CC BY
46
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АСТРОФИЗИКИ И ЕЕ
ПЕРСПЕКТИВЫ В БЕЛАРУСИ
Природа не раскрывает свои тайны раз и навсегда.
Луций Анней Сенека
Современная астрономия - это во многом астрофизика, то есть применение физических теорий и моделей, проверенных в лабораторных экспериментах, для объяснения событий и явлений не только на Земле, но и во всей Вселенной. Выход человеческой цивилизации в космос позволил не только начать исследование планет Солнечной системы при помощи космических аппаратов и зондов, но и открыл новые окна в окружающий мир. Оказалось, что наличие атмосферы на Земле, такой необходимой для самого существования жизни, является препятствием для исследования Вселенной. Большая часть астрономических наблюдений затруднена или просто невозможна с поверхности нашей планеты, поскольку атмосфера непрозрачна в широких областях электромагнитного спектра. Кроме того, тепловые флуктуации в ней искажают изображение, что тормозило прогресс в наблюдениях до наступления компьютерной эры и изобретения технологии адаптивной оптики. Наблюдения в микроволновом, ультрафиолетовом, рентгеновском
и гамма-диапазонах с Земли вообще невозможны. В связи с этим используются десятки космических аппаратов, регистрирующих излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра. Строительство и эксплуатация таких телескопов весьма недешевы. Например, «Хаббл» не только стал одним из самых затратных астрономических приборов, но и потребовал привлечения существенных ресурсов космической программы «Шаттл» для его обслуживания.
Кроме того, сами телескопы за 400 лет с момента изобретения качественно изменились (рис. 1, 2). Они сильно увеличились в размерах (их чувствительность пропорциональна площади); благодаря развитию компьютерной технологии зеркала стали активными (так называемая адаптивная оптика, ког-
да зеркало в режиме реального времени автоматически изменяет форму для компенсации флуктуаций атмосферы, чтобы сфокусировать свет с высочайшей точностью); появились роботизированные телескопы для наблюдений в автономном режиме. Современные астрономические методы позволяют картографировать Вселенную так же, как это делали в эпоху географических открытий: примерами слу-жает проекты ОЛ1Л для звезд, для галактик, причем делается это в автоматическом режиме. Теперь мы знаем о Вселенной, возможно, даже больше, чем о планете, которую населяем.
Вселенная не является чем-то вечным и неизменным - она расширяется со временем («разбега-ние» галактик, открытое Хабблом в 1929 г.), а вещество и излучение,
Григорий Верещагин,
профессор Международного центра релятивистской астрофизики ICRANet (Италия), доктор физико-математических наук
заполняющие ее, остывают, что подтверждается открытием микроволнового излучения - реликта горячей Вселенной (Нобелевская премия по физике за 1978 г.). Материя
Рис. 1. Телескоп Галилео Галилея «РегсресШит» с диаметром объектива 4,5 см и увеличением 32х (доступном в современной любительской цифровой фотокамере), позволивший совершить революционные для своего времени открытия Источник: https://snews.bnl.gov/popsci/galileo_telescope.jpg
Рис. 2. Макет строящегося телескопа Е-Е1.Т с диаметром зеркала 39,3 м и площадью поверхности, собирающей свет, почти в миллион раз больше, чем телескоп Галилея (для сравнения масштабов: около основания видны фигуры людей)
Источник: https://de.m. wikipedia.org/wiki/DateiThe_European_Extremely_Large_Telescope.jpg
Вселенной лишь на 4% состоит из известного нам барионного вещества (то есть обычных атомов и плазмы), а большая ее часть находится в совершенно неизвестной нам форме. Она не взаимодействует с излучением, поэтому не видна, но критически важна для образования и удержания наблюдаемой крупномасштабной структуры (галактик, их скоплений и сверхскоплений, а также гигантских пустот между ними), зародыши которой можно наблюдать как слабые флуктуации температуры реликтового излучения,за изучение которых присуждена Нобелевская премия по физике за 2006 г. Более того, интерпретация данных наблюдений взрывов далеких сверхновых звезд согласуется с ускорением расширения Вселенной в современную космологическую эпоху (Нобелевская премия по физике за 2011 г.). Возникновение разнообразных химических элементов происходило как в первые минуты расширения Вселенной (легкие элементы вплоть до лития), так в и дальнейшем в ходе эволюции звезд (Нобелевская премия по физике за 1983 г.), а также при взрывах сверхновых и слияниях нейтронных звезд.
Одни из самых экзотических объектов, предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна,- это черные дыры. Подобные объекты могут появиться в результате неограниченного гравитационного сжатия звезд в конце их эволюции. Открыты уже десятки кандидатов в черные дыры, находящиеся в двойных звездных системах, в которых вещество компаньона перетекает в черную дыру,
Рис. 3. Труба детектора гравитационных волн Virgo, расположенного недалеко от Пизы (Италия). Источник: фото автора, личный архив
испуская мощное рентгеновское излучение. Установлено, что наиболее компактные объекты во Вселенной, еще не являющиеся черными дырами,- это нейтронные звезды, плотность вещества которых равна плотности атомных ядер или даже ее превышает. Вещество при такой плотности состоит в основном из нейтронов - отсюда и название. Эти объекты могут образоваться из ядра звезды в конце ее эволюции, когда масса оказывается недостаточной для прямого гравитационного коллапса в черную дыру. Нейтронные звезды обладают уникальными экстремальными свойствами, например могут создавать очень сильные магнитные поля. Именно благодаря излучению быстро вращающихся намагниченных нейтронных звезд - пульсаров - они и были открыты (Нобелевская премия по физике за 1974 г). Более того, они, являясь поистине релятивист-
скими объектами, позволяют проверить предсказания общей теории относительности с высокой точностью (Нобелевская премия по физике за 1993 г.). Большим сюрпризом стало обнаружение так называемых сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик. В нашей Галактике, вероятно, тоже есть подобный объект с массой в миллионы раз больше массы Солнца. Происхождение сверхмассивных черных дыр до сих пор остается неясным, хотя их проявления можно обнаружить по активности ядер галактик, испускающих очень мощное излучение в широком диапазоне электромагнитного спектра. Эти же объекты считаются ответственными за появление наиболее энергетических частиц, из которых состоят космические лучи, являясь, таким образом, самыми эффективными ускорителями частиц во Вселенной. Открытие гравитационных волн колла-борацией ЬЮО-Упдо (рис. 3) ровно через 100 лет после их предсказания Эйнштейном (Нобелевская премия по физике за 2017 г.) стало кульминацией программы исследований, начатой полвека назад, и одним из крупнейших достижений в астрофизике. Суть этого результата не столько в подтверждении одного из основных прогнозов общей теории относительности о существовании возмущений пространства и времени, распространяющихся от источников в виде волн, сколько в создании новой области науки - гравитационно-волновой астрономии, то есть открытие принципиально нового «окна» во Вселенную. Наиболее мощными источниками гравитационных
волн, как и предсказывалось, оказались пары сливающихся черных дыр и нейтронных звезд. Все описанные открытия относятся к релятивистской астрофизике и космологии - области знаний, где принципиальным является наличие сильных гравитационных полей и движения объектов с околосветовыми скоростями. В этой области науки наблюдается небывалый расцвет, индикатором которого служит в том числе признание стольких результатов со стороны нобелевского комитета.
В других областях астрономии также произошел существенный прогресс. Наиболее выдающимся достижением, пожалуй, стало открытие планет вне Солнечной системы, то есть вращающихся около других звезд. Современные методы спектрального анализа дают возможность даже определить химический состав их атмосфер, что позволило найти похожие на Землю планеты. Сложные молекулы были обнаружены в космическом пространстве около других звезд, в хвостах комет Солнечной системы и даже на поверхности ядра кометы Чурюмо-ва - Герасименко, куда в 2014 г. впервые в исто-
«МЬ *
рии осуществил мягкую ФЧ^ВР. 1
посадку зонд «Розетта». ЧШ
Ш
Все это дает основания полагать, что планеты не уни- Т^в кальные, а весьма ординарные спутники звезд, которых в Галактике не меньше, чем их самих (как и предполагали ученые в прошлом, например Джордано Бруно, принявший смерть на костре инквизиции). Наличие сложных органических молекул, плотной атмосферы и твердой поверхности на планетах и воды в жид-
http://innosfera.by
ком состоянии не является, видимо, таким редким и исключительным сочетанием условий, каковым считалось ранее при сравнении Земли с другими планетами Солнечной системы. Кстати, данные признаки, кроме Земли, присущи Титану, спутнику Сатурна, на который в 2005 г. совершил мягкую посадку зонд «Гюйгенс» (рис. 4). Следовательно, наличие жизни в какой-либо форме вне солнечной системы кажется весьма правдоподобным. Поскольку на Земле появилась еще и разумная цивилизация, способная задумываться о своем существовании, справедливо возникает вопрос: почему мы не видим свидетельств существования разумной жизни вне нашей планеты? Этот вопрос известен как парадокс Ферми: ученый-физик еще в 1950 г. в ходе дискуссии с колле гами
■
на данную тему спросил: «Где они?» Возможно, ответ кроется в сочетании и поддержании множества специфических условий на Земле, давших достаточное время для биологической эволюции.
Наука не стоит на месте: проектируются и строятся десятки наземных и космических обсерваторий. В планах астрономов на ближайшее время - взглянуть на область в непосредственной близости от горизонта событий черной дыры (проект радионаблюдений Event Horizon Telescope);
увидеть рождение первых звезд во Вселенной (телескоп Джеймса Уэбба); установить происхождение частиц сверхвысоких энергий (обсерватория космических лучей Auger, нейтринный телескоп IceCube); найти другие планеты, подобные нашей Земле (космическая обсерватория PLATO); раскрыть природу темной материи и темной энергии (космические инфракрасные обсерватории WFIRST и Euclid) и зарегистрировать гравитационные волны в космосе (проект LISA). Приведенный (далеко не полный) список достижений и планов астрономии и смежных наук позволяет судить о колоссальном прогрессе в понимании нашего места в мире.
Таким образом, астрономия -это бурно развивающаяся наука, использующая передовые технологические достижения, что, безусловно, требует больших капитальных вложений. Отдельные наиболее богатые страны могут осуществить лишь небольшое число крупных проектов. Подавляющее большинство из них - международные, в которые вовлечены тысячи ученых и сотни организаций. Пример координирующей крупные международные проекты структуры - Европейская южная обсерватория -международная исследовательская организация, членами которой являются 15 европейских государств и Бразилия. Она оперирует крупнейшими наземными телескопами, такими как «очень большой телескоп» - VLT, а строительство самого крупного (E-ELT) с диаметром зеркала почти 40 метров обойдется налогоплательщикам в сумму более миллиарда евро. Такого же порядка стоимость крупных обсерваторий в радиодиапазоне (например, проект ALMA). Стоимость
космических обсерваторий тоже «астрономическая»: скажем, космической программы телескопа «Хаббл» - 10 млрд долл., примерно как и строящегося космического телескопа им. Джеймса Уэбба, пришедшего ему на смену (рис. 5). Стоимость программы Advanced LIGO по детектированию гравитацион-
ных волн составляет почти 1 млрд долл.; а нейтринной обсерватории 1сеСиЬе - около 300 млн долл.
Как видно, расходы на современные астрономические инструменты сопоставимы со стоимостью крупнейших научных проектов, таких как большой адронный коллайдер с его 7,5 млрд евро либо
международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР с его 13 млрд евро. Все эти внушительные вложения, с экономической точки зрения, безусловно, не окупаются. Однако большинство стран, даже весьма небольших, принимает посильное участие в подобных международных проектах, так как
они призваны раздвинуть границы представлений об окружающем нас мире, то есть служат научному прогрессу, без которого современная цивилизация немыслима. В то же время они позволяют разрабатывать совершенно новые, прорывные технологии, способные повлиять и на технический прогресс. Например, с астрономией связано появление и развитие системы глобального позиционирования (американская GPS, европейская Galileo и российская ГЛОНАСС) и ПЗС-матрицы (без них немыслимы цифровые фото- и видеокамеры, рентгеновские сканеры в аэропортах, магнитно-резонансная томография).
Однако финансирование таких мегапроектов - не единственная трудность, с которой сталкиваются ученые. Одной из самых значимых является проблема «больших данных» - колоссальных массивов информации, генерируемых современными обсерваториями, которые нуждаются в эффективной обработке и анализе. Например, строящийся сейчас «Большой обзорный телескоп» LSST соберет данные в объеме более 50 ПБ (сравнимо с количеством информации в 200 ПБ, полученной на большом адронном коллайдере). Для управления, хранения и обработки данных задействуются распределенные вычислительные сети с возможностью участия в них любого желающего при помощи домашних персональных компьютеров (например, проект Einstein@Home). Даже гиганты ИТ-индустрии, такие как Google, активно взаимодействуют с научными коллаборациями. Так, благодаря этому сотрудничеству данные LSST частично будут общедоступны. Для работы с большими данными, очевидно, требу-
ется специализированная инфраструктура и широкое привлечение ИТ-специалистов. Другая проблема -доступ к этой информации, который обычно ограничен кругом ученых, входящих в коллаборации. В связи с этим актуальны такие инициативы, как поддержанная ООН «Открытая Вселенная», призванные обеспечить широкой общественности полный доступ к данным, полученным при исследованиях космоса.
Масштабные проекты требуют новых форм взаимодействия между учеными. На смену небольшим классическим обсерваториям приходят международные коллаборации. Такие формы взаимодействия ранее показали свою эффективность в физике частиц, например при создании и эксплуатации больших ускорителей в ЦЕРН. Кроме того, любая крупная современная обсерватория участвует во множестве международных проектов. Один из них - космическая обсерватория «Ферми», регистрирующая жесткое рентгеновское и гамма-излучение, в котором участвуют более 50 организаций из 12 стран. Как и другие подобные проекты, она имеет множество целей - это и сканирование неба, и слежение за известными источниками, и наблюдение транзиентов (взрывных объектов). Космообсерватория совершила ряд открытий, например обнаружила гигантские образования - «пузыри», излучающие в гамма-диапозо-не, расположенные над и под диском нашей Галактики, и имеющие сопоставимый с ней размер.
«Ферми» работает в тесной связке с обсерваториями и инструментами, чувствительными в других областях электромагнитного спектра. Она принимала участие в недавнем наблюдении слияния нейтронных
Рис. 6. Штаб-квартира ICRANet в Пескаре (Италия)
Источник: https://en.wikipedia.org/wiki/ICRAHett/media/ FHe:ICRAHet_Pescara.jpg
звезд. Это событие (сигнал от которого был зарегистрирован 17 августа 2017 г.) стало беспрецедентным в астрономии: одновременно его наблюдали около 70 обсерваторий по всему земному шару, более 10 космических обсерваторий, а также гравитационно-волновые детекторы LIGO в США и Virgo в Италии. Объявление об этом открытии стало сенсационным: десятки статей, составившие отдельные выпуски специализированных научных журналов, были посланы в печать, отрецензированы и затем опубликованы в один день - 16 октября 2017 г., когда состоялась пресс-коференция коллаборации LIGO. Ученые, входящие в коллаборацию и участвующие в этих наблюдениях, были обязаны сохранять молчание до этого момента. Это совершенно новое социальное явление в науке, когда публикация информации исключительной научной значимости затягивается в результате некоего «заговора» между крупными коллабо-рациями; в результате научную общественность ставят перед фактом массированной публикации, а критиковать подобное информационное «цунами» оказывается значительно сложнее, чем обычную научную публикацию.
Одна из международных научных организаций, осуществляющих и популяризирующих исследования в сфере релятивистской астрофизики и в смежных областях,- это сеть международных центров релятивистской астрофизики 1СНА№1 (рис. 6). С момента основания в 2003 г. она уделяет особое внимание контактам с учеными из постсоветских стран, а Армения является государством - членом этой организации.
В ознаменование 400-летия использования телескопа для наблюдений за небом (с момента создания его Галилеем) 2009-й год был провозглашен ООН Международным годом астрономии. В Беларуси это событие отмечалось международной конференцией, организованной 1СНА№1 совместно с БГУ, в которой приняли участие всемирно известные ученые Рой Керр, Хаген Кляйнерт и Ремо Руффини. Конференцию посвятили Якову Борисовичу Зельдовичу - выдающемуся советскому ученому, родившемуся в Минске, сыгравшему важную роль в советском атомном проекте, одному из создателей знаменитой катюши, а также основателю советской и российской школы релятивистской астрофизики и космологии. Через пять лет в Минске состоялся Международный научный симпозиум, посвященный 100-летию со дня рождения Я.Б Зельдовича «Субатомные частицы, ядра, атомы; Вселенная: процессы и структура» - 8МАиР8-2014, организованный ICRA.Net совместно с НАН Беларуси. В числе почти 100 ее участников были выдающиеся ученые из России и СНГ, а также западных стран. В апреле этого года прошла третья конференция Зельдовича. Впервые для
Беларуси международные коллаборации представили последние научные результаты: AUGER (космические лучи), H.E.S.S. (черен-ковские гамма-телескопы), Радио-астрон (космическая обсерватория), МАСТЕР (сеть роботизированных телескопов), ГАММА-400 (проект космической обсерватории).
В 2017 г. на базе Института физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси был открыт филиал ICRANet в Беларуси - международный центр ICRANet-Минск, где уже работают молодые сотрудники. В апреле 2017 г. в нем прошел первый научный семинар по астрофизике высоких энергий, на котором встретились молодые ученые из Беларуси, России, Казахстана, Армении, Португалии, Италии, чтобы обсудить результаты совместных исследований, проводимых при содействии ICRANet.
Сегодня рассматривается возможность вступления Беларуси в ICRANet. Статус государства - члена этой международной организации позволит филиалу ICRANet-Минск стать официальным представительством ICRANet и координировать исследования, проводимые в стране по астрофизической тематике, выводя их на мировой уровень. Такие представительства, имеющие привилегии и иммунитет в соответствии со статусом официальных представительств международной организации, уже существуют в Италии, Армении и Бразилии. Открытие регионального представительства позволит привлечь соседние страны, что сделает Беларусь центром притяжения для исследователей, заинтересованных в международном сотрудничестве, базой для контактов между западными, российскими и белорусскими учеными. СП
rjJSE^ http://innosfera.by/2018/08/astrophysics
