Продюсер ПостНауки Алена Селичева побеседовала с астрофизиком Олегом Верходановым о реликтовом излучении, гравитационных волнах и астрономии в повседневности.

— В мае 1919 года Эддингтон совершил экспедицию в Западную Африку, где наблюдал солнечное затмение, чтобы подтвердить общую теорию относительности Эйнштейна. Почему это было здорово и что было сделано?

— Мы не можем рассматривать общую теорию относительности на очень маленьких масштабах. Когда Эйнштейн написал свою знаменитую формулу, которая связывает энергию с искривлением пространства, первое, что он проверил, — вращение орбиты Меркурия. Оно не совпадала с тем, что предсказывала ньютонова механика, а Эйнштейн предсказал очень точно. В хорошей теории должен быть предсказательный прогноз, который можно проверить, — это называется фальсифицируемость.

То, что сделал Эддингтон 29 мая 1919 года, — событие мирового масштаба, потому что люди обратили внимание на эту теорию, а сам Эддингтон стал известным наблюдателем-астрофизиком, хотя он теоретик. Эксперимент был уникальный: нужно было использовать съемки на фотопластинках, иметь специальные измерительные приборы, чтобы рассчитывать положение звезд. И погода противоречила: солнечное затмение должно было начаться в 14:00, а облака развеялись только в 13:30.

— Члены экспедиции фотографировали звезды на фоне Солнца?

— Да. Если они видны около Солнца, то можно измерить, насколько отклоняется свет, а мы знаем координаты звезд с очень высокой точностью. Искривление лучей света — признак искривления пространства, потому что свет всегда путешествует по кратчайшей линии в данном пространстве-времени. Эддингтон увидел именно это. После было много различных подтверждений: ставили несколько экспериментов с искривлением лучей, измеряли разность хода времени в высоте по сравнению с тем, что у основания земли. Открыли гравитационные волны и тень черной дыры. Само наше существование доказывает верность одного из решений общей теории относительности Эйнштейна.

— А почему?

— Одно из решений было найдено нашим соотечественником Александром Фридманом в 1920-х годах в форме уравнения Фридмана. Это уравнение решали разные люди — например, группа Гамова опубликовала свою работу в 1946 году. Первое следствие решения — химический состав Вселенной: там 75% водорода, 25% гелия и почти ничего больше. Но этого достаточно для того, чтобы возникли первые звезды, давшие химический состав, из которого мы состоим. И второе следствие — реликтовое излучение.

Рекомендуем по этой теме:
1746
5 книг о реликтовом излучении

— Какие бы вы назвали три самых интересных наблюдательных открытия, которые сделали ученые?

— Самое интересное — это экспериментальные открытия, например гравитационные волны, но это открытие номер два. Открытие номер один — реликтовое излучение. Это не только подтверждение общей теории относительности, уравнения Фридмана, всех предыдущих работ, но и демонстрация того, что Вселенная была горячей. По неоднородностям удалось восстановить, как она расширялась. Третье открытие — черные дыры, которые очень любят журналисты и гуманитарии. Мы прекрасно предсказываем сейчас то, как выглядит черная дыра. Но остается пространство для дополнительных теорий, которые не являются фальсифицируемыми, потому что их нельзя проверить по определению черной дыры. То, что происходит внутри нее, нам недоступно, зато можно изучать то, что снаружи.

— Недавно много обсуждали полученные изображения черной дыры. Это уже далеко не фотография. Что это? И видим ли мы вообще космос?

— На самом деле черная дыра окружена фотосферой с горячим газом, который светится. А мы видим контраст. Ореол вокруг черной дыры ярче, чем излучение из фотосферы снаружи горизонта событий. Для построения изображения использовалось восемь радиотелескопов, которые писали данные в течение почти двух недель. Все это нужно обрабатывать, вводить в механизмы анализа данных, находить время сигнала и проводить операцию восстановления изображения.

Когда мы восстанавливаем изображение с разных телескопов, появляются помехи. С этим тоже нужно работать. То, что использовалось в построении изображения черной дыры, — это радиоинтерферометрический синтез. За открытие этого метода построения Мартину Райлу присудили Нобелевскую премию. Это сложная вычислительная работа на специализированном компьютере, который называется «коррелятор». Он работает в задачах радиоинтерференционного синтеза. Все радиоастрономические картинки, которые мы видим, построены таким методом.

— Говорят, что современная космология — это точная космология. По сравнению с чем она точная?

— Заговорили о точной космологии в середине 1990-х годов, это сделал радиоастроном Малкольм Лонгейр. Тогда космология была набором разных сценариев: сценарий холодной Вселенной, горячей Вселенной, Вселенная расширяется, Вселенная сжимается. Постепенно большинство сценариев были опровергнуты, осталось то, что называется Lambda-CDM космология. Это не одна строгая модель, космология — это набор параметров, которые описывают эволюцию Вселенной в разные эпохи. Мы смотрим, как они между собой комбинируют.

Lambda-CDM космология — это доминирующая сейчас парадигма, где Lambda — темная энергия, а CDM — холодная темная материя (cold dark matter). Параметр точности 10% нам уже дал WMAP — это спутник НАСА по измерению реликтового излучения. «Планк» дал лучше — 1%. Для многих наблюдательных экспериментов это недостижимая величина. В оптике мы не можем с такой точностью получить параметры, как через реликтовое излучение. На самом деле все это миллиарды долларов, суперсовременные технологии, коллектив ученых, в который входят 500 лучших космологов мира примерно из 70 стран.

— Современный астрофизик может сидеть дома и из полученных данных с телескопов просто что-то просчитывать и что-то новое открывать?

— Да. Но астрофизик — расплывчатое понятие: есть наблюдатели, есть теоретики, есть вычислители. Они все перемешаны друг с другом. Например, реликтовое излучение — это миллиметровый диапазон длин волн. Такие данные удобно брать с космических миссий, а тут у нас и далекие галактики, и пыль, и многокомпонентное галактическое излучение, и, главное, реликтовое излучение.

Можно заниматься только теорией, без вычислений. Но сейчас все перемешано, язык стал общим, в отличие от 1980-х годов, когда теоретики говорили, что нужно измерять одни величины, а наблюдатели занимались другими. Астрофизики говорили между собой на разных языках.

— Как выглядит современная обсерватория?

— Современная обсерватория выглядит в разных странах по-разному: там, где дают много денег, она выглядит очень хорошо; где дают меньше — тоже хорошо, но с поправками. Мы живем на территории Архызского заповедника близ места Нижний Архыз. Сам поселок астрономов называется Буково, на карте его не увидеть. У нас четыре жилых дома, общежитие для аспирантов, лабораторный корпус, включающий столовую и гостиницу. Наша обсерватория самая крупная в стране и по телескопам, и по количеству людей, которые там работают по конкретной теме. У нас два крупных телескопа: один оптический, другой радио. Плюс один метровый телескоп, плюс набор мелких телескопов, часть которых еще достраивается. Также там строятся различные системы, которые позволят наблюдать экзопланеты или транзиентные события, переменные во времени и пространстве.

— Какие фантастические фильмы о космосе самые достоверные, с точки зрения астрофизика?

— Самый хороший фильм, на мой взгляд, — это «Интерстеллар». Там все правильно. Почти.

— Как насчет теории белых дыр?

— Белые дыры — явление, обратное черным дырам, но мы не видели ни одной белой дыры. С одной стороны, если черные дыры можно представлять в виде кротовых нор, то есть того, что затягивает, тогда то, откуда все выбрасывается, — это белая дыра. Или если мы берем и начинаем испарять черную дыру, то в последний момент она становится белой. Но этого никто не видел.

— Если Вселенная содержит более 20% темной материи или только 5% барионной, почему карта реликтового излучения без пустот?

— У нас нет вообще никаких пустот. Если мы берем войды с пустотами, то там есть вещество — как темное, так и видимое, просто его очень мало. Реликтовое излучение неоднородно. В нем есть такие места, которые в дальнейшем должны были бы стать областями неба, которые мы называем пустотами. Но на самом деле в этих областях просто значительно меньше вещества, чем в скоплениях галактик и их филаментах.

— Есть ли исследования и проекты, которые позволили бы продвинуться в проблеме квантования гравитации?

— Мои друзья-физики говорят, что теории квантовой гравитации есть. Просто их много, и невозможно сказать, какая из них правильная, потому что проверить это пока нельзя. Например, теория струн, которая предсказывает все что угодно. Допустим, пусть масса электрона будет равна массе протона. Подкручиваем теорию струн — и пожалуйста. Такие теории есть, но их нельзя применить к реальным расчетам. То есть понятно, что, если есть гравитационные волны, можно применить оператор квантования и сказать, что они квантуются. Но по итогу возникнут иные проблемы, о которых тем, кто этим занимается, известно лучше.

— Вы бы полетели колонизировать Марс без возможности вернуться?

— Двадцать пять или тридцать лет назад, может быть, полетел. Сейчас мне кажется, я знаю, что там будет и как это будет, поэтому мне уже не так интересно, хотя я за колонизацию Марса.

Вы прочитали избранное из интервью астрофизика Олега Верходанова, а посмотреть запись целиком можно здесь.