Современная космология − точная наука
Окончание, начало в «З-С», № 2/2024.
Мы продолжаем разговор о вкладе отечественных ученых в фундамент и развитие современной космологии. Наш собеседник – Игорь Иванович Ткачев, астрофизик, космолог и специалист в области физики элементарных частиц, академик РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом экспериментальной физики Института ядерных исследований РАН.
«Знание – сила»: Игорь Иванович, вы рассказали о существенном вкладе советских и российских ученых в фундамент современной космологии. Каков был вклад отечественной науки в космологию в экспериментальной части?
Игорь Ткачев: Были успехи и в экспериментальной части. Ключевой момент – нужно было открыть флуктуации микроволнового излучения. Это понимал Зельдович. Мы первые полетели в космос и, естественно, хотелось добиться первенства в изучении научных проблем, связанных с космосом. Сразу после открытия реликтового излучения началось его изучение. Спектр ожидался как у абсолютно черного тела, но необходимо было доказательство. Здесь также возможны очень важные поправки, в первую очередь эффект Сюняева-Зельдовича, предсказанный в 1969 году Р. А. Сюняевым и Я. Б. Зельдовичем (о нем позже). Но, главная задача – поиск анизотропии1. Такие исследования с поверхности Земли были бесперспективны, и первые исследования велись с высотных аэростатов и самолетов. Затем стало понятно, что для решения этих задач совершенно необходим выход в космос. И здесь мы стали первыми. В 1983 году по инициативе Н. С. Кардашева и при поддержке Я. Б. Зельдовича на борту спутника «Прогноз-9» был запущен эксперимент «Реликт-1», его руководителем стал И. А. Струков.
1. Анизотропия в реликтовом излучении – небольшие неоднородности в его температуре в разных направлениях, называемые также флуктуациями микроволнового излучения.
Соответственно, первые серьезные и важные ограничения на анизотропию были получены нами. Американцы запустили свой аппарат, COBE (COsmic Background Explorer), лишь шесть лет спустя. У него уже была лучше чувствительность и измерения проводились на нескольких частотах, но у «Реликта-1» было лучше угловое разрешение и орбита с апогеем далеко за орбитой Луны. К сожалению, нам не хватало вычислительных мощностей для последующей обработки данных, и работы проводились небольшим коллективом (в отличие от американцев), в который еще входили А. А. Брюханов, М. В. Сажин и Д. П. Скулачев. В результате окончательные результаты «Реликта-1» были объявлены в январе 1992-го. Главное, было объявлено об открытии анизотропии, правда, измерен был только квадруполь. Его значение было правильным в пределах ошибок. Американцы о своем открытии анизотропии объявили позже, в апреле 1992 года. Помимо квадруполя, они зарегистрировали анизотропию и на более мелких угловых масштабах, вплоть до двадцатой гармоники (сегодня спектр известен вплоть до мультипольных моментов в несколько тысяч, где и содержится вся космологическая информация, начиная от мультиполей в несколько десятков). Для достоверности важно, что COBE подтвердил чернотельный характер излучения и измерил анизотропию на нескольких радиочастотах. Нобелевскую премию в 2006-м получили Дж. Мазер и Дж. Смут. В интервью сразу после получения премии Мазер так сказал про Реликт-1: «Они получили много ценных результатов, но наши все же оказались лучше». А уже готовый «Реликт-2» и планировавшийся «Реликт-3» не полетели. Время для нашей науки такое было. Бывший директор ИКИ, академик Роальд Зиннурович Сагдеев сказал: «Я уверен, что если бы «Реликт-2» состоялся, то сегодня мы бы имели в новой нобелевской команде еще и третьего лауреата, Игоря Струкова».
«ЗС»: На данный момент уже составлена карта всего неба, отражаю щая флуктуации в конкретных местах?
И. Т.: Ну карта всего неба сразу была, но с плохим разрешением, совершенно недостаточным для космологических задач. Это кардинально улучшилось в последующих экспериментах, американском эксперименте WMAP, европейском Planck. Эксперименты и на поверхности Земли появились, на Южном полюсе и высоко в горах, для изучения самых маленьких угловых масштабов и поляризации реликтового излучения. Все это стало главным и самым точным инструментом космологии. А теоретические основы были заложены в пионерских работах Я. Б. Зельдовича, Р. А. Сюняева и А. Г. Дорошкевича.
Теперь об эффекте Сюняева-Зельдовича. Он состоит в следующем. Когда фотон микроволнового излучения пролетает через горячий газ в скоплении галактик, он приобретает энергию. В результате микроволновое излучение в направлениях на скопления становится ярче на высоких частотах и более тусклым на низких частотах. Горячие и холодные пятнышки появляются в микроволновом излучении и как следствие обычной первичной анизотропии, о которой мы говорили выше. Но там это происходит синхронно на всех частотах, спектр остается планковским, чернотельным. А в эффекте Сюняева-Зельдовича не так, что является однозначной его сигнатурой. По характеру искажения спектра можно найти даже очень далекие скопления и определить их параметры. И не только – с помощью это го эффекта возможно изучение крупномасштабной структуры Вселенной, природы реликтового излучения, космологических параметров, таких как константа Хаббла. Сегодня все, и наземные и орбитальные обсерватории, обрабатывают данные и составляют каталоги, используя этот эффект.
«ЗС»: Похоже, еще один случай, когда заслуженная Нобелевская премия по ка не досталась. У Зельдовича были еще сподвижники?
И. Т.: Конечно, целая научная школа. Обо всех и не расскажешь, но сейчас хочу вернуться к Михаилу Сажину 2, который умер в прошлом году. Кстати, он также внес очень важный теоретический вклад в космологию. Одно из важных космологических открытий – это экспериментальная регистрация гравитационных волн, за что дали Нобелевскую премию в 2017 году. Активный их поиск начался более пятидесяти лет назад и у нас в стране В. Б. Брагинским в Московском университете. Сначала это были твердотельные резонаторы, болванки, детекторы, предложенные пионером в этой области Джозефом Вебером.
«ЗС»: Те эксперименты показали, что нужная чувствительность не обеспечивается?
И. Т.: Да, и когда их потенциал исчерпался, стало ясно, что нужно переходить к лазерным интерферометрам, и именно на такой установке гравитационные волны и были открыты. А идея использовать лазерные интерферометры для их поиска впервые была предложена советскими физиками М. Е. Герценштейном и В. А. Пустовойтом в 1962 году, еще до опытов Вебера.
Открытие было сделано международной коллаборацией LIGO в 2015 году, которая использовала два удаленных интерферометра с плечами по 4 км. А регистрируется смещение зеркал порядка тысячных долей от размера атомного ядра! Такое кажется совершенно невероятным, но это научный факт. Как минимум два интерферометра необходимы, чтобы удалить шумы методом совпадений. В составе коллаборации работают и две научные группы из России: сотрудники физфака МГУ и нижегородского Института прикладной физики РАН. В частности, нижегородская группа создала уникальные ключевые элементы системы – изоляторы Фарадея, которые пропускают мощное излучение от лазера к интерферометру и не пропускают его обратно.
Недавнее открытие LIGO сегодня уже рутина, возникло новое направление в науке, гравитационно-волновая астрономия. К LIGO подключились VIRGO в Европе и KAGRA в Японии. Регистрируется практически событие в день. В основном это волны, всплески, от слияния черных дыр звездной массы. Частота таких волн сотни герц, и наземные интерферометры работают как раз в этом диапазоне, что определяется их размерами. У сигнала специфический спектр. Изучая его, мы находим, какие массы были как у исходных черных дыр, так и у той, которая возникла, и с какой скоростью они вращались. Это все вытекает из полученных данных и подтверждает общую теорию относительности Эйнштейна, которая их предсказала, отклонений не видно. Гравитационные волны – то открытие, к которому ученые шли 100 лет. Про бозон Хиггса тоже знали, что он должен быть, и чтобы его найти, потребовалось 50 лет.