Универсальная лаборатория: какие эксперименты наблюдают астрономы в бескрайних просторах космоса?
Современное восприятие мира, вероятно, показалось бы ученым, работавшим всего сто лет назад, совершенно безумным: у Вселенной появился возраст, мы знаем, что она возникла некоторое время назад и с тех пор непрерывно расширяется (да еще и с ускорением). Природа времени и пространства оказалась иной, не говоря уже о том, что на месте единственного «звездного острова» появились миллиарды галактик, объединяющихся в скопления, а те — в сверхскопления, формируя огромную трехмерную паутину с пустотами-войдами.
Выяснилось, что «обычное» вещество, состоящее из протонов, нейтронов и электронов, составляет лишь небольшую часть массы Вселенной, в то время как значительно большая доля приходится на темную материю, природа которой остается нам неизвестной, но которая тем не менее способствовала образованию звезд и галактик. Кроме того, существует загадочная темная энергия, под действием которой Вселенная расширяется с ускорением. И мы не имеем ни малейшего представления о том, что это.
Астрономы научились наблюдать не только видимый свет, но и рентгеновское, гамма-излучение, радиоволны и гравитационные волны, обнаружив множество новых странных объектов — от черных дыр и нейтронных звезд до квазаров и «горячих юпитеров».
Таким образом, астрономия, которая на протяжении многих веков была в основном математической наукой — дисциплиной, необходимой для точного описания движения небесных тел, в основном для навигации, изменилась до неузнаваемости. Сегодня это в большей степени астрофизика, а астрономы теперь — это люди, внимательно наблюдающие за экстремальными экспериментами с материей, которые ставит природа.
Вселенная не только фантастически расширилась и заполнилась странными объектами и процессами, но и превратилась в огромную лабораторию. Необходимо лишь найти способы увидеть, какие эксперименты там проводятся, и какие знания о природе материи, пространства и времени они предоставляют. В последние десятилетия количество и качество «глаз», направленных на Вселенную, изменились самым кардинальным образом.
Как мы смотрим?
На протяжении предыдущих веков мы смотрели на Вселенную через «замочную скважину» — узкий диапазон электромагнитного спектра от 380 до 780 нанометров, то есть диапазон видимого света. Однако в XX веке мы охватили этот спектр практически от начала до конца — от гамма-излучения до радиоволн. Во многих случаях нам приходилось выводить наблюдательные устройства в космос, так как атмосфера непрозрачна для значительной части электромагнитного спектра, и в окрестностях Земли работали и работают космические телескопы, перечень названий которых занял бы несколько десятков строк. Рассмотрим некоторые из последних пополнений.
Изучаем центральную машину
В конце 1950-х годов ученые начали обнаруживать странные объекты с помощью радиотелескопов: они были очень яркими в радиодиапазоне, но в оптическом диапазоне либо вовсе не видны, либо на их месте находились очень слабые звезды с крайне необычным спектром. Природа этих квазизвездных радиоисточников или квазаров стала ясна только в 1970-х годах, когда удалось установить, что эти объекты находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от нас и представляют собой активные ядра галактик.
Согласно современным представлениям, в центре большинства галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Материя, которую такая черная дыра притягивает, образует аккреционные диски и джеты — разогретые до миллионов градусов, они светят во всех диапазонах с яркостью миллионов звезд.
Характеристики этих дисков и джетов, помимо того, что они позволяли исследовать свойства материи в экстремальных условиях, могли предоставить сведения о черной дыре — «центральной машине», чье тяготение создавало эту иллюминацию. Кроме того, поведение вещества на границе горизонта событий черной дыры в будущем может указать путь к решению главной проблемы физики — поиску «моста» между квантовой механикой и теорией относительности.
Изучение активных ядер галактик стало одной из главных задач самого крупного в истории космического радиотелескопа — «Радиоастрона», идея которого была сформулирована еще в 1965 году астрофизиком Николаем Кардашевым.
Космический аппарат «Спектр-Р» с десятиметровой антенной этого радиотелескопа был выведен на орбиту в 2011 году. Хотя он и попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой в истории космический радиотелескоп, его главное преимущество заключалось не в размере антенны, а в возможности создать наземно-космический интерферометр — то есть проводить одновременные наблюдения с орбиты и с наземных радиотелескопов. Такие наблюдения с двух разнесенных в пространстве точек обеспечивают значительно большее пространственное разрешение.
«Радиоастрон», двигаясь по орбите, удалялся от Земли на 344 тысячи километров, таким образом интерферометр с его участием не был ограничен размерами нашей планеты и обеспечивал рекордное пространственное разрешение — до 8 микросекунд дуги. Для сравнения: разрешение телескопа «Хаббл» составляет 0,05 угловой секунды, то есть интерферометр с участием «Радиоастрона» смог бы разглядеть на Луне объект размером 3 см (если бы он излучал в радиодиапазоне).
За семь с половиной лет работы «Радиоастрон» провел более 4 тысяч сеансов наблюдений, в которых участвовали в общей сложности 58 наземных радиотелескопов.
Собранные данные позволили астрономам увидеть тонкие детали джетов — потоков вещества, выбрасываемых квазарами, в частности определить их структуру и динамику, механизмы «работы», получить рекордно четкое изображение такого джета и увидеть, как излучение квазаров рассеивается в межзвездной среде.
Тем не менее, в деталях разглядеть центральную машину «Радиоастрон» не удалось, приблизиться к ней смог другой радиоинтерферометрический проект — «Телескоп горизонта событий».
Поймать тень
Запущенный в 2009 году «Телескоп горизонта событий» стал самым крупным и амбициозным современным радиоинтерферометрическим проектом, объединившим 13 научных организаций. Принцип его работы был аналогичен наблюдениям с «Радиоастрона» — наблюдения с помощью радиотелескопов, расположенных в разных частях Земли, но у EHT было одно преимущество: миллиметровый диапазон, который, в отличие от сантиметрового в случае «Радиоастрона», позволяет видеть более мелкие детали.
Суммирование данных с многочисленных радиотелескопов и их тщательная многолетняя обработка позволили впервые в истории получить изображения тени черной дыры — сверхмассивной черной дыры в центре галактики М87 и нашей «домашней» черной дыры — Стрельца А*.
Астрономы продолжают наращивать возможности глобального телескопа, снижая длину волны для наблюдений — до 0,8 миллиметра, и возможно, в будущем он сможет действительно увидеть объекты размером с горизонт событий черной дыры.
Российский космический миллиметровый телескоп «Спектр-М», если он будет запущен в ближайшие десятилетия, возможно сможет присоединиться к наблюдениям и значительно улучшить пространственное разрешение.