Продюсер ПостНауки Алена Селичева побеседовала с астрофизиком, ведущим научным сотрудником Лаборатории астрофизики специальной астрофизической обсерватории Олегом Верходановым об общей теории относительности, перспективах исследования реликтового излучения и точности современной космологии.
Об общей теории относительности
— Общая теория относительности Эйнштейна не сразу была принята современниками. Расскажите, как ее подтвердили экспериментально?
— В конце мая 1919 года Артур Стэнли Эддингтон отправился в Западную Африку. Исследователь хотел увидеть, как отклоняются лучи света при солнечном затмении. На полученных данных Эддингтон подтвердил общую теорию относительности, хотя он был не первый, кто это сделал. Первым был сам Альберт Эйнштейн.
Он написал знаменитую формулу, которая связывает энергию с искривлением пространства. С одной стороны стоит тензор энергии импульса, с другой — тензор, который показывает, как искривляется пространство. Тензор — это сложная многомерная матрица. Если нам нужно повернуть лист бумаги на какой-то угол, мы опишем этот поворот набором чисел, то есть матрицей. А если одновременно взять несколько таких листов, повернуть и скрутить их в пространстве, то получится тензор, тензорное уравнение. Оно содержит в себе десять уравнений с целым множеством решений.
Эйнштейн описал природу в виде тензорного уравнения и первым делом проверил его на вращении орбиты Меркурия. Она не совпадала с тем, что предсказывала ньютонова механика. Эйнштейн объяснил это следствием из общей теории относительности. Оказалось, что орбита прецессирует: Солнце вращается и утягивает за собой орбиту Меркурия.
— Были ли другие объяснения вращения орбиты Меркурия, кроме теории Эйнштейна?
— Наблюдения построены так, что астрофизики могут объяснять их разными теориями. Яркий пример — теория эпициклов. Планеты двигаются по орбитам вокруг Солнца. Если мы не знаем, что Солнце находится в центре Солнечной системы или в точке эллипса, то за центр Вселенной мы берем Землю и добавляем дополнительные круги — эпициклы. Это простое разложение периодического движения в ряд Фурье — обычная математика. Тогда ученые не знали, что такое математика, но строили соответствующие дополнительные орбиты и делали достаточно точные предсказания для определенного промежутка времени. Любое движение можно описывать подобными приближениями, все будет сходиться.
Тем не менее физика любит простоту: мы пользуемся принципом бритвы Оккама и выбираем простейшее решение, сокращаем количество параметров для описания окружающей действительности. Это обобщенный принцип наименьших квадратов в математике. Эйнштейн еще не знал об этом подходе, но его общая теория относительности минимизирует параметры. Можно ее опровергать, но тогда количество параметров будет увеличиваться. Общая теория относительности работала до ее проверки — прямым ее следствием было описание прецессии орбиты. Она предложила предсказательный прогноз, который можно подтвердить или опровергнуть, то есть оказалась фальсифицируемой. Ее можно проверить на определенных масштабах.
— Вернемся к Эддингтону. В чем заключался его эксперимент?
— Эксперимент Эддингтона 29 мая 1919 года — это событие мирового масштаба. После него крупные астрофизики обратили внимание на теорию общей относительности. Сам Эддингтон стал известным наблюдателем-астрофизиком, хотя он теоретик. Его эксперимент был уникальным. Во время затмения Солнца его команда сделала снимки на фотопластинках.
Если вы выбираете между походом в театр и наблюдением солнечного затмения, надо смотреть затмение. Это одно из самых прекрасных событий. Во время солнечного затмения видно звезды, можно измерить, насколько отклоняется свет. Солнце искривляет пространство: искривление лучей света является признаком этого. Свет всегда путешествует по геодезической линии, то есть кратчайшей линии в данном пространстве-времени. Искривление пространства ведет к искривлению геодезической — мы можем рассчитать ее даже для Солнца. Эддингтон и его команда увидели и запечатлели на пластинках именно это.
После этого было много различных подтверждений: эксперименты с искривлением лучей, измерение различия хода времени на высоте по сравнению с поверхностью земли. Самое главное — это то, что само наше существование доказывает верность одного из решений общей теории относительности Эйнштейна.
— А почему?
— Одно из решений нашел наш соотечественник Александр Фридман в 1924–1926 годах. Оно гласило, что если мы берем пустоту и прилагаем ее к общей теории относительности, то эта пустота будет расширяться. Вселенная стартовала с очень малого объема и расширялась — мы записываем соответствующее решение, которое называется уравнением Фридмана. Это уравнение решали многие исследователи, самые известные — группа Гамова, Ральф Алфер и Роберт Герман. Они опубликовали свою работу в 1946 году, хотя уже в 1929-м, после открытия Хабблом расширяющейся Вселенной, было понятно, что уравнение Фридмана верно.
О реликтовом излучении, гравитационных волнах и черных дырах
— Спустя 100 лет многое изменилось в технике и науке. Какие крупные открытия ученые сделали за это время?
— Самые интересные наблюдения — экспериментальные. Открытие номер один — это реликтовое излучение. Оно подтвердило общую теорию относительности, уравнение Фридмана и многие предыдущие работы. Кроме того, оно отсекло часть теорий. Мы точно узнали, что Вселенная горячая, восстановили по неоднородностям, как она расширялась. Было такое понятие — детский сад космологических моделей. Из детского сада остался один ребенок, выросший в серьезную современную теорию, которую пытаются опровергнуть или расширить ее модель. Теперь из изучения реликтового излучения возникают новые технологии, способы описания мира.
Дополнительные эффекты, которые в нем можно найти, создают в нас веру в неисчерпаемость темы реликтового излучения. В реликтовом излучении нужно объяснить высокие и низкие амплитуды некоторых гармоник. Гармоника — функция на сфере. Иногда для таких объяснений приходится открывать специфические поля в физике. В связи с реликтовым излучением ожидается поляризация. Сейчас мы можем увидеть детали эпохи формирования первых звезд через низкочастотные наблюдения в радиодиапазоне. Но в будущем к ним можно будет подойти с другой стороны — наблюдать их в микроволновой области, данные из которой участвуют в выделении карты реликтового излучения. Последняя загадка реликтового излучения — аннигиляция вещества — антивещества. Фотоны и реликтовое излучение образовались во время аннигиляции. Фотоны путешествовали, отделились от вещества, оно стало холодным — мы называем это реликтовым излучением.
Второе важное открытие — гравитационные волны. В конце 1990-х годов их обнаружение казалось невозможным даже самым крупным астрофизикам. До открытия гравитационных волн астрофизики догадывались об их существовании только по вторичным эффектам, по двойной нейтронной звезде. Одна из них — пульсар. Рассел Халс и Джозеф Тейлор получили Нобелевскую премию по физике за исследование двойного пульсара: по изменению периода пульсара они поняли, что поправка, которую нужно ввести, соответствует излучению гравитационных волн. Поиск гравитационных волн в обсерватории LIGO проходил в атмосфере всеобщего скепсиса, но в итоге увенчался успехом.
Гравитационные волны — это прямое следствие общей теории относительности. В них кроется решение огромного количества глобальных проблем — технологических, математических, программистских. Сейчас каждое серьезное открытие связано с технологиями, с помощью которых его проверяют. Открытие гравитационных волн, весь механизм организации коллектива и внутренней проверки демонстрирует, как это нужно делать, так что эта работа сразу стала классической. Следующий шаг в направлении — открытие первичных гравитационных волн или их закрытие и отказ от теории инфляции. Для этого необходимы спутниковые наблюдения, они уже ведутся на малых площадях, неполной области неба.
Гуманитарии и журналисты любят черные дыры. Сейчас мы прекрасно предсказываем модель черной дыры, то, как она выглядит. Это было сделано в расчетах, мы получили соответствующие картинки еще до наблюдения. После наблюдения мы их проверили, все расчеты подтвердились. То, что находится внутри черных дыр, нам все еще недоступно. Можно делать расчеты, но проверить их не удастся. Все дополнительные теории не будут фальсифицируемыми — их нельзя подтвердить наблюдением.
О фотографиях черной дыры
— Эддингтон взял фотопластинку и сфотографировал то, что происходило с Солнцем. Недавно все обсуждали полученные изображения черной дыры. Это уже далеко не фотография?
— Астрофизики видят космос не столько в оптическом диапазоне, сколько в радио-, гамма- и рентгеновском диапазонах. На изображениях черной дыры видны оранжевые пятна — это контраст. Черная дыра окружена фотосферой, горячим газом, который светится. Этот ореол ярче, чем-то, что находится внутри. Через радиотелескоп этого не разглядеть. Чтобы получить такое изображение, нужно совершать дополнительные операции. Можно объяснить, как это делается, на примере человеческого глаза.
Сейчас вы видите меня трехмерным. На самом деле оба ваших глаза видят плоское изображение, и вы смотрите на меня под двумя разными углами. Эти изображения превращаются в электрические импульсы. Они передаются в область вашего мозга, которую можно назвать видеокартой. Там две двумерные картинки нужно скоррелировать. Ваши глаза видят меня с двух разных углов, а мозг мгновенно восстанавливает из этих изображений трехмерную картинку. Самые мощные суперкомпьютеры делают это медленнее.
— Приборы тоже видят двумерное изображение?
— Оптический телескоп видит двумерное изображение, радиотелескоп — одномерное. Он делает срез, для двумерного изображения нужно либо много срезов, либо несколько радиотелескопов. Для построения изображения черной дыры использовали восемь радиотелескопов. В течение нескольких недель они записывали изображения, из которых по итогу нужно создать общую картинку. Каждый телескоп показывал разное из-за различия сигналов и зашумленности — все это приходится дополнительно обрабатывать с помощью анализа данных, искать время совпадения сигналов с разных телескопов.
При восстановлении изображения с разных телескопов возникают помехи. Для работы с ними тоже нужен особый метод. Изображение черной дыры восстановили при помощи радиоинтерферометрического синтеза. Мартину Райлу присудили Нобелевскую премию по физике за этот метод, который позволил решать многие задачи анализа изображений. Райл внес вклад во все — от приемников и CCD-матриц до методов и алгоритмов обработки картинок. Радиоинтерферометрический синтез — сложная вычислительная работа на специализированном компьютере, корреляторе. Его основная задача заключается в построении изображения.
О современной космологии
— Современную космологию называют точной. По сравнению с чем и насколько?
— О точной космологии заговорили в середине 1990-х годов. Это началось с Малькольма Лонгейра — радиоастронома, который начал измерять имеющиеся сценарии.
Космология состоит из множества сценариев: сценарий холодной Вселенной, сценарий горячей Вселенной, Вселенная расширяется, Вселенная сжимается. Потом часть из них отмирает, остается одна ветка — сейчас она называется космология Лямбда-CDM. Лямбда — это темная энергия, а CDM — это cold dark matter (холодная темная материя). Это не одна строгая модель, в ней есть возможные дополнения. Некоторые ученые считают, что во Вселенной холодная темная материя, а некоторые — что она смешанная, холодная плюс теплая. Наука не говорит, что мы что-то точно знаем. Она открыта к тому, что мы изменим свое представление о мире с появлением новых данных.
Космология — это набор параметров, которые описывают эволюцию Вселенной в разные эпохи. Мы смотрим, как они между собой комбинируются. Сейчас точность этих параметров достигла 10% — во многом за счет WMAP, спутника НАСА по измерению реликтового излучения, запущенного в 2002 году. Для многих наблюдательных экспериментов это недостижимая величина. В оптике мы не можем получить параметры с такой же точностью, как через реликтовое излучение.
— Как выглядит современная обсерватория?
— В зависимости от страны обсерватории выглядят по-разному. Все сводится к тому, какой бюджет выделяется на исследования.
Наша обсерватория самая крупная в стране — и по количеству телескопов, и по числу людей, которые работают в астрономическом направлении. У нас есть два крупных телескопа — оптический и радиотелескоп. Кроме того, один метровый и набор мелких. Наши ученые строят роботические системы, которые позволят наблюдать экзопланеты или транзиентные события, переменные во времени и пространстве. Мы ставим перед собой много разных задач и осознаем стоящие перед нами ограничения. Чем больше мы наблюдаем, тем больше данных нужно обрабатывать. При сложности алгоритмов и медленности компьютеров мы понимаем, что можем не успеть переработать их за свою жизнь.
