Экзопланеты, гравитационные волны и фото черной дыры: 8 главных космических достижений десятилетия

Представим себе, что за огромным новогодним столом собрались люди, участвующие в изучении Вселенной: физики, астрофизики, астрономы, космологи, а также фанаты космоса — те, кого действительно волнует, как устроено мироздание и какое место в нем занимает человек. Доктор физико-математических наук, главный редактор газеты «Троицкий вариант» Борис Штерн взял на себя роль тамады. За что бы стоило поднять бокалы, провожая год и десятилетие? Авторитарный и субъективный тамада предлагает выпить за открытие кометы Борисова, запуск летающей рентгеновской обсерватории в космос, за нобелевские открытия и бозон Хиггса, за съемки черной дыры и другие фундаментальные рывки человечества.

Хоть текущее десятилетие и не заканчивается (у него еще впереди целый год), существует магия цифр, из-за которой многие отмечают смену десятилетий именно сейчас. Почему бы нам не пойти им навстречу и не отметить выдающиеся достижения десятилетия?

Тост 1. За первую межзвездную комету 2I/Borisov

Начинать лучше с персональных тостов — от частного к общему, и с достижений той части человечества, которая способна понять слова тамады без перевода. Итак, первый бокал — за крымского астронома Геннадия Борисова, открывшего в этом августе первую в истории межзвездную комету 2I/Borisov. Она родом не из Солнечной системы — об этом говорит необычная траектория, ее путь больше похож на прямую, чем на эллипс. Сейчас комету можно разглядеть даже из любительского телескопа, но скоро она улетит из Солнечной системы навсегда. Интересно, что Борисов — астроном-любитель, хотя и работает инженером, обслуживающим телескопы в Крымской лаборатории ГАИШ МГУ. Это не первый случай, когда столь важные открытия делает любитель. Хотя для этого недостаточно быть любителем, нужно стать подвижником. Итак, за Геннадия Борисова и всех подвижников в его лице! 

Тост 2. За обсерваторию "Спектр-Рентген-Гамма"

Второй бокал практически без перерыва можно поднять за команду рентгеновской обсерватории "Спектр-Рентген-Гамма«, запущенной в космос летом этого года и уже начавшей поставлять научные данные. Ее миссия — создать карты видимой Вселенной в рентгеновском диапазоне электромагнитного излучения. Это поможет ответить на вопрос, как проходила эволюция скоплений галактик. Проект был задуман еще в 80-х годах прошлого века в Институте космических исследований, но хронически страдал от недофинансирования, урезался и много раз откладывался. Изначально «Спектр-Рентген-Гамма" был чисто российским проектом, потом присоединилась Германия. В итоге один рентгеновский телескоп на борту обсерватории — немецкий, другой — российский, платформа и запуск — российские. Несмотря на «долгострой», проект не потерял своей уникальности, и никто больше не может столь хорошо справиться с поставленной задачей: обзор всего неба в диапазоне 0.3–30 кэВ с хорошим угловым разрешением. Далеко не каждый год в России стартуют научные проекты такого масштаба.

Тост 3. За нобелевских лауреатов

Перейдем к мировым достижениям. Опять от частного к общему. Здесь было бы непростительным грехом проигнорировать нобелевских лауреатов года Мишеля Майора, Дидье Кело и Джеймса Пиблса. Их премии (фактически это две разных премии) — из серии награждений за прошлые заслуги, что тоже важно, тем более что эти прошлые достижения развернулись во всю мощь именно в последнем десятилетии. Лично мне симпатичней первая двойка — они сделали ярчайшее открытие, для изложения которого достаточно одного рисунка и одного абзаца комментариев к нему. Они открыли первую планету у обыкновенной звезды. И пусть она оказалась чудовищной нечеловеческой планетой — горячим юпитером, открытие привело к последующей революции в изучении планетных систем, о которой мы еще скажем пару слов ниже. За Майора и Кело надо выпить немедленно! Джеймс Пиблс, космолог, получил премию по совокупности работ, касающихся нескольких важных фрагментов общей картины Вселенной. За него и за космологию поднимем бокал чуть позже.

Тост 4. За съемки окрестностей чёрной дыры

А теперь можно сделать небольшой перерыв для передышки. Порассуждаем, можно ли разрешить объект по угловому размеру, равному толщине человеческого волоса, наблюдаемого с расстояния 500 км. Именно таков максимальный угловой размер черных дыр, реально присутствующих во Вселенной вокруг нас. Таких больших черных дыры две: одна в центре гигантской галактики М87 в созвездии Девы, ее масса — около 6 млрд масс Солнца. Другая — в центре нашей Галактики, она в тысячу с лишним раз меньше, зато в две тысячи раз ближе.  

Как добиться нужного разрешения? Нужен огромный объектив — попробуем сделать его размером с Землю. Оказывается, это возможно: радиоинтерферометры размером с Землю существуют десятки лет, даже размером с орбиту Луны, — это российский «Радиоастрон». Но радиоволны, до сих пор принимаемые радиоинтерферометрами, слишком длинные — они не могут пробиться через плазму, окружающую черные дыры в центрах галактик. Нужны более короткие волны, около миллиметра, на которых труднее устроить интерференцию и получить изображение. Но интерферометристы-миллиметровщики справились и получили вот такую картинку, которая попала на футболки:

Чтобы объяснить, что изображено на этой картинке, тамада вынужден показать свою почеркушку: 

Здесь для простоты изображена невращающаяся черная дыра, ее радиус — два гравитационных радиуса R_g. 

Все, что мы видим в реальности, — это излучение вещества, которое стягивается к черной дыре, образуя аккреционный диск. Важно то, что черная дыра линзирует свое изображение, увеличивая его, как показано на рисунке искривленными лучами, что облегчило задачу. Светлое кольцо — это так называемая «фотонная сфера», размытая из-за недостаточного разрешения и увеличенная за счет линзирования. При наблюдении издалека она выглядит ярким кольцом, потому что «притягивает» к себе траектории фотонов. А темный круг и есть поверхность черной дыры. 

И вот за все это стоит поднять очередной бокал. Впервые людям показали прямое изображение ближайших окрестностей черной дыры — объекта, в реальном существовании которых долго сомневались. Эта картинка, хоть и неказиста, но проста и понятна широким народным массам. Для ее получения потребовался новый прорыв в технике наблюдений. Итак, за самое впечатляющее и технически сложное достижение года! Обязательно до дна!

Тост 5. За гравитационные волны от слияния черных дыр

Чтобы не делать резких поворотов, продолжим про черные дыры. В текущем десятилетии зарегистрировали гравитационные волны от их слияния. Это еще более фантастическое достижение, чем портрет черной дыры. Такие гравитационные волны — по сути растяжение пространства на относительную величину порядка 10^-21: километр растягивается на 1/1000 размера протона. Я сам, разобравшись, как это делается, не могу принять душой того факта, что это возможно. Но, глядя на данные, вынужден согласиться: да, это оно! Основную роль в регистрации гравитационных волн сыграли американцы с установкой LIGO, но по сути проект можно назвать международным, в нем вовсю участвуют и наши ученые. Более того, именно наши соотечественники Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн впервые предложили тот принцип, на котором построена LIGO, по сути — лазерный интерферометр. 

Сейчас число зарегистрированных гравитационно-волновых событий перевалило далеко за полсотни. Там не только черные дыры — там и нейтронные звезды, которые сливаются друг с другом и с черными дырами. Так вот, гравитационные волны от слияния черных дыр — самое прямое доказательство их существования, даже более сильное, чем портрет черной дыры. Гравитационные волны точно так же усиливаются по амплитуде при приближении к слиянию, точно так же растет их частота, потом волны точно так же затухают, как предсказывает общая теория относительности для случая слияния черных дыр, и деваться тут уже некуда.

В этих десятках событий есть масса астрофизической информации, но мне кажется, их моральное значение сильнее, особенно в проекции на широкую публику. Сто лет назад ученые сказали: в теории гравитации Эйнштейна существуют гравитационные волны, а также такие парадоксальные решения, как черные дыры (термин придуман позже). И то, и другое страшно трудно подтвердить, поэтому эти предсказания долго висели в воздухе. И вот, и то и другое вживую! Значит, все-таки ученые не лаптем щи хлебают. Итак, один из фундаментальнейших тостов десятилетия — за открытие гравитационных волн!

Тост 6. За прорыв в понимании устройства Вселенной

Теперь, возможно, самый фундаментальный тост. В этом десятилетии завершилась некая стадия в исследовании Вселенной как целого. Это была долгая эпопея — сначала произошли теоретические прорывы. Именно за активное участие в космологической эпопее был награжден Джон Пиблс, о чем мы уже говорили. Большую роль сыграли и наши соотечественники. Теоретическая часть истории развернулась в основном в прошлом веке. Потом, в первом десятилетии XXI века в космос полетел микроволновый телескоп WMAP, появились первые точные измерения реликтового излучения, из которых вытаскиваются общие свойства Вселенной.

Потом полетел более совершенный телескоп «Планк», который довел измерения до совершенства, и в космологической эпопее уже в этом десятилетии была поставлена некая точка — не окончательная, но увесистая. В результате мы понимаем историю Вселенной, понимаем, как она устроена, понимаем роль ее несущих конструкций, хотя и не знаем, из чего сделаны две из важнейших — темная материя и темная энергия. В целом произошло триумфальное подтверждение основных теоретических предсказаний, разрешились парадоксы, все встало на свои места. Картина Вселенной не закончена, но она уже состоялась, мы ее уже видим во всем величии и драматизме. И вот за эту картину надо поднять самый фундаментальный бокал.

Тост 7. За открытие планет, пригодных для земной жизни

Следующий тост будет не столь фундаментален, но может быть более важен, поскольку касается места человека во Вселенной. Экзопланеты! Мы уже отмечали Нобелевскую премию, теперь надо отметить прорыв этого десятилетия — тысячи планет космического телескопа «Кеплер». Увы, «Кеплер» проработал слишком мало, чтобы открыть двойников Земли у двойников Солнца. Но он набрал огромную статистику по планетам с меньшими орбитами, по которой с помощью экстраполяции можно оценить насколько распространены земли, пригодные для жизни. Результат: 20–25% звезд типа Солнца имеют землеподобные планеты в зоне обитаемости. Это значит, что в пределах 20 световых лет есть несколько планет, на которых можно жить. Так давайте выпьем за эти конкретные планеты и за то, чтобы в следующем десятилетии их обнаружили! 

И, наконец, за бозон Хиггса

Наше праздничное заседание подходит к концу. Хотя, подождите!... Чуть не забыл, есть же еще бозон Хиггса — он же открыт в этом десятилетии. Если народ еще бодро держится за столом, за него надо обязательно поднять бокал. Это только с виду кажется, что он из другой оперы, из области микромира. На самом деле поле Хиггса (а одноименный бозон — квант возбуждения этого поля) изменило всю Вселенную. Ведь первую микросекунду существования Вселенной его не было, и мир был тривиален и бесплоден — все частицы были безмассовыми. Потом, когда Вселенная чуть остыла, и появилось поле Хиггса, мир стал сложен и плодороден: частицы приобрели массы из-за взаимодействия с этим полем. А дальше на основе массивных частиц смогли образовываться сложные структуры, к которым относимся и мы с вами. Как можно пропустить такое открытие?! Итак, за бозон Хиггса, за одноименное поле и за его результат в виде нас с вами!

Ну и в завершение — за удивительное свойство человека, способного тратить столько сил и таланта на выяснение тех вещей, которые абсолютно бесполезны для добывания пищи, продолжения рода и создания комфорта. За любознательность! И за людей, которые профессионально подвержены этому свойству.