Астрофизик Юрий Ковалев об истории радиоастрономии, важности параметра углового разрешения и открытиях проекта «Радиоастрон»

01 Апреля 2019

 Одиночный радиотелескоп в радиоастрономии практически никакой объект не может рассмотреть в деталях, объект на небе для него будет выглядеть как точка. Это связано с тем, что радиоволны длинные: сантиметры, метры, миллиметры. Из-за этого такой параметр, как угловое разрешение, то есть способность разрешить детали космического объекта, в радиоастрономии совершенно ужасный. Мы проигрываем нашим коллегам из оптики на много порядков.

Однако радиоастрономы не только несчастные, но еще и хитрые, поэтому уже около полувека назад они придумали интерферометр, когда наблюдают как минимум два радиотелескопа, а лучше больше, и они наблюдают как единая система. Одновременно все радиотелескопы подобной системы, подобного интерферометра, смотрят на один и тот же объект. Известный людям интерферометр — американский VLA, который в одном из «Терминаторов» уничтожали роботы. Такие замкнутые интерферометры, радиотелескопы, стоящие на расстоянии нескольких километров друг от друга, соединены проводами, поэтому мы их называем замкнутыми. Они позволяют достичь углового разрешения из оптического диапазона электромагнитного спектра.

Однако радиоастрономы еще более хитрые. Трое советских ученых — Матвеенко, Кардашев и Шоломицкий — более полувека назад предложили идею о независимой записи сигналов разными радиотелескопами. Это позволило разнести радиотелескопы по планете Земля в любое место, где вы хотите его поставить, независимо записывать сигналы, потом сводить их в единый центр для специализированной обработки. В результате расстояние между радиотелескопами может быть размером с диаметр Земли, и угловое разрешение, которое подобная система позволяет достичь, в тысячи раз лучше, чем-то, что возможно достичь на типичном оптическом телескопе. Радиоастрономы стали впереди планеты всей, что позволило нам исследовать далекие объекты Вселенной с замечательным уровнем детализации.

Идеи радиоастрономов не стоят на месте, и практически сразу было предложено один из радиотелескопов запустить в космос, и тогда угловое разрешение увеличится еще больше. Мы это сделали в проекте «Радиоастрон»: запустили в космос десятиметровый радиотелескоп. Он летает вокруг Земли по орбите вплоть до расстояний 350 тысяч километров. В результате угловое разрешение, то есть наша способность восстанавливать изображение космических объектов с высочайшим уровнем детализации, стало рекордным. Фактически мы построили виртуальный радиотелескоп, который на сегодняшний день имеет рекордное во всей земной астрономии угловое разрешение, измеряющееся цифрой до 10 микросекунд дуги.

Так как «Радиоастрон» представляет собой интерферометр, он должен работать в связке с наземными телескопами. На Земле мы используем до 60 крупнейших радиотелескопов, которые находятся как в России, так и в Европе, в Соединенных Штатах, Южной Африке, Австралии, Китае, Корее, Японии. И благодаря этому у нас выстраивается наземно-космический интерферометр общим количеством телескопов около шестидесяти. Мы исследуем разные объекты Вселенной: далекие квазары, облака водяного пара в галактиках, компактные звезды, которые называются пульсарами, эффекты рассеяния в межзвездной среде — и даже проверяем общую теорию относительности Эйнштейна, один из ее постулатов, который называется принципом эквивалентности. Доступ к наблюдениям в проекте «Радиоастрон» открыт для любого ученого или группы ученых как из нашей страны, так и за рубежом. Мы работаем уже семь с половиной лет.

Я расскажу про некоторые результаты «Радиоастрона» и начну с квазаров. Квазары — это далекие галактики. Они похожи на нашу, потому что там тоже есть много звезд, но непохожи тем, что в центрах находятся сверхмассивные черные дыры, которые примерно в тысячу раз массивнее, чем черная дыра в нашей Галактике, и из их центров выбрасываются релятивистские струи. «Радиоастрон» позволил проверить теоретическое предсказание, которое держалось около полувека. Оно о том, что центры далеких квазаров не могут быть ярче определенного предела. Это предсказание основано на нашем понимании того, как работают эти струи. Скорее всего, они излучают синхротронным механизмом излучения, и в случае вброса в подобную струю очень яркого, энергичного сгустка плазмы он должен очень быстро потерять энергию за счет соударений с окружающими эту плазму фотонами.

Оказалось, что ядра квазаров как минимум в 10 раз ярче, чем предсказывала теория. Мы это увидели для многих десятков, фактически для сотни квазаров на небе. Это здорово, потому что для экспериментатора нет ничего приятнее, чем утереть нос теоретикам, делающим те или иные предсказания. Именно подобные противоречия позволяют делать большие шаги вперед в понимании природы тех явлений и объектов, которые вы изучаете.

В случае с квазарами мы до конца пока так и не разобрались, с чем это связано. Возможно, мы неправильно оцениваем величину релятивистского усиления излучения, которое происходит из-за того, что плазма двигается со скоростью, очень близкой к скорости света. Может быть, существуют процессы, которые вдали от центральной сверхмассивной черной дыры в состоянии заново ускорить релятивистскую плазму. Возможно, мы ошибаемся, предполагая, что в релятивистских струях излучают быстрые релятивистские электроны. Существует вариант, что излучение идет от быстрых релятивистских протонов, которые в 2000 раз тяжелее, для них этот предел на яркость излучения значительно выше. С другой стороны, их в 2000 раз сложнее ускорить из-за того, что они очень массивные. Если предположение об излучении релятивистских протонов верное, это заодно поможет решить проблему космических лучей. Это означает, что ядра активных галактик действительно могут и умеют ускорять очень массивные частицы.

Высочайшее угловое разрешение «Радиоастрона» позволяет нам разглядеть поперечную структуру струй в квазарах, и мы можем измерить их ширину, а благодаря этому — попытаться разрешить конкуренцию двух теорий, обсуждающих процесс формирования релятивистских струй в далеких квазарах. Нам нужно как-то сделать струю узкой, и это делается за счет закрутки. Конкурируют две идеи. Первая говорит о том, что крутящий момент происходит благодаря сверхмассивной черной дыре. Хотя она и сверхмассивная, но она все-таки черная дыра, поэтому должна быть маленькой. В случае если данное предположение справедливо, струя должна стартовать очень узкой.

Вторая конкурирующая теория говорит о том, что закрутка происходит благодаря аккреционному диску из пыли и газа. Пыль и газ из внутренней части падает на центральную сверхмассивную черную дыру, диск крутится, и эта закрутка приводит к формированию джета. При наблюдениях релятивистских струй с помощью наземных интерферометров мы не могли разделить первый и второй сценарии потому, что, какая бы ширина джета ни была для них, джеты выглядели как тонкие ниточки для наземных интерферометров.

Проект «Радиоастрон» позволил нам разрешить джеты в квазарах. И мы увидели, что у близкой галактики, которая называется 3 °C 84, или объект А в созвездии Персей, этот джет оказался очень широким — как минимум несколько сотен гравитационных радиусов. То есть он в сотни раз больше, чем размер центральной сверхмассивной черной дыры. Это говорит о том, что в данном случае аккреционный диск играет очень существенную роль в формировании релятивистской струи в активной галактике. Раньше мы считали, что выигрывает именно черная дыра в этом противостоянии. Фактически мы впервые показали, что механизм формирования струй с помощью аккреционных дисков действительно может иметь место в далеких галактиках.

В проекте «Радиоастрон» было несколько открытий. Некоторые из них были ожидаемыми, что называется known unknowns. То есть мы знали, где копать, для того чтобы либо сделать открытие, либо его не сделать. Нам повезло сделать одно открытие, хотя мы совершенно не ожидали этого. Оно связано с наблюдением пульсаров, нейтронных звезд, которые быстро вращаются вокруг своей оси, излучают лучики света из полюсов, и эти лучики света чиркают по наблюдателю на Земле, проходят через облака межзвездной плазмы и в результате этого рассеиваются, поэтому мы видим рассеянное излучение. В результате наблюдения пульсаров мы неожиданно открыли новый эффект рассеяния. Представьте себе, что мы наблюдаем пульсар, а эффект рассеяния, как мы раньше считали, представляет собой следующее: пульсар будет выглядеть как фонарь в тумане. Оказалось, что на фоне рассеянного этим туманом изображения пульсара наблюдаются очень компактные точки. Они являются не изображением самого пульсара, а открытым нами эффектом рассеяния. Мы его называем «субструктура рассеяния».

Этот эффект связан со следующим: при прохождении излучения пульсара через облако плазмы в этом облаке наблюдаются турбулентные сгустки, и каждый сгусток, каждая ячейка формирует свое независимое изображение нашего пульсара. И интерференция множества изображений пульсара приводит к появлению точек на фоне рассеянного изображения наблюдаемого нами объекта. Мы открыли этот эффект на пульсарах, а позже подтвердили его, когда увидели его для квазаров и центра нашей Галактики. Он важен потому, что с его помощью удается восстановить параметры облаков межзвездной плазмы, параметры рассеяния в нашей Галактике, расстояния до облаков плазмы и их свойства, турбулентность и плотность. Также открытый эффект можно использовать для того, чтобы восстановить истинное изображение объекта, испорченное рассеянием.

В рамках наблюдения «Радиоастрона» был один проект, который нам не удалось успешно завершить. Мы пытались увидеть тень от черной дыры и ореол вокруг нее. В центре нашей Галактики это было невозможно, потому что его излучение рассеивается на облаках межзвездной плазмы. Мы пытались увидеть тень от черной дыры в других близких галактиках, в частности в галактике Дева А. Однако для того, чтобы ее увидеть, нам должно было повезти. Именно эффекты рассеяния, а главное — поглощения излучения в центре галактики Дева А должны были быть доброжелательно к нам слабы, должны были позволить увидеть самый центр. Нам не повезло: центр галактики Дева А оказался достаточно замусоренным. Ожидаемого нами ореола вокруг центральной сверхмассивной черной дыры нам увидеть не удалось.

Мы знаем, что эффекты поглощения и эффекты рассеяния излучения становятся слабее с уменьшением длины волны наблюдения. Поэтому очевидно, что следующим шагом должно быть построение интерферометра, который работает не на достаточно длинных сантиметровых радиоволнах, на которых работал «Радиоастрон», а на более коротких, миллиметровых и субмиллиметровых. Это должны быть как наземные интерферометры, так и наземно-космические.

На сегодняшний день наш Астрокосмический центр ФИАН работает над созданием следующего после «Радиоастрона» наземно-космического интерферометра, который называется «Миллиметрон». Он будет работать на коротких миллиметровых длинах волн и обязательно позволит нам не только увидеть, но и, главное, исследовать в деталях центральные сверхмассивные черные дыры как в других галактиках, так и в центре нашей. Правильно сказать, что вначале он позволит ответить на вопрос, действительно ли там находятся сверхмассивные черные дыры. Только для черных дыр мы ожидаем увидеть ореол вокруг центрального темного пятна, потому что у черных дыр должны быть горизонты событий, под которыми уже ничего не видно.

Юрий Ковалев

доктор физико-математических наук, руководитель лабораторий ФИАН РАН и МФТИ, член-корреспондент РАН

Источник:  https://postnauka.ru/video/97316