Scienty

Какие российские проекты по астрофизике функционируют сейчас? Почему изучение Галактики в рентгеновском диапазоне важно? В чем причина наличия массивной черной дыры в центре каждой галактики? Какими особенностями обладает черная дыра Млечного Пути, и какую роль она играет в процессах, происходящих в галактике? Об этом рассказывает профессор РАН Сергей Юрьевич Сазонов, руководитель лаборатории экспериментальной астрофизики Института космических исследований РАН.

— Чем занимается ваша лаборатория?

В отделе астрофизики высоких энергий, куда принадлежу я, занимаются в основном рентгеновской астрономией. Создаются приборы для этой области астрономии, запускаются на космических аппаратах и с их помощью проводятся наблюдения. Полученные данные обрабатываются, интерпретируются, анализируются, строятся разные теоретические модели.

Ваши интересы охватывают черные дыры. Верно ли, что центр каждой галактики обладает своей черной дырой, или существуют галактики без них?

Никто не даст точного ответа на этот вопрос, но сейчас можно предположить с большой вероятностью, что в центре большинства галактик есть массивная черная дыра.
Мы не можем подлететь ни к одной из них и проверить это непосредственно, поэтому быть в этом полностью уверенными не можем. Много фактов указывают на то, что массовая черная дыра находится в центре галактики – это обычное явление.

Нужны ли черные дыры для образования звезд или других галактических процессов?

Черная дыра не нужна для образования звезд. На первый взгляд, она могла бы существовать и ничего не делать. Но черная дыра излучает много энергии при поглощении вещества. Эта энергия влияет на окружающую среду даже на больших расстояниях, приводя к явлениям в галактике.
Черная дыра с аккреционным диском разогревает межзвездный газ и может выталкивать его за пределы галактики, затрудняя тем самым образование новых звезд.
Кроме того, черная дыра может разрушать звезды, оказавшиеся рядом, черпая энергию из их осколков.
Такие события в любой конкретной галактике случаются редко (примерно раз в 100 тыс. лет), но рентгеновские вспышки, длившиеся несколько месяцев, наблюдаются даже из ядер далеких галактик.

— Действительно ли черная дыра контролирует размер галактик, предотвращая чрезмерный рост?

Развитие этой темы очень активное. Я вместе с коллегами участвовал в начале 2000-х годов, когда всем стало ясно, что чёрные дыры находятся в центрах галактик. Были обнаружены закономерности: чем массивнее галактика, тем больше чёрная дыра в её центре. Приблизительно масса черной дыры составляет одну тысячную, может быть, одну десятитысячную от массы всей галактики.

— Это много?

С одной стороны, гравитационное воздействие черной дыры ограничено областью радиусом нескольких световых лет. Галактика же имеет размер тысяч или десятков тысяч световых лет. С другой стороны, падение вещества на черную дыру (аккреция) может привести к выделению такой огромной энергии, что она способна уничтожить всю окружающую галактику.

— Почему этого не происходит?

Возможно, такое происходило только в ранней Вселенной. В начале нулевых годов ученые выдвинули различные модели на этот счет, мы тоже приняли в этом участие. В то время я сотрудничал с двумя выдающимися астрофизиками: Рашидом Алиевичем Сюняевым — моим научным руководителем, и американцем Джерри Острайкером, который недавно ушел из жизни. Мы предложили модель, согласно которой во время аккреции на растущую черную дыру может выделяться много энергии в виде рентгеновского излучения. Это излучение способно нагревать окружающий газ, из которого могли бы продолжать образовываться звезды. Но если эта энергия станет слишком большой, газ станет настолько горячим, что процесс образования звезд может остановиться, а газ может быть выброшен за пределы галактики. Это одна из возможных моделей, и вполне вероятно, что-то подобное происходило в ранней Вселенной. В последние несколько миллиардов лет это, видимо, уже не происходит.

Как бы повлияло на нашу жизнь такое развитие событий?

Если бы сейчас удалось запустить мощные процессы аккреции на нашу центральную чёрную дыру, то результат был бы очень сильным. Однако в ядре нашей галактики, и, вероятно, в ядрах других галактик, просто недостаточно газа для падения туда и создания большой энергии.

Что можно рассказать о нашей галактической чёрной дыре? Полагаю, что она не самая массивна.

О нашей черной дыре известно больше, чем о любой другой. Её масса точно определена — 4 миллиона солнечных масс. Ее удалось увидеть как черную дыру на небе. Недавно проект телескопа «Горизонт событий» создал изображения черных дыр в других галактиках и в ядре нашей галактики. В результате мы увидели ту тень, которую теоретики предсказывали много лет.
Это подтверждает, что там действительно есть черная дыра. Мы об этом знали и раньше, потому что в течение многих лет две группы — немецкая и американская — следили за движениями звезд вокруг нашего центрального объекта. По этим движениям стало понятно, что там находится массивное тело с массой 4 миллиона солнечных масс.
Найденная черная тень подтвердила этот результат. Ранее Райнхард Генцель и Андреа Гез получили Нобелевскую премию за доказательство существования черной дыры по движениям звезд.

Это простая черная дыра или что-то необычное, для вас неясное?

Подобные черные дыры называют сверхмассивными, поскольку масса их варьируется от миллионов до миллиардов солнечных масс. Обсуждаются черные дыры и в тысячу раз более массивные, например, имеющие массу 6 миллиардов солнечных масс. Наша черная дыра не отличается особой значимостью, разве что самая близкая к Земле, расстояние до нее составляет всего 25 тысяч световых лет. Это позволяет проводить различные наблюдения и составлять детальную картину происходящего. Но есть один необычный момент: наша черная дыра относительно мала по сравнению с окружающей галактикой.

— Это для вас загадка?

Разброс масс центральных черных дыр и галактик, которые их окружает, обуславливает это расхождение. В Млечном Пути черная дыра составляет лишь одну десятитысячную от массы звезд. В других галактиках более типичная пропорция — одна тысячная. Наша черная дыра по какой-то причине не достигла больших размеров, но может быть, это не так уж и необычно. Таких черных дыр немало.

Как вы считаете, это воздействовало на становление Солнечной системы и существование жизни на Земле? Если бы эта структура была существенно крупнее, скажем, состояла из миллиардов масс Солнца, повлияло ли это бы на все галактические явления?

Мир взаимосвязан, но последовательность событий полна загадок. Наше Солнечное система, Земля и мы сами – результат событий, произошедших в нашей галактике много раньше, когда она только формировалась. Сейчас наша галактика живет спокойно. Звезды сформировались, выросла центральная черная дыра. Возможно, она продолжает расти эпизодически, но это лишь небольшие изменения. В первые миллиарды лет существования нашей галактики происходили бурные процессы, связанные с образованием черной дыры. С большой вероятностью эти процессы повлияли на дальнейшую судьбу Галактики, но как именно – предстоит выяснить ученым.

Расскажите, пожалуйста, подробнее о космических проектах, в которых вы принимаете участие в рамках астрофизических программ.

История нашего отдела началась благодаря известному ученому Якову Борисовичу Зельдовичу. В 1980-е годы отдел астрофизики высоких энергий возглавил Рашид Алиевич Сюняев, ученик Я.Б. Зельдовича. Цель заключалась в запуске аппаратов на орбиту, оснащенных рентгеновскими детекторами и телескопами. Дело в том, что с Земли наблюдать рентгеновское излучение далеких объектов невозможно из-за атмосферы. Чтобы изучать их в рентгене, необходимо запускать приборы в космос. Наш отдел этим занимается с 1980-х годов. В 1991 году я поступил сюда студентом. В то время на орбите работала советская обсерватория «Гранат». Позже, в 2002 году, европейцы запустили обсерваторию «Интеграл» на российской ракете «Протон». Благодаря этому Россия получила четверть всех данных с этой обсерватории. На протяжении более 20 лет мы активно работали с данными этой обсерватории: планировали наблюдения и получали информацию.

— Но ее недавно отключили?

— Данная обсерватория демонстрировала высокий уровень успешности, однако недавно европейцы приняли решение ее остановить — по сути, из соображений экономии средств. Я мог бы поделиться многими открытиями, которые были сделаны благодаря обсерватории «Интеграл», но в настоящее время более актуальна, пожалуй, обсерватория «Спектр-РГ». Это поистине выдающийся проект, запущенный на орбиту ракетой «Протон» с Байконура в 2019 году. Речь идет о российской обсерватории, оснащённой двумя рентгеновскими телескопами. Первый из eROSITAНемецкий телескоп функционирует в более мягком рентгеновском диапазоне; второй — телескоп. ART-XCПолучивший имя Михаила Николаевича Павлинского, создателя этого телескопа, и нашего руководителя отдела, ныне покойного.

С помощью этих двух телескопов выполняется лучший сегодня обзор неба в рентгеновском диапазоне. Это позволяет не только изучать отдельные объекты, но и получать статистику из разных источников. eROSITA Первая половина принадлежат российским учёным, а вторая – немецкому консорциуму, куда входят также учёные из разных стран. Данные телескопа… ART-XCСохраненные здесь под руководством Михаила Николаевича Павлинского данные полностью принадлежат российским ученым. Данных очень много, особенно по активным ядрам галактик — растущим сверхмассивным черным дырам. С этими объектами занимается и наша группа. Объем данных настолько велик, что его не переварить еще много лет.

— Не будем говорить обо всём, но были ли за всё время сведения, необычные, которые выделялись?

— Темы многообразны, однако позволю себе рассказать о тех, которые интересны мне больше всего. Мы можем… eROSITA Открывали самые далекие квазары, которые известны во Вселенной. Не только далеких, но и очень мощных. В первый год обзора открыли несколько квазаров на красном смещении около шестерки. Чем дальше объект, тем в более раннюю Вселенную мы заглядываем. Мы видим эти объекты, когда Вселенной было менее одного миллиарда лет.

Это удивительно. Не могу поверить, что, глядя в небо через телескопы, видим то, что происходило миллионы, миллиарды лет назад. Вам это уже не ново, или вы всё ещё удивлены?

Каждый раз такое открытие поражает. Находим источник все мощнее и дальше — радость большая.

— И мы еще говорим, что машины времени не существует, — вот же она!

В этом смысле да, наблюдается такой квазар на большом расстоянии. Можно посчитать, сколько энергии он выделяет в секунду в рентгеновском диапазоне, и ведь ещё светит и в других диапазонах. Чтобы обеспечить такую светимость, там должна быть черная дыра с массой в несколько миллиардов солнечных масс. Мы видим момент, когда Вселенной всего один миллиард лет, а уже сформировались такие монстры — огромные черные дыры. Это одна из самых больших загадок в астрофизике и вообще в науке. Дело в том, что ещё более далекие черные дыры с большими массами сейчас наблюдает космический телескоп «Джеймс Уэбб». Это уже инфракрасный диапазон. Мы как бы дополняем друг друга: работаем в своем диапазоне. И никто не понимает, как за такое короткое время после Большого взрыва успели сформироваться такие могучие черные дыры.

— Почему это представляется невозможным?

Потому что это очень нетривиально, непросто сделать. Сейчас учёные активно дискутируют о том, как это могло произойти. Например: первые звезды могли быстро сгореть, водород закончился, они взорвались, там были сверхновые, которые пока не могут быть идентифицированы. На месте такой звезды в ранней Вселенной могла образоваться сравнительно небольшая чёрная дыра с массой, составляющей, например, 100 солнечных масс. А наблюдения показывают, что в этой чёрной дыре уже 1 млрд солнечных масс.

— И непонятно, как это могло получиться так быстро?

Существуют разные гипотезы, но преобладающая — о том, что эту массу, скорее всего, получили за счёт аккреции окружающего газа, которого было много. Вокруг первых звёзд находилось большое количество холодного газа. Если там возникли первые чёрные дыры, то на них мог начать падать этот газ, и чёрная дыра могла расти за его счёт. Но если приток вещества станет слишком быстрым, то чёрная дыра начнёт «огрызаться»: газ разогревается, в результате чего возникает рентгеновское излучение, хотя оптическое тоже рождается. Могут появиться струи плазмы, вылетающие наружу. И всё это огромное количество энергии помешает дальнейшей аккреции газа. То есть темп аккреции не может быть бесконечным. Расчёт показывает, что времени, которое там прошло, недостаточно, чтобы они выросли до таких масс. Следовательно, процесс должен происходить более хитроумным образом, но как именно, пока неизвестно.

Разглядите ли вы эпохи, где чёрных дыр ещё не существовало?

Каждый последующий телескоп способен достигать все больших расстояний из-за своего большего размера и чувствительности. Если первые квазары обнаруживали относительно близко от нас — на расстоянии миллиарда световых лет, то теперь мы находим их на десятках миллиардов световых лет, заглядывая в самую раннюю Вселенную, которая возникла через сотни миллионов лет после Большого взрыва. Тем не менее, чувствительность все еще ограничивает нас. Надеюсь, телескопы следующего поколения смогут заглянуть еще дальше и увидеть черные дыры, сформировавшиеся в еще более ранние времена, на самом начальном этапе жизни Вселенной.

— Возможно, увидём, как она возникает и развивается?

Думаю, возможностей хватит долгое время только для обзора этого процесса в целом. Пока радуемся тому, что нашли интересную черную дыру. Потом, например, если ее открыли в рентгене, заказываем наблюдение на оптическом телескопе и по определенным эмиссионным линиям в оптическом спектре стараемся определить красное смещение или расстояние до объекта. Такую информацию астрофизики умеют получать давно. Посмотреть на этот процесс в динамике гораздо сложнее: там характерные времена, исчисляемые миллионами лет, а следить за ними миллионы лет мы не можем. В течение года можно посмотреть, и то не каждый день, наводя телескоп несколько раз в год. Можно увидеть переменность в масштабе года, в лучшем случае — десяти лет.

В книге Стивена Хокинга говорилось, что черная дыра — это машина времени. По её гравитационному воздействию время замедляются, и, вращаясь вокруг неё, мы практически не стареем. Спустя сотни лет на Земле мы останемся молодыми. Возможно, можно наблюдать за этими процессами, вращаясь вокруг черной дыры? Это даст нам больше времени.

— Возможно, да, но как нам добраться? Расстояния, на которых наблюдаем черные дыры, огромны. Даже при скорости света до них придется ехать миллиарды лет.

Вы считаете возможным, чтобы в будущем техника смогла реализовать подобные проекты, или это недостижимо?

Это отдаленное будущее. Ничего не невозможно, но для начала нужно достичь скоростей летательных аппаратов, равных скорости света. Сейчас мы далеки от этого показателя. Даже при таких скоростях нам все равно придется летать дольше человеческой жизни, поэтому это пока фантастика.

— Много говорим с вами о черных дырах, а когда-то ученый мир сомневался в их существовании. То же самое сейчас происходит с кротовыми норами: одни считают их фантастическими объектами, другие — нет. Николай Семенович Кардашев верил в их существование и был уверен, что мы обязательно обнаружим их. Должны ли мы ожидать этого открытия, и может оно поможет преодолеть все эти противоречия?

О кротовых норах сказать практически ничего не могу, потому что сам ими не занимаюсь. Пока, насколько знаю, наблюдательных фактов, подтверждающих их существование, нет. Возможно, появятся. Может быть, уже есть, но пока это чисто теоретическая концепция, поэтому подождём.

В то время как вы правы насчёт чёрных дыр, открытие «кандидатов в чёрные дыры» произошло примерно в тот же период, когда я был студентом. Предполагается, что эти объекты образуются после смерти крупных звёзд. Звезды с массой, превышающей около 40 солнечных масс, по современным представлениям живут недолго – всего несколько миллионов лет. После их смерти на месте звезды может образоваться чёрная дыра.
Однако только при наличии рядом второй звезды и наблюдении её вращения вокруг объекта можно предположить наличие чёрной дыры. Такой способ позволяет оценить её массу.
В ранний период рентгеновской астрономии, с 1960 по 1980 годы, открывались такие объекты – сначала один, потом ещё и другие. Всегда их называли «кандидатами в чёрные дыры». Даже когда измерения массы показывали значение больше трёх солнечных масс, а объект никак не проявлялся в оптическом диапазоне, говорить о чёрной дыре никто не решался.
Да, такой объект не может быть нейтронной звездой, так как нейтронные звёзды не могут быть тяжелее трёх солнечных масс. Логично предположить, что это чёрные дыры. Но всё равно было табу произносить слово «чёрная дыра». Сейчас я наблюдаю, что это уже ушло: новое поколение смело говорит о том, что они видят чёрную дыру, особенно когда наблюдают тени сверхмассивных чёрных дыр.

Какие научно-исследовательские планы и перспективы вы видите для «Спектра-РГ» в ближайшем будущем?

— СРГ, к счастью, функционирует нормально. По первичному планам, по техническому заданию, должен работать четыре года в режиме наблюдения за всем небом, а потом, при работоспособности прибора, можно еще какое-то время проводить наблюдения отдельных небесных объектов. Пока мы идём более или менее по плану, за исключением того, что в 2022 году, после двух лет обзора, немецкая сторона приняла решение перевести телескоп. eROSITA В коматозном состоянии на протяжении трёх лет трудится телескоп. Работоспособен, но пока не ведёт наблюдений. Ожидается возобновление его работы и продолжение обзора.

А второй телескоп — отечественный, ART-XC Работая в более жестком диапазоне энергий, телескоп им. М.Н. Павлинского дополняет возможности других инструментов. Важно, что каждый из них функционирует в разных диапазонах. Телескоп непрерывно работает, как часы. За почти шесть лет на орбите он проводит обзорные наблюдения. В рамках миссии выполнена не только общая съемка неба, но и более глубокий обзор полоски вдоль Млечного Пути для составления детальной карты нашей галактики. Сейчас у нас есть карта всего неба с преобладанием внегалактических объектов и карта нашей галактики.

Затем начинается обсуждение. После изучения Галактики около года назад вернулись к обзору всего неба с помощью телескопа. ART-XCВ этом году закончится проект, и пока неясно, какие наблюдения будут проводиться далее. Научное сообщество определит дальнейшие действия. Пока прибор функционирует исправно, претензий нет, надеемся на его долговечность. Топлива на спутнике достаточно, поэтому причин для уныния не обнаруживается.

— Что побуждает вас заниматься этими исследованиями?

Рентгеновская астрономия началась в 1962 году благодаря американцу итальянского происхождения Риккардо Джаккони и его группе. Впервые удалось вывести рентгеновский детектор на ракете, которая взлетела и упала. Эксперимент был кратковременным, цель заключалась не в астрономии, а в наблюдении флуоресценции на поверхности Луны.
Несмотря на неудачу, удалось увидеть, что наше небо светит в рентгеновском диапазоне — это позже назвали «космическим рентгеновским фоном». В первом же эксперименте обнаружили яркий источник на небе — «Скорпион Х-1», который сейчас мы понимаем как нейтронную звезду в двойной системе с аккрецией.
Многие ученые заинтересовались: Вселенная оказалась интересной в рентгеновском диапазоне, о чём никто не догадывался ранее.

— А обнаружилось это совершенно случайно.

Случайности часто оказываются продуманными экспериментами, открывшими новые возможности. Риккардо Джаккони получил Нобелевскую премию в 2002 году за свои работы, проделанные 40 лет назад. С тех пор рентгеновская астрономия динамично развивается. Когда я начинал работать студентом, она была молодой отраслью астрономии, сейчас ей больше 60 лет. Рентгеновские телескопы позволяют наблюдать самые экстремальные явления Вселенной, такие как космические взрывы, которые невидимы в других диапазонах света. Например, при аккреции на черную дыру образуется большое количество рентгеновского излучения у самого ее центра. Это даёт возможность изучать самую экзотическую область Вселенной.

Зачем нам нужно наблюдать эти крайние ситуации, что нам в этом скажет?

Это продолжение обычной истории развития человечества: стремление узнать как можно больше о Вселенной. Когда-то люди не знали устройство континентов, океанов, морей. Теперь мы смотрим на разные расстояния и в разное время.
Как уже упоминали, это что-то типа машины времени: глядя вглубь Вселенной, мы видим её давнюю историю. Интересно, как люди исследуют историю за последние 100 или 1000 лет, а мы — миллионы и миллиарды лет назад. Всё это звенья одной цепи.

Иногда учёные во время исследования открывают новые материалы или разработки, полезные в быту. Такое случается и в вашей работе?

Вопрос многогранный. Во-первых, исследуем физику в условиях, которые сложно создать на Земле. Например, о термоядерной реакции люди узнали, наблюдая звезды сто лет назад. Сейчас изучаем более экзотические физические процессы. Не исключено, что когда-нибудь это можно будет использовать на практике. Но это всё ещё далеко. Более важно, что рентгеновская астрономия и любая астрономия, особенно в космосе, требует развития технологий. Приборы, запускаемые в космос, очень сложные. ART-XC Модуль М.Н. Павлинского оснащен полупроводниковыми детекторами, разработанными и изготовленными здесь, в лаборатории под руководством Василия Владимировича Левина. Такими технологиями владеют лишь несколько групп в мире, а у нас их раньше не было.
Они могут найти применение в других областях. Когда я говорю, например, «рентгеновский телескоп», то что это такое? Это не как оптический телескоп. Многие любители астрономии знают, что оптический телескоп — это линза или зеркало. И это более или менее понятная вещь, относительно несложная в изготовлении. А рентгеновский телескоп — это набор из очень тонких оболочек металла, например никеля, у которого должна быть идеальная форма параболоида или еще чего-то, и на нее наносится тончайшим слоем, буквально в несколько ангстрем, а это размеры атомные, какой-нибудь драгоценный металл типа золота или иридия. И только собрав определенным образом эти зеркала в некую матрешку, мы можем заставить рентгеновские лучи отражаться от этих зеркал под очень маленькими углами, чтобы они потом фокусировались на детектор. Понятно, что такие технологии могут найти применение, например, в медицине. Собственно, их там уже используют, но пока попроще.

— Вы имеете в виду рентгенологию?

Все знают рентгеновскую диагностику, облучение гамма-излучением. Для него нужна фокусирующая оптика, детекторы, приемники излучения. Разработанные для астрономии технологии могут быть применимы в иной сфере.

Любопытство побуждает нас развивать технологии.

— Так всегда было и будет, вероятно. Конечно, очень дорогие проекты. К сожалению, если вы хотите сделать новый космический проект, который был бы лучше по характеристикам предыдущих, а иначе запускать не стоит, то он обычно на порядок дороже предыдущего. Речь идет сейчас про миллиарды рублей и долларов, и это становится всё сложнее.

– Встречали ли вы людей, считающих это бесполезным расходом? Как реагируете на такое мнение?

К счастью, особых столкновений не было: близкие, родные, друзья обычно не высказываются так. Правда, подобных мнений тоже попадался. Переубедить таких людей трудно.

— Разве не так думают многие государственные служащие, чье решение определяет будущее ваших проектов? Какие доводы у вас, чтобы доказать, что такие средства необходимо выделять?

Развитие человечества возможно только таким путём. Первоначально любые научные открытия считались не слишком важными, вызывали критику. Но потом оказывалось, что от них зависит наша жизнь. У нас как у цивилизации нет другого пути, кроме как продолжать заниматься фундаментальной наукой, исследовать Вселенную, черные дыры.

Несмотря на то, что наука всё более затратна и сложна.

С одной стороны, да, с другой — я, возможно, преувеличиваю. Технологии развиваются. То, что вчера казалось невозможным и дорогим, сегодня становится дешевым. Примером служат ПЗС-матрицы в смартфонах — примерно то же самое установлено на телескопах, только высокого качества и большего размера. Еще недавно все это было страшно дорого и недоступно, а теперь стоит копейки. Поэтому эксперименты будут продолжаться, люди будут строить новые телескопы. Любой космический проект, конечно, затратен. Возможно, есть еще политический момент: страна, которая делает серьезные вещи в космосе, вызывает уважение. Это репутация страны, это говорит о наличии необходимых технологий и умных людях. Это привлекает молодежь. Многие молодые люди, получив знания и поучившись у сильных ученых, остаются. Даже если не все останутся, ушедшие пойдут в другую область и проявят себя там. Все это важно для нашего развития.

Поддержку интервью предоставило Министерство науки и высшего образования Российской Федерации.