http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=123c39e0-e577-43b7-a8ff-81a6e1631aa0&print=1© 2024 Российская академия наук
Российский ученый, специалист в области спектроскопии квазаров,астрофизики и космологии, член-корреспондент РАН Александр Владимирович Иванчик убежден, что природа незловредна, но хитра и не раскрывает свои загадки просто так. Впереди нас ждет еще больше знаний, а вместе с ними и новых вопросов о Вселенной и ее свойствах.
- Александр Владимирович, вы занимаетесь изучением, пожалуй, самых загадочных объектов во Вселенной – квазаров. Что это за объекты такие?
- Квазары – это активные ядра галактик. Приблизительно 10 миллиардов лет назад во Вселенной стали зарождаться и формироваться первые галактики, и этот процесс формирования проходил очень активно. В ядрах галактик рождались сверхмассивные черные дыры с массами, превышающими миллионы масс Солнца. При этом они активно захватывали окружающее вещество из галактики, формируя аккреционные диски – падающее на черные дыры вещество, закрученное в диск, разогретый до очень высоких температур.
Разогретое вещество начинало светить практически во всем диапазоне электромагнитного спектра, и выделяющаяся энергия в виде электромагнитного излучения превышала светимость галактик. То есть квазар – это активное ядро галактики, светимость которого превышает в десятки, сотни, а иногда в тысячи раз светимость всей родительской галактики. Поэтому квазары видны с огромных расстояний. Свет от них идет до нас 10-12 миллиардов лет, и, фактически, квазары просвечивают для нас всю Вселенную, около 90 % объема видимой ее части.
- То есть благодаря квазарам мы можем видеть многие объекты во Вселенной?
- Благодаря квазарам мы можем видеть то вещество, которое находится на луче зрения между наблюдателем и квазаром. При этом из-за того, что скорость света ограничена, мы видим не только далекие расстояния Вселенной, благодаря высокой светимости квазаров, но и время – мы видим прошлое нашей Вселенной. Свет далеких квазаров, рождаясь примерно 10-12 миллиардов лет назад, путешествовал всё это время и по пути проникал в какие-то другие галактики, сквозь межгалактическое вещество. Взаимодействие с этим веществом вносило свой отпечаток в спектры квазаров.
Квазары – очень интересные физические объекты, которые являются самыми мощными квазистационарными объектами энерговыделения во Вселенной. Помимо этого, как говорилось ранее, второй интересный аспект с точки зрения исследования этих объектов состоит в том, что квазары словно рентген, просвечивающий Вселенную. Изучая их спектры, мы видим распределение вещества во Вселенной, то, как оно эволюционирует, как формируется крупномасштабная структура, химический состав ранних галактик и физические условия, меняющиеся по ходу эволюции Вселенной.
- Получается некий парадокс – квазар – самый яркий объект Вселенной рождается из черной дыры, которую увидеть невозможно?
- Это не столько парадокс, сколько дополнительное свойство черных дыр. Если бы черная дыра находилась в чистом вакууме без окружения какой-либо физической материи, то, действительно, черную дыру нельзя было бы увидеть. Но благодаря тому, что сверхмассивная черная дыра находится в центре зарождающейся галактики и еще не поглотила всё окружающее вещество, падающее на черную дыру, аккреционный диск, сформированный ею активно излучает. Это хороший и доступный способ частично видеть черные дыры, это их свойство, которое позволяет нам говорить о том, что они существуют и проявляют себя таким особым образом.
- Насколько я знаю, в центре нашей галактики находится обычная черная дыра, не квазар…
- В центре нашей галактики действительно находится черная дыра, сверхмассивная, но не такая как в квазарах. В сердце квазара сверхмассивные черные дыры, которые своей массой превышают массу Солнца в пределах от сотни миллионов до миллиарда раз. В центре Млечного пути не самая большая из сверхмассивных черных дыр – черная дыра с массой около 4-х миллионов масс Солнца. Когда-то она была квазаром на ранних этапах формирования нашей галактики, но сейчас это «квазар» в затухшем состоянии − черная дыра исчерпала большую часть близлежащей материи и сейчас находится в неактивной фазе.
"НА САМОМ ДЕЛЕ В ФИЗИКЕ ОГРОМНОЕ КОЛИЧЕСТВО ЯВЛЕНИЙ, КОТОРЫЕ МЫ НЕ МОЖЕМ УВИДЕТЬ ГЛАЗАМИ ИЛИ ПОЩУПАТЬ РУКАМИ"
Вокруг черной дыры в нашей галактике вращаются звезды. И именно по вращению этих звезд, по их кеплеровским орбитам, мы поняли, что в центре нашей галактике находится именно черная дыра и, анализируя параметры орбит этих звезд, мы можем оценить ее массу. Через какое-то время, некоторые из этих звезд разрушаются приливным гравитационным воздействием черной дыры, а образовавшееся вещество разрушенной звезды падает на нее, в результате чего мы также можем наблюдать активность квазарного типа от черной дыры в нашей галактике. По всей видимости в прошлом черная дыра в центре Млечного пути такую активность проявляла. Например, рентгеновское и гамма-излучение, которое отражается от облаков межзвездного газа, находящегося недалеко от центра нашей галактики, это излучение, которое могло быть рождено в результате проявления активности черной дырой несколько сотен лет назад (плюс, конечно, время необходимое для того, что бы излучение достигло наблюдателя (т.е. нас), а это несколько тысяч лет (около 8)).
- От чего зависит появление квазара или обычной черной дыры в центре галактик?
- По современным представлениям практически в половине существующих галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Есть ли в центре галактики черная дыра или нет, зависит от начальных условий формирования этих галактик, от возможности слияния с соседними галактиками. В одних галактиках в центре находятся черные дыры малых масс, другие галактики сливались и образовывали черные дыры больших масс.
- Меня всегда удивляло, как ученые изучают то, что нельзя увидеть, пощупать. Как это происходит?
- На самом деле в физике огромное количество явлений, которые мы не можем увидеть глазами или пощупать руками. Самый простой пример − это электрон. До электрона нельзя дотронуться, но, тем не менее, он, как и все физические объекты проявляет себя особым индивидуальным образом. Мы не можем увидеть или потрогать фундаментальные частицы, но у нас есть приборы, с помощью которых мы можем изучать свойства этих частиц и однозначно идентифицировать их – эта частица ведет себя как электрон, эта частица ведет себя как протон, а эта частица ведет себя как бозон Хиггса. То же самое происходит и с другими физическими явлениями. Например, наши глаза не могут увидеть рентгеновское излучение, но нейтронные звезды и аккрецирующее на них вещество создают это рентгеновское излучение, которое мы изучаем с помощью рентгеновских спутников. Мы их видим и понимаем, что кроме нейтронных звезд или черных дыр создать такое рентгеновское излучение с конкретным спектром никакой другой объект не может.
Поэтому необязательно видеть какой-то объект глазами или иметь возможность дотронуться до него. Существует огромное количество физических приборов, которые фиксируют различные диапазоны электромагнитного спектра. В дополнение к ним, сейчас у нас есть нейтринные телескопы, которые изучают нейтринную физику и видят объекты в виде нейтринного излучения. Так, например, мы видим Солнце в оптическом диапазоне, в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах и, ко всему прочему, мы видим его центр, термоядерное ядро в нейтринном диапазоне.
Недавно были открыты гравитационные волны. Это еще один новый способ видеть нашу Вселенную, физические явления и объекты. С помощью гравитационных волн мы впервые увидели последнюю стадию слияния черных дыр и зафиксировали гравитационный всплеск от этих событий.
По мере совершенствования наших приборов мы видим мир все лучше и четче, восстанавливая природу тех объектов, которые излучают и дают нам информацию и о себе, и о Вселенной, в которой они эволюционируют.
- То есть двигаемся вслепую по приборам?
- Да, в некотором смысле, как летчики, которые иногда из-за облачности или ночью не могут видеть куда летят, но приборы показывают, что находится вокруг них. Приборы хорошо восстанавливают и визуализируют для нас картину мира. Галактики или скопления галактик в диапазонах, которых мы не видим глазами, могут быть визуализированы искусственными оптическими цветами. Это человеческое восполнение ограниченности нашего оптического диапазона и наших органов чувств.
- Есть даже картины, изображающие черные дыры, с подписью – фантазия художника. То есть, по сути, увидеть мы их не можем, но можем представить их с точки зрения физических свойств?
- Совершенно верно. Это похоже на прибор ночного видения, который переводит невидимое глазу инфракрасное излучение в оптическое изображение, восстанавливая картину инфракрасного диапазона. В этом смысле физические приборы – это очки человечества, которые позволяют видеть мир в гораздо большем многообразии, чем он представлен в нашем ощущении.
- Квазары как инструмент для исследования Вселенной рассказывают нам о прошлом, об эволюции Вселенной? Что дает изучение квазаров?
- Спектры квазаров – это пространственно-временная фотография нашей Вселенной. Они показывают распределение вещества в пространстве. А из-за того, что скорость света конечна, наблюдая за отдаленными объектами, которые отпечатываются в спектре квазара, мы видим ранние эпохи Вселенной и ранние галактики. Квазары позволяют заглянуть в наше прошлое – в период младенчества Вселенной.
Более того, некоторые исследования квазаров в ранних периодах позволяют определять космологические параметры Вселенной, определяющие процессы, протекающие в первые минуты ее рождения. Я имею в виду, например, изучение первичного дейтерия (прим. дейтерий – изотоп водорода, рождающийся в первые минуты после большого Взрыва). Квазар просвечивает нам межзвездное пространство, например, межзвездное облако, которому 12 миллиардов лет. Такое облако практически состоит из первичного вещества, химический состав которого определился через три минуты после Большого взрыва. Это межзвездное облако, конечно, немножко «запачкано» эволюцией звезд. Звезды взрываются, и их первоначальное вещество, переработанное в более тяжелые элементы, выбрасывается взрывом звезды в межзвездную среду и там перемешивается с первичным веществом.
Тем не менее, заглядывая в прошлое межзвездного облака, мы видим, что его вещество остается еще практически девственно чистым. И когда мы измеряем количество дейтерия в этом веществе, мы определяем его первичный состав. Поскольку первичный состав дейтерия формируется в первые три минуты после Большого взрыва, то его количество, определяемое одним из ключевых космологических параметров – барионной плотностью Вселенной, позволяет оценить этот параметр. Под барионной плотностью понимается вся та материя, из которой мы состоим и которую мы исследуем в лабораториях или можем создавать на ускорителях.
Изучение облаков межгалактического газа показало, что барионная плотность составляет всего около 5 % вещества (материи) Вселенной. Это означает, что 95% вещества во Вселенной состоит из форм материи, которые до сих пор нам неизвестны – темной материи и темной энергии. Темная материя (около 25%) гравитационно связывается и образует гравитационные ямы, в которые падают те 5% барионной материи, из которой состоят все звезды, планеты и видимое вещество галактик. А темная энергия (70%), равномерно заполняет пространство Вселенной и приводит к ее ускоренному расширению на современном этапе эволюции. В некотором смысле темная энергия является аналогом антигравитации.
Известная нам гравитация универсальна и по силе имеет один знак − притяжение. Гравитация говорит о том, что все тела обладающие массой и энергией притягиваются друг к другу, и никаких других вариантов нет. А вот ускоренное расширение Вселенной говорит о том, что существует некий гравитационный феномен, который как раз и называют термином «темная энергия». Она приводит к антигравитации, к расталкиванию удаленных объектов во Вселенной и к ее ускоренному расширению.
Именно изучение далеких объектов позволило обнаружить темную энергию. Но это произошло уже, не благодаря квазарам, а благодаря исследованию взрывов сверхновых типа Ia, которые по энергетике на небольшой промежуток времени (в сравнении с квазарами) достигают светимости квазаров и часто могут превосходить светимость родительской галактики. На несколько секунд, минут и дней они в определенных диапазонах электромагнитного спектра превышают светимость всей галактики и видны с очень больших расстояний. Взрывы сверхновых позволили отследить динамику эволюции Вселенной и увидеть, что на протяжении последних 5 миллиардов лет наша Вселенная расширяется с ускорением.
"ПРИРОДА ХОТЬ И НЕЗЛОВРЕДНА, НО ВСЕ-ТАКИ ХИТРА И НЕ ВСЕГДА РАССТАЕТСЯ СО СВОИМИ СЕКРЕТАМИ ПРОСТО ТАК"
- Существуют ли теории, объясняющие, из-за чего это происходит?
- Свойства двух удивительных феноменов – темной энергии и темной материи до сих пор остаются загадкой. Мы достаточно четко видим их гравитационные проявления и знаем, как они себя ведут в космологическом и астрофизическом аспекте. Но пока нам не ясно, что они собой представляют и каковы их свойства.
Существует масса теорий, подчас, взаимоисключающих. Будущие наземные и астрофизические эксперименты, возможно, ответят на вопрос о том, из чего состоит темная материя и темная энергия.
Наиболее вероятной моделью для темной материи являются супертяжелые суперсимметричные частицы, которых не существуют в рамках стандартной модели физики частиц. Согласно другой гипотезе, это очень легкие частицы или частицы типа аксионов, которые тоже пока не включены в стандартную модель физики частиц. Предлагаются варианты модифицированной гравитации, которая может обходиться без частиц. Вариантов много, но какой из них окажется правильным неясно, и это, конечно, предмет для будущих экспериментальных и наблюдательных миссий.
Что касается темной энергии, то она, пожалуй, еще более загадочная. Одним из вариантов темной энергии является лямбда - слагаемое Эйнштейна, которое он ввел в момент написания Общей теории относительности. Впоследствии он, правда, от нее отказался. Но вскоре это слагаемое было интерпретировано как энергия вакуума. И, кстати, это произошло здесь в ФТИ имени А.Ф. Иоффе: а именно Эраст Борисович Глинер впервые интерпретировал слагаемое, которое ввел Эйнштейн. Энергия вакуума, возможно, и есть лямбда - слагаемое Эйнштейна, которое приводит к ускоренному расширению Вселенной.
Еще одна теория, которая может объяснить, что такое темная энергия – это теория скалярных полей − в физике вещь понятная и хорошо изученная. Скалярные поля, находясь в определенном состоянии, когда их изменения в пространстве и во времени незначительны, а их потенциальная энергия имеет положительное значение, могут имитировать вакуумно подобное уравнение состояния и приводить к ускоренному расширению Вселенной.
Определить, какой из этих вариантов предпочтительнее пока не удается, но эксперименты ближайшего десятилетия позволят продвинуться в понимании этих феноменов и, возможно, ответить на вопрос, что же такое темная материя и темная энергия.
- То есть пока даже неясно, какими приборами их изучать?
- Часть приборов, уже конечно, известна и используется. Если предположить, что темная материя состоит из тяжелых частиц, то по импульсу отдачи при взаимодействии этих частиц с обычным веществом детектора можно попытаться их обнаружить, и такие эксперименты проводят в нескольких независимых экспериментальных группах по всему миру. Также пытаются зарегистрировать аксионы, которые, наоборот, являются очень легкими.
Большой адронный коллайдер был построен, отчасти, для того, чтобы обнаружить суперсимметричные частицы. Пока, к сожалению, ему это не удалось. Природа хоть и незловредна, но все-таки хитра и не всегда расстается со своими секретами просто так. Если это сверхмассивные частицы, возможно в ближайшее десятилетие их удастся обнаружить. Если какие-то другие феномены, то это уже может оказаться проблематичным.
Частицы темной материи пытаются обнаружить в условиях наземных лабораторий. Проводятся и астрофизические эксперименты по анализу рентгеновского и гамма-излучения от возможного распада этих частиц или их аннигиляции.
Подобные эксперименты проводятся, и всегда есть надежда, что при накоплении определенного порога детектирования и при улучшении наших приборов мы, наконец, найдем эти частицы.
Это может произойти завтра, а может через сто лет. Эйнштейн, предсказав гравитационные волны, считал, что их никогда не удастся обнаружить. А их все-таки обнаружили практически через сто лет после предсказания. Такая же история была с предсказанием нейтрино. Когда Паули предсказал нейтрино, он, по его словам, посчитал, что совершил ужасную вещь − предсказал частицу, которую никогда не обнаружат. Но она была обнаружена спустя 20 лет. Сегодня мы не только знаем о ее существовании, но с помощью ускорителей создаем нейтринные потоки, которые можно детектировать и исследовать их свойства. Солнце излучает огромное количество нейтрино, которое зарегистрировано нейтринными детекторами. Сейчас в России и в мире строят нейтринные телескопы для регистрирования нейтрино сверхвысоких энергий, которые, скорее всего, рождаются в активных ядрах галактик, тех самых квазарах, о которых мы говорили ранее.
- Мы привыкли думать, что космос чистый и однородный, но, по сути, из-за гравитационных явлений – темной энергии и материи, получается пористая неравномерная структура?
- Динамика эволюции Вселенной имеет различные этапы. Сразу после Большого Взрыва первичное горячее вещество было чрезвычайно однородно распределено по всей Вселенной. Но в результате гравитационной неустойчивости через какое-то время, когда Вселенная остыла, начали появляться области с гравитационными сгущениями и области с практически отсутствующей материей. То есть из однородного состояния Вселенной стали возникать различные структуры − первые звезды, скопления звезд. При этом вещество, которое утекает из области пониженной плотности, приводит к возникновению гигантских войдов (англ. Void – пустота) – самых огромных, на сегодняшний момент, областей почти пустого пространства во Вселенной. А галактики – это острова звезд в гигантском океане пустоты. В этом смысле, Вселенная имеет различные этапы, на которых она однородна, а иногда очень неоднородна. Сейчас мы находимся на стадии роста таких неоднородностей.
Динамика эволюции Вселенной очень многообразна. Космос совсем не пустой – в нем огромное количество различных физических объектов и физических явлений. В космическом пространстве реализуется такой гигантский диапазон физических параметров − от гигантских пустот, очень холодных состояний до сверхплотных материй в нейтронных звездах и самых высокоэнтропийных объектов – черных дыр. Эта огромная физическая лаборатория, параметры которой долгое время не будут достижимы на Земле.
- Космологию и астрофизику часто рассматривают как что-то, что не приносит прикладную пользу, но, насколько я знаю, по квазарам создают систему координат, по которой ориентируются спутники и мобильные телефоны.
- Да совершенно верно. Квазары являются настолько удаленными источниками, что их собственное движение по отношению к их проекции на небо чрезвычайно ничтожно. На небе они остаются практически неподвижными реперными точками, к которым можно осуществлять привязку.
Ближайшие звезды, кажущиеся неподвижными, смещают свое положение. Большая медведица тысячу лет назад выглядела совершенно иначе. Поэтому, несмотря на такое малое смещение, координатная привязка по ближайшим звездам нашей галактики и даже по соседним галактикам уже является неточной. Необходимо использовать объекты, чья собственная скорость по сравнению с масштабом на которых они находятся, была бы пренебрежимо малой. И такими объектами выступают квазары. К ним можно осуществлять привязку и строить координатную сетку.
Конечно, прикладных приложений у астрофизики не очень много, но с точки зрения науки астрофизика и космология дают дополнительные аргументы в пользу развития фундаментальной физики на Земле, в пользу создания новых приборов и развития экспериментальной базы.
- Давайте помечтаем – сможет ли человечество разгадать все загадки Вселенной?
- Мы можем помечтать – это хорошее и увлекательное занятие. Одна из моих лекций по космологии называется «Космология. Новые горизонты». Я завершаю ее обычно такими словами: по сравнению с началом развития космологии как физико-математической науки, когда были выписаны уравнения Общей теории относительности, и открыт закон расширения Вселенной – закон Хаббла, в настоящее время мы знаем огромное количество явлений и наблюдательных данных, описывающих нашу Вселенную. Это уже не философская наука, а раздел физико-математической науки, в рамках которой мы проводим много экспериментов. Мы видим Вселенную такой, какой она была десятки миллиардов лет назад, и при этом теоретически мы умеем описывать ее до первых долей секунды после Большого взрыва.
Тем не менее, в космологии остаются нерешенные проблемы. По мере изучения Вселенной появляются новые интересные вопросы, про которые мы сегодня говорили – темной материи и темной энергии. Поэтому, с точки зрения мечтаний, мне это представляет так – мы видим горизонт, до которого нам нужно дойти, мы до него доходим и многое узнаем на этом пути. Но за этим горизонтом открывается много-много других интересных горизонтов, к которым нужно идти, изучая нашу Вселенную. Я бы не ставил границ в познании. Мне кажется, что у Вселенной огромное количество интересных областей, и когда мы их изучим и поймем, я уверен, что появится еще большее количество интересных явлений, которые нужно будет понимать и исследовать.