Scienty

Какие фундаментальные и прикладные задачи способна решить современная астрофизика высоких энергий? Как обнаруживаются источники гамма-излучения? Почему это имеет значение? Необходима ли астрономия в школьной программе и каков уровень нынешних студентов астрономического отделения физического факультета МГУ? Об этом рассказывает профессор РАН Максим Сергеевич Пширков, руководитель отдела радиоастрономии Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ.

— В процессе подготовки к нашей беседе я ознакомилась с информацией о том, что в 2017 году вами был обнаружен дополнительный источник интенсивного гамма-излучения. Сколько таких источников было известно до этого?

— Сегодня известно свыше 7000 источников гамма-излучения, в то время как раньше их насчитывалось всего 3–4 тысячи. Однако, важно понимать, что это не просто увеличение числа источников на тысячу, а обнаружение нового класса. К основным источникам гамма-излучения относятся активные ядра галактик: сверхмассивные черные дыры в отдаленных галактиках, аккрецирующие газ и излучающие энергию во всем электромагнитном спектре, включая гамма-диапазон. Более половины наблюдаемых на небе объектов представляют собой именно такие источники. При этом, количество классов источников невелико — около десятка. Интересно, что источник, о котором говорит наша статья 2016 г., — это один из редких представителей класса, так называемые двойные массивные звезды со сталкивающимися ветрами. До этого была известна лишь одна такая система, самая экстремальная в нашей галактике, но она не представляет собой класс, потому что она — вещь уникальная.

— А в чем уникальность?

— Там находятся звезды, обладающие огромной массой — от десятков до сотен масс Солнца, и характеризующиеся сильным звездным ветром, который выбрасывает вещество в окружающее пространство. Ежегодно звезда теряет одну десятитысячную долю своей массы, выбрасывая вещество со скоростью 1 тыс. км/с. Этот этап эволюции длится около 1 млн лет, в течение которых теряется около десяти масс Солнца.

— И что же остается?

— Несколько процентов от первоначальной массы впоследствии взорвутся как сверхновые. При этом, в этой системе находятся две звезды, испускающие мощные ветры. При столкновении этих ветров возникает излучение высоких энергий, включая гамма-излучение. В нашей статье описывается аналогичная система, хотя и менее экстремальная, но нам также удалось зарегистрировать гамма-излучение.

— Почему это важно для науки?

— Это имеет значение для астрофизики высоких энергий. Наблюдаемый нами интересный процесс – столкновение мощных ветров. Изучение того, какие процессы происходят в результате этого столкновения, как ускоряются частицы и как они излучают, позволяет понять, могут ли частицы разгоняться до энергий, при которых испускаются фотоны с энергиями в гигаэлектронвольтах и тераэлектронвольтах. Это дает нам определенное представление о механизмах ускорения частиц в космическом пространстве.

— А раньше такого представления у нас не было?

— В теории, конечно, существовало множество предположений. Рассматривалось, что подобные системы способны генерировать мощное излучение, однако до этого времени они не были обнаружены. Это сдерживало наши возможности. Теперь же, с их обнаружением, приходится разрабатывать теории, учитывающие эти наблюдения.

— Прочитав о ваших исследованиях, я обратила внимание на выражение «неоднородность пространства и времени». Не могли бы вы пояснить, что оно означает?

— Я занимался этой работой около 20 лет назад, в период написания диссертации. Если бы наша Вселенная была устроена таким образом, что все объекты занимают строго определенные места, то вместо неравномерности во времени мы наблюдали бы пространственную. Тяжелые звезды обладают более сильным гравитационным полем, немного меньшим — планеты, а на большом расстоянии от звезд и планет гравитационного поля практически нет. Таким образом, неоднородность пространства сохранялась бы. Однако, поскольку звезды и планеты находятся в движении, возникает динамика. Это может существенно изменить общую картину при наблюдении за конкретной звездой. К примеру, если черная дыра проходит близко к линии видимости звезды, то нам может показаться, что звезда сместилась на определенное расстояние, остановилась и вернулась обратно. Свет и радиоволны распространяются по подобным колебаниям, что и будет изменять наблюдаемое поведение. Понятно, что данный эффект очень незначителен, но, с другой стороны, мы можем изучать эти слабые проявления, чтобы узнать, как распределена масса, и как она движется, даже если эта масса невидима. Например, черная дыра, если она не входит в двойную систему, обычно излучает очень слабо. Но, анализируя подобные эффекты, мы можем определить распределение масс в галактике.

— Пространство не вызывает вопросов, а что касается времени, как выражается его неоднородность?

— В общей теории относительности описывается единой системой, как объекты в космосе движутся во времени, и как меняется картина Вселенной с течением времени.

— Я часто слышу от физиков утверждение об отсутствии времени. Что вы об этом думаете?

— Это весьма сложный вопрос, затрагивающий даже философские аспекты. Над моим рабочим местом долгое время висела цитата Джона Уилера, выдающегося специалиста в области гравитации и теории относительности: «Время — это то, что не позволяет всему происходить одновременно». При этом цитата сопровождалась изображением человека, играющего в футбол, вокруг которого бегают динозавры. Без времени мы бы просто потерялись.

— Так, получается, люди создали время, чтобы упорядочить свою жизнь?

— Возможно, чтобы динозавр не съел нас. Этот вопрос затрагивает фундаментальные основы науки и, вероятно, выходит за их рамки. Он восходит к работам Августина и через 15 веков проникает в науку. Я не уверен, что могу компетентно обсуждать эту тему.

— Мы словно совершили путешествие во времени, вернувшись к тому периоду, когда вы работали над диссертацией и сделали открытие нового класса гамма-излучения… А какие у вас текущие направления деятельности?

— В конечном счете, мой интерес привел меня к астрофизике высоких энергий, с акцентом на гамма-излучение, которое характеризуется энергиями в гигаэлектронвольтах и выше. Для сравнения, энергия фотонов, используемых в рентгеновских аппаратах, на порядок ниже – они в десять тысяч раз слабее. Наблюдать такие фотоны можно только с орбиты Земли, за пределами атмосферы. Для этого используются спутники, в первую очередь американский спутник «Ферми», который с 2008 года собирает данные. Сейчас мы работаем над публикацией статьи, суть которой заключается в анализе данных телескопа, полученных в 2010 г Fermi—LAT на борту этого спутника нашли гигантские пузыри, исходящие из центра нашей Галактики. До центра Млечного Пути — 8 кпк (килопарсек), если мерить в единицах, привычных для астрономов, а на гамма-небе вырисовывались тусклые пузыри высотой 10 кпк — такие гигантские образования, выходящие из центра нашей Галактики. Есть теория, что это след активности ядра Млечного Пути несколько миллионов лет назад: ядро потухло, а след остался. Мы заинтересовались, как можно посмотреть, насколько это распространенное явление. У нас есть такой удобный объект для сравнения — Туманность Андромеды. Она очень похожа на нашу, находится сравнительно близко — всего 700 кпк, по галактическим масштабам это совсем рядом. Мы, используя данные «Ферми», три года пытались обработать эту информацию и в итоге нашли очень похожий протяженный избыток вокруг галактики.

— Тоже пузыри?

— Да, термин «пузыри» наиболее точно характеризует эти образования. Несмотря на то, что источник излучения в данном случае не очень мощный, это позволяет лучше понять внутреннюю структуру этих образований. Позднее это было подтверждено: обнаружен протяженный избыток излучения, и возник интерес к изучению его распространенности в галактиках, подобных Андромеде и Млечному Пути. Возникновение этого избытка может быть связано не только с взаимодействием активного ядра галактики и окружающей межгалактической среды, но и с темной материей, частицы которой способны распадаться и генерировать гамма-кванты. Это открывает перспективу для исследований в области фундаментальной физики. Мы использовали каталог близлежащих галактик, отобрали несколько галактик, близких по массе к Млечному Пути, и искали сигналы, соответствующие «Ферми». Сигнал был обнаружен! Это наша последняя работа, находящаяся в стадии рецензирования.

— Означает ли это, что в каждой галактике, находящейся в пределах вашего обзора, обнаруживаются аналогичные образования?

— Уже обсуждаются галактики, расположенные на расстоянии до 15 мегапарсек, что в 20 раз дальше, чем 700 килопарсек. Следует учитывать, что поток обратно пропорционален квадрату расстояния, поэтому он уменьшается в 400 раз. На данном этапе статистическая значимость крайне мала, и для получения осмысленных результатов необходимо суммировать сигналы от всех галактик. Иными словами, говорить о какой-либо структуре невозможно — речь идет лишь о подсчете фотонов. В результате суммарный сигнал от галактик с массой, сопоставимой с нашей, оказывается эквивалентным общему сигналу. Полученный результат весьма любопытен, и меня удивляет, что пока не удалось найти достаточное количество рецензентов.

— С чем это связано?

— Работа рецензента не оплачивается, что, в сочетании с большим количеством поступающих статей в престижные журналы, объясняет возникновение подобных ситуаций.

— Наличие этого сигнала позволяет предположить, что в других галактиках могут существовать аналогичные образования?

— Да. Вероятно, это напоминает наши пузыри, но в большем размере. Галактики массивны, в их центрах расположены сверхмассивные черные дыры, и на них периодически обрушивается большое количество газа. В этот момент они начинают интенсивно светиться, становясь чрезвычайно яркими. Наша галактика также достаточно массивная, однако черная дыра в ней, как представляется, относительно спокойна — ее масса составляет всего 4 миллиона солнечных масс. Это кажется значительной величиной, но, если сравнивать с другими галактиками схожей массы, она должна быть во сто крат массивнее.

— Почему черная дыра у нас настолько мала? Не может ли это быть значимым фактором в каких-либо астрофизических процессах?

— Вероятно, это действительно имеет значение для центральной части галактики. По мере того, как газ поглощается черной дырой, высвобождается огромное количество энергии, которое способно подавить звездообразование во всей галактике, особенно в ее центре. Возможно, масса сверхмассивной черной дыры не так велика, и это повлияло на интенсивность звездообразования в центральной области галактики. Звезды проходят через жизненный цикл: они рождаются, существуют и умирают. Из вещества, выброшенного этими звездами, формируются новые.

— Следовательно, в этом процессе участвует и формирование планет. Возможно, нам стоит быть благодарными этой небольшой черной дыре за то, что мы сейчас существуем и можем общаться?

— Возможно, это и так. Кроме того, к этому можно отнести и то, что она находится на значительном расстоянии от нас, слава богу. Нельзя исключить, что все эти явления взаимосвязаны. Если вещество попадает на сверхмассивную черную дыру (как я уже упоминал, в других галактиках они значительно массивнее), то энерговыделение будет гораздо более интенсивным, и, следовательно, большое количество вещества выбрасывается на значительное расстояние от галактики. Эта энергия будет постепенно проявляться, включая излучение в гамма-диапазоне. Я полагаю, что это следствие, остаток прошлой активности ядерных реакций в этих галактиках.

— Имеет ли этот реликт какое-либо значение в настоящее время, или это лишь пережиток прежней активности Вселенной?

— Использование термина «реликт» представляется не совсем уместным, поскольку вызывает ассоциации с реликтовым излучением, возникшим в ранней Вселенной. В данном контексте более подходящим будет обозначение «остатки былой роскоши». 10–20 миллионов лет назад в этом регионе наблюдалось исключительно интенсивное излучение, которое в настоящее время значительно ослабло. Вся энергия постепенно рассеивается, но уже на значительном удалении от галактики.

— По вашему мнению, какие новые знания мы можем получить благодаря исследованию этих структур?

— Возможно, нам удастся выявить признаки существования темной материи, хотя я настроен скептически.

— Почему сомневаетесь?

— Поскольку на данный момент ничего подобного не обнаружено, поиски необходимо продолжать. Имеющиеся данные нельзя просто игнорировать. Однако, в рассматриваемом случае, ситуация не совсем соответствует темной материи. Сигнал от нее был бы сферическим и очень симметричным. Гало темной материи, в первом приближении, представляет собой шар темного вещества, в центре которого расположена наша галактика. Следовательно, если сигнал исходит от этого гало, он также должен иметь форму круга. Однако обнаруженный нами сигнал не имеет круговой, а отличается менее правильной формой. Поэтому это не похоже на сигнал от темной материи, хотя, безусловно, это было бы желательно.

— Предположим, что это не темная материя. Но какие еще любопытные объекты там могут находиться?

— Необходимо проанализировать поведение системы в различных диапазонах электромагнитного спектра, включая радио- и рентгеновское излучение. Это позволит установить природу наблюдаемого явления. Дальнейшее изучение в более широком диапазоне позволит оценить частоту вспышек черных дыр в центрах галактик, объем энергии, которую они излучают, и эффективность этого процесса. В работе проведено значительное количество моделирования, однако обнаружение энергии, распространившейся на большие расстояния, затруднено и требует подтверждения наблюдениями. Поэтому сложно сформулировать строгие ограничения для теорий, и это также поможет понять взаимодействие галактики с галактической и межгалактической средой.

— Каковы ваши научные планы, какие вопросы вы стремитесь решить в первую очередь?

— Сложный вопрос. Зачастую сначала исследуют широкую область, а затем понимают, что именно здесь необходимо углубляться. Пока есть данные, возникает желание узнать больше о высокоэнергетическом излучении межгалактических объектов. Это перспективное направление, поскольку оно позволяет найти ответы на множество важных вопросов. Так, ученые исследуют аномальную прозрачность Вселенной для гамма-квантов. Суть в том, что, если у нас есть очень энергичный фотон, он не должен достичь Земли, поскольку взаимодействует с другим фотоном, порождая фоновое излучение. Однако мы наблюдаем эти прилетающие фотоны: в 2022 году был зафиксирован очень яркий гамма-всплеск на китайской установке LHAASO увидели 18 ТэВ (тераэлектонвольт), это очень большие энергии, раньше таких не видели. А на установке «Ковер» Баксанской нейтринной обсерватории увидели 250 ТэВ. Это просто фантастика!

— Валерий Борисович Петков, директор БНО, рассказал мне об этом. Это стало настоящей сенсацией.

— Да, это весьма значимый результат. Я привел его как пример. Наблюдения, полученные в данном диапазоне, применимы не только в астрофизике, но и в более базовых областях. В частности, там решают проблему прозрачности, предлагая ввести аксион – гипотетическую частицу, потенциально являющуюся компонентом темной материи. Мы не являемся детекторами гамма-квантов, и наша цель не в том, чтобы зарегистрировать максимальное их количество, — это лишь один из способов выявить что-то перспективное.

— Справлялись ли вы когда-нибудь с вопросом о практической значимости всего этого?

— Действительно, это важный вопрос, однако дать на него ответ непросто. Трудно установить прямую связь между изучением галактик в гамма-диапазоне и ростом валового внутреннего продукта.

— Раньше было трудно понять, зачем нужно электричество. Вольт считал, что это лишь занимательный эксперимент, который вряд ли окажется полезным на практике.

— В настоящее время практическая реализация этих разработок осуществляется через эксперименты, такие как создание детекторов. CCD — это прибор для обнаружения матриц телефонов и фотокамер при оптических астрономических наблюдениях. Полное соответствие — WiFi. Австралийская научная организация CSIRO до сих пор получает патентные отчисления, потому что он был придуман именно радиоастрономом, чтобы избежать влияния помех.

— Какие перспективы открывают гамма-кванты? Возможно ли использование этих колоссальных энергий для путешествий в дальний космос? В каком направлении стоит двигаться человечеству?

— Гамма-кванты, возникающие при синхротронном излучении, нашли широкое применение в различных областях, включая медицину и материаловедение. Также представляют интерес исследования гамма-квантов при изучении солнечных вспышек. Наше Солнце является достаточно мощным источником гамма-излучения, хотя и не самым ярким по сравнению с оптическим диапазоном. Однако иногда на Солнце происходят вспышки, которые превосходят по интенсивности все гамма-небо. Почему это имеет значение? Если подобная вспышка достигнет Земли, это может привести к серьезным последствиям, поскольку спутниковая группировка и наземная электроника могут получить значительные повреждения. В период мощной вспышки 1857 года выходили из строя телеграфные аппараты, что позволяет предположить, какие последствия могут возникнуть сегодня для мобильных телефонов, компьютеров и электросетей. Таким образом, любая информация о подобных вспышках и их потенциальной опасности имеет большое значение.

Люди стремятся применять гамма-кванты в исследованиях. Космическое пространство пронизывает поток космических лучей, которые, сталкиваясь с поверхностью различных объектов, порождают вторичные излучения. Изучая эти излучения, можно попытаться определить структуру, свойства и состав объекта. По сути, это представляет собой гамма-спектроскопический анализ.

Вероятно, в обозримом будущем наиболее вероятным применением станет бесконтактное изучение химического состава и распределения небесных тел в пределах Солнечной системы.

— Когда вы упомянули о медицине, в которой применяются гамма-кванты с меньшей энергией, я сразу же вспомнила о гамма-ноже, который широко используется в лечении онкологических заболеваний.

— Именно так. Это сконцентрированный поток гамма-квантов, параметры которого подобраны для максимальной передачи энергии на определенной глубине, непосредственно в опухоль. Такой подход позволяет эффективно уменьшить ее размер, минимизируя травматическое воздействие и избегая нежелательных последствий для прилегающих тканей. По моему мнению, изменение энергетических характеристик позволит контролировать глубину проникновения и удалять пораженные ткани.

— Вы родом из Пущина, известного как город биологов. Что побудило вас выбрать астрофизику?

— Радиоастрономическая обсерватория функционировала в Пущине еще за десять лет до начала строительства биологического института. В настоящее время ПРАО является филиалом АКЦ ФИАН — Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, где работают ведущие специалисты по интерферометрии.

— Почему вам нужна ГАИШ, если приходится преодолевать большие расстояния.

— Я учился в МГУ: сначала на физическом факультете, затем перешел к научному руководителю Михаилу Васильевичу Сажину в ГАИШ. Вероятно, я сильно привязываюсь к месту. В 1996 году я поступил в университет, и мне так здесь нравится, что я хотел бы оставаться в нем как можно дольше. Работа в ГАИШ имеет свои преимущества: ты официально являешься сотрудником МГУ. Здесь сочетаются научная деятельность и образовательный процесс. При ГАИШ существует астрономическое отделение физического факультета МГУ, которое ежегодно набирает около 20 студентов. Я не уделяю много времени чтению, читаю только один лекционный курс в семестр, но это помогает поддерживать форму. Постоянное общение, студенты вокруг, приток молодежи – все это позволяет не останавливаться в развитии. К тому же, ГАИШ отличается разнообразием, поскольку у нас существует множество рабочих групп, и мы не ограничиваемся одной темой. Здесь охватывается широкий спектр исследований: от изучения галактик и внегалактических объектов до астрофизики высоких энергий и гравиметрии. На каждом семинаре можно узнать что-то новое. Если требуется консультация по теме, в которой ты не являешься специалистом, всегда можно найти компетентного человека в самом институте.

— В школах астрономия отсутствует в учебной программе. Каков уровень знаний у современных студентов?

— Это обстоятельство слабо сказывается на успеваемости студентов, поскольку в наш университет поступают люди, увлеченные астрономией, включая победителей астрономических олимпиад. Для них не принципиально, кто ведет занятия, так как они самостоятельно овладели знаниями на высоком уровне.

— Это действительно так, поскольку формирование интереса у юноши в раннем возрасте имеет большое значение.

— Вы правы, однако сейчас школьная программа перегружена. Чтобы добавить астрономию, ее необходимо существенно сократить. В противном случае, как и во многих других аспектах нашей школы, это обернется формальным подходом и имитацией активности, требующей от учителей заполнения дополнительных документов, и не принесет ощутимых результатов».

— Стоит ли начинать с реформирования системы образования, а затем уже внедрять новые учебные дисциплины?

— Опасения по поводу реформ в сфере образования сейчас вполне обоснованы, однако упрощение отчетности, которое является важным изменением, всё же необходимо.

— Со временем снизилась ли подготовка нынешних студентов МГУ по сравнению с тем, как выглядели абитуриенты в прошлом?

— Я не думаю, что студенты стали менее способными. Я постоянно общаюсь с очень талантливыми ребятами. Недавно разговаривал со своим студентом второго курса — он демонстрирует выдающиеся способности. Я не наблюдаю ухудшения, скорее, вижу положительные сдвиги. Раньше поступали люди, чьи знания и навыки были весьма случайны, и их приходилось либо с большим трудом удерживать, либо отчислять. Однако сейчас те, кто обращается ко мне в качестве научного руководителя, производят хорошее впечатление. Я не испытываю пессимизма.

Интервью стало возможным благодаря поддержке Министерства науки и высшего образования РФ