Scienty

Каковы фундаментальные и прикладные задачи современной астрофизики высоких энергий? Как обнаруживаются источники гамма-излучения? В чём важность этого? Требуется ли астрономия в школьном образовании и на каком уровне находятся нынешние студенты астрономического отделения физического факультета МГУ? Об этом беседует профессор РАН Максим Сергеевич Пширков, руководитель отдела радиоастрономии ГАИШ МГУ.

— Подготавливаясь к нашей встрече, я изучила информацию о том, что в 2017 году вы обнаружили ещё одно место с сильным гамма-излучением. Сколько таких мест было известно до этого?

— Зарегистрировано более 7 тысяч источников гамма-излучения, ранее было 3–4 тысячи. Важно понимать, что это не просто увеличение числа, а появление нового класса источников. Основные источники гамма-излучения — активные ядра галактик: сверхмассивные черные дыры в далеких галактиках, на которые падает газ, и они излучают во всех диапазонах, в том числе гамма-излучение. Большую часть небесного фона составляют именно такие источники. Но число классов не велико — порядка десятка. Интересный момент: источник, о котором… говорит Наше исследование 2016 года – один из немногих представителей класса двойных массивных звезд с столкнущимися ветрами. До этого существовала лишь одна подобная система в нашей галактике, однако её экстремальность не делает её представителем данного класса, поскольку она является уникальной системой.

— А в чем уникальность?

В этом месте находятся очень тяжелые звезды: десятки или сотни раз массивнее Солнца. У этих звезд очень мощный звездный ветер, который выбрасывает вещество. За год звезда теряет одну десятитысячную массы Солнца со скоростью в тысячу километров в секунду. Эта стадия длится миллион лет, за это время звезда теряет десять масс Солнца.

— И что же остается?

Часть первоначальных масс будет взрываться как сверхновые. Две звезды в системе генерируют мощные ветра, которые сталкиваются при столкновении. Такое столкновение вызывает излучение высоких энергий, включая гамма-излучение. В нашей статье описана подобная система, несколько менее экстремальная, где тоже удалось обнаружить гамма-излучение.

— Почему это важно для науки?

Это важно для астрофизики высоких энергий. Мы наблюдаем интересный процесс столкновения очень сильных ветров. Процессы, происходящие при этом столкновении, как ускорение частиц и их излучение, могут дать нам понять, могут ли частицы ускоряться до таких энергий, чтобы излучались фотоны с энергиями в гигаэлектронвольты и тераэлектронвольты. Всё это помогает нам лучше понимать процессы ускорения частиц в космосе.

— А раньше такого представления у нас не было?

Теоретически всё было возможно. Рассматривали возможность высокоэнергичных излучений от таких систем, но самих систем раньше не находили. Это ограничивало нас. Сейчас, обнаружив системы, теории нужно строить с учётом этих открытий.

— В текстах о вашей работе выражение «неоднородность пространства и времени» привлекло моё внимание. Что оно означает?

Двадцать лет назад, ещё во время написания кандидатской диссертации, я занимался этой работой. Если бы все находилось строго на своих местах, как в идеальной Вселенной, у нас не было бы неоднородности во времени, а только пространственной. Тяжелые звёзды обладают более сильным полем, планеты — чуть менее сильным, а далеко от них поле отсутствует. То есть пространственная неоднородность никуда бы не исчезла. Но поскольку звёзды и планеты движутся, появляется динамика. Это может повлиять на общую картину при наблюдении за какой-либо звездой. Например, чёрная дыра проходит мимо луча зрения на звезду, и нам кажется, что звезда «поехала» в сторону, остановилась и вернулась обратно. По таким волнам распространяется свет, радиоволны, и это меняет наблюдаемое поведение. Эффект этот очень слабый, но мы можем наблюдать его и узнавать о распределении массы, о её движении, даже если эта масса невидимая. Например, чёрная дыра, если она не находится в двойной системе, обычно излучает очень слабо. Но, смотря на подобные эффекты, мы можем выявить распределение масс в галактике.

— С пространством всё ясно, а с течением времени — где именно обнаруживается неравенство?

Изменение картины Вселенной по мере движения объектов во времени — временная неоднородность. Общая теория относительности описывает всё единым образом.

— Много физиков говорят, что времени как такового нет. Что вы думаете об этом?

Это глубокий вопрос, имеющий философский смысл. На рабочем месте висела цитата Джона Уилера — одного из ведущих специалистов по гравитации и теории относительности: «Время — это то, что мешает тому, чтобы все происходило одновременно». Рядом нарисован футболист, а вокруг него бегают динозавры. Без времени мы бы просто запутались.

— Так зачем людям придумать время, чтобы не сбиться с толку?

— Возможно, чтобы динозавр нас не проглотил. Этот вопрос касается оснований науки и даже глубже. С святого Августина до сегодняшнего дня через много веков наука его усвояла. Боюсь, я недостаточно знаком с этой темой, чтобы обсуждать её компетентно.

— Наша небольшая путешествие во времени завершилось. Теперь мы здесь, в период написания вашей диссертации, открытия нового класса гамма-излучения… А чем вы занимаетесь сегодня?

Я пришел к астрофизике высоких энергий, главным образом к гамма-излучению, то есть излучению с энергией гигаэлектронвольт и выше. Для сравнения: рентгеновские фотоны в рентген-аппаратах в десять тысяч раз слабее. Такие фотоны можно наблюдать только с орбиты Земли, вне атмосферы. Есть спутники, например американский «Ферми», который летает с 2008 года и накапливает данные. Сейчас мы пытаемся опубликовать статью, посвященную тому, что в 2010 году в данных телескопа… Fermi—LAT На борту спутника обнаружили гигантские пузыри, исходящие из центра нашей Галактики. Расстояние до центра Млечного Пути — 8 килопарсек по астрономическим меркам, а на гамма-небе видны тусклые пузыри высотой 10 килопарсек — такие гигантские образования, выходящие из центра нашей Галактики. Существует теория, что это след активности ядра Млечного Пути несколько миллионов лет назад: ядро потухло, а следы остались. Возникла задача выяснить, насколько распространено это явление. Для сравнения используется Туманность Андромеды — объект, очень похожий на нашу Галактику и находящийся совсем рядом — всего 700 килопарсек. Три года использовались данные «Ферми» для обработки информации, в результате чего был найден протяженный избыток вокруг галактики.

— Тоже пузыри?

Пузыри лучше всего описывают эти образования. Несмотря на близость источника, его сила не сильная, поэтому определить внутреннюю структуру пузырей трудно.
Позднее это подтвердили: присутствует протяженный избыток. Возникло интерес к тому, насколько распространено это в других галактиках, типа Андромеды и Млечного Пути.
Этот избыток может возникать не только из-за взаимодействия активного ядра галактики и межгалактической среды, но и из-за темной материи, частицы которой могут распадаться и производить гамма-кванты. Это важный шаг в фундаментальной физике.
Была изучена группа близких галактик по массе близких к Млечному Пути, искали сигнал от «Ферми». Нашли! Это последняя работа, которая ещё находится в редакции.

— В каждой из галактик, доступных вашему обзору, вы обнаруживаете такие же структуры?

— Там уже рассматриваются галактики на расстоянии не 700 кпк, а 15 Мпк, то есть в 20 раз дальше. Надо понимать, что поток падает как квадрат расстояния, соответственно, он в 400 раз меньше. Там у нас статистика очень маленькая, и чтобы получить результат, нужно взять все галактики и сложить сигнал от них. Иначе говоря, говорить о какой-то картинке не приходится — идет только учет фотонов. Получилось, что суммарно все сигналы от галактик с массой, как наша, дадут аналогичный сигнал. Результат очень интересный, и я удивлен, что пока не находится достаточное количество рецензентов.

— С чем это связано?

Работа рецендента не оплачивается, а хороших журналов интересует множество авторов, желающих там публиковаться, из-за чего возникают такие ситуации.

Получение такого сигнала говорит о том, что, вероятно, подобные структуры есть и в других галактиках.

— Да. Вероятно, это похоже на наши пузыри, только больших размеров. Галактики с большим весом, у которых в центре находятся массивные черные дыры, иногда получают большое количество газа. В этот момент они вспыхивают, становятся очень яркими. Наша галактика тоже достаточно большая, но её чёрная дыра, можно сказать, «слабо развита» — всего лишь 4 миллиона масс Солнца. Это вроде бы много, но, если сравнивать с другими галактиками такого же размера, она должна быть в сто раз большего веса.

— Что мешает нашему черному отверстию быть более крупным? Может ли его размер играть роль в определенных астрофизических процессах?

Возможно, это важно для центральной части галактики. Когда газ падает на черную дыру и начинается выделение огромной энергии, может прекратиться образование новых звезд во всей галактике, особенно в центре. Вероятно, наша сверхмассивная черная дыра не такая уж массивная, что-то повлияло на активность образования звезд в центральной области. Звезды проходят свой жизненный цикл: рождаются, живут и умирают. Из материала, выброшенного звездами, формируются новые.

Таким образом, в этом процессе участвует и образование планет. Возможно, мы обязаны этой относительно маленькой черной дыре за возможность сесть и поговорить?

Возможно так. Хорошо, что она далеко от нас. Возможно, всё связано. Если вещество падает на сверхмассивную чёрную дыру (как я говорил, в других галактиках они гораздо тяжелее), то там будет более сильное энерговыделение, а значит, много вещества выносится на большое расстояние от галактики. Там эта энергия постепенно вспыхивает, в том числе в гамма-диапазоне. Я думаю, что это остаток, реликт предыдущей активности ядер в этих галактиках.

— Ещё ли этот артефакт значим сейчас, или же это просто след прошлого проявления Вселенной?

— Слово «реликт» здесь не самое удачное. Оно навевает мысли о реликтовом излучении ранней Вселенной. А в данном случае это просто остатки былой роскоши — 10–20 миллионов лет назад там было ярчайшее излучение, а сейчас оно давно погасло, вся энергия постепенно исходит на большом расстоянии от галактики.

Какие открытия, по вашему мнению, ждут нас при исследовании этих структур?

Возможно, найдем какую-нибудь информацию о темной материи, но надежды не много.

— Почему сомневаетесь?

Пока ничего подобного не обнаружено, но искать всё равно нужно: данные уже есть и их нельзя просто игнорировать. Впрочем, это не совсем похоже на темную материю. Сигнал от нее был бы сферическим, симметричным. Гало темной материи в первом приближении — это шар темного вещества, а в центре находится наша галактика. Если сигнал исходит от этого гало, он тоже будет иметь форму круга. А обнаруженный нами сигнал не круговой, его форма менее правильная. Поэтому это не похоже на сигнал от темной материи, хотя бы хотелось.

— Пусть это не темная материя. А что ещё может там быть интересного?

Необходимо исследовать характеристики явления в различных диапазонах: радиоволны и рентген. Это даст понимание его природы.
Расширение исследования на более широкий спектр позволит выяснить, как часто черные дыры вспыхивают в центрах галактик, какую энергию выделяют и насколько эффективно. Моделирование играет важную роль, но детекция энергии, удаленной от наблюдателя, сложна. Это затрудняет проверку моделей наблюдениями и ограничивает возможности для подтверждения теорий.
Поэтому исследование окажет вклад в понимание взаимодействия галактик с окружающей межгалактической средой.

Какие научные задачи вы преследуете? Что непременно хотели бы выяснить?

— Сложный вопрос. Часто бывает — идешь в широкую область, а потом понимаешь, что нужно копать глубже. Пока есть данные, хочется узнать больше о высокоэнергичном излучении межгалактических объектов. Это интересно, потому что в этой области есть ответы на важные вопросы. Люди ищут и говорят: «У нас есть аномальная прозрачность Вселенной для гамма-квантов». Идея в том, что если у нас есть очень энергичный фотон, он не долетит до Земли, потому что провзаимодействует с другим фотоном, возникнет фоновое излучение. Но мы видим эти прилетающие фотоны: в 2022 году был очень яркий гамма-всплеск, на китайской установке. LHAASO Зарегистрировали 18 тераэлектонвольт, ранее такого не фиксировали. На установке «Ковер» Баксанской нейтринной обсерватории зафиксировали 250 тераэлектонвольт. Это невероятно!

Директор БНО Валерий Борисович Петков рассказал мне об этом, это было настоящее сенсационное событие.

— Да, это очень значительный результат. Я привел его в качестве примера. Наблюдения в этом диапазоне применяются не только в астрофизике, но и в более фундаментальных областях. Там решают, например, проблему прозрачности, вводя аксион, который может быть частицей темной материи. Цель не в том, чтобы наблюдать как можно больше гамма-квантов, — мы не детекторы гамма-квантов. Это всего лишь способ обнаружить что-то интересное.

— Доводилось ли вам рассказывать, как можно использовать это на практике?

Это хороший вопрос, но ответ на него не очевиден.

— Ранее трудно было объяснить назначение электричества. Вольт считал, что это интересный эксперимент, не ожидающий прикладного применения.

— Пока всё это применяется косвенно, через эксперименты, например, при создании детекторов. CCD Это прибор для обнаружения матриц телефонов и фотокамер, применяемый в оптической астрономии. Совпадения на сто процентов — WiFi. Австралийская научная организация CSIRO Все ещё выплачиваются лицензионные сборы за патент, так как его изобрел радиоастроном для снижения влияния помех.

Что можно ждать от гамма-квантов? Возможно ли использовать их огромную энергию для дальних путешествий в космосе? На этот вопрос должен ответить человечество.

Гамма-кванты, получаемые в результате синхротронного излучения, применяются в медицине и материаловедении. Интересно наблюдать гамма-излучение при изучении солнечных вспышек. Солнце — яркий источник гамма-лучей, но не самый яркий. Иногда на Солнце возникают вспышки, превосходящие по интенсивности все гамма-небо. Это важно потому что, если такая вспышка попадет на Землю, всё может быть плохо: спутники сгорят, а наземная электроника сильно пострадает. Во время сильной вспышки 1857 года сгорели телеграфные аппараты. Легко представить, что случится сегодня с телефонами, компьютерами и электросетями. Любая информация об этих вспышках важна.

Люди стремятся применять гамма-кванты для изучения объектов. Космические лучи повсюду во Вселенной и вызывая вторичное излучение при столкновении с поверхностями предметов. Анализируя это излучение, можно попытаться определить структуру, свойства и состав объекта, осуществляя своего рода гамма-спектроскопию.

Если говорить об непосредственном применении в ближайшем будущем, то, возможно, это будет бесконтактное изучение химического состава и распределения объектов Солнечной системы.

Вы упомянули медицинское применение гамма-излучения с меньшей энергией, и мне вспомнилось о гамма-ноже, часто используемом в онкологических лечебных центрах.

Это пучок гамма-квантов, направленный так, чтобы передавать большую часть энергии на определенной глубине непосредственно в опухоль. Такой подход позволяет подавить ее значительно, не травмируя и не вызывая неприятных последствий при взаимодействии с окружающими тканями. По моему мнению, регулируя энергию, можно перемещаться по глубине и удалять ткани.

— Вы родом из Пущино, города учёных-биологи? Как тогда решили заниматься астрофизикой?

За десять лет до установки первого камня в биологическом институте в Пущине уже действовала радиоастрономическая обсерватория. Сейчас ПРАО является филиалом АКЦ ФИАН — Астрокосмического центра Физического института имени П.Н. Лебедева РАН. В нем работают главные специалисты в интерферометрии.

— Неужели вам необходима ГАИШ, если нужно ехать так далеко?

Я учился в МГУ сначала на физическом факультете, потом перешёл к Михаилу Васильевичу Сажину в ГАИШ. Мне очень нравится место, где я обучался: поступил в 1996 году и хочу оставаться здесь как можно дольше. У ГАИШ есть большой плюс — ты считаешься сотрудником МГУ. Здесь не только наука, но и образование. На базе ГАИШ работает астрономическое отделение физфака МГУ, которое ежегодно набирает около 20 студентов. Я читаю один лекционный курс в семестр, что поддерживает активность. Постоянное общение со студентами, приток молодых людей позволяет не стоять на месте. ГАИШ разнообразен: много рабочих групп, нет фиксации на одной теме. Есть исследования галактик, внегалактических объектов, астрофизика высоких энергий, гравиметрия. На семинарах узнаешь что-то новое. При необходимости консультации по теме, в которой ты не специалист, можно найти нужного человека в институте.

— Астрономии в школах теперь нет. Какой уровень у современных студентов?

Это мало влияет на уровень студентов, потому что к нам приходят люди, уже интересующиеся астрономией, в том числе много победителей астрономических олимпиад. Для них не так важно, преподавали им астрономию или нет, поскольку они сами изучали её на высоком уровне.

— Правда ли это? Заинтересованность юного возраста крайне важна.

Вы правы с одной стороны, но у нас сейчас перегруженная школьная программа. Ее нужно существенно сократить, если хотим добавить астрономию. В противном случае это превратится в профанацию, как всё в нашей школе: имитация бурной деятельности, заполнение бумаг учителями и никакого результата.

Сначала реформа образования, затем новые предметы?

Сейчас многие опасаются любых преобразований в системе образования, причины тому существуют, однако необходимы изменения, а именно упрощение отчетности.

Сравнивая сегодняшних студентов с теми, которые начинали учиться в МГУ раньше, можно ли утверждать, что нынешние учащиеся менее подготовлены?

Я не наблюдаю за снижением интеллектуального уровня студентов. Встречаю очень сильных ребят. Например, недавно разговаривал со студентом второго курса — невероятно способный молодой человек. Возможно, даже идёт восстановление. Раньше приходили случайные люди, которых либо с трудом сюда привели, либо отчислили. Сейчас же люди, которые обращаются ко мне как к научному руководителю, производят положительное впечатление. У меня нет пессимизма.

Беседа осуществлена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.