увидеть, как излучение квазаров рассеивается в межзвездной среде.

Однако в деталях разглядеть центральную машину «Радиоастрон» не смог, приблизиться к ней получилось у другого радиоинтерферометрического проекта — «Телескопа горизонта событий».

Поймать тень

Запущенный в 2009 году «Телескоп горизонта событий» — самый крупный и самый амбициозный современный радиоинтерферометрический проект, который объединил 13 научных организаций. Принцип работы был тот же, что и у наблюдений с помощью «Радиоастрона» — наблюдения с помощью радиотелескопов в разных концах Земли, однако у EHT было одно преимущество: миллиметровый диапазон, который, в отличие от сантиметрового в случае «Радиоастрона», позволяет видеть более мелкие детали.

Суммирование данных с многих радиотелескопов и их тонкая и многолетняя обработка позволила в итоге впервые в истории получить изображения тени черной дыры — сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87 и нашей «домашней» черной дыры — Стрельца А*.

Астрономы продолжают наращивать возможности глобального телескопа, снижают длину волны для наблюдений — до 0,8 миллиметра, и возможно, в перспективе он сможет действительно увидеть объекты размером с горизонт событий черной дыры. 

Российский космический миллиметровый телескоп «Спектр-М», если он будет запущен в ближайшие десятилетия, возможно сможет присоединиться к наблюдениям и сможет серьезно улучшить пространственное разрешение.

Волны пространства 

Пока радиоастрономы рассчитывают разглядеть черные дыры в электромагнитном спектре, к ним пришла помощь совершенно с другой стороны — не из электромагнитного спектра: физики смогли зафиксировать предсказанные Эйнштейном за 100 лет до того гравитационные волны, и волны эти были порождены никогда до этого не наблюдавшимися событиями — слияниями черных дыр.

Гравитационные волны — колебания пространства-времени, спровоцированные ускоренным движением массивных тел, — пытались засечь со второй половины 1960-х годов, но безуспешно. Только в начале XXI века были созданы огромные лазерные интерферометры LIGO, которые смогли впервые обнаружить гравитационные волны. Чтобы засечь сверхмалые смещения зеркал интерферометров (в 10 тысяч раз меньше диаметра протона), пришлось избавляться от квантового шума — и здесь пригодился опыт российских ученых под руководством профессора Владимира Брагинского. 

Первые шаги гравитационной астрономии позволили «увидеть» черные дыры значительно больших масс, чем те, которые мы можем наблюдать благодаря взаимодействию со звездами. Это так называемые черные дыры промежуточной массы, происхождение которых до сих пор остается неясным. Кроме того, гравитационные обсерватории вместе с электромагнитными смогли увидеть вспышку килоновой — событие слияния двух нейтронных звезд. 

Развитие гравитационных телескопов в перспективе позволит видеть реликтовые гравитационные волны — следы гравитационного «шума», который возник в конце периода инфляционного расширения Вселенной, что позволит больше узнать о ранних стадиях истории мира вскоре после Большого взрыва. Некоторые теории, например теория струн, предсказывают существование других типов гравитационных волн — если они будут обнаружены, это будет означать, что они станут основой для серьезных теорий.

Вселенную — насквозь!

Помимо гравитационных и электромагнитных волн, у астрономов есть еще один источник информации о Вселенной — частицы и ионы, которые со всех сторон летят к Земле. В их числе, например, так называемые галактические космические лучи — протоны и тяжелые ядра очень высоких энергий, которые рождаются при вспышках сверхновых. Попадая в атмосферу, они порождают потоки вторичных частиц — так называемые широкие атмосферные ливни, которые фиксируют многочисленные детекторы в разных странах. 

Однако больше всего интересуют ученых частицы, которые никаких ливней не создают, а наоборот, проходят сквозь нашу планету, вовсе не заметив ее, — это нейтрино. Поток этих частиц, летящих почти со скоростью света, пронизывает всю Вселенную, и, поскольку у них нет электрического заряда, на них не влияют ни излучение, ни материя, ни магнитные поля. Нейтрино, родившиеся в ядерных реакциях в недрах звезды, или в момент взрыва сверхновой, несут информацию об этих событиях на огромные расстояния, нигде не отклоняясь от траектории, практически не поглощаясь, и задача ученых состоит только в том, чтобы их поймать.

Это была непростая задача. Существование нейтрино было предсказано в 1930 году, а обнаружить его удалось лишь через 26 лет, в 1956 году. Чтобы засечь крайне редкие случаи взаимодействия нейтрино с материей, нужны огромные объемы этой материи, за которыми при этом приходится наблюдать месяцы и годы, чтобы «поймать» единичные события. Нейтринные телескопы Земли смогли засечь сверхновую SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке, поймав в общей сложности 25 нейтрино.

Сейчас нейтринные телескопы еще наращивают свои возможности: телескоп IceCUBE в Антарктиде уже работает, российский нейтринный телескоп Baikal-GVD на Байкале достраивается. В перспективе эти установки, вместе с напарниками в разных концах Земли, смогут увидеть следы взрывов сверхновых и других событий — без ограничений на расстояния.

Следы темной материи

Космические лучи, возможно, смогут дать ответ на еще одну загадку — загадку природы темной материи. Одна из гипотез гласит, что темная материя состоит из вимпов (WIMP — слабо взаимодействующих массивных частиц), и они могут аннигилировать друг с другом, порождая уже «обычные» частицы — фотоны, нейтрино или позитроны.

Наблюдения за потоками космических частиц могут помочь увидеть следы этой аннигиляции — увидеть «избыток» частиц, который может быть объяснен именно аннигиляцией вимпов. И некоторые намеки на это ученые получали.

В частности, российско-итальянский космический эксперимент Pamela (этот телескоп был установлен на российском аппарате «Ресурс-ДК») в 2010 годах показал некоторый избыток потока космических позитронов, который можно было интерпретировать как продукт аннигиляции частиц темной материи. Эти же задачи решали другие проекты, например аппарат AMS-02, установленный на МКС, и гамма-телескоп «Ферми». Впрочем, пока однозначного ответа на этот вопрос у нас так и нет.

Набираем статистику

Публика любит яркие открытия: если археологическая находка — то килограмм золотых украшений невероятной красоты, если палеонтология — то огромный динозавр. Но часто значительно больше информации приносит анализ так называемого массового материала. Огромное количество глиняных черепков или скучных моллюсков позволяют точно маркировать границы между культурами и геологическими эпохами, а это может быть важнее ярких, но единичных открытий. 

Астрономия только отчасти состоит из изучения отдельных объектов — конкретных черных дыр, сверхновых или звездных систем, очень много веса занимают обзорные наблюдения, планомерное сканирование больших участков неба (а иногда и всего небосвода) в разных диапазонах электромагнитного спектра, составление карт.

И такие обзорные наблюдения — едва ли не главный источник наших сведений об истории и эволюции Вселенной. Именно обзорные телескопы — COBE, WMAP и «Планк» позволили составить высокоточную карту космического микроволнового излучения, и в частности, уточнить долю темной материи во Вселенной. Обзорные проекты позволили составить карту нашей собственной Галактики, определить крупномасштабную структуру Вселенной (например, обзор SDSS), увидеть распределение далеких квазаров. 

Один из главных обзорных инструментов — российский космический телескоп «Спектр-РГ», задача которого — составить полную рентгеновскую карту неба и увидеть, скажем, все скопления галактик. Российские астрономы, например на телескопе БТА на Кавказе, ведут исследования и разнообразия галактик, анализируют их «зоопарк», помимо прочего это дает возможность лучше понять историю Вселенной — чтобы сравнить с современными далекие галактики, которые «Хаббл» и «Вебб» видят такими, какими они были через несколько миллионов лет после Большого взрыва. 

Планеты без Солнца 

Огромным прорывом для астрономии (отмеченным Нобелевской премией по физике за 2019 год) стало открытие планет за пределами Солнечной системы. Весь XX век ученые считали, что обнаружить планеты у других звезд почти невозможно — их слабое свечение полностью заглушается сиянием их светил.

Однако эту проблему удалось решить — с помощью спектроскопии. Тяготение планет очень слабо, буквально на считанные метры, смещает звезды, и это дополнительное движение видно благодаря эффекту Доплера. Высокоточная спектрометрия позволяет увидеть эти смещения и определить (точнее сказать, ограничить) массу невидимых спутников звезды, и если эта масса окажется меньше звездной, говорить об открытии планеты.

Но еще более продуктивным, чем метод лучевых скоростей, оказался метод транзитов — выяснилось, что не нужно пытаться разглядеть слабый источник излучения в окрестностях звезды, а нужно лишь следить за падением яркости светила, вызванным микрозатмением, прохождением планеты по ее диску. Для этого нужно лишь с высокой точностью измерять колебания блеска звезды, и если она снижается на определенное время и с определенной периодичностью, можно говорить о присутствии планеты в окрестностях звезды.

Основанный на использовании этого метода космический телескоп «Кеплер» собрал урожай в тысячи планет. 

У этого метода были свои ограничения — лучше всего так были видны очень массивные планеты на очень близких расстояниях от звезды. Так мы открыли невиданные ранее типы планет -— горячие юпитеры, газовые гиганты, которые находятся на экстремально малом расстоянии от светила (значительно ближе Сатурна). 

Сейчас нам известны более 7 тысяч планет, и ученые продолжают открывать все новые — в надежде обнаружить копии Земли, планеты с твердой поверхностью и атмосферой.

Новая Луна, новый Марс

Сюрпризы нас ждут не только в далекой Вселенной, но буквально на нашем заднем дворе. Долго считалось, что уж Луна-то, ближайшее к нам небесное тело, изучена досконально — раз там побывали даже американские астронавты и советские луноходы. Но и она сумела нас удивить.

Исследования полярных областей Луны с помощью аппарата LRO в начале 2000-х годов доказало, что в постоянно затененных кратерах у полюсов спутника есть запасы водяного льда. Ведущую роль в получении этих результатов сыграли российские исследователи. Нейтронный телескоп ЛЕНД, созданный в ИКИ группой под руководством Игоря Митрофанова, увидел темные зоны, зоны, где лунная поверхность поглощала нейтроны, а значит содержала большую долю водорода — то есть водяного льда.

Это открытие превратило приполярные зоны Луны в место паломничества — туда пытаются отправить свои космические аппараты Россия, Индия, Китай, США и Израиль. Запасы воды на месте означают не только возможность обеспечивать водой лунные обитаемые станции, но и топливо — космические корабли. Луна может стать заправочной станцией для полетов в дальний космос.

Не менее интересные вещи мы обнаруживаем на Марсе — зонд Марс-Одиссей, а точнее прибор ХЕНД, созданный группой того же Игоря Митрофанова, доказал, что подпочвенная мерзлота,  то есть водяной лед, залегает повсюду вплоть до средних широт Марса, а в некоторых районах — и в экваториальной зоне. 

Работа марсоходов позволила обнаружить многочисленные следы деятельности гидросферы на Марсе непосредственно на поверхности, и сейчас дело за тем, чтобы попытаться обнаружить следы жизни — в прошлом или в настоящем планеты.

Воду на самой близкой к Солнцу планете — Меркурии — будет искать и европейский аппарат «Бепи-Коломбо», и на его борту тоже стоит российский детектор MGNS.

Астрономию можно назвать самой главной наукой: только наблюдая Вселенную, можно найти ответы на все главные вопросы — об истории мира, о его будущем и его эволюции, о природе пространства и времени, о природе материи. Возможно, изучение черных дыр даст нам возможность построить теорию квантовой гравитации, возможно, астрофизические наблюдения в конце концов расскажут нам, что такое темная материя и темная энергия. Возможно, что мы сможем отыскать признаки существования жизни за пределами Земли, а может быть — и разумной жизни. Невозможно даже в очень большой книге описать все те странные и удивительные явления и процессы, которые ученые увидели во Вселенной, но одно можно сказать точно: еще больше удивительного нам предстоит увидеть.

_{Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.}