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

МОСКВА, 22 дек — Новости Дня. Юрий Ковалев, научный координатор проекта "РадиоАстрон", заведующий лабораториями в ФИАН и МФТИ, и Дмитрий Литвинов из МГУ имени М. В. Ломоносова рассказали о том, как российская космическая обсерватория "Спектр-Р" помогает проверять теорию относительности Эйнштейна и меняет представления об устройстве Вселенной, а также поделились секретами, как им удалось превратить облако газа в космосе в гигантский телескоп.

Весь мир — телескоп: как ученые из России превратили космос в обсерваторию - «Космос»

"Радиоастрон" получил рекордно четкие снимки "плевка" черной дырыРадиотелескоп "Спектр-Р", запущенный в космос в июле 2011 года, можно назвать самой успешной космической научной обсерваторией России. Это ключевая часть уникального наземно-космического интерферометра "РадиоАстрон", в составе которого, помимо российского спутника, работают еще десятки наземных радиотелескопов как в России, так и в других странах Европы и Азии, а также в США, ЮАР и Австралии.

Пока "РадиоАстрон" остается единственным наземно-космическим комплексом, работающим по принципу радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, 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 отметить, что она позволяет объединить радиотелескопы, разнесенные на большие расстояния, в одну гигантскую виртуальную антенну. Для сборки антенны нужны три составляющие — синхронизация телескопов с точностью атомных часов, мощный суперкомпьютер, способный объединять сигналы, и точные данные о расстояниях между элементами антенны.

Эта методика ведения наблюдений обеспечила "РадиоАстрону" необычное ненаучное достижение — он попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой космический радиотелескоп.

Градусник для черной дыры

Список же чисто научных достижений "РадиоАстрона" гораздо больше. Среди прочего в нем есть и открытия, которые в ближайшее время могут полностью поменять представления о том, как возникают и живут галактики и как работают самые беспокойные и большие их обитатели — сверхмассивные черные дыры.

Еще в 2013 году Юрий Ковалев и его коллеги заметили 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, а это превышает теоретический предел примерно в сто раз.

Юрий Ковалев, научный координатор проекта "Радиоастрон"

В последующие три года эти аномалии в поведении джетов никуда не исчезли. Современные теории, описывающие формирование выбросов и роль в этом мощнейших магнитных полей, соседствующих с черной дырой, не могут объяснить, 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 с процессами магнитного пересоединения в выбросах, другая — с экстремальным релятивистским усилением излучения, третья требует эффективного ускорения протонов в окрестностях черной дыры до скорости света.

За пределами теорий

В первом случае, как отмечает астроном, аномально яркое излучение джетов порождается процессом, похожим 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.

"Радиоастрон" открыл новую физику в работе "плевков" черных дыр

Если это так, то в основании джета должно быть множество подобных точек "разрыва линий", которые Ковалев и его коллеги пытаются найти, наблюдая за квазарами при помощи самых мощных комбинаций антенн "РадиоАстрона". 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 придумать 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.

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 наземном интерферометре Event Horizon Telescope, а также на микроволновой обсерватории ALMA.

Российские и американские астрономы нашли почти "голую" черную дыру

"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 Кардашев задумал даже более дерзкий проект — 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. Некоторые астрофизики полагают, что они возникают у самой поверхности пульсаров, другие — что они рождаются в магнитосфере этих мертвых звезд на довольно большой высоте от поверхности, у так называемого светового цилиндра.

Так художник представил себе работу межзвездного телескопа

Проверить эти теории раньше было практически невозможно. Диаметр типичной нейтронной звезды — примерно 20 километров, а размер светового цилиндра — несколько тысяч километров. Но такой размер невозможно рассмотреть даже 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, 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 влияния силы притяжения на течение времени. Подобный опыт уже проводило НАСА, однако для российских ученых эта проверка стала первой.

"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.

Российские ученые проверят теорию гравитационного замедления времени

При помощи сверхточных атомных часов, созданных 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, увязывающей притяжение с тем, как быстро течет время в тех или иных точках пространства.

Такие опыты уже проводились более сорока лет назад на борту зонда Gravity Probe A, а сейчас — 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 повторных проверок.

"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, 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, могут подсказать ученым, где стоит искать замену выкладкам Эйнштейна.

Физики выяснили, почему квантовая механика не работает в макромире

"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, спрогнозировать срок жизни "Спектра-Р" довольно сложно: сейчас телескоп находится в хорошем состоянии, но деградация из-за космического излучения неизбежна, немало блоков спутника пришлось заменить запасными. 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 остается около 70% от изначального объема, поэтому зонд без труда сможет пережить очередную коррекцию орбиты, если она понадобится.

Астрономы создали телескоп размером с Землю для изучения черных дыр

С финансовой точки зрения "Роскосмос" будет поддерживать работу спутника до конца 2019 года, после чего примет решение либо об очередном продлении, либо о завершении миссии. Интерес к "РадиоАстрону" со стороны ученых, как отметил Ковалев, продолжает расти — есть надежда, что космический телескоп проработает максимально долго, что позволит изучить самые интересные объекты Вселенной с рекордно высоким разрешением. По его словам, 22 декабря 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.