Нажмите "Enter", чтобы перейти к контенту

Астрофизик Рашид Сюняев — о новой эпохе в визуализации устройства Вселенной

Российские ученые создали самую подробную карту Вселенной. Как выглядит наша Галактика изнутри, легко ли запутаться в космической паутине и что мы сможем разглядеть через гравитационные линзы? Об этом «Огонек» расспрашивал одного из самых авторитетных ученых мира — астрофизика Рашида Сюняева.

Более двух с половиной тонн научного оборудования, миллионный бюджет, десятки лет напряженной работы и возрожденный престиж российской науки. Примерно так кратко можно описать космический аппарат «Спектр-РГ», который в эту самую минуту находится далеко в космосе. Аппарат стартовал летом 2019 года с Байконура, унося на себе два телескопа — один из них российский, другой немецкий. Оба телескопа в разных режимах сканируют рентгеновское излучение, исходящее от источников в недрах Вселенной, далеко за пределами нашей Галактики.

Почему именно рентгеновское? Вообще, рентгеновская астрономия, как ни странно, появилась во многом благодаря ядерному противостоянию. В 1940-е годы американцы придумали модифицированный счетчик Гейгера, чтобы ловить в воздухе частицы высоких энергий — «эхо» атомных взрывов в атмосфере. Он, кстати, уловил такое «эхо» от первой атомной бомбы, испытанной в СССР в 1949-м. Позже ученые попробовали отправить прибор в космос и обнаружили, что наше Солнце тоже испускает рентгеновское излучение. И не только оно. Оказалось, что Вселенная наполнена неизвестными объектами, которые можно засечь только в рентгеновском спектре. Но что они собой представляют, долгое время оставалось загадкой. Было ясно: такие частицы испускают источники, нагретые до гигантских температур, вплоть до нескольких миллионов градусов. Сегодня понятно, что речь идет о самых крупных объектах нашей Вселенной — скоплениях галактик, мощных черных дырах, вспышках сверхновых и так далее.

Через четыре года, собрав всю полученную «Спектром-РГ» информацию, российские ученые создадут окончательный вариант самой точной трехмерной карты Вселенной, куда будут нанесены крупные внегалактические объекты, подобные материкам на гигантской географической карте.

Помимо этого, «Спектр-РГ» будет решать огромное количество других научных задач, важнейшая из которых связана с главной загадкой современной науки: распределением невидимой темной материи и действием темной энергии — некой силы, управляющей временем и пространством. Это настолько продвинет нас в понимании устройства Вселенной, что некоторые эксперты называют происходящее третьей астрономической революцией, имея в виду, что первая произошла с появлением оптических приборов, а вторая — с выходом человечества в ближний космос. А узнать, не завышены ли ожидания, можно только у одного человека, который больше других знает и о проекте, и о Вселенной.

— Новые результаты будут опубликованы в «Nature» в декабре, пока я могу сказать, что они связаны с активностью гигантской черной дыры в центре нашей Галактики. Сегодня эта черная дыра и падающее на нее вещество (имеется в виду вещество, которое дыра затягивает внутрь.— «О») наблюдаются как источник слабого переменного рентгеновского излучения. Но миллионы лет назад в центре Галактики произошла ярчайшая вспышка, которая привела к выбросу громадного количества газа на расстояния в десятки тысяч световых лет от этой черной дыры и зоны активнейшего звездообразования вокруг нее. В это время светимость центра Галактики превышала современную в сотни миллионов, а возможно, и в миллиарды раз. Наш телескоп изучает свойства выброшенного газа, видит мощные ударные волны, нагревающие газ до температур в миллионы градусов.

— Для начала скажу, что речь идет о двух совершенно уникальных рентгеновских телескопах с оптикой косого падения: АРТ-ХС и еРозита. Они установлены на борту орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-РГ». АРТ-ХС сделан в России, а еРозита — в Германии. Роскосмос впервые в отечественной истории запустил аппарат в точку Лагранжа (L2) — в 1,5 млн километров от Земли, где Солнце, Земля и Луна всегда находятся с одной стороны от нашей обсерватории. Каждые полгода наш спутник делает оборот вокруг L2 и при этом получает полную карту неба. Всего за 4 года работы будет сделано восемь таких карт, которые дополнят и уточнят друг друга.

В итоге мы надеемся составить карту, на которой будут указаны 3 млн сверхмассивных черных дыр и все 100 тысяч массивных скоплений галактик в наблюдаемой Вселенной.

Уже сейчас мы открыли порядка миллиона рентгеновских источников. Это больше, чем видели все рентгеновские телескопы за всю историю астрономии! И три четверти из них — это сверхмассивные (миллионы и миллиарды солнечных масс) черные дыры в квазарах и ядрах активных галактик. Сейчас завершается второе сканирование неба, и мы получим возможность вести поиск очень интересных явлений, например, приливных разрушений звезд сверхмассивными черными дырами.

— Иногда нам удается стать свидетелями настоящих космических драм. Мы обнаружили десятки объектов, которые за полгода стали ярче в десять раз. Это значит, что они хорошо «покормились» — может быть, мимо пролетела звезда, которая подошла к черной дыре слишком близко и была разорвана приливными силами. При этом часть вещества уходит в бесконечность, а часть оказывается захваченной черной дырой, поэтому светимость аккреционного диска вокруг нее резко возрастает (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся до огромных температур.— «О»). Для того чтобы черная дыра на расстоянии в миллиард световых лет «светила» с такой силой, она должна каждые 10 минут поглощать массу порядка массы Земли.

— На самом деле их очень много. Например, так называемая дыра Локмана. С самим Джеем Локманом я знаком, он был совсем молодым, когда открыл область неба с минимальным количеством нейтрального водорода на луче зрения. Именно поэтому она прозрачна для наблюдения мягкого рентгеновского излучения внегалактических объектов. Уже сейчас мы обнаружили там около 9 тысяч рентгеновских источников, большинство из которых находятся далеко за пределами Галактики, они как бы просвечивают сквозь нее.

Но главное для нас сейчас — это использование гигантского количества открываемых рентгеновских источников в интересах космологии — науки о Вселенной. Мы мечтаем получить новые данные о заполняющих Вселенную темной энергии и темном веществе, физическая природа которых пока не известна. Так, например, на первой рентгеновской карте всего неба телескопа еРозита мы видим около 20 тысяч скоплений галактик, около 80 процентов массы каждого из которых составляет темное вещество. Громадный набор данных СРГ позволяет исследовать, как меняется плотность этих самых массивных многочисленных объектов во Вселенной. Мы узнаем, когда они появились, как со временем росло их количество, как они сливались друг с другом. Горячий газ, излучение которого мы наблюдаем, позволяет следить, как меняется гравитационный потенциал скоплений, определяемый невидимым темным веществом, масса которого растет со временем.

— Громадный гравитационный потенциал приводит к тому, что многие скопления становятся сильными гравитационными линзами (такие линзы меняют направление электромагнитного излучения, как обычная линза — светового луча, то есть через них словно через увеличительное стекло можно детально исследовать самые далекие галактики во Вселенной.— «О»). Сначала изображения объектов усиливаются такой гравлинзой, а затем лучшими в мире оптическими телескопами. Мы рассчитываем, что среди открываемых нами скоплений галактик будут найдены многие тысячи сильных гравлинз.

Назад в будущее

— АРТ-XC — первый российский рентгеновский телескоп с оптикой косого падения международного класса. Его создание стало возможным благодаря работе большого количества людей. Лидер этого коллектива — Михаил Павлинский, который ушел из жизни в июле этого года в возрасте 60 лет и чьим именем телескоп назван сейчас. Детекторы АРТ-XC были полностью разработаны и изготовлены в Институте космических исследований (ИКИ) РАН, а конструкция телескопа изготовлена в знаменитом Федеральном ядерном центре в Сарове. За создание позиционно чувствительных детекторов и их электроники отвечали молодые выпускники МИФИ во главе с Василием Левиным.

— У нас есть отечественные рентгеновские зеркала с оптикой косого падения, и наша страна может делать полностью свои рентгеновские телескопы. Но тесты показали, что зеркала Космического центра НАСА им. Маршалла показывают несколько лучшие результаты.

Надо признать, что в области космической астрофизики и исследования Солнечной системы (во многом благодаря поддержке РАН и Роскосмоса) еще со времен СССР идет плодотворное сотрудничество со многими странами Европы и США. По нашему проекту мы широко сотрудничаем с учеными Германии, и это полезно для обеих сторон. У меня впечатление, что никто и нигде не будет всерьез останавливать научное сотрудничество в чисто научном космосе. В значительной мере это вопрос конкурентоспособности: смогут ли наши ученые предлагать интересные задачи для сотрудничества, а нашe правительство и промышленность — хорошие условия для него. Ни одна страна в мире не может осилить сразу все работы по всем интересующим ученых направлениям.

Возвращаясь к нашей промышленности, добавлю, что большая группа специалистов в НПО им. Лавочкина курирует работу СРГ ежедневно. Именно они создали замечательную платформу «Навигатор», на которой установлены наши рентгеновские телескопы. Эта платформа уже была испытана в космосе, на ней летали «Радиоастрон» и приборы двух метеорологических спутников. Надеюсь, что «Навигатор» будет успешно использоваться и в дальнейшем.

— Здесь громадную роль играют центры дальней космической связи России. Ежедневно по 5 часов в день сеансы связи с СРГ проводят поочередно 64-метровая антенна в Медвежьих Озерах под Москвой и 70-метровая антенна в Уссурийске недалеко от границы с Китаем и Северной Кореей. Они принимают данные и пересылают их по каналам связи в ИКИ для дальнейшей передачи ученым России и Германии. С помощью антенн в этих центрах, а также благодаря работе Байконура ученые проверяют работу всех систем обсерватории и посылают команды и задания на следующие сутки работы.

— Когда вспыхнуло пламя и ракета «Протон» с нашей обсерваторией начала медленно подниматься, это было волнующее зрелище. Я ездил на Байконур и за две недели до запуска. Ракету уже установили на стартовом комплексе, вдруг выяснилось, что у нее есть небольшая, но достаточно серьезная проблема. Как бы дорого это ни было, ракету сняли, отвезли назад в цех и работали над ней в срочном порядке две недели. В итоге запуск прошел чудесно. После ко мне подошел один из ведущих конструкторов завода им. Хруничева (завод — создатель «Протона-М».— «О») и сказал: «Поздравляю! Если б вы знали, сколько людей не спали эти две недели, чтобы все прошло хорошо». Плохо спал в те дни и я, а когда давал комментарии в ходе запуска, осознал, что никогда не видел себя на экране таким бледным.

— Да, отсчет можно вести с 1987 года. Тогда в Москве в честь 30-й годовщины запуска первого спутника ЦK КПСС разрешил провести совещание с участием всех основных космических агентств и ведущих ученых мира в области космических исследований. Проект, который мы предложили, был поддержан 26 выдающимися физиками нашей страны, включая таких гигантов науки, как мой учитель академик Зельдович, академик Сахаров и директор ИКИ, в то время академик Сагдеев.

Заглянуть за край

— С некоторой точностью, и этим уточнением мы занимаемся.

— Понятно, что один человек не может вручную перебрать миллион источников, которые мы уже видим на карте неба, полученной телескопом СРГ/еРозита. Для этого нужны квалифицированные, инициативные и способные люди, нужно большое количество хороших компьютеров, которых у нас не хватает. Но так быть не должно: СРГ дает интереснейшие данные, и их анализ должен производиться учеными нашей страны, молодежь должна иметь возможность делать открытия мирового класса. Более того, стоимость этих компьютеров ничтожна по сравнению со стоимостью всего проекта. К тому же у нас не хватает архивов для того колоссального количества данных, которые приходят каждый день. Мы очень рассчитываем, что Министерство науки и образования поможет в этом вопросе. Именно из-за недостатка компьютеров и современных оптических телескопов в стране мы сейчас концентрируемся на поиске самых далеких объектов во Вселенной среди миллиона уже открытых нами, вместо того чтобы расширять область исследования.

Обработкой данных помимо уже известных специалистов в данной области занимается много молодежи, что принципиально важно. Например, молодые выпускники МФТИ, МГУ, МИФИ и других вузов. Отмечу группу аспирантов и студентов факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ, работающих под руководством Александра Мещерякова. С помощью программы машинного обучения и нейронной сети «СРГz» они «перелопачивают» на компьютерах все обнаруженные СРГ объекты, ищут самые интересные, самые далекие из них, а затем передают информацию астрономам, работающим на четырех отечественных оптических телескопах, для более подробного изучения.

Буквально на днях мне сообщили из Казанского федерального университета, что один из рентгеновских источников, отобранных по программам «СРГz», оказался гигантской черной дырой массой более 100 млн солнечных масс. Этот квазар светил, когда еще не существовало Земли, когда Вселенная была раз в 10 моложе, чем сейчас, и испущенные им рентгеновские и оптические фотоны «летели» к нам 12 млрд лет. Естественно, возникает вопрос: как эта черная дыра успела нарастить столь громадную массу менее чем за миллиард лет?

— Да, при этом в США есть два 10-метровых телескопа, в Европе — четыре 8-метровых, в Японии — такой же на Гавайях. Южная европейская обсерватория (ЮЕО) строит в Чили оптический телескоп с зеркалом диаметром 39 метров… А у нас из крупной техники есть лишь единственный 6-метровый, введенный в строй еще в 60-е годы.

А ведь 8 лет назад ЮЕО приглашала Россию присоединиться к этому международному проекту, но что-то пошло не так…

Космическая паутина

Такой картинки прежде никто не видел, она была просто невозможна. А теперь вот она, перед нами, называется «Первый обзор всего неба»

Такой картинки прежде никто не видел, она была просто невозможна. А теперь вот она, перед нами, называется «Первый обзор всего неба»

Фото: © Гильфанов, Сюняев, Чуразов (ИКИ), Бруннер, Мерлони, Сандерс (МПЕ)

— Да, скорее всего еще через три года в результате восьми обзоров всего неба в рентгеновских лучах мы получим достаточное количество скоплений галактик (речь идет о 100 тысячах) и будем пытаться построить трехмерную картину их распределения во Вселенной. Численное моделирование предсказывает, что в узлах космической паутины (по одной из теорий во Вселенной есть некие плотные структуры из газа и пыли, похожие на нити паутины.— «О») находятся именно скопления галактик. Надеемся это увидеть на тонких срезах полученной трехмерной картины. Более того, мы планируем и поиск следов «барионных акустических осцилляций» (колебания плотности обычной материи, вызванные звуковыми волнами в ранней Вселенной.— «О») в трехмерном распределении не только скоплений галактик, но и гораздо более многочисленных квазаров. И потом, если есть наша Вселенная, почему не быть где-то другой? Почему наша должна быть одна?

Впрочем, я всю жизнь работаю на грани теории и эксперимента и думаю в первую очередь о том, что реально можно увидеть и в некотором смысле «пощупать». Так, например, мне было очень интересно работать над статьей с профессором МГУ (тогда еще совсем молодым ученым) Николаем Ивановичем Шакурой про аккрецию на черные дыры (самая цитируемая статья в мировой теоретической астрофизике.— «О») не только потому, что речь идет об удивительных объектах — черных дырах. Нас поражало, что аккреционный диск из вещества делал ее не только «видимым», но и ярким объектом в рентгеновских и даже оптических лучах, позволял оценить ее массу и ряд других физических параметров. Это открывало возможность искать черные дыры и в нашей Галактике, и во всей Вселенной. А сегодня, 47 лет спустя после этой публикации, СРГ за два скана неба уже нанес на карту неба более миллиона только сверхмассивных черных дыр.

Сейчас благодаря работе наших рентгеновских телескопов получены картины удивительной красоты. Например, мы детально исследовали богатейшее скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Его масса составляет 10 в 15-й степени масс Солнца. Как и все скопления, оно на 80 процентов состоит из темного вещества, а галактики в нем (несколько тысяч) обеспечивают всего 4 процента массы, остальное — горячий межгалактический газ с температурой 70–90 млн градусов и с плотностью всего в один протон и электрон на каждые 100 кубических сантиметров.

На полученном изображении мы видим удивительные по масштабности события: это скопление галактик готовится поглотить своего ближайшего соседа (скопление меньшей массы), в газе возникают ударные волны, происходит ускорение космических лучей и многое другое.

— Благодаря численному моделированию на суперкомпьютерах мы знаем, что темное вещество из пространства между скоплениями галактик широкими рукавами втекает в сами скопления. Вместе с частицами невидимого для нас темного вещества туда же втекает и газ. А этот газ мы надеемся увидеть по его рентгеновскому излучению. Более того, мы стараемся оценить, сколько именно вещества втекает, какое давление газа создается при этом, как в нем возникают ударные волны. Горячий газ, как и галактики, для нас являются как бы пробными частицами, позволяющими почувствовать гравитационное воздействие на них громадного числа невидимых частиц темного вещества. Периферия скоплений галактик представляет для нас особый интерес. Важно найти филаменты (гипотетические плотные узкие нити космического вещества.— «О»), вдоль которых в скопление втекают темное вещество и газ, и измерить их параметры.

— В целом да, ее узлы представляют собой скопления темной материи, проявляющие себя в виде скоплений галактик и атмосферы горячего газа. А между скоплениями, по теории, должны возникать нитевидные структуры, те самые филаменты. Именно в точках пересечения этих нитей находятся скопления галактик. Существование такой картины предсказывают численные расчеты роста возмущений плотности даже во Вселенной, заполненной лишь темным веществом». Наличие барионного вещества (привычная нам форма вещества, отличная от темной материи.— «О»), проявляющего себя в виде разреженного газа и звезд в галактиках, открывает возможность подтвердить наблюдениями эту картину.

— Астрофизика и особенно космология хороши тем, что могут предоставлять теоретикам физические условия, практически недостижимые в земных лабораториях: высокие и сверхнизкие температуры, громадные плотности энергии излучения и вещества, колоссальные магнитные поля или, наоборот, крайне разреженную плазму с плотностью всего лишь в одну частицу в десятках кубических метров, но при громаднейших размерах объектов. При этом хорошо известные физические процессы могут приводить к совершенно неожиданным следствиям. Когда мы с Яковом Борисовичем Зельдовичем предложили экспериментаторам искать проявления эффекта, называемого теперь SZ-effect, в него мало кто поверил.

— Да, экспериментаторы старались, но чувствительности детекторов не хватало еще лет тридцать. Хотя сейчас этим методом открыты многие тысячи скоплений галактик, по нему опубликованы многие сотни экспериментальных и теоретических статей. Помогли известный всем космологический спутник ПЛАНК, замечательные телескоп на Южном полюсе Земли и Атакамский космологический телескоп в Чили.

— Это достойнейшее место, начало которому положили еще отцы — основатели Америки, в том числе Томас Джефферсон и Бенджамин Франклин. Два раза в год (когда удается) я бываю на собраниях, где обсуждают чрезвычайно широкий круг тем. Мне, например, запомнилось выступление профессора Принстонского университета, который изучал культуру мигрантов в беднейших районах Лос-Анджелеса. В Америке многие годы считалось, что все приехавшие должны немедленно забыть свои корни и выучить английский язык, чтобы общаться только на нем. Но оказалось, что в тех семьях, где говорили на родном языке, дети гораздо реже попадают в банды, чем там, где родители пытаются говорить с ними на корявом и бедном английском. Для проявления личности, для установления доверительных отношений с детьми принципиально важно, чтобы взрослые говорили на красивом и богатом языке, чтобы они могли точно выразить свою мысль, дать развернутый совет и так далее. А английский дети освоят, столь велико влияние школы, интернета и массовой культуры. Меня это поразило.

— Мы уже давно переживаем настоящую научно-техническую революцию: например, спокойно говорим из разных стран по Zoom, а я прекрасно помню, как в июле 1960 года, когда поступил в московский Физтех, стоял в двухчасовой очереди на Центральном телеграфе, чтобы позвонить в Ташкент и сообщить родителям, что меня приняли. Жизнь стала другой, а через сто лет она будет еще более интересной, чем сейчас.

«Огонек» в рамках совместного медиапроекта со Сколковским институтом науки и технологий продолжает публикацию цикла интервью с ведущими отечественными физиками. В № 37 за 2018 год была опубликована беседа с Владимиром Захаровым; в № 39 за 2018 год — с Ильдаром Габитовым; в № 45 за 2018 год — с Валерием Рубаковым; в № 2 за 2019 год — с Альбертом Насибулиным, в № 11 за 2019 год — с Алексеем Старобинским, в № 20 — со Львом Зелёным, в № 23 — с Михаилом Фейгельманом, в № 30 — с Александром Белавиным, в № 38 — с Валерием Рязановым в № 47—Юрием Оганесяном, в № 2 за 2020 год — с Алексеи Китаевым, в №11 за 2020 год с — Владимиром Драчевым, с Александром Замолодчиковвым в № 18, со Львом Иоффе в № 24, с Фазоилом Атауллахановым в № 27, с Геннадием Борисовым в №30, с Владимиром Кекелидзе в №35, с Юрием Ковалевым в №39, с Андреем Медведевым в №42.

Источник: Коммерсант