Лабораторія розміром з Всесвіт: за якими експериментами стежать астрономи?
Зовсім недавно, на початку 20 століття, наш Всесвіт виглядав зовсім інакше, ніж зараз. Досить сказати, що ще сто років тому у Всесвіті існувала всього одна галактика — Чумацький Шлях (по суті, це був Всесвіт), і звичайно ж, вона була вічною і незмінною, «стаціонарною», як кажуть вчені. З того часу картина змінилася найяскравішим чином.
Нинішня картина світу могла здатися божевільною вченим, які працювали всього століття тому: Всесвіт має вік, ми знаємо, що він виник деякий час тому, і з тих пір безперервно розширюється (і навіть прискорюється). Сама природа часу і простору виявилася різною, не кажучи вже про те, що на місці одного «зоряного острова» з’явилися мільярди і мільярди галактик, які об’єднуються в скупчення, а ті в надскупчення, утворюючи величезну тривимірну павутину з порожнечами-пустотами.
Виявилося, що «звичайна» речовина, що складається з протонів, нейтронів і електронів, становить лише невелику частину маси Всесвіту, а набагато більшу її частину – темна матерія, природа якої нам абсолютно незрозуміла, але яка в той же час зробила можливим появу зірок і галактик. А ще є таємнича темна енергія, і під її впливом Всесвіт розповзається з прискоренням. І ми поняття не маємо, що це таке.
Астрономи також навчилися бачити не тільки видиме світло, але й рентгенівські, гамма-промені, радіохвилі та гравітаційні хвилі, а також відкрили багато нових дивних об’єктів, від чорних дір і нейтронних зірок до квазарів і «гарячих Юпітерів».
Тому астрономія, яка протягом багатьох століть була перш за все математичною наукою – дисципліною, необхідною для точного опису руху небесних тіл головним чином в навігаційних цілях, – змінилася до невпізнання. Сьогодні це в основному астрофізика, а астрономи зараз – це люди, які уважно спостерігають за екстремальними експериментами з матерією, які проводить природа.
Мало того, що Всесвіт фантастично розширився і наповнився дивними об’єктами і процесами, він перетворився на величезну лабораторію, і нам просто потрібно знайти способи подивитися, які експерименти там проводяться, і які знання вони дають про природу матерії, простору і часу. А в останні десятиліття кількість і якість «очей», що дивляться на Всесвіт, кардинально змінилося.
Як ми виглядаємо?
Всі попередні століття ми дивилися на Всесвіт через «замкову щілину» — вузький фрагмент електромагнітного спектра від 380 до 780 нанометрів, тобто діапазону видимого світла. Але в 20 столітті ми охопили цей спектр практично від початку до кінця, від гамма-випромінювання до радіохвиль. У багатьох випадках доводилося відправляти в космос прилади спостереження, тому що атмосфера непрозора для значної частини електромагнітного спектра, а в околицях Землі працювали і працюють космічні телескопи, список назв яких зайняв би кілька десятків рядків. Давайте розглянемо деякі з останніх доповнень.
Знайомство з центральною машиною
В кінці 1950-х років вчені почали виявляти дивні об’єкти за допомогою радіотелескопів: вони були дуже яскравими в радіодіапазоні, але в оптиці їх або не було видно зовсім, або на їх місці з’являлися дуже слабкі зірки, спектр яких був вкрай незвичайним. Природа цих квазізоряних радіоджерел, або квазарів, стала зрозумілою ще в 1970-х роках, коли вдалося встановити, що ці об’єкти розташовані на відстані мільярдів світлових років від нас і є активними ядрами галактик.
За сучасними уявленнями, надмасивні чорні діри розташовані в центрі більшості галактик. Матерія, яку притягує така чорна діра, утворює акреційні диски та струмені — нагріті до температур у мільйони градусів, вони світять у всіх діапазонах, з яскравістю мільйонів зірок.
Характеристики цих дисків і струменів, крім того, що дозволяють вивчати властивості матерії в екстремальних умовах, можуть надати інформацію про чорну діру, «центральну машину», гравітація якої створила це освітлення. Крім того, поведінка матерії на кордоні горизонту подій чорної діри може в майбутньому показати шлях до вирішення головної проблеми фізики — пошуку «мосту» між квантовою механікою та теорією відносності.
Вивчення активних ядер галактик було одним з головних завдань найбільшого в історії космічного радіотелескопа Radioastron, ідея якого була сформульована ще в 1965 році астрофізиком Миколою Кардашевим.
Космічний апарат «Спектр-R» з десятиметровою антеною цього радіотелескопа був виведений на орбіту в 2011 році. Хоча він був включений до Книги рекордів Гіннеса як найбільший космічний радіотелескоп в історії, головною його перевагою був не розмір самої космічної антени, а можливість створення наземно-космічного інтерферометра – тобто для ведення одночасних спостережень з орбіти і з наземних радіотелескопів. Такі спостереження з двох точок, розділених у просторі, дають набагато більшу просторову роздільну здатність.
Радіоастрон, рухаючись по орбіті, віддалився від Землі на відстань в 344 тисячі кілометрів, тому інтерферометр з його участю не був обмежений розмірами нашої планети і забезпечив рекордну просторову роздільну здатність до 8 мікросекунд дуги. Для порівняння: роздільна здатність телескопа «Хаббл» становить 0,05 кутових секунди, тобто інтерферометр за участю Radiostron зміг би побачити на Місяці об’єкт розміром 3 см (якщо він випромінювався в радіодіапазоні).
За сім з половиною років роботи Radioastron провів понад 4 тисячі сеансів спостережень, в яких загалом взяли участь 58 наземних радіотелескопів.
Зібрані дані дозволили астрономам побачити найтонші деталі струменів – потоків матерії, що викидаються квазарами, зокрема, визначити їх структуру і динаміку, механізми “роботи”, отримати рекордно чітке зображення такого струменя, побачити, як випромінювання квазарів розсіюється в міжзоряному середовищі.
Однак Radioastron не зміг детально розглянути центральну машину, і інший радіоінтерферометричний проект — телескоп Event Horizon Telescope — зумів наблизитися до неї.
Спіймати тінь
Запущений у 2009 році, телескоп Event Horizon є найбільшим та найамбітнішим сучасним проектом радіоінтерферометра, який об’єднав 13 наукових організацій. Принцип роботи був таким самим, як і у спостережень RadioAstron – спостережень за допомогою радіотелескопів у різних частинах Землі – але у EHT була одна перевага: міліметровий діапазон, який, на відміну від сантиметра у випадку з Radioastron, дозволяє бачити більш дрібні деталі.
Підсумовування даних багатьох радіотелескопів та їх тонка і довготривала обробка дозволили вперше в історії отримати зображення тіні чорної діри — надмасивної чорної діри в центрі галактики М87 і нашої «домашньої» чорної діри — Стрільця А*.
Астрономи продовжують збільшувати можливості глобального телескопа, зменшують довжину хвилі для спостережень до 0,8 міліметра, і, можливо, в майбутньому він дійсно зможе бачити об’єкти розміром з горизонт подій чорної діри.
Російський міліметровий космічний телескоп “Спектр-М”, якщо його запустять у найближчі десятиліття, може приєднатися до спостережень і серйозно покращити просторову роздільну здатність.
Космічні хвилі
У той час як радіоастрономи сподіваються побачити чорні діри в електромагнітному спектрі, допомога прийшла зовсім з іншого напрямку, не з електромагнітного спектра: фізики змогли виявити гравітаційні хвилі, передбачені Ейнштейном 100 років тому, і ці хвилі були породжені ніколи раніше не спостережуваними подіями: злиттям чорних дір.
Гравітаційні хвилі — коливання в просторі-часі, спровоковані прискореним рухом масивних тіл — намагалися використовувати з другої половини 1960-х років, але безрезультатно. Лише на початку 21 століття були створені величезні лазерні інтерферометри LIGO, які вперше змогли виявити гравітаційні хвилі. Для того щоб виявити надмалі зміщення дзеркал інтерферометра (в 10 тисяч разів менше діаметра протона), необхідно було позбутися від квантового шуму – і тут став в нагоді досвід російських вчених на чолі з професором Володимиром Брагінським.
Чорні діри та нейтронні зорі, що спостерігаються в електромагнітному діапазоні та за допомогою гравітаційних телескопів LIGO та Virgo/©LIGO-Virgo, Північно-Західний університетПерші кроки в гравітаційній астрономії дозволили «побачити» чорні діри набагато більших мас, ніж ті, які ми можемо спостерігати завдяки взаємодії із зірками. Це так звані чорні діри середньої маси, походження яких досі нез’ясоване. Крім того, гравітаційні обсерваторії разом з електромагнітними обсерваторіями змогли побачити спалах кілонової – подію злиття двох нейтронних зірок.
Розвиток гравітаційних телескопів у майбутньому дозволить побачити реліктові гравітаційні хвилі — сліди гравітаційного «шуму», що виник наприкінці періоду інфляційного розширення Всесвіту, що дозволить дізнатися більше про ранні етапи світової історії незабаром після Великого вибуху. Деякі теорії, такі як теорія струн, передбачають існування інших типів гравітаційних хвиль — якщо вони будуть виявлені, це означатиме, що вони стануть основою для серйозних теорій.
Через Всесвіт!
Крім гравітаційних та електромагнітних хвиль, у астрономів є ще одне джерело інформації про Всесвіт — частинки та іони, які летять до Землі з усіх боків. Серед них, наприклад, так звані галактичні космічні промені – протони і важкі ядра дуже високих енергій, які народжуються при вибухах наднових. Потрапляючи в атмосферу, вони генерують потоки вторинних частинок – так звані широкі атмосферні зливи, які реєструються численними детекторами в різних країнах.
Однак найбільше вчених цікавлять частинки, які не створюють ніяких злив, а навпаки, проходять через нашу планету, зовсім не помічаючи цього – це нейтрино. Потік цих частинок, що рухаються зі швидкістю, близькою майже до швидкості світла, пронизує весь Всесвіт, і оскільки вони не мають електричного заряду, на них не впливають радіація, матерія чи магнітні поля. Нейтрино, що народилися в результаті ядерних реакцій в надрах зірки, або в момент вибуху наднової, несуть інформацію про ці події на величезні відстані, нікуди не відхиляючись від траєкторії, практично не поглинаючись, і завдання вчених полягає лише в тому, щоб їх зловити.
Це було непросте завдання. Існування нейтрино було передбачено в 1930 році, а відкрили його лише через 26 років, в 1956 році. Для того, щоб виявити вкрай рідкісні випадки взаємодії нейтрино з речовиною, потрібні величезні обсяги цієї речовини, за якими доводиться спостерігати місяцями і роками, щоб «зловити» поодинокі події. Земні нейтринні телескопи змогли виявити наднову SN 1987A у Великій Магеллановій Хмарі, вловивши загалом 25 нейтрино.
Зараз нейтринні телескопи все ще нарощують свої можливості: вже працює телескоп IceCUBE в Антарктиді, добудовується російський нейтринний телескоп Байкал-ГВД на озері Байкал. У майбутньому ці установки разом зі своїми партнерами в різних куточках Землі зможуть бачити сліди вибухів наднових та інших подій – без обмежень відстаней.
Сліди темної матерії
Космічні промені можуть дати відповідь на ще одну загадку — таємницю природи темної матерії. Одна з гіпотез говорить, що темна матерія складається з вімпів (слабко взаємодіючих масивних частинок), і вони можуть анігілювати один одного, даючи початок вже «звичайним» частинкам – фотонам, нейтрино або позитронам.
Спостереження за потоками космічних частинок можуть допомогти побачити сліди цього знищення — побачити «надлишок» частинок, який можна пояснити знищенням вімпів. І вчені отримали деякі натяки на це.
Зокрема, російсько-італійський космічний експеримент «Памела» (цей телескоп був встановлений на російському космічному апараті «Ресурс-ДК») у 2010 році показав деяке перевищення космічного позитронного потоку, який можна трактувати як продукт анігіляції частинок темної матерії. Такі ж завдання вирішували й інші проекти, наприклад, встановлений на МКС космічний апарат АМС-02, і гамма-телескоп Фермі. Однак поки що однозначної відповіді на це питання ми не маємо.
Збір статистики
Публіка любить яскраві відкриття: якщо це археологічна знахідка, то кілограм золотих прикрас неймовірної краси, якщо палеонтологія, то величезний динозавр. Але часто набагато більше інформації приносить аналіз так званого масового матеріалу. Величезна кількість глинистих осколків або бурових молюсків дозволяють точно позначити межі між культурами і геологічними епохами, а це може бути важливіше яскравих, але одиничних відкриттів.
Астрономія полягає лише в частині вивчення окремих об’єктів — конкретних чорних дір, наднових або зоряних систем, велику вагу займають оглядові спостереження, систематичне сканування великих ділянок неба (а іноді і всього небосхилу) в різних діапазонах електромагнітного спектра, картографування.
І такі оглядові спостереження є чи не основним джерелом нашої інформації про історію та еволюцію Всесвіту. Саме оглядові телескопи COBE, WMAP і Planck дозволили скласти високоточну карту космічного мікрохвильового випромінювання, і зокрема, уточнити частку темної матерії у Всесвіті. Оглядові проекти дозволили скласти карту нашої власної галактики, визначити великомасштабну структуру Всесвіту (наприклад, огляд SDSS), побачити розподіл далеких квазарів.
Одним з основних оглядових приладів є російський космічний телескоп «Спектр-РГ», завдання якого – скласти повну рентгенівську карту неба і побачити, скажімо, всі скупчення галактик. Російські астрономи, наприклад, на телескопі БТА на Кавказі, проводять дослідження різноманітності галактик, аналізують їх «зоопарк», крім усього іншого, це дає можливість краще зрозуміти історію Всесвіту – щоб порівняти з сучасними далекими галактиками, які Хаббл і Вебб бачать такими, якими вони були через кілька мільйонів років після Великого вибуху.
Планети без Сонця
Величезним проривом для астрономії (відзначеним Нобелівською премією з фізики за 2019 рік) стало відкриття планет за межами Сонячної системи. Протягом усього 20 століття вчені вважали, що виявити планети навколо інших зірок практично неможливо – їх слабке світіння повністю заглушається світінням їх світил.
Однак ця проблема була вирішена за допомогою спектроскопії. Гравітація планет зміщує зірки дуже слабо, буквально на кілька метрів, і цей додатковий рух видно завдяки ефекту Доплера. Високоточна спектрометрія дає можливість побачити ці зрушення і визначити (а точніше, обмежити) масу невидимих супутників зірки, а якщо ця маса менша, ніж у зірок, то можна говорити про відкриття планети.
Але ще більш продуктивним, ніж метод радіальних швидкостей, виявився транзитний метод: виявилося, що не потрібно намагатися побачити слабке джерело випромінювання в околицях зірки, а лише стежити за зменшенням яскравості світила, викликаним мікрозатемненням, проходженням планети через її диск. Для цього необхідно лише з високою точністю виміряти коливання яскравості зірки, а якщо вона зменшується протягом певного часу і з певною періодичністю, то можна говорити про наявність планети в околицях зірки.
На основі цього методу космічний телескоп «Кеплер» зібрав тисячі планет.
Цей метод мав свої обмеження — найкращим способом побачити дуже масивні планети на дуже близьких відстанях від зірки було зробити це. Таким чином ми відкрили безпрецедентні типи планет – гарячі Юпітери, газові гіганти, які розташовані на надзвичайно малій відстані від Сонця (набагато ближче, ніж Сатурн).
Зараз ми знаємо про понад 7000 планет, і вчені продовжують відкривати ще більше в надії знайти копії Землі, планети з твердою поверхнею та атмосферою.
Молодик, Новий Марс
Сюрпризи чекають на нас не лише у далекому Всесвіті, а буквально на нашому задньому дворі. Довгий час вважалося, що Місяць, найближче до нас небесне тіло, був досконально вивчений – так як там побували ще американські астронавти і радянські місяцеходи. Але і вона зуміла нас здивувати.
Дослідження полярних регіонів Місяця за допомогою космічного апарату LRO на початку 2000-х років довели, що в постійно затінених кратерах поблизу полюсів супутника є запаси водяного льоду. Провідну роль в отриманні цих результатів зіграли російські дослідники. Нейтронний телескоп LEND, створений в IKI групою під керівництвом Ігоря Митрофанова, побачив темні зони, зони, де місячна поверхня поглинала нейтрони, а значить, містив велику частку водню, тобто водяного льоду.
Це відкриття перетворило циркумполярні зони Місяця в місце паломництва – туди намагаються направити свої космічні апарати Росія, Індія, Китай, США та Ізраїль. Запаси води на місці означають не тільки здатність забезпечувати водою населені Місяцем станції, а й паливо – космічні апарати. Місяць може стати заправною станцією для польотів у далекий космос.
Не менш цікаве ми знаходимо і на Марсі – зонд «Марс-Одіссея», а точніше апарат HEND, створений групою все того ж Ігоря Митрофанова, довів, що підґрунтова вічна мерзлота, тобто водяний лід, лежить повсюдно аж до середніх широт Марса, а в деяких районах – в екваторіальній зоні.
Робота марсоходів дозволила виявити численні сліди гідросферної активності на Марсі безпосередньо на поверхні, і тепер справа за спробами виявити сліди життя – в минулому або в сьогоденні планети.
Європейський космічний корабель “Бепі-Коломбо” також шукатиме воду на найближчій до Сонця планеті – Меркурії, також на борту знаходиться російський детектор MGNS.
Астрономію можна назвати найважливішою наукою: тільки спостерігаючи за Всесвітом, можна знайти відповіді на всі головні питання – про історію світу, про його майбутнє і еволюцію, про природу простору і часу, про природу матерії. Можливо, вивчення чорних дір дасть нам можливість побудувати теорію квантової гравітації, можливо, астрофізичні спостереження з часом розкажуть нам, що таке темна матерія і темна енергія. Не виключено, що нам вдасться знайти ознаки життя за межами Землі, а може і розумного життя. Неможливо описати навіть в дуже великій книзі всі дивні і дивовижні явища і процеси, які вчені бачили у Всесвіті, але одне можна сказати точно: нам є на що подивитися ще більше дивовижних речей.
