Зачем нам видеть миллионы звезд
Российская космическая обсерватория «Спектр-РГ» уже обеспечила качественный и количественный прорыв в изучении Вселенной
Миллионы новых объектов в космосе увидела российская космическая обсерватория «СпектрРентген-Гамма» («Спектр-РГ»). В этом году она завершила четвертый обзор всего неба, создав самую подробную на сегодня карту Вселенной и обнаружив множество новых черных дыр, нейтронных звезд и катастрофических вспышек. Кроме того, объекты мегасайенс на Земле, такие как коллайдер NICA (см. «Коллайдеры новой эры», «Эксперт» № 26 за 2021 год) или Байкальский нейтринный телескоп (см. «Особенности подледной ловли нейтрино в зимний период», «Эксперт» № 12 за 2021 год), позволят понять и космические явления, и принципы физики элементарных частиц.
Физика макромира и микромира соединяется и в теоретических моделях начала Вселенной, и внутри космических объектов, и в ускорителях частиц на Земле. Так, строящийся в Дубне коллайдер NICA, как ожидается, на короткое время воссоздаст реакции, которые происходят в нейтронной звезде — очень маленьком, но очень плотном космическом объекте.
Фундаментальная физика, несмотря на потрясающий успех теоретической физики, снова становится во многом экспериментальной наукой. Именно в наблюдениях в ускорителях и в обсерваториях произошли и ожидаются в будущем окна в новую физику. В 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК) был открыт бозон Хиггса, недостающее на тот момент звено в Стандартной модели элементарных частиц, именно хиггсовское поле дает массу всем остальным частицам (кроме нейтрино которое, считалось не имеющим массы, но все же ее имеет из-за непонятного пока механизма). Теория предсказывала существование этой частицы, но ее собственная масса была параметром теории и выяснена в эксперименте. Но открытие «новой физики» не произошло на БАКе и ожидает новых приборов.
В 2017 году гравитационно-волновыми детекторами LIGO/ Virgo и обсерваториями Fermi и «Интеграл» были обнаружены гравитационные волны, возникшие от столкновения двух нейтронных звезд, которые были предсказаны еще в теории относительности Альберта Эйнштейна. В будущем физики рассчитывают обнаружить гравитационные волны, идущие от самого начала Вселенной, от теоретически обоснованного еще после Второй мировой Георгием Гамовым Большого взрыва. Если это произойдет, откроется новое окно в понимание мира.
Вселенная возникла 13,8 млрд лет назад, самую раннюю информацию о ее истории мы знаем из «фотографии» реликтового излучения: оно отщепилось, когда Вселенной было 380 тыс. лет, температура была 3000 градусов Кельвина. По структуре реликтового излучения мы точно понимаем, что так называемая темная материя, неизвестные нам частицы и поля существуют. На специально обработанной картинке реликтового излучения мы видим свет от обычной материи, но на ней видны следы гравитационного влияния неизвестной нам материи. Не исключено также, что недавно обнаруженную небольшую массу нейтрино дает какая-то очень тяжелая неизвестная частица из темной материи.
А вот что было раньше, до реликтового излучения, могут показать первичные гравитационные волны, если они будут открыты.
«Спектр-РГ» зафиксирует крупные объекты и события, которые произошли в ходе дальнейшей эволюции Вселенной, в том числе все скопления галактик в мире, причем и нынешних, и прошлых, чьи рентгеновские лучи только что добрались до нас. И уже есть научные удивления: открыто множество очень ранних сверхмассивных черных дыр (космических объектов, которые накопили такую массу, что только поглощают материю и свет, и ничто не может из них выбраться, но они обнаруживаются по излучению вокруг). Кроме того, астрофизики обнаруживают явления, предсказанные теоретически, а теперь их можно изучать самыми разными инструментами, например фиксируя синхротронное излучение (излучение частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света в магнитном поле) нейтронных звезд.
Об удивительных открытиях астрофизики последнего года и о том, как они связаны с фундаментальными основами физики, «Эксперту» рассказал заместитель директора Института космических исследований (ИКИ) РАН, профессор МФТИ, научный руководитель телескопа ART-XC обсерватории «СпектрРГ» Александр Лутовинов.
Александр Лутовинов родился в 1971 году в Краснодарском крае. В 1988 году с золотой медалью окончил среднюю школу № 21 города Мичуринска Тамбовской области. Учился в МФТИ, еще студентом, в 1992 году, начал работать в Институте космических исследований РАН, где работает до сих пор. Лутовинов — ведущий специалист в области астрофизики высоких энергий, релятивистских компактных объектов, таких как нейтронные звезды. Среди его открытий — измерение плотности распределения массивных двойных систем в Галактике, измерение магнитных полей нейтронных звезд, модель циклотронного излучения пульсаров, обнаружение излучения радиоактивного титана в веществе взрыва сверхновой SN1987А, первая регистрация электромагнитного излучения от сливающихся нейтронных звезд. С октября 2020 года является научным руководителем телескопа ART-XC, установленного на борту российской обсерватории «Спектр-РГ».
Миллионы звезд «Спектра-РГ»
— Что самое важное произошло в фундаментальной науке о Вселенной в этом году?
— Важнейший итог года — успешная работа обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма» на орбите. Основная задача — построение самой подробной карты Вселенной. Закончен четвертый обзор неба (всего предусмотрено восемь таких обзоров). Это уже довольно значимый результат, потому что никто таких подробных карт Вселенной никогда не строил. Мы и после первого обзора были впереди, но когда четыре обзора сложим, у нас получится все замечательно.
— Что такое «карта Вселенной»? Что именно вы там увидели?
— До «Спектра-РГ» было зарегистрировано 230–250 тысяч объектов. Были обзоры всего неба в жестких, наиболее энергичных рентгеновских лучах, они делались десятилетиями, например обсерваториями «Интеграл», «Свифт», которые до сих пор работают, или «Макси-Монитор» на МКС. Они исследовали наиболее крупные объекты во Вселенной. В результате были описаны тысячи объектов, составлены большие каталоги.
«Спектр-РГ» видит несколько миллионов объектов на небе, это и количественный, и качественный скачок. Мы видим не просто миллионы звезд, но и имеем шанс в будущем лучше понимать основы физики, как все эти объекты расположены во Вселенной, какова физическая природа того или иного класса объектов. Жизнь человеческая коротка, особенно в космических масштабах: пшик, и всё, — поэтому, раз увидев звезду, мы мало что поймем. А если мы увидим множество объектов самого разного возраста, как они живут от своего рождения до своего конца, то наше понимание об эволюции мира возрастает качественно.
Например, в прошлом году Нобелевскую премию дали за открытие сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики с массой в четыре миллиона масс Солнца. Но существуют черные дыры, которые весят миллиарды масс Солнца. «Спектр-РГ» открыл такие объекты, чей свет пришел к нам с момента в 700 миллионов лет от рождения Вселенной, 13 миллиардов лет назад. Это ранняя эпоха Вселенной, а там уже были объекты в миллиарды масс Солнца. Как собрать такую массу в черную дыру в то время, когда Вселенная, условно говоря, еще ходила в детский сад? Удивительно! Раньше мы такие объекты находили по одному, теперь это систематическое изучение. Лучшие телескопы — американские, европейские, японские, российские — десятилетиями смотрят на небо, чтобы найти подобные объекты, они открыли множество интересных объектов, но «Спектр-РГ» уже увидел столько же сверхмассивных объектов, сколько было открыто за десятилетия другими обсерваториями. К тому же, понимая, сколько объектов во Вселенной, мы лучше понимаем ее природу.
— То, что массивные черные дыры появились так рано в истории Вселенной, меняет ли модели ранней истории мироздания?
— Это вопрос к теоретикам. Один или два таких объекта — это мало, теоретикам нужна статистическая подборка, чтобы построить модель. Модели есть, но, чтобы выбрать наилучшую или предложить новую, нужно больше данных. В этом и прелесть «Спектра-РГ», что такие данные появляются. Но пока объектов были сотни, их можно было вручную понаблюдать, почти все можно было наблюдать с Земли с оптических телескопов, локализовать в пространстве, сказать, в нашей галактике или нет. А когда объектов стало миллионы, пронаблюдать их отдельно физически невозможно. И тут на помощь приходят машинное обучение, нейронные сети, это направление развивается и в нашем институте. Берутся оптические каталоги, данные разных наблюдений, определяются признаки интересующих нас объектов, например сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, для наблюдений на нашем полутораметровом телескопе, на Российско-турецком телескопе в Турции, на нашем самом крупном телескопе БТА. Параллельно коллеги в мире тоже очень заинтересованы в таких исследованиях.
— Почему для «Спектра-РГ» важно делать несколько обзоров неба?
— Чем больше обзоров неба, тем больше фотонов мы регистрируем, тем больше объектов находим. Но кроме того, небо непостоянно. Оно все время моргает, что-то светится, что-то пропадает, что-то возникает. Некоторые объекты могут долгое время молчать, не светить. Например, если это двойная система с черной дырой или с нейтронной звездой, происходит обмен энергиями между элементами этой системы, и в какой-то момент они могут неожиданно вспыхнуть, стать ярче в миллион раз. Представляете, огромная свеча на небе, которая горит от нескольких недель до нескольких месяцев (это называется транзиентное, или сильно переменное, событие). И в результате вы видите черную дыру, которая была до этого скрыта от нас. Кроме того, когда мы делаем обзор, мы уходим дальше, «Спектр-РГ» не останавливается. И когда регистрируется событие, мы информируем мировую научную общественность, что на небе происходит что-то важное, и именно тут другие обсерватории другими методами (в рентгене, в оптике, в инфракрасном диапазоне) начинают фокусироваться и разбираться в том, что именно там происходит.
Иногда бывает и так: на первом сканировании мы нашли некий объект, а потом, в следующем обзоре неба, вернулись к нему и обнаружили, что он стал в десять-пятнадцать раз ярче. Это не вспышка, но объект поярчал. Но почему? Это страшно интересно. Например, звезды движутся, и какая-то из них может приблизиться к черной дыре на неразумно близкое расстояние, и тогда она будет разорвана приливными силами, а ее вещество будет падать на черную дыру, что приведет к локальной вспышке — это так называемое приливное разрушение звезд. И это очень важно и интересно, такие объекты были открыты совсем недавно, и «Спектр-РГ» уже несколько десятков таких объектов увидел.
— И что, во Вселенной несколько десятков таких звездных катастроф в год?
— Недавно вышла статья: в первом каталоге 13 приливных разрушений, но сейчас уже их обнаружено существенно больше, статистическая обработка данных позволила обнаружить менее заметные подобные события в отдаленных галактиках. Но есть и не менее интересные события. Моя группа работает в основном с данными российского телескопа ART-XC, расположенного на «Спектре-РГ», и на нем мы открыли новый квазар. Квазар (квазизвездный объект, активные ядра галактик) — это сверхмассивная черная дыра, которая находится в далекой галактике, на которую падает вещество, и в результате действия различных сил вещество начинает вырываться в виде двух струй-джетов, которые движутся с релятивистскими скоростями, скорость может достигать 0,9 скорости света.
Но есть и относительно небольшие объекты, в несколько масс Солнца, которые, тем не менее, испускают такие джеты. Их называют микроквазары. И телескоп ART-XC открыл один из таких микроквазаров. А их не так много — буквально считанное количество в нашей галактике. И на него в результате обратили внимание многие ученые — например, в десятикилометровый телескоп на него смотрели наши американские коллеги, в радиодиапазоне смотрели другие группы, и мы несколько раз туда наводились и нашими телескопами.
— А что заставляет микроквазары делать такие вспышки?
— Когда на черную дыру падает слишком много вещества, возникает давление излучения, которое начинает это вещество отталкивать (вдобавок отталкивает и магнитное поле дыры). В результате возникают две струи вещества, которое не успевает упасть на нее.
Самое большое и самое малое
— Как соотносятся астрофизика и современная физика элементарных частиц?
— Понятно, что они идут рядом в моделях рождения Вселенной, и большой вехой было открытие бозона Хиггса. Если говорить об актуальных исследованиях, то в Дубне строится коллайдер NICA, который на доли секунды воссоздаст вещество нейтронных звезд, кварк-глюонную плазму. Нейтронная звезда, как я сказал, маленький объект с огромной плотностью. Никто этого еще не пробовал — есть только теоретические модели. То есть на Земле будет, возможно, воссоздана та космическая природа, которую мы прямо сейчас наблюдаем в космосе.
— Ваша наука как-то связана с Байкальским нейтронным телескопом?
— Это замечательный инструмент, я страшно рад, что он развивается в объеме и чувствительности, у нас есть совместный проект изучения высокоэнергичных событий, возможно связанных с гравитационно-волновыми событиями, одновременно в нейтрино и гамма-излучениях. Исследования прямо сейчас идут — может быть, получится что-то интересное. Возможно, мы приблизимся к пониманию природы нейтрино и интереснейших космических событий, но пока говорить об этом рано.
— А что еще интересного происходит в экспериментальной астрофизике, кроме наблюдения «Спектра-РГ»?
— Параллельно летают «Интеграл», «Свифт», японский «Монитор-Макси» на МКС, летают замечательные «Чандра» и XMM-Newton, NuSTAR, большинство из них не делает обзоров неба, это не их задача, у них есть зоны обзора, но они делают интересные наблюдения конкретных объектов. Часто мы работаем вместе, мы просили коллег, которые работают на NuSTAR, сделать наблюдения открытых «Спектром-РГ» объектов с целью определения их природы. Например, целый ряд работ были посвящены открытию циклотронного излучения нейтронных звезд.
Нейтронные звезды не менее интересные объекты, чем более популярные черные дыры. Черные дыры, по сути, не очень сложный объект, некая сингулярность, ее «потрогать» нельзя, сказать, что внутри. А нейтронная звезда — это вполне осязаемый небольшой объект в 10–15 километров, но он весит как Солнышко. Рукой его, конечно тоже не потрогать, но с помощью рентгеновских обсерваторий можно измерить гравитацию, вращение, магнитные поля, безумные температуры и давление — физические параметры, которые нам в принципе на Земле недоступны. Мы провели целую серию наблюдений, с помощью которых обнаружили циклотронное излучение, которое было предсказано несколько десятилетий назад, но его до нас никогда никто не видел. Сейчас это показано, и построена его математическая модель.
Девятого декабря с мыса Канаверал была запущена небольшая (300 килограммов) обсерватория IXPE, она чрезвычайно важна с точки зрения исследования именно таких объектов — нейтронных звезд и черных дыр, и мы сможем открыть новое окно изучения Вселенной, сравнимое с открытием гравитационных волн — рентгеновской поляриметрии. Было несколько попыток это сделать, и сейчас как раз появляется шанс на успех. К этому проекту имеют отношение и наши американские коллеги, которые делали зеркала для нашего телескопа ART-XC, и, условно говоря, российские ученые (иностранные ученые, которые работают в России в рамках мегагрантов).
Как выжила российская астрофизика
— Как была устроена ваша научная жизнь до появления крупных космических обсерваторий, таких как «Спектр-РГ»?
— Бурное развитие внеатмосферной астрономии на самом деле пришлось на 1980-е годы. В 1983 году был запущен «Астрон». В 1987 году была запущена обсерватория «Рентген» на модуле «Квант», который пристыковался к станции «Мир», это был большой успех. В 1989 году полетела обсерватория «Гранат», она весила даже больше, чем «Спектр-РГ». Мое поколение пришло в науку, когда еще работали и «Рентген», и «Гранат», созданные в кооперации с разными странами, но в нашей стране. Никто и не думал, что все станет так печально в 1990-х и начале 2000-х. Но эти обсерватории доработали до конца 1990-х, получали хорошие результаты, например лучшие пионерские карты центра галактики. Дальше был провал, но эти обсерватории заложили основу и для международного сотрудничества, и для дальнейшего развития.
Собственно «Спектр-РГ» должен был быть запущен к концу 1990-х, многие приборы были готовы, но многое пошло не так. Полетели «Чандра» и XMM-Newton, актуальность некоторых инструментов была потеряна, да и гарантийные сроки начали уходить. Денег опять же было мало. Тем не менее в это время было совершено важнейшее для науки действие: Россия согласилась запустить европейскую обсерваторию «Интеграл» в 2002 году на ракете-носителе «Протон». Благодаря усилиям академика Рашида Сюняева, который сейчас является научным руководителем обсерватории «Спектр-РГ», удалось договориться (после некоторой дискуссии и с нашим, и с европейским космическими агентствами), что 25 процентов данных получили российские ученые. В голодные на данные годы у российских ученых был стабильный поток научных данных, которые они могли сами заказывать под свои задачи, получать и обрабатывать. На этом выросли десятки сильных ученых, продолжающих отечественную традицию астрофизики.
«Интеграл» продолжает работать, и наши молодые ученые с ним работают и продолжают получать уникальные данные. Моя аспирантка исследовала молекулярное облако в центре галактики, про которое было понятно, что обычное молекулярное облако так светить не может. Оно оказалось неким зеркалом черной дыры, на которой триста лет назад была страшная вспышка, это событие никто не мог видеть триста лет назад, но вспышка отразилась, и мы наблюдаем, как его интенсивность спадает и сейчас выходит на стабильный уровень, и это уникальная физика. Эти результаты были опубликованы буквально месяц назад.
А новая эпоха началась в 2011 году, когда состоялся долгожданный запуск «Радиоастрона». Наша промышленность тогда доказала, что может делать современные аппараты. И вот в 2019 году состоялся запуск «Спектра-РГ». Говорят, что он делался тридцать лет, но это не совсем так, его современная реинкарнация делалась последние десять лет, не такой плохой срок для изготовления крупной обсерватории, не все у нас плохо. Телескоп «Джеймс Вебб», который полетит в следующем году, был задуман как преемник знаменитого «Хаббла» еще в средние 1990-х, стоит полмиллиарда долларов и должен был лететь в середине 2000-х . Летит он сейчас и стоит десять миллиардов.
Так что жизнь у нас была непростая, но интересная.
— Как ответить на обывательский вопрос: какова практическая польза от этих грандиозных проектов?
— Фундаментальная наука не сразу входит в практику. Прогресс идет нелинейно и ускоряется, но именно с космосом все не так быстро, как, скажем, с биологией. Мы изучаем явления, про которые страшно представить, что будет, если что-то такое произойдет на Земле. Но тем не менее это не только фундаментальное понимание основ мира, но и практические вещи тоже. Те же нейтронные звезды — это быстро вращающиеся объекты с периодом секунды или миллисекунды (Солнце дает оборот за 27 часов), а теперь возьмите объект такой же массы, сожмите до размеров Третьего транспортного кольца Москвы и заставьте вращаться, скажем, с периодом в 10 миллисекунд. Но и ее можно использовать практически. Нейтронная звезда, которая вращается, генерирует стабильный оптический сигнал определенной постоянной частоты. Таких объектов на небе много, и каждый моргает со своей частотой. Это похоже на то, как мигают маяки в море и корабли могут понимать, где какой. Это природные маяки для ориентации в космосе, можно сделать систему навигации для космических аппаратов будущего. «Спектр-РГ» создан не для этого, но на нашем телескопе мы можем отработать некоторые элементы системы космической навигации. Мы работаем над новыми аппаратами, которые будут заняты не только фундаментальными основами устройства Вселенной, но и создадут автономную систему навигации космических аппаратов.
— Каковы ключевые проблемы современной астрофизики?
— Я занимаюсь прежде всего компактными нейтронными звездами, и мне страшно интересно, что там внутри, как оно устроено там, какое там уравнение состояния? Страшно хочется узнать.
Мы упомянули, что произошла первая регистрация гравитационных волн. Но это гравитационные волны от слияния черных дыр и нейтронных звезд. А согласно теории относительности и всем нашим пониманиям так называемые первичные гравитационные волны образовались в момент Большого взрыва. Это единственная информация, которая до нас принципиально может дойти от самого начала мира. Потому что самая ранняя карта Вселенной, которую мы можем получить, — это реликтовое излучение, его возраст 400 тысяч лет от Большого взрыва. От того, что было до него, электромагнитные волны не приходили. А вот гравитационные волны «имели право» и могли пройти и с самого начала, с недр основания Вселенной. И когда первичные гравитационные волны будут зарегистрированы, как мы все надеемся, у нас будет шанс узнать что-то принципиально новое об основании мира и началах физики.
Хронология Вселенной
- 0 с — Большой взрыв (?)
- 10–35–10–42 с — Инфляция (?)
- 10–3 с — Сформировались протоны
- 10–2 с до 1 мин. — Сформировались атомные ядра
- 380 000 лет — Реликтовое излучение
- 400 000 000 лет — Первые звезды
- 13,8 млрд лет — Наше время
Фото: Pa/sergei Chirikov/ТАСС, TPG via Zuma Press/ТАСС, ZUMA\TASS
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl