30 лет тому вперед: какие открытия нас ждут (Сергей Попов)

Тридцать лет — это примерно миллиард секунд. Примерно миллиард ударов сердца.

Давайте посмотрим на тридцать лет назад. В то время мы еще не открыли ни одной планеты у нормальных звезд, похожих на Солнце, и не знали о том, что наша Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее. Первое из двух открытий можно было предсказать, второе — нет. Первое явилось итогом целенаправленных усилий по поиску экзопланет, второе стало для большинства ученых неожиданным результатом исследований в области внегалактической астрономии и космологии. Пожалуй, это были два самых главных открытия в астрономии с 1960-х годов. Значит, в современной науке какие-то крупные достижения мы можем предвидеть, а какие-то — нет. Будем считать, что бокал наполовину полон и попробуем задуматься, что мы узнаем о Вселенной в ближайшие тридцать лет.

Почему вообще можно предсказывать научные открытия? Дело в том, что многие важнейшие результаты получают на больших установках (телескопах, космических аппаратах и т. д.), ввод в строй которых распланирован иногда на десятки лет вперед. Давайте посмотрим, какие важные астрономические инструменты начнут работать в ближайшие лет двадцать и какие космические проекты в Солнечной системе можно будет реализовать. А по ходу обсуждения поймем, на какие открытия мы можем рассчитывать.

Сейчас на гало-орбите в точке Лагранжа L₂ находится космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Можно рассчитывать, что инструмент проработает как минимум до начала 2040-х. За это время будет сделано много интересных открытий. В первую очередь ожидается, что они будут связаны с историей формирования галактик, начиная с самых первых, и с экзопланетами. Первые результаты, полученные на этом инструменте, дают все основания для оптимистичных прогнозов. Таким образом, через тридцать лет мы будем хорошо представлять, как формировались галактики, их группы и скопления.

Для исследований экзопланет также важны крупные наземные телескопы. В конце 2020-х — начале 2030-х начнет работу новое поколение супертелескопов диаметром 30–40 м. Первым из них станет 40-метровый Extremely Large Telescope (ELT) Европейской южной обсерватории. Он заработает в 2028 году. Вместе с JWST эти инструменты позволят начать изучение атмосфер потенциально обитаемых планет, обращающихся вокруг красных карликов. Можно надеяться, что через тридцать лет мы будем знать планеты земного типа в зонах обитаемости с атмосферными характеристиками, говорящими о наличии жизни. Это станет важнейшим прорывом в вопросе поиска жизни во Вселенной.

Кроме того, в ближайшие годы будет открыто множество новых экзопланет разных типов. Благодаря таким аппаратам Европейского космического агентства, как Gaia (он успешно заканчивает свою миссию, но полная обработка данных потребует нескольких лет) и PLATO (ожидаемый запуск — в 2027 году) уже к концу 2020-х счет пойдет на десятки тысяч. Это позволит в деталях понять, как формируются планеты и их системы.

Но жизнь можно искать не только на далеких планетах. В 2030 году к спутнику Юпитера Европе прилетит аппарат NASA Europa Clipper. Это будет первая межпланетная станция, предназначенная для детального исследования небесного тела, считающегося кандидатом номер один в смысле поиска жизни в Солнечной системе. Можно быть уверенным, что до 2053 года к Европе будут отправлены более совершенные аппараты, которые смогут детально исследовать состав подледного океана этого спутника. Кроме того, наверняка будут отправлены межпланетные станции для изучения двух спутников Сатурна — Энцелада и Титана — они также считаются кандидатами в обитаемые миры (причем, если на Титане есть жизнь, то она принципиально отличается от земной!).

Безусловно, будет продолжаться изучение Марса. За тридцать лет мы существенно продвинемся в исследованиях этой планеты. Сейчас есть все основания утверждать, что в далеком прошлом климат на Марсе был куда мягче, а значит, есть надежда, что тогда на Красной планете успела появиться жизнь. Тридцать лет — достаточный срок, чтобы разобраться в этом вопросе.

Кроме того, в непосредственной близости от нас есть тела, номинально не принадлежащие Солнечной системе. Речь идет о межзвездных кометах и астероидах, пролетающих мимо нас в своем странствии по Галактике. Пока было обнаружено по одному объекту каждого из типов: межзвездный астероид Оумуамуа и комета Борисова. Уже в следующем году в Чили заработает очень важный для всей астрономии инструмент — американский Большой обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) Обсерватории имени Веры Рубин. Кроме прочего, он позволит открывать большое количество межзвездных объектов в Солнечной системе. Причем мы сможем обнаруживать их еще на подлете. В связи с этим активно обсуждаются проекты «перехвата» таких тел с помощью межпланетных аппаратов для их детального изучения. Вдобавок новый телескоп должен поставить точку в вопросе о существовании еще одного крупного тела в Солнечной системе — девятой планеты.

JWST проработает еще лет двадцать. Тем не менее в NASA уже несколько лет активно обсуждается, какой инструмент придет ему на смену. Окончательное решение пока не принято, а потому разрабатывается сразу несколько проектов. Скорее всего, новый телескоп, качественно превосходящий JWST по своим параметрам, будет работать как минимум в оптическом и инфракрасном диапазоне. А может быть, еще и в ультрафиолете. У такого инструмента будет много задач, но среди них точно окажется наблюдение самых первых звезд во Вселенной, которые пока не удается увидеть, и детальное изучение атмосфер «двойников» Земли. Пожалуй, это одна из самых амбициозных (но конкретных и достижимых!) целей как раз на границе рассматриваемого нами тридцатилетнего периода.

Столько всего интересного, а мы даже еще ни разу не упомянули черные дыры. Пора! В 2037 году должен начать работу космический лазерный интерферометр eLISA. Это проект Европейского космического агентства. Его основная задача — наблюдение гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр. Кроме того, примерно в такие же сроки (вероятно, немногим позже, чем eLISA) должен быть реализован аналогичный (но не идентичный!) китайский проект. Такие инструменты должны помочь узнать много нового о сверхмассивных черных дырах, об их формировании и эволюции.

Но, как мы знаем, сверхмассивные черные дыры можно изучать разными способами. Всем памятны так называемые снимки черных дыр в галактике М87 и в центре нашей галактики, полученные Телескопом горизонта событий (EHT). Это система крупных наземных радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару. Обычно эти инструменты, принадлежащие самым разным странам и организациям, решают независимые задачи, но иногда проводят совместные наблюдения. И тогда это «телескоп размером с Землю» — EHT! Эта система будет расширяться и совершенствоваться. В ближайшие тридцать лет будут получены изображения окрестностей еще нескольких черных дыр, а качество картинки при этом существенно возрастет. Всё это крайне важно для изучения природы гравитации.

Не будем забывать и про черные дыры звездных масс. Сейчас начался четвертый сеанс научных наблюдений на наземных гравитационно-волновых детекторах. В этот раз будут работать сразу четыре установки: две антенны LIGO в США, европейская Virgo и японская KAGRA. На ближайшие лет десять запланированы еще несколько сеансов. Причем апгрейды позволят постоянно увеличивать чувствительность установок. Вдобавок к пятому сеансу может присоединиться и пятая установка — еще одна антенна LIGO в Индии. Кроме слияний черных дыр, такие инструменты регистрируют и слияния с участием нейтронных звезд. Можно надеяться, что в ближайшие тридцать лет благодаря наблюдениям таких событий мы наконец-то поймем, как ведет себя вещество в недрах этих объектов. А это важно не только для астрономии, но и для ядерной физики.

На масштабе нескольких десятилетий ожидается создание гравитационно-волновых антенн нового поколения (нельзя же ведь вечно апгрейдить уже существующие инструменты). Такие проекты разрабатываются в Европе (Einstein Telescope) и США (Cosmic Explorer). Среди многих задач, которые будут решать эти приборы, выделяется исследование областей в непосредственной близости от горизонта событий.

Перечисление ожидаемых суперустановок можно завершить мегапроектом системы радиотелескопов Square Kilometer Array (SKA). Половина установки будет находиться в Австралии, половина — в Южной Африке. Сейчас идут активные работы по ее строительству. В конце 2020-х система должна начать наблюдения. У такого проекта множество разнообразных задач. Среди них и космология, и изучение разных источников, связанных с нейтронными звездами (в том числе и удивительных быстрых радиовсплесков), и многое другое. Ну и, кто знает, может быть, SKA зарегистрирует сигналы внеземного разума (здесь автор хочет поставить смайлик).

Разумеется, не все крупные проекты попали в наш список. Например, на 2027 год агентством NASA запланирован запуск космического телескопа «Нэнси Грейс Роман», а в 2029 году Европейское космическое агентство планирует старт спутника Ariel для изучения атмосфер экзопланет. Начинается сооружение крупнейшего комплекса в наземной гамма-астрономии — это проект Cherenkov Telescope Array. Планируется сооружение низкочастотных радиотелескопов на обратной стороне Луны. Обсуждается миссия к Венере для изучения ее атмосферы и проверки гипотезы о присутствии там жизни. Перечень можно продолжить. И все эти инструменты могут дать новые интересные (и неожиданные!) открытия.

В заключение назовем еще три результата, которые могут быть получены в ближайшие тридцать лет. Трудно сказать, какому инструменту повезет (и повезет ли вообще хоть кому-то), но если такие результаты удастся получить, то это станет важнейшим этапом в понимании того, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне.

Во-первых, это регистрация частиц темного вещества. В настоящее время мы думаем, что примерно четверть плотности Вселенной связана с загадочным компонентом, которому нет места в Стандартной модели элементарных частиц. Этого темного вещества должно быть в несколько раз больше, чем обычного, состоящего из протонов, нейтронов и электронов. Темное вещество — это тоже какие-то частицы. Но какие? У теоретиков есть огромное количество идей по этому поводу, а экспериментаторы и наблюдатели уже десятки лет безуспешно пытаются узнать хоть что-то про эти частицы. Есть множество установок в подземных лабораториях, на которых пытаются зафиксировать взаимодействие неуловимых частиц с обычным веществом. Пока безуспешно. Может быть, в ближайшие десятилетия кому-нибудь улыбнется удача. Или, возможно, астрономы смогут получить что-то конкретное, например надежно зарегистрировать сигналы, связанные с аннигиляцией этих частиц.

Во-вторых, было бы крайне интересно зафиксировать процесс испарения черных дыр или хотя бы достоверно обнаружить следствия этого процесса. Испарение черных дыр было предсказано Стивеном Хокингом в 1975 году. Но спустя почти полвека после публикации его фундаментальной статьи мы так и не можем увидеть, как черные дыры исчезают в яркой вспышке. Это всё обещает существенное продвижение в построении моделей квантовой гравитации.

Наконец, есть надежда, что детальное изучение реликтового излучения — микроволнового фона, оставшегося от эпохи горячей Вселенной, — позволит увидеть «отпечатки» стадии первичной инфляции. Современные космологические теории предсказывают, что рождение нашей Вселенной началось с крайне недолгой фазы, когда ее объем с огромной скоростью многократно возрос. И только потом Вселенная заполнилась горячим и плотным веществом — т. е. произошел Большой взрыв. Есть довольно оптимистичные предсказания относительно величины искомого эффекта, и кажется, что обнаружить необходимые детали в реликтовом излучении можно будет со следующим поколением установок в ближайшие 10–20 лет.

Темпы научного прогресса в астрономии остаются очень высокими. Новые технологии позволяют создавать всё более чувствительные приборы для изучения окружающего нас космоса. Так что нас ждет много открытий. И, конечно, самые интересные из них — это те, которые не удалось предсказать заранее.

Сергей Попов, профессор РАН
Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (Trieste, Italy)