Весь мир — телескоп: как ученые из России превратили космос в обсерваторию

МОСКВА, 22 дек — РИА Новости. Юрий Ковалев, научный координатор проекта "РадиоАстрон", заведующий лабораториями в ФИАН и МФТИ, а также его коллега Дмитрий Литвинов из МГУ имени М. В. Ломоносова рассказали о том, как российская космическая обсерватория "Спектр-Р" помогает проверять теорию относительности Эйнштейна и меняет наши представления об устройстве Вселенной, а также поделились секретами, как им удалось превратить облако газа в космосе в гигантский телескоп. Самой успешной космической научной обсерваторией России сегодня можно назвать радиотелескоп "Спектр-Р", запущенный в космос в июле 2011 года. Он является ключевой частью уникального наземно-космического интерферометра "РадиоАстрон", в составе которого работают, помимо российского спутника, еще десятки наземных радиотелескопов как в России, так и в других странах Европы, Азии, а также в США, ЮАР, Австралии и Японии. На текущий момент "РадиоАстрон" остается единственным наземно-космическим комплексом, работающим по принципу радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), пионером которой является академик Николай Кардашев, руководитель "РадиоАстрона", директор Астрокосмического центра ФИАН и один из основоположников радиоастрономии. Если говорить об этой технике наблюдений в самом общем виде, то можно сказать, что она позволяет объединить радиотелескопы, разнесенные на большие расстояния, в одну гигантскую виртуальную антенну, чьи размеры сопоставимы с той дистанцией, на которую удалены ее компоненты. Для "сборки" этой антенны нужны три вещи — синхронизация телескопов с точностью до атомных часов, мощный суперкомпьютер, способный объединять сигналы, и знание точных расстояний между частями антенны. Подобная методика ведения наблюдений позволила "РадиоАстрону" совершить необычное "ненаучное" достижение — попасть в Книгу рекордов Гиннесса в качестве самого большого космического радиотелескопа, созданного человеком. Градусник для черной дыры Список же чисто научных достижений "РадиоАстрона" включает в себя гораздо больше пунктов, в том числе и ряд открытий, которые могут в ближайшее время полностью поменять представления ученых о том, как возникают и живут галактики и как работают самые беспокойные и "большие" их жители — сверхмассивные черные дыры. Дело в том, что еще в 2013 году Юрий Ковалев и его коллеги начали замечать необычные аномалии во время первых наблюдений за так называемыми джетами, выбросами далеких черных дыр, которые те разгоняют до околосветовых скоростей. Ученые обнаружили, что они разогреты до температуры более 10 триллионов градусов Кельвина, что превышает теоретический предел примерно в 100 раз. Юрий Ковалев, научный координатор проекта "Радиоастрон" В последующие три года наблюдений эти аномалии в поведении джетов никуда не исчезли. Современные теории, описывающие формирование выбросов и как замешаны в них мощнейшие магнитные поля, соседствующие с черной дырой, не могут объяснить того, что происходит в реальности. "Наше понимание того, какое место занимают черные дыры в жизни Вселенной, стало более комплексным. Черные дыры в центрах галактик являются основой машины, которая заставляет квазары вырабатывать мощные выбросы плазмы. Черная дыра отвечает за решение двух "задач" — формирование этих выбросов и их ускорение. Данные, полученные нами при помощи "РадиоАстрона", говорят о том, что эта машина должна более эффективно ускорять вещество, которое выбрасывается за пределы галактик, чем предсказывала теория", — пояснил ученый. Как именно это происходит, пока до конца не ясно. Российские астрономы проверяют три гипотезы. Одна связана процессами магнитного пересоединения в выбросах, другая с экстремальным релятивистским усилением излучения, третья требует эффективного ускорения протонов до скорости света в окрестности черной дыры. За пределами теорий В первом случае, как отмечает астроном, аномально яркое излучение джетов порождается процессом, похожим по своей природе на то, как возникают мощные вспышки и выбросы корональной материи на Солнце. Во время таких катаклизмов силовые линии магнитного поля разрываются и выделяется огромное количество энергии, разгоняющей частицы до сверхвысоких скоростей и заставляющей их излучать свет. Если это так, то в основании джета должно присутствовать множество подобных точек "разрыва линий", которые сегодня Ковалев и его коллеги пытаются найти, наблюдая за квазарами при помощи самых мощных комбинаций антенн "РадиоАстрона". В случае если им удастся найти следы этих вспышек в поляризованном свете, то загадка сверхъярких джетов черных дыр будет решена. В противном случае, отмечает исследователь, если все излучение джетов порождается одним источником, физикам-теоретикам придется придумывать механизм, позволяющий разгонять частицы до столь высоких энергий и скоростей, о которых говорят данные наблюдений с "РадиоАстрона". "По одной из общепринятых сегодня теорий, в рождении джетов и ускорении их материи замешаны мощнейшие магнитные поля. В принципе, этот факт подтверждается как наблюдениями за поляризацией излучения джетов на телескопах VLA и ALMA, так и нашими собственными данными. Сейчас мы предполагаем, что открытые нами аномалии в температуре выбросов можно объяснить тем, что излучение джетов порождают не только электроны, но и протоны, разогнанные до околосветовых скоростей", — рассказывает Ковалев. Сейчас российские ученые и их иностранные партнеры, по словам астрофизика, активно пытаются найти ответ на этот вопрос, замеряя силу магнитных полей и пытаясь рассмотреть структуру "ножки" джета. Эти наблюдения, как отметил исследователь, ведутся научной группой проекта не только на "РадиоАстроне", но и на его наземном "собрате", интерферометре Event Horizon Telescope, а также на микроволновой обсерватории ALMA. "Основная надежда на получение положительного или отрицательного ответа — данные с ALMA по силе магнитных полей в окрестностях сверхмассивных черных дыр. Их присутствие или отсутствие покажет, могут ли протоны ускоряться до необходимых энергий и скоростей. Если мы их обнаружим, то теоретикам придется серьезно подумать, как объяснить такой эффективный разгон", — добавляет ученый. Вселенский микроскоп Еще задолго до отправки обсерватории "РадиоАстрон" в космос Николай Семенович Кардашев задумал даже более дерзкий проект — использовать межзвездный интерферометр. Одна из его частей — облака межзвездной плазмы, преломляющие и рассеивающие радиоволны от источника, которые затем интерферируют в точке приема. "Парадоксально, но по результатам наблюдений "РадиоАстрона" оказалось, что для реализации такого межзвездного интерферометра достаточно даже одного большого наземного телескопа. Наши коллеги из Канады и группа Михаила Попова из ФИАН использовали такую систему и провели анализ по данным из нашей программы наблюдений. Они смогли измерить расстояние между областями, откуда исходят пучки радиоволн, выбрасываемые пульсаром в импульсах и контримпульсах. Это излучение исходит от противоположных магнитных полюсов нейтронной звезды", − рассказывает Ковалев. Как отмечает астрофизик, ученые давно спорили о том, где именно зарождаются импульсы радиоизлучения, которые вырабатывают подобные нейтронные звезды. Часть астрофизиков полагает, что они возникают у самой поверхности пульсаров, другие думали, что они рождаются в магнитосфере этих "мертвых" звезд на достаточно большой высоте от их поверхности у так называемого светового цилиндра. Так художник представил себе работу межзвездного телескопа Проверить эти теории раньше было практически невозможно. Типичная нейтронная звезда обладает диаметром примерно в 20 километров, а размер светового цилиндра составляет несколько тысяч километров. Даже такой размер невозможно рассмотреть при помощи самых мощных обсерваторий, включая "РадиоАстрон". Эту задачу помогло решить облако межзвездной плазмы, в котором преломились, как в огромной линзе, радиолучи, вырабатываемые одним из самых знаменитых пульсаров — нейтронной звездой PSR B0531+21, расположенной в Крабовидной туманности. Как показали замеры, эти пучки радиоволн возникают как раз у самого светового цилиндра, на границе магнитосферы нейтронной звезды. Это позволило российским астрономам и их канадским коллегам решить одну из загадок космоса, о которой астрофизики ожесточенно спорили уже несколько десятков лет. Космический часовщик Другой уникальный проект, который реализовал "РадиоАстрон", — изучение того, как сила притяжения влияет на течение времени в той или иной точке пространства. Подобный опыт уже проводился НАСА, однако для российских ученых это первая проверка такого рода. "Влияние гравитации на скорость хода часов — завораживающий феномен. Оказывается, вблизи планеты, звезды или черной дыры, вообще рядом с любым массивным телом, время замедляется. Черная дыра — особенно интересный случай: вблизи нее время течет не просто медленно, а бесконечно медленно. Но уже и в земных условиях влияние гравитации на скорость хода часов можно обнаружить", — объясняет Дмитрий Литвинов из Московского государственного университета, член гравитационной группы проекта. Используя сверхточные атомные "часы", созданные российскими учеными из Нижнего Новгорода для синхронизации работы "РадиоАстрона" с наземными станциями слежения и телескопами, Литвинов и его коллеги уже несколько лет проверяют один из краеугольных камней теории относительности Эйнштейна, увязывающей притяжение с тем, как быстро течет время в тех или иных точках пространства. Подобные опыты уже проводились более 40 лет назад на борту зонда Gravity Probe A, и сейчас они осуществляются на паре зондов системы Galileo, вышедших на неправильные орбиты из-за ошибок при запуске "Союза-СТБ" в августе 2014 года. Пока все три спутника, как отмечает Литвинов, указывают на справедливость выкладок Эйнштейна, однако это не останавливает ученых от проведения повторных проверок по одной простой причине. "Почему же сегодня возникли сомнения в правильности формулы Эйнштейна? Дело в том, что многие физики уверены в том, что теория тяготения Эйнштейна не является абсолютно точной. Попросту говоря, формулы, которым подчиняется гравитация, немного отличаются от формул Эйнштейна. Основной недостаток общей теории относительности Эйнштейна состоит в том, что она является "классической", то есть неквантовой теорией", — рассказывает ученый. Как отмечает Литвинов, почти все попытки "проквантовать" гравитацию и объединить ее с другими фундаментальными взаимодействиями, сформулированные в последние десятилетия физиками, требуют корректировки общей теории относительности и того, как она описывает феномен гравитационного замедления времени. Любые отклонения, которые мог бы зафиксировать "Спектр-Р" и другие зонды на орбите, могут подсказать ученым, где стоит искать замену выкладкам Эйнштейна. "Уже сейчас можно говорить, что наш эксперимент дает независимую проверку теории гравитации Эйнштейна, вернее эйнштейновского принципа эквивалентности, примерно с той же точностью, что Gravity Probe A, — около 0,01%. Нам еще предстоит много работы, и основная часть данных ожидает анализа. Мы рассчитываем, что в итоге сможем улучшить точность измерения в 10 раз, и если повезет, то и обнаружить отклонение от формулы Эйнштейна", — подытожил Литвинов. Увидеть тень невидимки Как отметил Ковалев, прогнозы по дальнейшим срокам жизни "Спектра-Р" делать достаточно сложно: сейчас телескоп находится в хорошем состоянии, но деградация из-за космического излучения происходит, немало блоков спутника были заменены на их запасные версии. Если хотя бы один из ключевых модулей выйдет из строя, возможности телескопа могут быть ограничены. "Недавно мы исчерпали запасы водорода, которые использовались в стандарте частоты, и нам пришлось перейти на запасной режим синхронизации", — пояснил астрофизик. С другой стороны, "Спектр-Р" не испытывает проблем с традиционным больным местом многих других космических миссий — запасами топлива. Как отмечает Ковалев, в баках спутника сейчас присутствует около 70% изначальных объемов топлива, поэтому зонд без труда сможет пережить очередную коррекцию орбиты, если она понадобится. С финансовой точки зрения "Роскосмос" будет поддерживать работу спутника до конца 2019 года, после чего будет принято решение или об очередном продлении, или о завершении миссии. Интерес к "РадиоАстрону" со стороны ученых, как отметил Ковалев, продолжает расти — есть надежда, что космический телескоп проработает максимально долго для изучения самых интересных объектов Вселенной с рекордно высоким разрешением. По его словам, в пятницу руководство миссии объявит о начале приема научных заявок на наблюдения "РадиоАстрона" в рамках очередного годового цикла, с июля 2018-го до июня 2019 года. "Мы хотели бы увидеть центр нашей Галактики при помощи "РадиоАстрона" и тень черной дыры, которая там находится. Это очень тяжелая задача — мы провели наблюдения на самой короткой длине волны в 1,3 сантиметра в сотрудничестве со многими наземными телескопами, и даже в этом случае он остается невидимым для нас. Мы надеемся, что открытый "РадиоАстроном" новый эффект, субструктура рассеивания радиоволн, поможет восстановить карту самого центра Галактики при использовании алгоритмов восстановления изображений, которые мы сейчас разрабатываем", — заключил ученый.