Чем данные, получаемые с интерферометров, отличаются от данных с обычных телескопов? Какие объекты позволяет наблюдать телескоп-интерферометр «Радиоастрон»? Как по математическим критериям определить, в какой вселенной находится наблюдаемый объект? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Александр Шацкий.

Последние 10 лет в курсе экспериментальной астрономии и астрофизики произошел большой прорыв. Этот прорыв связан с тем, что научились измерять интерференцию между разными, достаточно далеко расположенными относительно друг друга телескопами. И такие объекты называются интерферометры — приборы, которые позволяют создавать, правильно синтезировать картинку изображения с разных телескопов.

Зачем это нужно? Для сверхдалеких наблюдений с очень высоким угловым разрешением обычных телескопов, пусть даже и огромных, очень больших, размеры которых могут быть сотни, несколько сотен метров, недостаточно для определения свойств изучаемых объектов. Хотелось бы создать телескоп, который имел бы размеры километры, сотни, тысячи, миллионы километров. И можно сказать, что такие телескопы если не созданы, то будут созданы в ближайшее время. Точнее сказать, это будут не телескопы, а это будут интерферометры — объекты, связывающие между собой разные телескопы, но при этом такие структуры в целом ведут себя как один громадный телескоп.

Что же они будут измерять, что они будут видеть? Такие интерферометры не смогут видеть картинку так, как ее видит обычный телескоп. Телескоп видит картинку в виде отдельных пикселей, точек, и каждая точка характеризуется своими координатами на плоскости картинки, своей яркостью, своим цветом, то есть спектром. Интерферометр не обладает такими возможностями, его возможности сильно урезаны. Интерферометр видит такое понятие, как фурье-образ от обычной картинки.

Для математиков мои слова не являются чем-то неожиданным, а для людей, которые далеки от математики, я скажу только, что фурье-образ — это математическое преобразование, проведенное по двум координатам обычной картинки, поскольку картинка у нас является двумерной, имеет высоту и ширину. И это математическое преобразование преобразовывает каждую точку картинки в две другие точки. Одна из этих двух точек является фазой интерференционной картины, а другая — амплитудой. При этом одно без другого не может дать полноценную обычную картинку. Математически мы можем сделать обратное фурье-преобразование и из фурье-образа получить опять обычную картинку. Но это для обычных изображений, которые поддаются такой обработке в лабораторных условиях. Что касается наших будущих и действующих интерферометров с большой базой, с базой несколько тысяч километров, или космических интерферометров, обладающих базой в сотни тысяч километров, таких, например, как действующий летающий российский проект «Радиоастрон», — для таких объектов, к сожалению, измерение фазы невозможно, измерение возможно только для амплитуды фурье-образа.

К сожалению, только по амплитуде восстановить изображение мы не можем. Мы можем восстановить только некоторые свойства этого изображения, но и это уже очень много. Что нам дадут эти свойства? Во-первых, по этим свойствам можно судить, объект одиночный, точечный или имеет какую-то протяженную структуру. Что-то можно сказать о свойствах этой структуры, относительной яркости внутренних объектов в этой структуре — также поддаются описанию и вычислению.

На сегодняшний день проект «Радиоастрон» летает на больших орбитах вокруг Земли — сотни тысяч километров, и примерно таким же фактически является расстояние для базы. То есть это расстояние проекции на картинную плоскость, на плоскость той картинки, которую мы хотим восстановить. С такими большими базами нам доступны очень высокоточные (прецизионные) измерения, а именно: мы можем заглянуть в самую сердцевину центра нашей Галактики, Млечного Пути.

На сегодняшний день считается, что в центре Млечного Пути находится черная дыра и масса этой черной дыры примерно 4,3 миллиона масс Солнца.

Масса Солнца — это 1032 грамм. Это астрономически большая величина. А тут еще бо́льшая величина, и не просто бо́льшая величина, а это масса, сосредоточенная в черной дыре. Радиус горизонта такой черной дыры равен примерно миллиону километров. Много это или мало? Миллион километров по земным масштабам — это много, поскольку радиус Земли составляет всего 6400 километров. Но по галактическим масштабам, для нашей Галактики, это мало.

Обычный телескоп не в состоянии различить на таком удалении две точки, разнесенные друг от друга на миллион километров. Эти две точки сольются для обычного, пусть даже самого мощного, телескопа в одну точку, а мы хотели бы разрешить эти две точки, то есть различить их как две разные части, две разные детали, и, таким образом, сказать что-то о свойствах черной дыры, которая находится в центре Млечного Пути. До центра Млечного Пути примерно 8,5 килопарсек. Парсек — это астрономическая единица расстояния, примерно 3,5 световых года.

Аналогичная ситуация с другим известным объектом — массивным квазаром М87. Масса центрального объекта в этом квазаре примерно 4 миллиарда масс Солнца. И, соответственно, примерно 4 миллиарда километров радиус соответствующей черной дыры. Это огромная, невообразимо тяжелая черная дыра, и за счет того, что она находится далеко, мы опять же обычным телескопом видим ее как точку. Тем не менее эта черная дыра отстоит от нас примерно в тысячу раз дальше, чем черная дыра в центре Млечного Пути. И это соотношение — тысяча, она тяжелее в тысячу раз и отстоит в тысячу раз дальше, поэтому угловой размер такой черной дыры является примерно таким же, как и угловой размер для черной дыры в центре Млечного Пути. Поэтому сложность, связанная с измерением деталей вблизи такой черной дыры, является сопоставимой по сложности для черной дыры в центре Млечного Пути.

Объекты, которые являются интерферометрами со сверхбольшими базами, работают в разных диапазонах. Чем короче длина волны, тем большее угловое разрешение позволяет сделать такой интерферометр. Но, несмотря на то что мы можем строить оптические интерферометры с очень малой оптической длиной волны, у этих интерферометров есть свой недостаток. Дело в том, что для оптического разрешения мы не можем различить две близкие длины волны между собой. То есть то, что мы можем различить, — разные длинные волны, которые находятся друг от друга на расстоянии, примерно равном самой длине волны, то есть дельта-лямбда к лямбда порядка единицы.

Рекомендуем по этой теме:
44936
Черные дыры и кротовые норы

За счет этого интерференционная картина, которая также будет зависеть от длины наблюдаемой волны, будет размываться, размазываться. Это похоже на фотографию, которую сделали с плохим фокусом, только не просто с плохим фокусом, а с очень плохим фокусом — фотография будет очень размытой. Можно пытаться восстанавливать эту фотографию, для этого есть отдельные сложные математические методы, но можно использовать и другой способ. Мы можем перейти на более длинные волны, и на более длинных волнах отношение дельта-лямбда к лямбда является достаточно маленьким, много меньше единицы.

Таким образом, можно сказать, что мы видим наблюдаемый объект всего на одной монохромной длине волны. И это очень удобно, потому что наблюдаемая картинка не будет размываться, не будет размазываться. Но для таких интерферометров нужны уже гораздо бо́льшие расстояния между телескопами, гораздо бо́льшие базы по той причине, что интерферометры, работающие на более длинных волнах, нуждаются для такого же углового разрешения в более длинной базе, причем пропорционально более длинной. Если мы берем в тысячу раз более длинную длину волны, то мы должны создать в тысячу раз бо́льшую базу между телескопами, чтобы сохранить угловое разрешение, позволяющее различить две детали разного объекта.

Один из замечательных приборов, который на сегодняшний день введен в эксплуатацию и успешно действует, — это космический телескоп-интерферометр «Радиоастрон». Как я уже говорил, он летает на высоких орбитах вокруг Земли и коррелируется с данными с других наземных телескопов. Это крупнейшие и самые мощные наземные телескопы, такие как Green Bank в Америке и другие известные телескопы. За счет высокой чувствительности наземных телескопов удается компенсировать недостаточно высокую чувствительность космического телескопа. Поскольку на телескопе, летающем в космосе, мы не можем обеспечить сразу и высокую чувствительность, и большую орбиту — это два взаимопротиворечивых требования.

Тем не менее в кооперации с наземными телескопами космический телескоп дает достаточно надежную чувствительность. Мы можем наблюдать и наблюдаем интерференционные картины от таких объектов, как черная дыра в центре Млечного Пути, от ближайших к этой черной дыре объектов, а также от аккреционных дисков вокруг квазара М87.

Полученные измерения поразительны. Они показывают, что появляются свойства у таких объектов, которые присущи именно черным дырам или кротовым норам.

А именно: пытаются на сегодняшний день померить тень от черной дыры, которая затмевала бы аккреционный диск, который должен быть вокруг практически каждой черной дыры. И эта тень имеет определенные размеры, определенную форму. Такая картинка, обладающая размерами и формами тени, дает соответствующую интерференционную картину, и эта интерференционная картина в ближайшие годы может быть измерена с высокой точностью.

На сегодняшний день пока недостаточно данных по этим наблюдениям, но эти данные постоянно обновляются, обрабатываются, дополняются. Я думаю, что в течение нескольких ближайших лет мы станем очевидцами открытия буквального измерения тени от черных дыр. Кроме этого, возможным будет измерить интерференционную картину от более сложных объектов вблизи таких черных дыр, кротовых нор, которыми, возможно, являются эти объекты, или черно-белых дыр.

Если вблизи такого объекта, но в другой вселенной находится яркая звезда, то такая звезда будет давать не просто изображение в нашей Вселенной, то есть одиночную звезду, а за счет того, что там сильная гравитация, луч света от этой звезды сначала будет приходить к нам по кратчайшему пути, отклоняясь на небольшой угол, меньше чем пи, а потом за счет сильной гравитации луч света, сделав виток, будет приходить к нам уже с углом отклонения на виток больше. И так же с другой стороны: обойдя этот же объект и сделав еще дополнительный виток, луч света тоже будет приходить к нам.

Таким образом, мы получаем систему изображений всего лишь от одного яркого точечного источника, являющегося звездой. Эта система изображений характерна тем, что все эти изображения будут лежать на одной линии. Ничего похожего мы не можем увидеть в обычной топологии, когда луч света остается всегда в одной и той же вселенной, в нашей Вселенной. Когда луч света проходит через нетривиальную топологию, через кротовую нору или черно-белую дыру, то получается такая система изображений, лежащих на одной линии. Эта система изображений даст нам характерную интерференционную картину, которая будет обладать высокой степенью асимметрии.

Рекомендуем по этой теме:
18463
Что такое мультивселенная?

Скажем так, одиночные объекты, непарные, нечетверные, обладают в фурье-образе для амплитуды измеряемого объекта — из фурье-образа восстанавливается только амплитуда, одной из характеристик этой амплитуды является ее асимметрия, — так вот, асимметрия для объектов, которую мы видим из нашей Вселенной, низкая, меньше единицы, а амплитуда для точечных ярких источников из другой вселенной будет обладать высокой асимметрией, близкой к единице. И по этим математическим критериям мы сможем определить: то, что мы видим, находится в нашей Вселенной или в другой вселенной, — определить, даже не видя напрямую самого изображения объекта, а видя только фурье-образ, восстановленный через интерферометр.

Таким образом, будущие несколько лет, я надеюсь, ознаменуются тем, что мы измерим амплитуды от объектов с нетривиальной топологией, которыми являются, в частности, не только кротовые норы, но и черные дыры.