Новый виток науки о космосе: пришествие многоканальной астрономии

Алексей Левин

Алек­сей Левин

Как уже рас­ска­зы­ва­лось в ТрВ-Нау­ка № 240, 16 октяб­ря 2017 года на несколь­ких пресс-кон­фе­рен­ци­ях (в том чис­ле в Вашинг­тоне, Лон­доне и Москве) было объ­яв­ле­но о новой демон­стра­ции воз­мож­но­стей гра­ви­та­ци­он­но-вол­но­вой аст­ро­но­мии. С осе­ни 2015 года аме­ри­кан­ский двой­ной детек­тор волн тяго­те­ния Advanced LIGO вме­сте с млад­шим ита­льян­ским парт­не­ром VIRGO отло­ви­ли гра­ви­та­ци­он­ные сле­ды встре­чи чер­ных дыр: LIGO — четы­ре раза, а VIRGO — одно­крат­но. А 17 авгу­ста 2017 года эти при­бо­ры заре­ги­стри­ро­ва­ли рас­тя­нув­ши­е­ся на сот­ню секунд воз­му­ще­ния гео­мет­рии про­стран­ства-вре­ме­ни, обу­слов­лен­ные спи­ра­ле­вид­ным сбли­же­ни­ем двух ней­трон­ных звезд непо­сред­ствен­но перед их столк­но­ве­ни­ем.

Прав­да, гра­ви­та­ци­он­ный след фина­ла это­го ката­клиз­ма пой­мать не уда­лось, посколь­ку в момент уда­ра часто­ты волн тяго­те­ния ока­за­лись за пре­де­ла­ми чув­стви­тель­но­сти обе­их обсер­ва­то­рий. Рас­че­ты пока­зы­ва­ют, что резуль­та­том столк­но­ве­ния мог­ло стать обра­зо­ва­ние ней­трон­ной звез­ды боль­шей мас­сы, либо воз­ник­но­ве­ние силь­но неста­биль­но­го сгуст­ка ней­трон­но­го веще­ства (кото­рый за вре­мя от секун­ды до несколь­ких часов кол­лап­си­ро­вал в чер­ную дыру), либо непо­сред­ствен­ное появ­ле­ние новой чер­ной дыры. Пока не ясно, что про­изо­шло на самом деле.

Одна­ко зна­че­ние откры­тия, полу­чив­ше­го индекс GW170817, отнюдь не сво­дит­ся к фак­ту гра­ви­та­ци­он­но­го детек­ти­ро­ва­ния сли­я­ния ней­трон­ных звезд. В кон­це кон­цов, в ради­у­се мил­ли­ар­да све­то­вых лет от Зем­ли еже­год­но про­ис­хо­дит несколь­ко подоб­ных собы­тий. Прав­да, LIGO спо­со­бен отсле­дить их на рас­сто­я­ни­ях не более 250 млн све­то­вых лет (в 2019 году этот пре­дел воз­рас­тет до 650 млн). В дан­ном слу­чае сиг­нал при­шел с дистан­ции 130 млн све­то­вых лет, что сто­ит счесть нема­лым везе­ни­ем. Во вся­ком слу­чае, пер­вая реги­стра­ция столк­но­ве­ния ней­трон­ных звезд была вопро­сом вре­ме­ни. И всё же 17 авгу­ста 2017 года вой­дет в исто­рию как пред­вест­ник рево­лю­ци­он­ных пере­мен в нау­ке о кос­мо­се.

На чем осно­ван такой про­гноз? Сли­я­ния чер­ных дыр про­ис­хо­дят прак­ти­че­ски в пустом про­стран­стве и пото­му не порож­да­ют ниче­го, кро­ме гра­ви­та­ци­он­ных волн. Стал­ки­ва­ю­щи­е­ся ней­трон­ные звез­ды, напро­тив, остав­ля­ют за собой сверх­го­ря­чую экзо­ти­че­скую мате­рию, кото­рая дает о себе знать элек­тро­маг­нит­ны­ми вол­на­ми и пото­ка­ми реля­ти­вист­ских частиц. Их мож­но наблю­дать как мини­мум несколь­ко меся­цев, а то и лет, что дает воз­мож­ность инте­гри­ро­вать рабо­ту гра­ви­та­ци­он­ных детек­то­ров с вели­ким мно­же­ством назем­ных и кос­ми­че­ских обсер­ва­то­рий, отсле­жи­ва­ю­щих сиг­на­лы из кос­ми­че­ско­го про­стран­ства. Пер­вым при­ме­ром прак­ти­че­ской реа­ли­за­ции этой воз­мож­но­сти стал ини­ци­и­ро­ван­ный собы­ти­я­ми 17 авгу­ста фее­ри­че­ский всплеск актив­но­сти аст­ро­но­мов и аст­ро­фи­зи­ков во всем мире. Коли­че­ство обсер­ва­то­рий, при­няв­ших уча­стие в «гон­ке за лиде­ра­ми» LIGO и VIRGO, пре­вы­си­ло семь десят­ков — это впе­чат­ля­ет.

Космические мессенджеры

А теперь самое глав­ное. Во мно­гих ста­тьях, посвя­щен­ных GW170817 и все­му, что за ним после­до­ва­ло, появи­лось еще не слиш­ком извест­ное сло­во­со­че­та­ние «мно­го­ка­наль­ная астрономия»/ «инте­граль­ная аст­ро­но­мия» (MMA, или multi-messenger astronomy). Име­е­ет­ся в виду пере­ход аст­ро­но­мии (и, есте­ствен­но, аст­ро­фи­зи­ки) к ком­плекс­ной и прак­ти­че­ски одно­вре­мен­ной аппа­рат­ной и тео­ре­ти­че­ской обра­бот­ке сиг­на­лов о кос­ми­че­ских собы­ти­ях, порож­ден­ных самы­ми раз­ны­ми физи­че­ски­ми про­цес­са­ми и пото­му при­хо­дя­щих по мно­же­ству кана­лов. Эти кана­лы, такие как импуль­сы гра­ви­та­ци­он­ных волн или пото­ки рент­ге­нов­ских кван­тов, сей­час при­ня­то назы­вать мес­сен­дже­ра­ми. (Насколь­ко я знаю, впер­вые этот тер­мин появил­ся в кни­ге “Advanced Gravitational Wave Detectors”, ed. by D. E. Blair et al, Cambridge University Press, Cambridge, 2012, p. 105.)

О чем же речь? Аст­ро­но­мия, как извест­но, может исполь­зо­вать и такие мес­сен­дже­ры, как небес­ные тела — ска­жем, метео­ри­ты или коме­ты, наблю­де­ния за кото­ры­ми нема­ло рас­ска­зы­ва­ют о даль­ней пери­фе­рии Сол­неч­ной систе­мы. Нема­ло инфор­ма­ции о Солн­це при­хо­дит с сол­неч­ным вет­ром — пото­ка­ми про­то­нов и элек­тро­нов, доле­та­ю­щих до Зем­ли со ско­ро­стя­ми в несколь­ко сотен кило­мет­ров в секун­ду.

Одна­ко для полу­че­ния све­де­ний о даль­нем кос­мо­се, осо­бен­но о собы­ти­ях за пре­де­ла­ми нашей Галак­ти­ки, потреб­ны мес­сен­дже­ры ино­го рода, путе­ше­ству­ю­щие со све­то­вой или почти све­то­вой ско­ро­стью, при­чем луч­ше все­го по неис­крив­лен­ным путям. Это импуль­сы элек­тро­маг­нит­ных волн и волн тяго­те­ния (на кван­то­вом язы­ке — пото­ки фото­нов и гра­ви­то­нов), а так­же эле­мен­тар­ные части­цы, кото­рые не несут элек­три­че­ско­го заря­да и пото­му не откло­ня­ют­ся кос­ми­че­ски­ми маг­нит­ны­ми поля­ми.

Пока в этом каче­стве рабо­та­ют одни лишь ней­три­но, кото­рые име­ют ничтож­но малую мас­су и пото­му дви­жут­ся прак­ти­че­ски со ско­ро­стью све­та (впро­чем, не исклю­че­но, что когда-нибудь откро­ют и дру­гие подоб­ные мес­сен­дже­ры). Вхо­дя­щие в состав пер­вич­ных кос­ми­че­ских лучей заря­жен­ные части­цы (про­то­ны и анти­про­то­ны, ядра гелия и более тяже­лых эле­мен­тов, а так­же элек­тро­ны и пози­тро­ны) тоже могут разо­гнать­ся до реля­ти­вист­ских ско­ро­стей, одна­ко места их рож­де­ния отсле­дить намно­го труд­нее.

Аст­ро­но­мия, как извест­но, одна из древ­ней­ших наук. Если счи­тать, что ее родо­на­чаль­ни­ком был осно­ва­тель пер­вой обсер­ва­то­рии антич­но­го мира и созда­тель пер­вой мате­ма­ти­че­ской моде­ли Сол­неч­ной систе­мы Евдокс Книд­ский, то ей уже 24 сто­ле­тия. И почти всё это вре­мя аст­ро­но­мы вели наблю­де­ния лишь в опти­че­ском сег­мен­те элек­тро­маг­нит­ных волн, то есть в види­мом све­те. В тер­ми­нах энер­гии фото­нов, шири­на это­го диа­па­зо­на мень­ше полу­то­ра элек­трон­вольт — от 1,7 эВ в крас­ной части спек­тра до 3,1 эВ на фио­ле­то­вой гра­ни­це.

В наши дни воз­мож­но­сти аст­ро­но­ми­че­ских наблю­де­ний ста­ли неиз­ме­ри­мо обшир­ней. Сей­час иссле­до­ва­те­лям кос­мо­са доступ­ны сиг­на­лы, кото­рые пере­но­сят фото­ны с энер­ги­я­ми от одной мил­ли­он­ной элек­трон­воль­та (радио­вол­ны) до 300 млрд элек­трон­вольт (верх­ний пре­дел чув­стви­тель­но­сти обзор­но­го гам­ма-теле­ско­па на бор­ту кос­ми­че­ской обсер­ва­то­рии Fermi). Энер­гии кос­ми­че­ских ней­три­но реги­стри­ру­ют­ся вплоть до 1015 эВ, а про­то­нов — даже до 1020 эВ. Так что шири­на диа­па­зо­на энер­гий пере­нос­чи­ков сиг­на­лов состав­ля­ет 26 поряд­ков!

И вот что при­ме­ча­тель­но. Аст­ро­но­мия осво­и­ла всё гигант­ское раз­но­об­ра­зие кос­ми­че­ских мес­сен­дже­ров за очень корот­кое вре­мя. Наблю­де­ния небо­сво­да в инфра­крас­ных лучах ведут с сере­ди­ны XIX века (сна­ча­ла на Зем­ле, а с 1983 года — в кос­мо­се, и не толь­ко око­ло­зем­ном, но и око­ло­сол­неч­ном). Затем наста­ла оче­редь радио­астро­но­мии. Пер­вый насто­я­щий радио­те­ле­скоп с пово­рот­ной пара­бо­ли­че­ской антен­ной в 1937 году постро­ил аме­ри­ка­нец Гро­ут Ребер и с его помо­щью создал первую кар­ту ради­о­не­бо­сво­да.

Уль­тра­фи­о­ле­то­вая аст­ро­но­мия воз­ник­ла гораз­до поз­же, где-то око­ло 1970 года. Рент­ге­нов­ская аст­ро­но­мия ведет нача­ло с 1949 года (или даже с 1978-го, если свя­зать день ее рож­де­ния с запус­ком пер­во­го спут­ни­ка с рент­ге­нов­ским теле­ско­пом). Пер­вый гам­ма-теле­скоп отпра­ви­ли в око­ло­зем­ное про­стран­ство в 1961 году (на бор­ту аме­ри­кан­ско­го спут­ни­ка Explorer 11). Кос­ми­че­ские лучи открыл сотруд­ник вен­ско­го Ради­е­во­го инсти­ту­та Вик­тор Гесс сто пять лет назад, в 1912 году.

Оста­ет­ся упо­мя­нуть еще два мес­сен­дже­ра — ней­три­но и гра­ви­та­ци­он­ные вол­ны. Ней­трин­ная аст­ро­но­мия нача­лась с изме­ре­ния плот­но­сти пото­ков этих частиц, воз­ник­ших в ходе тер­мо­ядер­ных реак­ций в ядре Солн­ца. Рэй Дэвис и его кол­ле­ги запу­сти­ли пер­вый детек­тор сол­неч­ных ней­три­но в глу­бо­кой шах­те в шта­те Южная Дако­та в 1968 году.

Поз­же появи­лись при­бор­ные ком­плек­сы, спо­соб­ные заре­ги­стри­ро­вать ней­три­но, при­шед­шие из дале­ко­го кос­мо­са. Круп­ней­шая из этих уста­но­вок IceCube Neutrino Observatory рабо­та­ет на Южном полю­се. Имен­но на ней в 2013 году заре­ги­стри­ро­ва­ли три (все­го три!) ней­три­но с энер­ги­я­ми поряд­ка 1015 эВ — не пре­взой­ден­ный пока рекорд. И нако­нец, 14 сен­тяб­ря 2015 года интер­фе­ро­мет­ры ком­плек­са Advanced LIGO впер­вые обна­ру­жи­ли всплеск волн тяго­те­ния, чем поло­жи­ли нача­ло гра­ви­та­ци­он­ной аст­ро­но­мии.

Хотя LIGO и VIRGO могут реа­ги­ро­вать лишь на ката­стро­фи­че­ские собы­тия типа столк­но­ве­ний чер­ных дыр и/​ или ней­трон­ных звезд, после уже запла­ни­ро­ван­ной модер­ни­за­ции они, ско­рее все­го, ока­жут­ся в состо­я­нии детек­ти­ро­вать вол­ны тяго­те­ния, испус­ка­е­мые двой­ны­ми ней­трон­ны­ми звез­да­ми, то есть пара­ми ней­трон­ных звезд, ста­биль­но обра­ща­ю­щих­ся вокруг обще­го цен­тра инер­ции.

Эволюция телескопов

Клас­си­че­ская теле­ско­пи­че­ская аст­ро­но­мия за послед­ние деся­ти­ле­тия тоже ради­каль­но изме­ни­лась. Новей­шие теле­ско­пы-рефлек­то­ры рабо­та­ют не толь­ко в види­мом, но и в инфра­крас­ном диа­па­зоне — насколь­ко это поз­во­ля­ет зем­ная атмо­сфе­ра. Более того, в сле­ду­ю­щем деся­ти­ле­тии пред­по­ла­га­ет­ся вве­сти в дей­ствие три теле­ско­па-супер­ги­ган­та (два в Чили и один на Гавай­ях), кото­рые доста­нут и до уль­тра­фи­о­ле­та.

Сей­час теле­ско­пы стан­дарт­но осна­ща­ют (и будут осна­щать) систе­ма­ми актив­ной и адап­тив­ной опти­ки — пер­вая исправ­ля­ет меха­ни­че­ские дефор­ма­ции зер­кал, вто­рая ком­пен­си­ру­ет атмо­сфер­ные воз­му­ще­ния, кото­рые «раз­мы­ва­ют» при­хо­дя­щие све­то­вые сиг­на­лы. Эти систе­мы, осо­бен­но адап­тив­ная опти­ка, прак­ти­че­ски урав­ня­ли наблю­да­тель­ные воз­мож­но­сти зем­ной и кос­ми­че­ской аст­ро­но­мии. Теперь круп­ней­шие ста­ци­о­нар­ные теле­ско­пы обес­пе­чи­ва­ют луч­шее раз­ре­ше­ние, неже­ли не толь­ко «Хаб­бл», но и не запу­щен­ный еще инфра­крас­ный кос­ми­че­ский теле­скоп име­ни Джейм­са Уэб­ба.

Сто­ит отме­тить, что новые теле­ско­пы изме­ни­ли харак­тер аст­ро­но­ми­че­ских наблю­де­ний. Ушел в про­шлое роман­ти­че­ский образ наблю­да­те­ля-оди­ноч­ки, про­во­дя­ще­го ночи в обсер­ва­то­рии, а дни за про­яв­кой и ана­ли­зом фото­пла­сти­нок. Сего­дня аст­ро­но­мы исполь­зу­ют теле­ско­пы так же, как физи­ки — уско­ри­те­ли. Льви­ная доля рабо­ты при­хо­дит­ся на экс­плу­а­та­ци­он­щи­ков, кото­рые на водят телес копы на задан­ную цель, сни­ма­ют пока­за­ния детек­то­ров и пере­да­ют их иссле­до­ва­те­лям по ком­пью­тер­ной свя­зи. Более того, появи­лись и авто­ма­ти­зи­ро­ван­ные теле­ско­пы, цели­ком и пол­но­стью управ­ля­е­мые дистан­ци­он­но. Такие «без­люд­ные» наблю­де­ния ста­ли неотъ­ем­ле­мой частью ММА.

Наука будущего

Итак, наблю­де­ния посред­ством широ­ко­го набо­ра мес­сен­дже­ров вышли на перед­ний край аст­ро­но­мии и аст­ро­фи­зи­ки. Они обе­ща­ют осо­бен­но бога­тый уро­жай в обла­сти изу­че­ния наи­бо­лее высо­ко­энер­ге­тич­ных кос­ми­че­ских про­цес­сов и собы­тий, след­стви­ем чего может стать уточ­не­ние и даже пере­смотр как аст­ро­фи­зи­че­ских моде­лей, так и фун­да­мен­таль­ных физи­че­ских зако­нов. Модер­ни­за­ция налич­ных иссле­до­ва­тель­ских ком­плек­сов (к при­ме­ру, пред­по­ла­га­е­мое деся­ти­крат­ное уве­ли­че­ние чув­стви­тель­но­сти IceCube) и созда­ние целой серии уста­но­вок ново­го поко­ле­ния (таких как гигант­ская под­вод­ная ней­трин­ная обсер­ва­то­рия KM3NeT, соору­жа­е­мая в Сре­ди­зем­ном море в 40 км от Туло­на) доба­вят нема­ло фак­тов в копил­ку наших зна­ний о мире.

Так художник изобразил будущую нейтринную обсерваторию KM3NeT, сооружаемую в Средиземном море. By Edewolf, www.km3net.org, CC BY-SA 3.0. Рис. с сайта en.wikipedia.org/w/index.php?curid=39964838

Так худож­ник изоб­ра­зил буду­щую ней­трин­ную обсер­ва­то­рию KM3NeT, соору­жа­е­мую в Сре­ди­зем­ном море. By Edewolf, www.km3net.org, CC BY-SA 3.0. Рис. с сай­та en.wikipedia.org/w/index.php?curid=39964838

Last but not least: появ­ле­ние ММО уже при­ве­ло к изме­не­нию соци­аль­ной струк­ту­ры нау­ки о кос­мо­се. Оно сти­му­ли­ро­ва­ло фор­ми­ро­ва­ние новых круп­ных иссле­до­ва­тель­ских кол­ла­бо­ра­ций, таких как Евро­пей­ская гра­ви­та­ци­он­ная обсер­ва­то­рия со штаб-квар­ти­рой в окрест­но­сти Пизы, объ­еди­ня­ю­щая уче­ных из Ита­лии, Фран­ции, Нидер­лан­дов, Вен­грии, Испа­нии и Поль­ши. У нее есть соб­ствен­ная орга­ни­за­ци­он­ная струк­ту­ра в виде AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network), создан­ная под эги­дой Пен­силь­ван­ско­го уни­вер­си­те­та в 2012 году.

Астрофизическая сеть многоканальной астрономии (AMON). Рис. с сайта www.amon.psu.edu

Аст­ро­фи­зи­че­ская сеть мно­го­ка­наль­ной аст­ро­но­мии (AMON). Рис. с сай­та www.amon.psu.edu

AMON ста­вит сво­ей целью упро­ще­ние обме­на инфор­ма­ци­ей, полу­чен­ной через раз­лич­ные кос­ми­че­ские мес­сен­дже­ры в реаль­ном мас­шта­бе вре­ме­ни. О достиг­ну­том уровне инте­гра­ции сви­де­тель­ству­ет факт, что в ана­ли­зе откры­тия GW170817 участ­во­ва­ло око­ло пяти тысяч спе­ци­а­ли­стов. В общем, ММА (мно­го­ка­наль­ная аст­ро­но­мия) — нау­ка буду­ще­го.

Алек­сей Левин

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (3 оценок, среднее: 3,67 из 5)
Загрузка...
 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *