«Космический Харьков»: астрономы изучают ядра галактик и ищут металлические астероиды

Сегодня, 12 апреля, — ровно 60 лет с момента, когда Юрий Гагарин стал первым человеком, полетевшим в космос. За эти десятилетия человечество стало значительно ближе к звездам. Насколько близко – об этом в самый «космический» день года говорим с харьковским астрономом, доцентом физического факультета ХНУ им. В.Н. Каразина Алексеем Голубовым.

Кроме разговора о харьковской и украинской науке, особое внимание в интервью уделили последним масштабным открытиям, удостоившимся Нобелевской премии в области физики. Ее получили за изучение центра нашей галактики американка Андреа Гез, немец Райнхард Генцель, и англичанин Роджер Пенроуз.

Хорошие научные результаты есть, но до нобелевки далеко

– Что сейчас изучают харьковские астрономы? И могут ли открытия украинских и харьковских ученых претендовать на Нобелевскую премию?

– Хорошие научные результаты есть, но я не думаю, что какой-либо из них достаточно грандиозен для Нобелевской премии. Научная группа Юрия Шкуратова из НИИ астрономии ХНУ (те самые купола телескопов, которые видно через забор из парка Шевченко) – один из мировых лидеров по изучению рассеяния света поверхностями планет. Харьковские астрономы Елена Банникова и Владимир Ахметов вместе со своими киевскими коллегами недавно начали большой проект по исследованию ядер галактик – как раз в тему последней Нобелевской премии. А группа Ирины Бельской, в которую вхожу и я, начала другой большой проект, по поиску металлических астероидов. Из сотрудников НИИ астрономии ХНУ пятеро являются лауреатами Государственной премии. Это очень высокий уровень. Но пока, на мой взгляд, — все еще далекий от Нобелевской премии.

Вид на Харьковскую обсерваторию (НИИ астрономии ХНУ) с балкона её главного корпуса.

Источник:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kharkiv_Observatory,_Panorama.jpg

Стрелец А* давно возбуждал научный интерес

– Говоря о наиболее глобальных мировых открытиях, в первую очередь хочется обсудить результаты работы последних нобелевских лауреатов. Расскажите, пожалуйста, историю открытия сверхмассивной черной дыры в центре нашей галактики.

– Наверное, начать историю можно с 1931 года, когда «отец» радиоастрономии Карл Янский с помощью своего первого радиотелескопа обнаружил сильное радиоизлучение, приходящее из центра нашей Галактики. Позднее этот источник получил у радиоастрономов название Стрелец А, потому что был самым ярким в созвездии Стрельца. Когда разрешающая способность радиотелескопов увеличилась, оказалось, что Стрелец А состоит из нескольких меньших источников, один из которых обозначили Стрелец А*, потому что он «возбуждал» интерес, а «возбужденные» уровни атомов обозначаются в атомной физике звездочкой. (Это я, как сумел, постарался перевести английский каламбур на русский язык.) Именно этот объект впоследствии и оказался сверхмассивной черной дырой.

– Но ведь черную дыру не может покинуть никакое излучение. Как же она может испускать радиоволны?

– На самом деле, радиоволны испускает не сама черная дыра, а падающий в нее газ, когда он еще не пересек горизонта событий (границы области, из которой излучение не может уйти), но уже достаточно сжался и нагрелся в процессе падения. Но это происходит в достаточно компактном объеме, так что с расстояния в десятки тысяч световых лет источник излучения кажется почти точечным.

Вид центральной части Галактики в радиодиапазоне.

Стрелец А отмечен как Sgr A  (сокращение от латинского Sagittarius).

Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Labeled_Map_of_the_Milky_Way_Center.tif

Изучать центр галактики мешали облака газа и пыли

– И как же по этому источнику узнать, что внутри — черная дыра?

– Тут помогли соседние звезды. Именно их и изучали Нобелевские лауреаты по физике Андреа Гез (США) и Райнхард Генцель (Германия) вместе со своими научными группами, еще с 1990-х годов. Это очень сложная задача. Изучать эти звезды мешают и плотные облака газа и пыли вокруг центра Галактики, и дрожание земной атмосферы. Наблюдения приходится проводить в инфракрасном диапазоне, потому что в нем межзвездная пыль более прозрачна. Точность измерения положений звезд на небе должна быть чрезвычайно высокой, чтобы обнаружить их движение. Преодолев все эти технические трудности и систематически наблюдая эти звезды в течение нескольких десятилетий, научные группы Генцеля и Гез показали, что звезды вращаются вокруг Стрельца А* по таким орбитам, как будто в нем сконцентрирована масса, превышающая массу Солнца примерно в 4 миллиона раз. Звезды подходят к Стрельцу А* на довольно маленькие расстояния, так что вся эта огромная масса должна быть сконцентрирована в маленьком объеме пространства.

– А не может ли у этой массы быть других, менее экзотических объяснений? Например, плотное газовое облако или массивное звездное скопление?

– Не будем забывать, что Стрелец А*, несмотря на значительную яркость в радиодиапазоне, в инфракрасном диапазоне относительно слаб. А звезды бы ярко светились. Даже если бы они были скрыты от нас плотным газово-пылевым облаком, они бы нагревали облако, и облако должно было бы светиться тепловым инфракрасным излучением. И если бы это было газовое облако без звезд, оно должно было бы быть настолько плотным (чтоб вместить 4 миллиона солнечных масс) и настолько горячим (чтоб не сжаться под собственным весом), что тоже бы ярко светилось. Некоторые альтернативы, тем не менее, остаются. Можно предположить, что в центре Галактики по какой-то причине возникло плотное массивное скопление гипотетических частиц темной материи (или, как альтернатива, скопление нейтрино), которое, тем не менее, почему-то не «схлопнулось» в черную дыру. Но из всех таких экзотических объяснений черная дыра представляется наименее экзотическим, наиболее понятным физически и требующим гораздо меньше «как-то» и «почему-то».

Кстати, Нобелевский комитет проявил осторожность и вручил премию не «за открытие черной дыры», а «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики». То, что объект компактный и сверхмассивный, бесспорно доказано наблюдениями Гез и Генцеля.

– А какова роль в этих исследованиях Роджера Пенроуза, третьего Нобелевского лауреата?

– Пенроуз – теоретик, один их тех людей, кто сделал черные дыры физически понятными, доказал необходимость их возникновения в астрофизике. Вскоре после того, как Альберт Эйнштейн записал уравнения общей теории относительности, Карл Шварцшильд нашел их сферически симметричное решение, которое описывало черную дыру. Возникли предположения, что звезды, исчерпав топливо в центре, могут схлопываться в черные дыры. И тут же возникли контр-предположения, что звезды несимметричны, что из-за вращения, турбулентности и других факторов сжатие не будет сферическим, и черной дыры удастся избежать. Сам Эйнштейн не верил в возможность существования черных дыр в природе. Но Пенроуз в 1965 году доказал, что черные дыры в таких условиях возникают с неизбежностью.

Орбиты некоторых звёзд вокруг Стрельца А*.

Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Star_Cluster_near_SgrA.gif

Радиус Стрельца А* в пять раз меньше орбиты Меркурия, а масса – в 4 млн раз больше солнечной

– Какой размер открытого сверхмассивного компактного объекта, каковы его форма и физические свойства (состав, температура и др.)?

– Наверное, этот объект возник путем «схлопывания» в черные дыры ядер массивных звезд, слияния таких черных дыр друг с другом, поглощения ими межзвездного газа. Но эта история его происхождения почти никак не влияет на свойства черной дыры. Потому что есть такой принцип об «отсутствии волос» у черных дыр. (В общем виде он еще не доказан, но, по-видимому, должен быть применим к астрофизическим объектам с разумной точностью.) Он гласит, что черная дыра полностью характеризуется всего тремя параметрами: массой, угловым моментом и электрическим зарядом. Черная дыра забывает, какой был химический состав вещества, которое ее породило, какая была его форма, магнитное поле и т.д.

Заметного электрического заряда у встречающихся в космосе черных дыр, скорее всего, нет: не известно никаких астрофизических механизмов для его возникновения. Угловой момент Стрельца А* пока точно не известен, хотя некоторые оценки уже делаются. Он может быть довольно большой, если черная дыра формировалась из вращающегося газа, сохранившего при сжатии свое вращение. Наконец, масса Стрельца А* оценивается по орбитам звезд, вращающихся вокруг черной дыры. Получается примерно 4 миллиона солнечных масс. Тогда можно по известным формулам посчитать радиус черной дыры (получится 12 миллионов километров, примерно 1/5 радиуса орбиты Меркурия) и ее температуру (полторы стотриллионных градуса). Такая низкая температура означает, что черная дыра почти не испускает излучения Хокинга.

А про форму черной дыры – сложный вопрос. Ведь черная дыра является искривлением пространства-времени, так что ее форму в нашем плоском трехмерном пространстве мы визуализировать не сможем. Там неевклидова геометрия, сумма углов треугольника не равна 180°, длина окружности не равна 2πR и т. д. Не вращающаяся черная дыра при этом остается сферически симметричной. А вокруг вращающейся черной дыры появляется область (так называемая эргосфера), в которой тела не могут находиться в покое, а должны вращаться вместе с черной дырой. Все это довольно сложно, в чем-то по-прежнему непонятно, но очень интересно!

В других галактиках черные дыры гораздо больше нашей

– А в других галактиках тоже есть черные дыры?

– И еще какие! Некоторые в тысячу раз массивнее Стрельца А*! Причем наблюдается довольно хорошая пропорциональность: чем массивнее галактика (или ее центральная часть – балдж), тем массивнее черная дыра. Что эта пропорциональность говорит нам о происхождении и эволюции черных дыр в центрах галактик – еще предстоит изучать. Когда на черную дыру падает газ, он может нагреваться и светиться. На Стрелец А* падает довольно мало газа. Но когда галактика испытывает сильные возмущения (например, столкновения), на черные дыры в их ядрах может сразу вбрасываться много газа, и они светятся очень ярко. Квазары, ярчайшие объекты во Вселенной, светятся именно по такому механизму.

– Но вернемся к нашей Галактике. Насколько далеко от Солнца находится черная дыра в центре Галактики?

– Примерно 27 тысяч световых лет. Причем, именно изучение орбит звезд вокруг Стрельца А* дает самый точный на данное время способ определения этого расстояния.

Наша Галактика в представлении художника. Примерно так мы видим другие спиральные галактики. Посмотреть на нашу Галактику извне мы не можем, и приходится восстанавливать её вид по результатам точных астрономических измерений.

Источник:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Milky_Way_Galaxy.jpg

Солнце за секунду преодолевает расстояние, сравнимое с дистанцией от Харькова до Кременчуга

– С какой скоростью Солнечная система вращается вокруг центра галактики?

– Порядка 240 километров в секунду. Опять же, наблюдение кажущегося движения Стрельца А* относительно более далеких объектов помогает определить эту скорость. Получается, что Солнце делает один оборот вокруг центра Галактики за 225 — 250 миллионов лет. По аналогии с обращением Земли вокруг Солнца, этот период обращения Солнечной системы вокруг центра Галактики иногда называют «галактический год». Один «галактический год» назад почти вся суша на Земле еще образовывала один сверхконтинент Пангею, на котором буйно росли папоротники и только начинали развиваться динозавры.

В нашей Галактике звезд больше, чем людей на Земле

– Сколько всего в Галактике звезд, и как они движутся в Галактике?

– Общее количество звезд оценивается в 200 — 400 миллиардов. С лихвой хватило бы по звезде на каждого когда-либо жившего человека. И большинство из них вращаются вокруг центра Галактики в ту же сторону, что и Солнце, образуя галактический диск. Именно этот диск, видимый с ребра, и создает на небе полосу Млечного Пути. Часто нашу Галактику так и называют – галактика Млечный Путь.

Млечный Путь – большое число далеких звезд, видимых вдоль плоскости Галактики.

Источник: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Milky_Way_over_Flagstaff_(50155823802).jpg

Движение звезд в Галактике обусловлено притяжением Стрельца А*, собственной гравитацией и гравитацией темной материи

– Каким образом притяжение этого сверхмассивного компактного объекта в центре удерживает такое количество звезд?

– На самом деле, масса черной дыры Стрелец А* – всего одна стотысячная массы всей Галактики, что-то такого порядка. Так что черная дыра управляет динамикой звезд только в своей ближайшей окрестности. На расстоянии всего в несколько световых лет от центра Галактики масса звезд, находящихся внутри этого радиуса, уже превышает массу черной дыры. Так что звезды в Галактике, в основном, движутся под действием той гравитации, которую сами себе создают. А черная дыра – не гегемон, а всего лишь первый среди равных. На периферии Галактики еще подключается гравитация темной материи. Пока не известно, что она собой представляет. Но без нее гравитации одних только звезд не хватило бы, чтоб удержать внешние области Галактики от разлета. Одна из важнейших проблем современной астрофизики – выяснить, из чего состоит темная материя. Или, напротив, доказать, что ее не существует, найдя лучшую альтернативу. Проблема, вполне достойная одной из будущих Нобелевских премий.

В последнее время Нобелевской премии по физике часто удостаиваются астрономы

– Какие открытия в области астрономии были удостоены Нобелевской премии в предыдущие годы?

– Сейчас астрономия очень бурно развивается, и многие нобелевские премии по физике достаются астрономам и астрофизикам. Прошлая Нобелевская премия (2019 года) была разделена между швейцарцами Мишелем Майором и Дидье Кело (которые в 1995 году открыли первую экзопланету у солнцеподобной звезды) и американо-канадским физиком Джимом Пиблсом (который с 1960-х годов написал ряд важных статей по космологии и во многом способствовал осознанию роли темной материи и темной энергии в астрономии и созданию того, что сейчас называется стандартной космологической моделью). Перед этим, в 2017 году, Нобелевскую премию получили американцы Рейнер Вайс, Барри Бэриш и Кип Торн — за обнаружение гравитационных волн, которое они выполнили в 2015 и опубликовали в 2016 году. (Редкий случай, когда премию вручили вручена так быстро после открытия.) Еще двумя годами ранее, в 2015, премию разделили японец Такааки Кадзита и канадец Артур Макдональд за работы на границе физики и астрономии, которые начались с измерения потока нейтрино от Солнца, а привели к доказательству возможности разных типов нейтрино превращаться друг в друга. Нобелевские премии 2011 и 2006 годов вручили за измерения, позволившие определить космологические параметры – возраст Вселенной и скорость ее расширения, содержание в ней темной материи и темной энергии — доказать, что Вселенная расширяется ускоренно.

Смягченная версия «железного занавеса»

– Возвращаясь к ситуации в нашей науке… Вы уже говорили, что глобальных открытий, которые могли бы претендовать на Нобелевскую премию, пока нет. А почему?

– Одна из важнейших проблем – недостаток финансирования. Например, открытие гравволн (Нобелевская премия — 2017), открытие нейтринных осцилляций (Нобелевская премия — 2015) – это многомиллионные экспериментальные установки. Наблюдения звезд в центре Галактики (Нобелевская премия — 2020) делались с помощью самых крупных телескопов, а открытие экзопланет (Нобелевская премия — 2019) – с помощью сложного дорогого спектрографа, разработанного специально для этой задачи. Измерения космологических параметров (Нобелевская премия — 2006 и Нобелевская премия — 2011) вообще проводилось с помощью космических телескопов. О таких возможностях украинские астрономы могут только мечтать.

Даже Джим Пиблс, внесший решающий вклад в создание Стандартной космологической модели, опередил некоторых советских ученых со сходными результатами во многом благодаря тому, что не прятался за «железным занавесом», а активно участвовал в формировании взглядов мирового научного сообщества. Для украинских же ученых практически полное отсутствие финансирования зарубежных поездок похоже по своему влиянию на смягченную версию «железного занавеса».

Чтобы побороться за Нобелевку, нужно устранить несколько помех

– А можно ли как-то исправить ситуацию?

– Во-первых, можно надеяться на увеличение финансирования науки. Но экономика страны не вырастает в одночасье, особенно в условиях войны и пандемии. А с имеющимся ограниченным доходом государства, хоть наука и важна, но разве менее важны армия, медицина или образование?

Во-вторых, можно бороться за более рациональное распределение выделяемых на науку средств. Без финансирования псевдонауки, процветающей во многих украинских учреждениях, с приоритетным финансированием объективно отобранных исследований мирового уровня, с уменьшением бюрократических препятствий для эффективного использования выделенных сумм. В этом направлении в последние годы наметились некоторые положительные тенденции. Например, заработавший в прошлом году Национальный фонд исследований Украины оказался довольно успешным.

В-третьих, можно надеяться на отдельные яркие идеи, не требующие большого финансирования. Отчасти это относится, например, к Нобелевской премии Пенроуза 2020 года. Но это принесет нам отдельные случайные достижения, не более того.

Думаю, мы должны одновременно бороться по всем этим трем направлениям. И за популяризацию науки. И за четкое отделение хорошей науки от плохой. И за использование всех встречающихся шансов. Чтобы ученые не откладывали свои лучшие идеи в долгий ящик за карьерной ненадобностью и за занятостью бюрократическими делами. Чтобы в школе талантливые ребята имели возможность заинтересоваться наукой, в университете их не отвратили от науки случайно встретившиеся им зануды-имитаторы, в после университета чтобы им не пришлось в поисках достойной зарплаты сбегать в области, в которых их талант не так заметен.

Иллюстрации предоставлены Алексеем Голубовым