Ольга Орлова: Как астрофизики нашли связь между космическими суперколлайдерами и самой загадочной частицей во Вселенной? И можно ли на самом деле вооружить нейтрино? Об этом по гамбургскому счету будем говорить с членом-корреспондентом РАН Юрием Ковалевым. Привет, Юра. Юрий Ковалев: Привет, Оля. Юрий Ковалев. Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН. Заведует Лабораторией внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН имени Лебедева, а также Лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной в МФТИ. В то время, когда весь мир борется с пандемией, астрофизиков по-прежнему не волнуют такие мелкие объекты, как планета Земля и вирусы, которые поломали нам всю жизнь. Во-первых, у вас в этом году, несмотря на все, что происходит с остальными людьми, в астрофизике большие хорошие новые результаты. Во-вторых, Нобелевская премия опять (второй год подряд) уходит астрофизикам. Что это значит? Что вам коронавирус не помеха и не указ? Юрий Ковалев: Астрофизикам прет. Ольга Орлова: Что значит «прет», если мы говорим про Нобелевскую премию, которую получили в этом году трое астрофизиков во главе с Пенроузом. Это, в общем-то, относительно старые результаты. Юрий Ковалев: Как говорил Виталий Гинзбург, надо жить долго, для того чтобы дожить до получения Нобелевской премии. И с Пенроузом, наверное, так оно и есть. Причина, почему именно в этом году была дана Нобелевской премии за черные дыры, связана не только с результатами, которые были получены пару десятков лет назад. Как мы все помним, 1.5 года назад было объявлено о том, что астрофизики увидели тень от черной дыры в галактике М87. И мне, что это было дополнительным серьезным аргументом для тех или иных коллег, которые голосуют в Нобелевском комитете за выдачу тот или иной премии, чтобы проголосовать именно за черные дыры. Потому что они всегда очень опасаются дать Нобелевскую премию за то, что потом окажется ошибкой. И вот похоже, что эта тень от черной дыры оказалась последней каплей, которая убедила… Ольга Орлова: Тех скептиков, которые сомневались в существовании, и как раз в этой студии ты нам рассказывал о том, почему этот результат, как бы тень от объекта, почему этот результат настолько убеждает в том, что черные дыры все-таки существуют. Юрий Ковалев: Совершенно верно. Но при этом, обратите внимание, мы обсуждали тень от черной дыры в галактике М87, притом что наиболее интересная, что ли, и наиболее выгодная в плане будущих исследований, проверки общей теории относительности Эйнштейна является именно черная дыра в центре нашей галактики. Пока ее увидеть или этот ореол вокруг нее пока увидеть не удалось. Но половина Нобелевской премии ушла нашим немецким коллегам, Генцелю и Гез (мужчине и женщине), за высокоточное измерение или оценку массы… И там было очень аккуратно сформулировано при выдаче Нобелевской премии: за оценку массы или обнаружение сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики. Ольга Орлова: Да. Я как раз хотела обратить внимание, что такая странная формулировка. Почему назвали так, как будто бы на самом деле там может быть что-то другое? Юрий Ковалев: Там может быть что-то другое. Ольга Орлова: Там может быть другой объект. Юрий Ковалев: В принципе это может быть не черная дыра. Другое дело, что мы все называем эту Нобелевскую премию премией за черную дыру, потому что вероятность, что там что-то другое, она очень небольшая. Поэтому нобелевский комитет, с одной стороны, аккуратно сформулировал причину выдачи премии, чтобы, опять же, не было никакой ошибки, а, с другой стороны, может быть, оставил себе свободу маневра для того, чтобы выдать еще одну Нобелевскую премию в будущем, когда ученые докажут, что это именно черная дыра. Ольга Орлова: Ну и надо сказать, что это тот редкий случай, когда объяснение, за что дали Нобелевскую премию, это объяснение понятно людям, которые совсем далеки, и кроме как в школьном курсе физики, никогда больше учебник физики не открывали. Бывают такие премии, когда очень трудно объяснить. В данном случае ситуация, слава богу, другая. Юрий Ковалев: Оля, ты мягко формулируешь. В большинстве случаев достаточно сложно понять, за что дана Нобелевская премия. И обожаю просто. Это действительно тот редкий момент, когда объяснить, за что дали половину Нобелевской премии, ну, вот, Пенроуз, это сингулярность – уже слово, с которым немножечко сложно выходить на публику. Но Генцель и Гез – извините, это курс школьной физики. Вспоминаем курс школьной физики. Законы Кеплера. Вот нас здесь интересует так называемый обобщенный закон Кеплера. Если вы не помните, что это такое, ну и ладно. Уж совершенно наверняка все знают, что такое закон всемирного тяготения Ньютона, потому что эта легенда о том, что на него упало яблоко, уж точно в голове у каждого. Нам по большому счету ничего другого не нужно, кроме как закон всемирного тяготения, в соответствии с которым звезды вращаются по своим орбитам вокруг центра нашей галактики, точно так же как планеты вращаются вокруг Солнца. Посмотрим на картиночку. Крестиком слева выделен как раз центр нашей галактики. Он называется объектом Sagittarius A*. Sagittarius – созвездие Стрельца, А – означает, что это самый яркий в видимом свете объект в Стрельце. А как раз звездочка и обозначает, что это компактный объект, плохо видный в этом самом Sagittarius A. Ольга Орлова: Вот это место? Юрий Ковалев: Да, да, да. И звезда, которая называется S2, первые результаты, собственно, за которые, наверное, в основном была дана премия, были получены в 2002 году, и еще более точно измерено прохождение этой звезды S2 вокруг центра нашей галактики по этой орбите в 2018 году с помощью оптических телескопов Европейской южной обсерватории, куда, кстати, Россия все продолжает пытаться вступить, которая называется VLT (Very large telescope), их там четыре 8-метровых телескопа стоят. И вот измерив параметры орбиты, фактически все, что нам нужно – это период обращения и размер орбиты, размер этой самой большой оси. Всё. Измерив это, наши коллеги получили оценку массы этого компактного объекта – примерно 4 млн масс Солнца, и не прошло и 20 лет, как они получили Нобелевскую премию. Мы очень за них рады. Ольга Орлова: Ну что ж, а теперь давай перейдем к результатам этого года. Твоя научная группа установила, что нейтрино сверхвысоких энергий рождаются вблизи массивных черных дыр в далеких квазарах. Вы узнали происхождение, можно сказать, географическую родину нейтрино. Это нейтрино сверхвысоких нейтрино. Почему все, что касается нейтрино, является таким важным и почему это вызывает такой трепет? Юрий Ковалев: У наших коллег, у физиков 100 лет назад была проблема. Открыли радиоактивный распад, превращение ядер атомов из одного типа в другой. И вот бета-распад представлял из себя следующее. Ядро превращается из одного в другое – вылетает электрон. Соответственно, мы хорошо знаем энергию ядра, которое было, энергию ядра, которое стало. Люди уже больше ста лет назад умели измерять энергию электрона. Ну, извините, закон сохранения энергии: одно ядро минус другое ядро, мы знаем, какая должна быть энергия у электрона. Нет. Электроны вылетали совсем других энергий. Меньших. То есть куда-то энергия девается. И долгое время народ не понимал, что происходит. Более того, даже обсуждали возможность того, что закон сохранения энергии в микромире не работает. И вот как раз Паули и предположил, что, может быть, есть такая маленькая частичка, которая вылетает – легенькая, электрически нейтральная. То есть как ее ловить, вообще непонятно. Это было в 1930 году. И в 1934-ом Энрико Ферми уже стройную теорию бета-распада разработал, предположил существование нового типа взаимодействия, так называемое слабое. И вот оттуда, собственно, и нейтрино хорошо очень и вылезло. Чем нейтрино замечательно? Кроме как это слабое взаимодействие и гравитационное, вспоминаем, масса нейтрино очень маленькая, вообще-то долгое время обсуждалось, нулевая она или нет. Недавно была Нобелевская премия за то, что оказалась ненулевая. Что сильно подсуропило Стандартную модель, описывающую взаимодействие элементарных частиц. Но для нас самое интересное и важное – это то, что нейтрино может вылезти откуда угодно и пролететь очень большие расстояния. Таким образом, Солнце для нас непрозрачно. Вы уже обсуждали Солнце. Нейтрино может вылететь из центра Солнца. Оно произведено в результате термоядерных реакций. Мы можем, используя солнечные нейтрино, изучать то, что происходит в центре Солнца, мы можем проверять Стандартную модель. Замечательно. Нейтрино сверхвысоких энергий. Теперь подходим к ним. Единственный вариант, как нейтрино сверхвысоких энергий может пробиться – это только если в его рождении участвует релятивистский протон, то есть протон, разогнанный до скорости, практически равной скорости света. Ольга Орлова: И где-то же это происходит, вот, этот разгон. Юрий Ковалев: Это означает, что если из космоса к нам прилетают нейтрино сверхвысоких энергий, значит где-то во Вселенной есть космические суперколлайдеры, которые в состоянии ускорить массивный протон. Напоминаю, в 1800 раз массивнее электрона. Где-то есть суперколлайдеры, которые могут ускорить этот протон до скорости света, а дальше этот протон уже рождает нейтрино сверхвысоких энергий. Ольга Орлова: Но вообще при такой постановке проблемы, учитывая все-таки, сколько астрофизики уже изучают Вселенную, таких объектов, которые могли бы сыграть роль суперколлайдера, ведь их не так много. Все-таки мы про Вселенную много знаем. Юрий Ковалев: Ты права: в космосе не так уж много объектов, которые могут ускорить нейтрино. Более того, мы знаем, что нет выделенного направления, связанного с плоскостью нашей галактики. Это уже означает, что в нашей галактике объектов, которые могли бы ускорить протоны и родить нейтрино таких энергий, их либо нет, либо очень мало. Поэтому фактически мы подходили в нашей группе к этой проблеме, ну, вообще говоря, проверяя гипотезу, высказанную до нас. Гипотеза о том, что квазары могли быть действительно объектами, ускоряющими протоны и рождающими нейтрино, была высказана, ну, не знаю, лет 10-20 до нас, но весь цимес ситуации в том, что народ 10 лет копал и не накопал. Гипотеза, которая была высказана и которую мы проверяли, заключается в том, что как раз в самых центрах (или очень близко к центру) далеких квазаров ускоряются протоны до световых скоростей. Итак, центральная сверхмассивная черная дыра массой миллиарды масс Солнца. Она подпитывается веществом, которое падает на нее из окружающего черную дыру диска пыли и газа. Вот падает вещество на черную дыру, там формируется такая электромагнитная пружина, которая разгоняет частицы до скоростей света. Вообще говоря, мы думали, что квазары умеют разгонять только электроны до скоростей света. Все-таки электроны не очень массивные, это вполне реалистично. И по построенным физическим моделям это получается. И вот как раз гипотеза была в том (или проверка, мы проверяли именно вопрос), а может ли вот эта самая закрученная электромагнитная пружина выталкивать и разгонять до скоростей света также и протоны. Дело в том, что при рождении нейтрино обязательно также появляются гамма-фотоны. Это очень энергичное излучение. Самые длинные волны у нас радио. Дальше инфракрасные, видимый свет, ультрафиолет, рентген. И вот гамма. Самые короткие волны, самые энергичные фотоны. Они должны рождаться также при рождении нейтрино. Поэтому все наши коллеги использовали результаты наблюдения Вселенной в гамма-диапазоне. Замечательно летает насовский спутник, называется как раз Fermi. И сравнивали результаты наблюдения Вселенной в гамма-диапазоне. И как раз нейтрино, который ловил в километровой кубе льда на Южном Полюсе (нейтринный телескоп IceCube). Вообще-то нейтрино ловить очень сложно. И наши коллеги используют несколько красивейших идей. Одна идея заключается в том, что при прохождении нейтрино через лед или воду… Есть также нейтринный телескоп в нашей стране, построенный на озере Байкал. Вот он как раз сейчас вводится в эксплуатацию. Наши коллеги используют лед. Нейтрино, проходя через лед, приводит к тому… Оно взаимодействует с веществом, со льдом, и рождаются в результате этого взаимодействия летящие со скоростью света, скажем, заряженные частицы – электроны. И вот такая штука происходит. Они летят через лед почти со скоростью света в вакууме. И эта скорость оказывается выше, чем скорость света в веществе – во льду. И вот когда такое происходит, образуется излучение, которое придумал и получил за это Нобелевскую премию советский ученый Черенков. Собственно, излучение Вавилова-Черенкова. Это именно практически видимый свет. Эти всполохи света детектирует IceCube во льду, наш телескоп «Байкал» в воде. И по этим всполохам можно определить момент, когда пришло нейтрино, направление и его энергию. И вот наши коллеги, используя эту информацию, сравнивали с информацией о том, что приходит из Вселенной вот в гамма-лучах, в этом гамма-свете. И за 10 лет удалось найти один квазар. Один-единственный за 10 лет. У которого совпал момент прихода нейтрино из этого направления и его вспышка гамма-излучения. Все-таки, простите, это несерьезно. 10 лет – один объект. А мы пришли и высказали такую достаточно, не буду скрывать, дурацкую идею. Это было сделано пару лет назад. Я болтался со своим аспирантом. И говорю: «Слушай, вообще-то вроде ребята все правильно делают. Но мы же наблюдаем то же самое небо, те же самые квазары с помощью сетей радиотелескопов. И фактически мы этим выделяем самое яркое излучение, вообще-то то самое излучение квазара в радиодиапазоне, которое ассоциировано с центральной машиной, разгоняющей… Давай попробуем». Предложение было такое: давай посмотрим, нет ли чего-то особенного у тех квазаров на небе, которые находятся в направлениях, откуда пришли нейтрино. Ольга Орлова: А. То есть наложить, соответственно, направление, откуда регистрируются нейтрино, и квазары. И просто посмотреть, совместить. Юрий Ковалев: Совершенно верно. У нас в нашей полной выборке квазаров… фактически я занимался ее построением. Честно говоря, для «Радиоастроновских» задач, ну, лет 15. Действительно очень качественная выборка. У нас там их несколько тысяч штук. Поэтому, честно говоря, ошибиться сложно. Потому что если эффекта нет, то, извините, его нет. Итак, я высказал идею и забыл. Потому что «Радиоастрон» летал. Ничем другим заниматься невозможно. А мой аспирант взял да не забыл. И когда «Радиоастрон» закончил свои наблюдения, у нас немножечко освободилось время под другие задачи, он вспомнил, провел анализ. И осенью 2019 года приходит ко мне, закрывает дверь офиса и говорит: «Слушай, а у меня что-то получается». Говорю: «Ну, давай проверяй». Мы проверяем – и да. Оказывается, что квазары, которые на небе находятся в тех областях, откуда приходят нейтрино, они более яркие, чем остальные. Ну как-то стало горячо. Проходит несколько недель. Очередное собрание Российской академии наук происходит. И я выдергиваю оттуда нашего коллегу, Сергея Троицкого, из института ядерных исследований, который является ведущим специалистом как по астрофизике частиц, включая нейтрино, так и очень хорошо разбирается в статистике. Поэтому я его отвожу в сторону и тихонечко говорю: «Ты никому не рассказывай. У нас такое получилось». Вы не представляете! На его лице… Он человек очень интеллигентный, но все равно я, конечно же, увидел жутчайший скепсис. И я его попросил убить наш результат. Он сказал: «С радостью». Проходит несколько недель. Мы встречаемся. И он не с грустью, а с радостью говорит: «Знаешь, не получилось убить». И все. И началась гонка. Потому что вообще-то это очень горячо. И эта идея может прийти в голову кому угодно. Данные по нейтрино открыты, с которыми мы работали, конечно. Данные наших наблюдений, квазаров, они все публичные. Ну вот в начале января мы, собственно, обнародовали наши результаты и ждали, что нас размажут по стенке коллеги из коллаборации IceCube, что мы что-то не учли. Но прошло время – и вроде бы все… Ольга Орлова: Хорошо. Но в IceCube узнали о том, что вы сделали? Что вы наложили данные своих наблюдений на маршруты нейтрино, откуда они приходят. Как там среагировали? Юрий Ковалев: На удивление, позитивно. Естественно, скептически, как оно должно быть в науке. «Мы понимаешь, тут работали 10 лет, а тут пришли эти четверо русских». Но когда был сделан как раз Сергеем доклад в группе IceCube в Европе, то, в отличие от комментариев, которые мы ожидали, что «Вы ничего не понимаете о том, как IceCube работает, вы навыдумывали дополнительных ошибок, все накрутили», сказали: «Вы знаете, возможно, именно в ваших данных по квазарам из радиодиапазоне с нашими по нейтрино можно наиболее точно оценить дополнительные систематические ошибки IceCube». Там проблемы заключаются в том, что лед в разные стороны… Лед неоднороден. Ольга Орлова: Да, он же разной плотности. Юрий Ковалев: Характеристики неоднородностей в разные стороны разные. Вообще-то это все пока только половина истории. А вторая половина следующая. Если действительно квазары генерят нейтрино, логично предположить, что это преимущественно происходит во время вспышек их излучения. А вот для того, чтобы сравнить вспышки с нейтрино, нужно, извините, мониторить эти квазары, наблюдать громадное количество квазаров в течение большого времени. А этим уже занимался мой папа на российском телескопе РАТАН-600 в специальной стратегической обсерватории на Кавказе. Ольга Орлова: Тоже Юрий Ковалев. Юрий Ковалев: Да. Совершенно верно. Тоже Юрий Ковалев. Ольга Орлова: То есть у вас в статье, получается, два Юрия Ковалева? Юрий Ковалев: У нас в статье двое Юриев Ковалевых, и это многих путает. Мы взяли данные с РАТАНа. И действительно оказалось, что те самые квазары, которые находятся на небе в направлениях, откуда пришло нейтрино, не только самые яркие, но и действительно они откуда-то знают момент времени, когда мы регистрируем нейтрино, и именно в этот момент также от них видна вспышка радиоизлучения. Так что все прямо… Ольга Орлова: Сошлось. Юрий Ковалев: Да. Ольга Орлова: Но вот смотри. Сейчас вводится в эксплуатацию телескоп на Байкале. Проект на Байкале. Но это подводный телескоп, подводная установка. Как она может повлиять на ваш результат? Даст ли она что-нибудь новое в этом смысле? Юрий Ковалев: Она даст неимоверный вклад вообще в эти исследования по одной простой причине. Мы считаем, что столб забит, квазары ускоряют протоны до нужных энергий – генерят нейтрино. Но, извините, пожалуйста, как ученые… ответили на один вопрос – родили три. Теперь интересно, как они ускоряют протоны, где на самом деле протоны и как рождают эти нейтрино. Вот эти все вопросы теперь, в общем, встали в повестку дня очень серьезно. И просто сказать, что «а, квазары более яркие, которые генерят нейтрино, а, там…» - этого явно недостаточно. Нужно набирать действительно громадный научный материал, на основе которого, собственно, выстраивать физические модели. Как работают нейтринные телескопы? Они регистрируют нейтрино из-под земли, потому что Земля используется как громадный фильтр, все остальные частицы там… Ольга Орлова: Остаются в слоях. Юрий Ковалев: Сгинули. И нейтрино прошло. Соответственно, IceCube, который находится на Южном Полюсе, наблюдает нейтрино, которые приходят с Севера, а «Байкал» будет из-под земли видеть нейтрино, которые приходят почти с Южного Полюса. Таким образом эти два громадных телескопа, ну, грубо куб льда у IceCube и… я не знаю, сколько – куб воды или больше на Байкале – они будут закрывать всё небо, соответственно, регистрировать нейтрино со всего неба, а мы с помощью радиотелескопов (причем, и РАТАН сейчас соответствующую программу ведет, и зарубежные сети телескопов поставили эти программы у себя в высокий приоритет) будем закрывать все или почти все небо в радиоастрономии, одновременно наблюдая эти самые квазары. Ольга Орлова: То есть есть в таком случае вероятность, что в ближайшие годы самые главные свойства нейтрино будут описаны, изучены. И вот начиная с того момента, как они рождаются, будет описана физическая природа нейтрино целиком? Такая вероятность существует? Юрий Ковалев: Никакой ученый на вопрос целиком не ответит «да». Но почти да. А, кроме этого, мы разберемся, как работают космические суперколлайдеры. Ольга Орлова: Ну хорошо. В таком случае я совсем недавно проходила совет по науке при президенте, где Владимир Путин тоже слушал доклад про свойства нейтрино. И он спросил: «Можно ли нейтрино вооружить?» Давай я теперь тебя спрошу в духе Юрия Дудя: «Оказавшись перед Путиным и услышав вопрос, можно ли вооружить нейтрино, что бы ты ответил?» Юрий Ковалев: Надо признать: будущее, когда армии всего мира вооружены нейтрино, представляется мне в абсолютно светлых тонах, потому что мы сегодня уже обсуждали: нейтрино может пройти через что угодно. Представьте, что в вас стреляют с помощью нейтрино. Это будут самые миролюбивые армии в мире. И человеку, который это реализует, несомненно, надо будет дать Нобелевскую премию мира. Ольга Орлова: Спасибо большое. У нас в программе был член-корреспондент Российской академии наук, зависящий лабораторией ФИАН МФТИ Юрий Ковалев. А все выпуски нашей программы вы всегда сможете посмотреть у нас на сайте или на ютьюб-канале Общественного телевидения России.