Новости

04.11.2010 00:00

Астрофизика будущего: в поисках белых дыр и планет-гигантов

Самые ожидаемые открытия во Вселенной. Ученые представили прогнозы развития астрономических наук. Какие ближайшие задачи стоят перед астрофизиками Земли? Какие открытия уже задали вектор космических исследований? Практика и теория современной астрофизики
Гость программы "Космическая среда" - Сергей Борисович Попов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга.


Подводный телескоп


За последние годы астрофизики сделали огромные шаги к разгадкам Вселенной. Однако чем больше ученые находят ответов, тем чаще возникают новые вопросы. Вселенную исследуют за пределами человеческих возможностей, во всех диапазонах – от рентгеновского до гамма-излучения. Одни из наиболее перспективных исследований сегодня – изучение нейтронных звезд, которые были теоретически предсказаны за 35 лет до их фактического открытия в конце 1960 годов.

При сравнительно крохотных размерах (диаметр редко превышает десять километров), они обладают колоссальной плотностью – один кубический сантиметр нейтронной звезды весит сотни миллионов тонн. Такие объекты – конечная стадия эволюции многих звезд. В момент своей смерти звезды выделяют колоссальное количество энергии, 10 процентов которой составляют нейтральные частицы. Нейтрино (именно так они называются) плохо взаимодействуют с любой материей. Каждую секунду через тело любого человека на Земле без видимых последствий проходит порядка 1014 частиц нейтрино, идущих от Солнца. Именно поэтому телескопы, нацеленные на нейтрино, должны быть самыми чувствительными.

Объясняет Григорий Домогацкий, доктор физико-математических наук, руководитель проекта "Байкальский нейтринный телескоп": "Обычные телескопы принимают электромагнитные излучения. Им нужно, чтобы над ними было как можно меньше атмосферы, потому что она мешает. А мы принимаем такое излучение, что нужно спрятаться от всего на свете, чтобы нам ничего не мешало".

Работы над уникальным проектом "Байкальский нейтринный телескоп" начались еще в 1980 годах. Сейчас подо льдом Байкала более 200 фотоумножителей - стеклянных шаров, которые регистрируют движение частиц нейтрино в толще воды. Размер установки постоянно увеличивается. Чем больше размах - тем больше вероятность поймать нейтрино.

Объясняет Николай Буднев, директор Иркутского института физики: "Глубина в этом месте составляет 1366 метров. На самом деле, представить себе такую большую глубину невозможно. Мы стоим, а под нами под водой существует огромная глубоководная лаборатория. Радиус ее, основная часть, - это 600 метров. Но еще есть приборы, находящиеся на расстоянии до 5 километров отсюда".

Масса нейтрино ничтожна, и обычные телескопы не способны их увидеть. Хотя именно они долетают до нас из самых дальних уголков Вселенной и могут рассказать, как устроен космос, что происходит в других галактиках, или о том, что такое черные дыры.

Продолжает Николай Буднев: "Нейтрино, которые рождаются внутри этих объектов, могут достигнуть Земли и донести информацию об этих, самых далеких и мощных, объектах Вселенной".

Каждый год на льду Байкала строится лагерь. Ученые переодеваются в рабочие комбинезоны и монтируют оборудование, несмотря на жестокие ветра и двигающиеся льды. На сегодняшний день это один из самых амбициозных и серьезных проектов российской науки. К 2017 году физики надеются довести размеры подводного телескопа до километра в диаметре. 

Интервью

Кулаковская: В нашей студии кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга Сергей Попов. Мы будем говорить с вами о современных исследованиях в астрофизике. И хотим, чтобы вы нам опровергли подтвердили данные опроса, который был проведен среди ученых. Например, в ближайшем будущем ученые надеются получить пробы марсианского грунта, найти лунную воду и возобновить активное изучение Венеры.

Попов: Действительно, космические программы в Солнечной системе развиваются достаточно активно, несмотря на финансовый кризис. Программы были заложены до него. Ситуация в космических агентствах обычно такова, что большие отобранные программы (а спутники всегда делают долго), которые уже начались, будут закончены. Поэтому можно ожидать, что в ближайшее время новые результаты по Солнечной системе будут появляться непрерывно.

Кулаковская: Также должна быть разгадана природа гамма-всплесков. Причем, некоторая часть астрономического сообщества уже заявила, что их природа разгадана. Что такое гамма-всплески? Какие результаты принесет решение этой загадки?

Попов: В 1960 годы американские спутники, изначально призванные следить за ядерными испытаниями, проводившимися Советским Союзом и Китаем, начали регистрировать гамма-вспышки, приходящие из космоса. Это было совершенно неожиданное открытие. И в течение почти 30 лет, до середины 1990 годов, это была, может быть, не самая большая загадка в астрофизике, но, наверное, самая жгучая. Потому что что-то примерно раз в день на небе пыхает, а что - совершенно не понятно. То ли это происходит совсем близко, в Солнечной системе, то ли - в миллиардах парсеков от нас в очень далеких галактиках. Это было не ясно.

В 1990 годы был дан самый важный ответ: это очень далекие события, происходящие в далеких галактиках. Это очень мощные взрывы, которые сопровождаются гамма-вспышкой. Поэтому часть людей считает, что основной ответ дан, загадка решена. Остаются более тонкие вопросы.

Гамма-всплески делят на две основные группы. Может быть, потом выделят менее многочисленные или более слабые объекты. Но есть два основных типа: так называемые длинные и короткие. Длинные длятся несколько десятков секунд (такое типичное время), иногда гораздо дольше. Короткие - около секунды, может быть, меньше. Сейчас мы с достаточной уверенностью можем говорить, что длинные гамма-всплески связаны с некоторыми взрывами сверхновых или с последними моментами жизни массивных звезд, когда они взрываются и, скорее всего, порождают черную дыру. В редких ситуациях (где-то один случай на несколько сотен) могут возникать две узкие струи, бьющие в противоположные направления. Если мы смотрим прямо на такую струю, то видим мощную гамма-вспышку.

Качественно вроде бы понятно, что такое длинные гамма-всплески. Но деталей там очень много. Механизм того, как происходит гамма-всплеск, так и не разработан. Есть несколько конкурирующих моделей, но пока не хватает данных. Поэтому этим занимаются многие ученые. И они, конечно, считают, что загадка до конца не решена.

Есть еще короткие гамма-всплески. Про них известно немножко меньше. Сейчас есть основная гипотеза, которая не имеет очень сильных конкурентов, но непосредственно не подтверждена. Основная гипотеза очень красивая. Есть такие объекты - нейтронные звезды. Они очень интересные. Это объекты, которые ближе всего к черной дыре. Они очень компактные. И если вы на нейтронную звезду бросите камень или кирпич, то энергии выделится чуть больше, чем в Хиросиме. Просто от того, что он упадет.

Теперь представим себе экстремальную ситуацию: вы кидаете на нейтронную звезду не камень, а другую нейтронную звезду. Конечно, выделяется очень много энергии, причем очень быстро. Потому что объекты очень компактные, размером 10-15 километров. И по всей видимости, слияние двух нейтронных звезд дает короткий гамма-всплеск. Это стандартная гипотеза, которую очень хотелось бы подтвердить. Для этого нужно изучать нейтронные звезды и регистрировать гравитационные волны.

Кулаковская: Сергей, а как проводятся исследования нейтронных звезд в нашей стране? На какой они сейчас стадии?

Попов: В этой области мы вполне конкурентоспособны по сравнению с мировым уровнем. Действительно, есть области, где исследования в России идут не очень активно. У нас недавно были объявлены победители так называемых мегагрантов на создание крупных исследовательских групп. И в номинации "Астрономия и астрофизика" победил как раз проект, в основном связанный с нейтронными звездами. Он будет осуществляться в Санкт-Петербурге. В основном, на базе Политехнического института и питерского Физтеха, где есть очень сильная группа теоретиков и наблюдателей.

Именно эта группа когда-то сделала, на мой взгляд, одно из самых красивых открытий в России или в Советском Союзе. Они открыли магнитары - очень сильно размагниченные нейтронные звезды, которые выделяют энергию магнитного поля. До сих пор они регулярно держат работающими один или два детектора, и от них идет поток результатов по гамма-всплескам, по всплескам магнитаров. Это очень важно.

Также в ближайших планах в России есть запуск спутника "Спектр рентген-гамма". С российской стороны это Институт космических исследований. Основная задача для этого спутника - это космология, изучение скопления галактик в рентгеновском диапазоне. Кроме этого, мы ожидаем очень интересные результаты по нейтронным звездам. Поскольку будет сделан новый, очень полный, хороший обзор неба в рентгеновском диапазоне. Можно с уверенностью говорить, что если аппарат штатно отработает, то будут новые интересные открытия.

Кулаковская: Буквально на днях ученым удалось обнаружить сверхтяжелую нейтронную звезду, масса которой превышает солнечную в два раза. До последнего времени астрофизики полагали, что такого просто не может быть, поскольку гравитация схлопнет эту звезду в черную дыру. Остается загадкой состояние недр нейтронных звезд.

Попов: На самом деле, астрофизики много чего полагают. Часть людей считала, что не может быть нейтронных звезд с массой около двух солнечных. Наоборот, считалось, что верхний предел на массу нейтронной звезды - два, может быть, два с хвостиком. Нельзя сказать, что это какая-то супернеожиданность, но результат очень важный. Пояснить это очень легко. Астрономам, астрофизикам часто говорят: "Вы занимаетесь какой-то бесполезной вещью". Где-то есть такие далекие объекты. Вы их изучаете. Это очень интересно, картинки красивые. А в чем смысл? Так вот, в случае нейтронных звезд можно очень много таких смыслов приводить.

К этому открытию имеет отношение один факт. Наверное, ни у кого нет сомнений, что ядерная физика - наука прикладная и в какой-то степени полезная. Людям, которые занимаются ядерной физикой, очень интересно и важно изучать, как ведет себя вещество при большой плотности. Но в лаборатории нельзя создать холодное вещество при плотности, которая намного больше ядерной. Просто не получится так сжать без разгона частиц и столкновения, когда вещество горячее. А узнать очень хочется. Если мы хотим быть уверены, что наши теории в ядерной физике, в квантовой хромдинамике верны, то нам нужно проверять, как они ведут себя при очень высоких плотностях.

По всей видимости, в природе есть единственное место, где плотность вещества может быть в 10-15, может быть, в 20 раз выше ядерной. При этом вещество холодное. Это недра нейтронных звезд. Соответственно, чем больше масса нейтронной звезды, тем выше плотность центра, тем сильнее все сжато. Это лучший и, может быть, единственный способ проверить, что вещество может выдержать до того, как произойдет коллапс в черную дыру.

Очень важно открывать все более массивные нейтронные звезды. При открытии такой нейтронной звезды очень важно, с какой точностью они измеряют массу. Здесь масса вряд ли может быть ниже, чем, например, 1,8 масс Солнца. Это отбрасывает некоторые теории, которые предсказывали, что не может быть нейтронных звезд тяжелее, чем 1,8-1,9 масс Солнца. Это очень важное открытие.

В области нейтронных звезд часто происходит что-то очень интересное. Причем интересное не только для узких специалистов. Поскольку нейтронные звезды - это экстремальные объекты. Это объекты, где в недрах есть сверхвысокая плотность, на поверхности - сверхвысокие магнитные поля и очень сильная гравитация. Собственно, из объектов с поверхностью это объекты с самым сильным тяготением, с самой сильной гравитацией на поверхности.

Есть очень интересные свойства вещества не только в самом центре нейтронных звезд, но и по дороге от поверхности внутрь. Поэтому это, наверное, самый интересный для физиков астрофизический объект. Их достаточно активно изучают в самых разных диапазонах. Там появляется много новостей.

Кулаковская: Вы говорили о гравитационных волнах. В этом столетии астрофизика надеется решить проблему гравитационных волн?

Попов: В этом столетии - уж точно. Оптимисты лет двадцать назад сказали бы, что в 2010 году мы бы уже зарегистрировали сигнал от слияния нейтронных звезд или черных дыр.

Кулаковская: Ошиблись?

Попов: Это действительно был самый оптимистичный вариант развития событий. Нельзя сказать, что все были уверены, что в 2010 году мы получим ответ, но такие надежды были. Было построено несколько очень крупных детекторов. Два детектора LIGO в США и детектор Virgo в Италии. Там используется очень интересный метод регистрации гравитационных волн. Может быть, я скажу буквально пару слов про гравитационные волны?

Кулаковская: Да. Что это такое?

Попов: Гравитационные волны - это, говоря умным языком, волновое решение уравнения Эйнштейна. Можно взять уравнение, которое описывает пространство и время в общей теории относительности, и получить решение, которое соответствует распространяющейся волне. Поэтому о такой волне говорят, что она пространство времени. Гравитационные волны излучают очень многие тела. Мы сидим, разговариваем, я размахиваю руками, и при этом излучаются гравитационные волны. Естественно, очень слабенькие. Они ни на что не влияют, зарегистрировать их нельзя. А слияние, например, двух нейтронных звезд или двух черных дыр дает достаточно мощный всплеск гравитационных волн.

Это очень сильно искажает пространство и время. И это возмущение пробегает миллиарды световых лет, проходя по дороге, и доходит до нас. Но, волна получается все равно слабенькая. Чтобы их зарегистрировать, люди придумали более чувствительный детектор. Сейчас это два очень тяжелых зеркала, висящие в вакууме, на расстоянии чуть больше километра, между которыми бегает лазерный луч. Когда проходит волна, зеркала чуть-чуть смещаются относительно друг друга, и люди пытаются найти этот сигнал. Если бы всплеск произошел близко, в какой-нибудь близкой галактике, то в существующий детектор уже что-нибудь увидели, но не повезло. Детектор работает несколько лет.

Кулаковская: Может, наоборот, повезло?

Попов: Нет, это событие достаточно безопасное. Чтобы оно было опасным, оно должно произойти в нескольких десятков световых лет от нас.

Кулаковская: Если это не изучено, как вы можете говорить о том, что это безопасно?

Попов: Мы знаем, сколько энергии выделяется, поэтому можем оценивать последствия. Соответственно, опасными из-за гаммы-вспышки, из-за ультрафиолетовой вспышки такие события были бы с гораздо более близкого расстояния.

Кулаковская: Хорошо, тогда не повезло.

Попов: Не повезло. Детекторы совершенствуют. Через несколько лет, в 2013-2014 годах, на детекторах LIGO будет произведено обновление, которое существенно повысит их чувствительность. Тогда можно надеяться, что мы сможем регистрировать гравитационные волны. Это будет важно как для физики, так и для астрофизики. Это будет непосредственное доказательство их существования. В том числе можно будет доказать, что короткие гамма-всплески - это слияние двух нейтронных звезд, если одновременно придет гравитационной волновой сигнал и гамма-всплеск.

Кулаковская: Как вы считаете, могут ли новейшие астрономические открытия повлиять на физические законы, которыми мы пользуемся? Например, потребовать введения каких-то дополнительных условий, констант?

Попов: В принципе, могут. В последние сто лет астрофизика очень важна как уникальная лаборатория. Во Вселенной происходят процессы намного более мощные, чем мы можем провести в земных лабораториях. Здесь можно вспомнить классический пример, почему мы так уверены, что Большой адронный коллайдер безопасен. Потому что каждый день в верхние слои атмосферы Земли попадает огромное количество частиц с энергиями в миллиард раз выше, чем будет достигнуто на коллайдере. Землю так обстреливают уже много миллиардов лет.

Соответственно, если бы при этом происходило что-то опасное, оно бы уже произошло. Есть объекты более плотные, чем земная атмосфера, например, белые карлики. Если бы в таких столкновениях, как на коллайдере, образовывались черные дыры, которые могли бы что-то поглощать, то у Вселенной не было бы никаких белых карликов. Миллиарды лет их непрерывно обстреливают гораздо более энергичные частицы.

Физики очень часто обращаются к астрофизическим исследованиям, когда им нужно проверить какие-то модели в экстремальных условиях. Как ведет себя гравитация на очень больших масштабах? Мы можем изучать гравитацию на масштабе миллиметров, метров, километров на Земле. На масштабах в сотни миллионов километров в Солнечной системе. На больших масштабах или в очень сильных полях мы должны идти в сторону астрофизики и изучать черные дыры, вращения галактик, скопления галактик. Поэтому есть несколько областей, где астрофизики ожидают какого-то результата, и он уже есть. 

Например, открытие темной энергии, которое произошло чуть больше десяти лет назад. Сейчас можно утверждать, что действительно что-то есть. Мы не уверены в природе (происхождения – прим. редактора). Это очень серьезно повлияло на физику. Есть в физике концепция дополнительных измерений. Их в том числе пытаются искать в различных астрофизических объектах. Это может быть поведение нейтронных звезд, на которые так или иначе должны влиять дополнительные измерения. Это могут быть какие-то эффекты, связанные с сильными гравитационными полями, например, в окрестностях черных дыр. Это могут быть гравитационные эффекты на больших масштабах. Тогда интересно, как вращаются галактики, как эволюционируют скопления галактик.

Есть такая красивая вещь - нарушение лоренц-инвариантности. Мы привыкли говорить, что есть скорость света, и любое электромагнитное излучение распространяется со скоростью света. На самом деле, в современных моделях квантовой гравитации это почти всегда не так. И гамма-квант летит не с такой скоростью, как оптический квант. Эффект очень слабенький. Он набирается, только если частицы летят долго. Люди пытаются наблюдать всплески в гамма-диапазоне - сами гамма-всплески или какие-то вспышки у блазаров, квазаров. Смотрят, как эти вспышки расплываются. И если найдут какой-то эффект, это будет иметь колоссальную значимость именно для физики.

Кулаковская: Сергей, у меня последний вопрос. Согласно все тому же опросу, наиболее невероятными событиями стали бы обнаружение в Солнечной системе нового тела крупнее Марса, доказательства факта посещения Земли внеземной цивилизацией, обнаружения белых дыр и открытие сфер Дайсона. Что из этого, по-вашему, может произойти? 

Попов: Конечно, все эти события выглядят маловероятными. Поэтому трудно сказать, что какое-то из них произойдет в ближайшие годы, десятилетия или столетия. Но если уж выбирать, я бы поставил на самое последнее место визит внеземной цивилизации. Это слишком невероятно.

Кулаковская: Даже так?

Попов: Белые дыры - это некий теоретически придуманный, гипотетический объект. Люди по-разному относятся к этому. Я бы поставил белые дыры тоже достаточно низко в таком списке. Наверное, в таком списке очень мало вероятных событий. Но если сферы Дайсона мы расширим до любой инженерной деятельности внеземных цивилизаций, то, как бы маловероятно это ни было, я бы поставил это на первое место. Какие-то следы технической деятельности внеземных цивилизаций, в этом списке выглядят самыми вероятными.

Другой аспект - большое тело в Солнечной системе. Безусловно, не может быть никакого крупного тела внутри, скажем, орбиты Плутона или на каком-то сравнимом расстоянии. Мы плохо знаем, как образуются планетные системы, как они эволюционируют. Поэтому, в принципе, где-то очень далеко можно обнаружить крупное тело, которое когда-то было выброшено в результате взаимодействия с другими планетами внутри Солнечной системы. Это не сильно противоречит существующим моделям. Это крайне маловероятно, но, тем не менее, такое может быть. Соответственно, это было бы вполне естественным явлением. Но оно, кстати, было бы самое неинтересное из всех. Три остальных действительно дают новые знания.

Кулаковская: А ваш личный прогноз? Как вы считаете, какие крупнейшие открытия произойдут в астрофизике в этом веке?

Попов: На девяносто оставшихся лет загадывать очень сложно.

Кулаковская: Наука развивается очень быстро, это понятно.

Попов: Конечно, фантазия всегда более ограничена, чем реальность. В совсем ближайшие годы наземные установки откроют частицы темной материи. Пусть это будет открытие лабораторной физики, но, тем не менее, это крайне важно для астрофизики. Второе открытие – это всплеск в гравитационных волнах. С одной стороны, это ожидаемое предсказанное открытие, и поэтому сенсации не будет, но это очень важно сделать. И я думаю, что в ближайшие 10 лет этот результат будет получен.


http://rus.ruvr.ru/2010/11/03/31317966.html