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 *