Многие статьи и посты в блогах последних недель начинаются со слов «даже в прошедшем году было что-то хорошее». Я бы добавил: было что-то хорошее даже в науке. Например, реакция ученых на ликвидацию Академии наук породила новые сообщества, новую систему авторитетов, новых лидеров. Но ушедший год оставил кое-какие хорошие новости, касающиеся непосредственно российских научных исследований. Пожалуй, самая крупная из них — успех проекта «Радиоастрон». Это первый крупный российский эксперимент в космосе со времен СССР, который удался. Основное утверждение этой статьи — «Радиоастрон» уже можно считать успешным, состоявшимся, притом есть основания ожидать новых нетривиальных результатов.
История проекта
Эксперимент вполне можно назвать «авторским», поскольку у него есть идейный вдохновитель, подвижник, энтузиаст, руководитель — Николай Семенович Кардашев. Он вместе с Л.И. Матвеенко и Г.Б. Шоломицким выступил с идеей космического интерферометра еще в 60-х. Эта идея проста и логична: угловое разрешение интерферометра (как и разрешение оптического объектива) описывается формулой l/D, где l — длина волны, D — расстояние между антеннами, база интерферометра. Для наземных интерферометров база ограничена диаметром Земли, следовательно, ограничено и разрешение. Поэтому надо выйти за пределы Земли, запустив одну из антенн в космос, и ограничение будет снято.
Несмотря на очевидность идеи, научное сообщество относилось к проекту с некоторым скептицизмом. Во-первых, он крайне сложен технически, и возможность получения интерференционного сигнала между наземной и космической антеннами была далеко не очевидна. Во-вторых, существуют природные ограничения на возможности космического радиоинтерферометра. Дело в том, что чувствительность космической антенны неизбежно намного ниже, чем у огромных наземных антенн. Следовательно, предметом исследований наземно-космического радиоинтерферометра остаются довольно яркие объекты. Но самые интересные места в этих ярких объектах — квазарах, активных ядрах галактик, частично непрозрачны для радиоизлучения. Дело в так называемом синхротронном самопоглощении — электроны высоких энергий при больших значениях магнитного поля поглощают собственное радиоизлучение. Поэтому самые вожделенные цели — горизонты черных дыр, внутренние области аккреционных дисков вокруг этих черных дыр — могут оказаться скрытыми в зоне непрозрачности.
Дополнительные основания для скептицизма давала трудная судьба проекта. Он был начат еще в советские времена, но наступил кризис 90-х, и «Радиоастрон» сел на мель вместе с другими проектами серии «Спектр». Примерно с 2005 года финансирование стало увеличиваться, но дело двигалось медленно, запуск многократно отодвигался. Если люди, начинавшие проект, успевают вместе с ним состариться, возникает угроза потери мотивации, энтузиазма — многие, включая автора данной статьи, относились к проекту скептически еще и по этой причине.
Однако дело хоть и неспешно, но двигалось. Члены команды достигали пенсионного возраста, но сохраняли работоспособность. Появлялась и молодежь — в основном на время, но кое-кто остался и сейчас тянет существенную часть дела. По мнению участников эксперимента, проволочки с запуском даже пошли на пользу — было время как следует «вылизать» эксперимент.
Первый свет
Наконец, 18 июля 2011 года «Радиоастрон» был запущен. На самом деле запущенный аппарат называется «Спектр-Р», а название «Радиоастрон» относится ко всему проекту, включающему наземные антенны. Но для простоты будем пользоваться одним именем. Запуск на высокую орбиту (апогей 340 тыс. км) прошел успешно, но впереди оставался целый ряд напряженных моментов.
В эти дни мне довелось участвовать в разговоре за чаепитием в Астрокосмическом центре ФИАН, где присутствовали члены команды и близкие к проекту теоретики. Я, повторив аргументы скептиков, высказался в том духе, что теперь всё зависит от везения — позволит ли Природа увидеть с помощью «Радиоастрона» что-либо новое, неожиданное. На что Игорь Дмитриевич Новиков (членкор РАН, зам. директора АКЦ ФИАН. — Ред.) ответил, что Кардашев просто необыкновенно, фантастически везучий человек. Когда в давние времена где-то в командировке не было денег, он их находил под ногами. Когда летели в Штаты без единого цента измененным рейсом, без надежды, что кто-либо встретит, подворачивался дипломат в соседнем кресле, который всё устраивал. И так далее. Поэтому, настаивал Новиков, и «Радиоастрону» должно повезти.
Успешный запуск — только начало. Впереди — несколько напряженных моментов. Первый — раскрытие антенны. Она пришла в рабочее состояние не сразу, заставив команду немного понервничать. Следующий этап — «первый свет»: в конце сентября 2011 года космическая антенна заработала в автономном режиме и приняла радиоизлучение от остатка сверхновой.
Но самое важное — заработает ли «Радиоастрон» в режиме интерферометра? Интерференционный сигнал в данном случае найти очень непросто, поскольку задержка фронта волны и, главное, скорость изменения этой задержки между движущимися наземной и космической антеннами, известны лишь приблизительно.
В декабре 2011 года интерференционный сигнал от одного из блазаров (см. ниже) был найден, причем с первой попытки. Далее последовали методические достижения и рекорды.
Первые результаты
С лета 2012 года пошли физические результаты, которые становились всё более впечатляющими. Первая статья опубликована в «Астрономическом журнале» (Кардашев и др., 2013, АЖ, 90, 179-264), следующие отправлены в печать и дожидаются публикации.
Сложность в том, что статьи отправлены или планируются в Nature, где действует запрет на публикацию результатов до выхода статьи. По-моему, зря: если бы послали в нормальный журнал, можно было бы одновременно публиковать в архиве е-принтов, и мы бы уже знали детальные результаты. Но для общения с чиновниками желательны Nature и Science. Всё, что изложено ниже, имеет источником сообщение координатора научной программы проекта Юрия Ковалева, а политика упомянутых журналов накладывает ограничение на подробность сообщаемой ниже информации.
Первая группа интересных результатов связана с блазарами. Что такое блазар? Все слышали о квазарах — гигантских черных дырах в центрах галактик, светящихся из-за падения в них окружающего вещества во много раз ярче родительских галактик. Многие квазары испускают струи (джеты) замагниченной плазмы, простирающиеся иногда на сотни тысяч световых лет. Если струя направлена прямо на нас, мы попадаем в ее направленное излучение, как в луч прожектора, и видим объект, очень яркий во всех диапазонах — от радио до гамма. Это и есть блазар.
«Радиоастрон» со своим рекордным разрешением (в 10-30 раз выше, чем у наземных интерферометров) видит, что области самой высокой радиояркости в блазарах компактней и ярче, чем считалось раньше.В радиоастрономии поверхностную яркость обычно выражают через яркостную температуру. Она равна температуре черного тела, при которой последнее будет излучать на данной длине волны с данной поверхностной яркостью. В современной Вселенной не существует столь высоких температур, как яркостные температуры блазаров или пульсаров — их излучение не имеет никакого отношения к тепловому, там излучают электроны высоких энергий.
В случае блазаров есть некая «красная черта» для яркостной температуры, выше которой простые сценарии излучения не должны работать. Эта черта — около 10^11 градусов Кельвина (в сопутствующей системе отсчета излучающей среды). При большей яркостной температуре при равном распределении энергии между ускоренными частицами и магнитным полем (что является наиболее естественным случаем) электроны начинают слишком быстро охлаждаться на собственном синхротронном излучении.
Свести концы с концами, объясняя наблюдения, при этом не так просто. И теперь, поскольку «Радиоастрон» показал, что типичные излучающие области компактней, оценка яркостной температуры выросла, причем на порядок. В предшествующих измерениях рекордная яркостная температура была 10^13 К. По данным «Радиоастрона» эта величина оказывается типичной, а рекорд поднялся до 10^14 К. Причем, судя по всему это еще не предел. Чтобы сопоставить наблюдения с упомянутым выше пределом, надо помножить последний на доплер-фактор джета блазара. Типичный доплер-фактор джетов-10-20, рекордный — 70.
Таким образом, в простейших сценариях яркостная температура должна находиться в пределах 10^12К, в редчайших случаях достигать 10^13К. Так и наблюдалось Земными интерферометрами. Теперь этот предел явным образом нарушен, а предыдущие «Земные» результаты отнесены на счет наблюдательной селекции, связанной с размерами нашей планеты. Значит, сценарии излучения джетов пора пересматривать.
Вторая группа важных результатов связана с наблюдениями пульсаров, но относится скорей к межзвездной среде. Эта среда содержит свободные электроны, из-за чего у нее возникает отличный от единицы показатель преломления для радиоволн. Преломление очень маленькое, но достаточное для того, чтобы вместо точечного источника наблюдался круг рассеяния. Причем, поскольку и Земля, и пульсар движутся относительно межзвездной среды, пульсар мерцает подобно звездам на земном небе. И там, и там мерцание и рассеяние изображения происходит из-за турбулентности среды.
Считалось, что «Радиоастрон» не должен увидеть ничего нового — тот же самый круг рассеяния, хоть и с лучшим разрешением, но без каких-либо деталей. Более того, стандартная теория рассеяния предсказывала, что на больших наземно-космических базах величина рассеянного сигнала будет значительно ниже, чем порог детектирования системы. А «Радиоастрон» увидел узкие яркие интерференционные пики! Попробуем пояснить эффект на простом явлении.
Допустим, мы с высокой горы наблюдаем отражение яркой звезды на поверхности озера. Мы видим овал, на который дробится изображение из-за волн. Поскольку волны достаточно маленькие, овал кажется однородным. Предположим, мы взяли мощный бинокль. Что мы в него увидим? Это зависит от поверхности озера. Если кроме плавных волн оно морщинится очень мелкой рябью, мы будем наблюдать тот же самый однородный круг рассеяния. А если волны более-менее гладкие- отражение звезды, вспыхивающее в разных местах, причем некоторые вспышки будут ярче самой звезды.
Яркие вспышки получаются из-за эффекта фокусировки плавно изогнутой поверхностью или плавно меняющимся показателем преломления — эффект называется каустикой. Вероятно, явление, обнаруженное «Радиоастроном», формулируется на языке спектра турбулентности межзвездной среды (выделенный масштаб, обеспечивающий «гладкость»?), но подождем вердикта специалистов.
Планы и конкурсы
В ближайших планах наблюдений -4 февраля 2014 года — ядро галактики М87. Это самый захватывающий объект — черная дыра в 6 млрд масс Солнца. Угловой размер, под которым виден ее диаметр — 12 микросекунд дуги, размер тени предсказывается еще больше. Теоретическое угловое разрешение «Радиоастрона» -8 микросекунд (сейчас реально достигнуто 27 микросекунд на длине волны 1,3 см — уже мировой рекорд, но это не предел).
Значит, теоретически можно рассмотреть ближайшие окрестности черной дыры и даже ее саму. Это вряд ли удастся из-за упомянутого выше явления синхротронного самопоглощения — ближайшие окрестности, скорее всего, непрозрачны для радиоволн. Но и в этом случае очень интересно прощупать эту самую зону непрозрачности. Кроме того, есть все основания ожидать, что и там найдется нечто неожиданное. До сих пор находилось!
Теперь о другой стороне успеха -признании научным сообществом, выражающемся в вале заявок на наблюдения и участии в наблюдениях практически всех крупнейших радиотелескопов мира. В 2012 году был объявлен открытый конкурс заявок на наблюдения в 2013/2014 годах. Это очень важный шаг. До сих пор российские ученые подавали заявки на американские или европейские инструменты, и вот наконец-то произошло обратное. В таких масштабах, пожалуй, впервые.
В результате конкурса (пять заявок на вакансию) отобраны 7 ключевых проектов на первый год открытой программы. Их команды — международные, в трех лидируют российские ученые, в трех — иностранные, в одной — паритет. Всего в отобранных проектах участвуют 250 ученых из 20 стран. На днях будет проведен конкурс заявок на 2014/2015 годы.
По мнению Юрия Ковалева, проект уже оправдал себя. Но пока «Радиоастрон» ломаться не собирается — аппарат находится в хорошем состоянии, рабочее время наблюдений растет, подключаются новые наземные антенны по всему миру, методика совершенствуется. И это происходит во время нынешнего наступления мрака по всем фронтам. Воистину, страна контрастов!
Борис Штерн, главный редактор ТрВ-Наука
Борис Евгеньевич, спасибо.
Очень познавательно!