Редактор ПостНауки Алена Селичева побеседовала в прямом эфире с Юрием Ковалевым — доктором физико-математических наук, руководителем лабораторий ФИАН РАН и МФТИ, член-корреспондентом РАН.

Задачи «Радиоастрона»

— Что такое космический интерферометр?

— Посылать радиотелескоп в космос бессмысленно, если вы планируете использовать его как одиночное зеркало, работая на обычных радиоволнах длиной от сантиметра до метра. Для этих длин волн атмосфера Земли почти прозрачна. Поэтому можно построить гигантские телескопы прямо на Земле. Но если вы хотите исследовать далекие галактики, рассмотреть объекты нашей Галактики во всех деталях, включая ее центр, увидеть тени черных дыр, одиночного телескопа недостаточно. Потому что наиболее высокое угловое разрешение — способность разглядеть эти мельчайшие детали — можно получить только в системе из нескольких работающих вместе телескопов. Эта система называется интерферометром.

— В чем была уникальность «Радиоастрона»?

— Радиоастрономы давно разбросали телескопы по всей поверхности нашей планеты. Но этого оказалось мало. Мы решили сделать интерферометр побольше, чтобы увеличить разрешающую способность. Для этого расстояние между телескопами надо увеличить больше чем на размер Земли. Один из телескопов мы отправили в космос, и он путешествовал от Земли до Луны и обратно, преодолевая это расстояние за 9 суток. Фактически мы получили виртуальный телескоп размером Земля-Луна, который все еще держит мировой рекорд по разрешающей способности. В связке с нашим телескопом в космосе в общей сложности работало 58 земных радиотелескопов из Европы, США, Австралии, Южной Африки, Китая, Кореи, Японии, а также российского Института прикладной астрономии. Некоторое время наблюдения вел 70-метровый телескоп из Крыма.

Электроника на борту телескопа в космосе проходит через достаточно жесткое космическое излучение. Его бомбардируют заряженные частицы. И можно посчитать вероятность, когда ударит та или иная частица. Но угадать, сколько протянет аппарат в космосе, сложно. Наш телескоп был построен НПО имени Лавочкина — это та самая организация, которая построила все лунные советские миссии, миссии к Венере и Марсу. Мы ожидали, что через три года он прекратит работу, но в итоге он проработал семь с половиной лет.

Очень грустно, что активная наблюдательная часть проекта завершена. За последние полгода мы получили громадное количество поздравлений, благодарностей, а также соболезнований по поводу окончания проекта от наших коллег в России и за рубежом. Но не следует забывать, что впереди главное — обработка, анализ данных и научные публикации. Известно, что с прекращением наблюдений количество публикаций растет в единицу времени, потому что ученые могут позволить себе не концентрироваться на наблюдениях. И сейчас в проекте «Радиоастрон» обработка и анализ данных являются основной и фактически единственной оставшейся задачей.

— На что был нацелен телескоп? Что вы изучали?

— Первый вопрос, который мы задавали, был о далеких галактиках. Их еще называют «квазары». По историческим причинам они выглядели как звезды. Но оказалось, что это центры далеких галактик. Эти галактики не похожи на Млечный Путь. Считается, что в центре нашей Галактики находится черная дыра массой несколько миллионов масс Солнца, а масса черных дыр в этих галактиках на несколько порядков больше. На эти черные дыры падает окружающее вещество, подпитывая их. Примерно одна десятая часть этого вещества выбрасывается наружу в виде узких струй очень горячего вещества. Подобные объекты находятся в миллиардах световых лет от Земли, поэтому мы в некотором смысле археологи, историки, которые видят то, что происходило там миллиарды лет назад. Нет никаких сомнений, что сейчас этих объектов уже нет в том виде, какими мы их наблюдаем.

Мы хотели узнать, каков механизм генерации излучения — света, который идет в нашу сторону от этих горячих выбросов. Существовали теоретические предсказания, что квазары не могут быть ярче определенного предела, потому что очень горячие электроны, которые могут создавать подобное излучение, очень быстро теряют свою энергию. Но проверить это с Земли было невозможно. Наблюдения с «Радиоастроном» показали, что предсказание нарушается. Это означает, что мы около полувека неправильно понимали, как работает излучение в горячих выбросах далеких квазаров. Сейчас появились некоторые идеи, как это может происходить на самом деле. Возможно, центр далеких галактик в состоянии ускорить даже такие тяжелые частицы, как протоны, и, может, это они излучают. Но пока к каждой идее есть претензии.

Вторая задача тоже связана с галактиками. Для нас многие годы было загадкой, как формируются узкие выбросы, потому что их нужно ускорить до скоростей, близких к скорости света. Раньше мы думали, что в их формировании активную роль играет центральная сверхмассивная черная дыра. Мы думали, что крутящиеся черные дыры помогают своей закруткой сформировать этот выброс. Но оказалось, что у некоторых галактик в формировании выбросов участвует не черная дыра, а вещество, падающее на нее, потому что оно тоже крутится, закручивает джеты. Это было неожиданно.

Есть понятие known unknown — «известное неизвестное». Ученые знают, что будут изучать, и знают, где это искать. Но у нас были и такие направления исследований, где мы даже не знали, что искать и что мы можем найти. И в итоге обнаруживается что-то интересное. Именно это произошло, когда с помощью «Радиоастрона» исследовали пульсары — это мертвые звезды, очень плотные и маленькие, 10–20 км в диаметре, объекты, которые остаются после взрывов сверхновых. Неожиданно для нас был открыт новый эффект рассеяния радиоволн. Этот эффект позволяет понять, что находится в межзвездной среде. Кроме того, знание о том, что этот эффект есть, помогает нам от него же избавиться и увидеть истинное изображение объекта, не испорченное рассеянием. Это принципиально важно, если мы хотим разглядеть тень от черной дыры в центре нашей Галактики.

— Как данные, которые вы получали, соотносятся с общей теорией относительности Эйнштейна?

— Проверка общей теории относительности была одним из самых сложных экспериментов, который мы провели за эти годы с нашим спутником. Нам, как и многим другим астрономам, не удалось доказать, что Эйнштейн был неправ. На борту спутника стоял водородный стандарт частоты (по-простому — атомные часы). Они очень точные: через несколько миллионов лет они убегут всего на секунду. Благодаря этому мы можем сравнить скорость убегания атомных часов в космосе и на Земле. Это помогает проверить лежащий в основе общей теории относительности принцип эквивалентности, который описывает инертную и гравитационную массы объектов. Гравитационное поле на поверхности Земли намного больше, чем гравитационное поле на расстоянии от нее. Общая теория относительности предсказывает, что часы будут идти по-разному, находясь в разных гравитационных полях. Сравнение реальных данных о ходе атомных часов с теоретическими предсказаниями помогает проверить принцип эквивалентности. Пока наши первые результаты не противоречат предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна. Сейчас мы работаем над тем, чтобы использовать весь собранный «Радиоастроном» материал по данному направлению и увеличить точность проверки еще примерно в 10 раз. Такая проверка дает возможность двигаться дальше и развивать постэйнштейновские теории, описывающие взаимодействия в нашей Вселенной.

— Как организовано международное сотрудничество?

— Международное сотрудничество начинается с разработки и строительства телескопа. Члены международного научного координационного совета «Радиоастрона» фактически советуют нам, как развивать проект. В соответствии с межправительственными соглашениями разрабатывался рубидиевый стандарт частоты, который был запасным к водородному, сделанному в Швейцарии. Усилители радиосигналов были построены нашими коллегами в Европе, Америке, Австралии, Индии и в России, конечно, — основную часть делала Россия.

Рекомендуем по этой теме:
12297
Черные дыры в центрах галактик

После запуска космического телескопа подключается международная сеть наземных телескопов. Астрономы со всего мира получают возможность работать с телескопом согласно реализованному принципу открытого доступа. Организация, которая управляет тем или иным телескопом или обсерваторией, объявляет открытый конкурс на доступ к наблюдательному времени того или иного телескопа. Научные группы присылают заявки к определенному сроку. Международный программный комитет отбирает самые лучшие заявки и рекомендует их к реализации на телескопе. После этого организация работает с научной группой, для того чтобы реализовать наблюдения наилучшим образом. Затем полученные наблюдательные данные передаются в научную группу для обработки, анализа и публикации результатов. Некоторое время научная группа имеет исключительные права доступа к этим данным. Но по истечении этого срока (в случае с «Радиоастроном» это год после передачи в научную группу последней порции данных) информация становится открытой, и ее может использовать любой человек. По этому принципу работает большинство крупных наземных телескопов (в их числе Специальная астрофизическая обсерватория РАН, у которой есть шестиметровый оптический телескоп и большой радиотелескоп РАТАН-600) и космических астрофизических обсерваторий.

После «Радиоастрона»: изучение черных дыр

— Чем вы будете заниматься после «Радиоастрона»?

— «Радиоастрон», или «Спектр Р», — это один телескоп из серии космических обсерваторий «Спектр», которая входит в федеральную космическую программу России. В июле 2019 года была запущена российско-германская обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма», которая будет исследовать Вселенную в рентгеновском и гамма-диапазоне. Она построит карту Вселенной, нашего неба в рентгеновских лучах, откроет громадное количество новых галактик и скоплений. Следующий в очереди — проект «Спектр УФ», который иногда называют заменой «Хабблу», потому что он будет работать в ультрафиолетовом диапазоне близко к тому, что делает «Хаббл». А следом будет «Спектр М» — «Миллиметрон».

Десятиметровый телескоп проекта «Спектр М» будет работать уже не на сантиметровых, а на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн. На более коротких длинах волн улучшается не только разрешающая способность телескопа, но и видимость космических объектов. Когда короткие радиоволны проходят через облака межзвездной плазмы, они рассеиваются, но не так сильно, как длинные. Кроме того, облака плазмы и пыли, которые окружают центр нашей Галактики, а также центры других галактик, не прозрачны для длинных радиоволн. На «Радиоастроне» мы пытались увидеть тень черной дыры в галактике Дева А. У нас не получилось. На «Миллиметроне», работающем на миллиметровых длинах волн, это будет возможно. Кроме того, в отличие от «Радиоастрона», его можно будет использовать и как интерферометр, и как одиночное зеркало. Он будет находиться за пределами атмосферы Земли и будет гораздо более чувствительным по сравнению с наземными телескопами, потому что на коротких длинах волн наблюдениям мешает атмосфера.

Сделать такой телескоп очень сложно: требуется изготовить очень точное зеркало. После запуска оно должно раскрыться в космосе, как цветок. Сохранить чувствительность телескопа после тряски, которая его ждет во время запуска, а также в условиях перепада температур чрезвычайно сложно. «Миллиметрон» будет выглядеть как телескоп, который посадили на что-то похожее на гармошку. На самом деле это экраны, которые позволяют пассивным методом охладить телескоп: фактически они возьмут на себя весь нагрев, который приходит от Солнца. Для менее точного «Радиоастрона» продумывать сложную систему защиты от высоких температур не пришлось: все, что вы можете увидеть на его фотографиях, — золотистая фольга с обратной стороны.

Но, несмотря на сложности, проект выглядит реалистично с учетом позитивного опыта «Радиоастрона». Мы надеемся реализовать его и запустить в космос во второй половине 2020-х годов. И тогда сможем рассмотреть центр далеких галактик и центр нашей Галактики и решать задачи, напрямую связанные с черными дырами.

— Зачем радиоастрономам понадобилось изображение тени черной дыры?

— Тень от черной дыры — это наиболее прямое из косвенных доказательств существования черных дыр. Мы уже полвека говорим про черные дыры. Вначале никто не верил в их существование, но сегодня черные дыры используются для объяснения большого количество явлений, который мы наблюдаем во Вселенной. Несколько лет назад уже дали Нобелевскую премию за детектирование гравитационных волн. Их источником было слияние двух черных дыр звездных масс. Никто уже не сомневается в их существовании, но никто никогда их не видел.

Информацию, которую мы получаем из изображений кольца света вокруг черной дыры, можно использовать для проверки общей теории относительности Эйнштейна. Когда мы сможем построить изображение тени черной дыры в центре нашей Галактики, то, зная с большой точностью расстояние до нее и массу, мы сможем проверить предсказания общей теории относительности в сильном гравитационном поле черной дыры в центре Млечного Пути. И если там что-нибудь не сложится, то можно будет развивать постэйнштейновские теории. Event Horizon Telescope уже наблюдал центр нашей Галактики, но сфотографировать его не получилось: он оказался слишком «вертлявым». Его изображение меняется быстрее, чем длительность нашего наблюдения, потому что черная дыра не очень большая и все процессы в ней происходят быстро. Кроме того, открытый «Радиоастроном» новый эффект рассеяния радиоволн приводит к тому, что изображение портится. Нужно научиться его учитывать, и в этом поможет «Миллиметрон».



— Но как они могут быть уверены, что на изображении тени черной дыры правильные очертания?

— Если мы видим что-то, что плавает как утка, ныряет как утка и крякает как утка, то это, скорее всего, утка. Здесь работает этот же принцип. Теоретики в рамках их представления о том, какие могут быть параметры у сверхмассивных черных дыр в центрах других галактик, построили теоретические модели, которые предсказали, какого размера будет тень и как будет выглядеть фотонное кольцо вокруг черной дыры. Даже предсказали, что из-за определенных релятивистских эффектов с одного бока оно будет более яркое, чем с другого. И на фото все именно так и выглядит.

Как вычислили размер тени? Исследуя то, с какой скоростью двигаются облака вокруг центра галактики Дева А, теоретики смогли оценить массу черной дыры. Согласно предсказаниям, она равна 6 миллиардам масс Солнца. А зная массу черной дыры, можно посчитать величину гравитационного радиуса и фактически размер черной дыры, размер горизонта событий. По этим данным можно предсказать размер тени. И фактический размер совпал с предсказаниями теоретиков.

Само наблюдение черной дыры длилось около 10 часов, в нем участвовали 8 телескопов на Земле. Наблюдения были проведены в апреле 2017 года четыре раза. И на самом деле в статье The Astrophysical Journal Letters не одно, а четыре изображения черной дыры: одна большая и три маленьких. Наблюдателям очень сильно повезло с погодой, и у них не было технических проблем, в отличие от наблюдения весной 2018 года.

Важно понимать, что интерферометр не получает изображение напрямую. Он получает определенные величины, на основании которых мы восстанавливаем изображение. Чтобы не было ошибок, научная группа, которая обрабатывала и получала эти изображения, была разделена на три части. Каждая группа использовала альтернативный независимый метод восстановления изображения. Им было запрещено разговаривать друг с другом, они не видели результаты друг друга и независимо обрабатывали четыре дня наблюдений. А потом оказалось, что результаты всех трех групп совпали с высокой точностью. Лишь после этого группа Event Horizon Telescope решила обнародовать эти данные.

— Какую практическую пользу приносит радиоастрономия?

— Астрономы-оптики разрабатывали приборы с зарядовой связью (ПЗС). Это датчики, с помощью которых мы получаем цифровые изображения и которые сегодня установлены в любой камере, на любом смартфоне. Они появились потому, что астрономы в какой-то момент устали работать с фотопластинками.

Радиоастрономы могут как исследовать объекты Вселенной и получать их изображения, так и решать обратную задачу: использовать далекие галактики как реперные точки, как гвозди, прибитые к небосводу. Относительно галактик можно измерять положение телескопов на Земле и благодаря этому измерять положение литосферных плит. Кроме того, они определяют параметры вращения Земли. Ежедневно системы интерферометров передают эту информацию в центры, которые обслуживают систему глобального позиционирования ГЛОНАСС, GPS. Без этого системы позиционирования не смогут реализовывать высокую точность определения положений. Благодаря радиотелескопам ваши автомобили добираются в нужную точку.

Это расшифровка интервью из Рубки ПостНауки, а послушать его полностью можно здесь.