Юрий Ковалев: Несовпадение предсказаний и наблюдений позволяет нам сделать быстрый шаг в понимании природы Вселенной
Ольга Орлова: Российский телескоп "Радиоастрон" работает на земной орбите 4 года. За это время проект вошeл в Книгу рекордов Гиннеса. А сами учeные получали уникальные данные о космических объектах и межзвeздном пространстве. О том, как проект будет развиваться дальше, мы решили спросить по гамбургскому счeту заведующего лаборатории Астрокосмического центра Физического института имени Лебедева Российской академии наук Юрия Ковалeва.
Здравствуйте, Юрий. Спасибо, что пришли в нашу программу.
Юрий Ковалeв: Здравствуйте.
Юрий Ковалeв. Родился в Москве в 1973 году. В 1997 году окончил Физический факультет МГУ имени Ломоносова. В 2000 году защитил кандидатскую диссертацию, а в 2001 – докторскую. Проводил исследования в Национальной радиоастрономической обсерватории США и в Институте радиоастрономии общества Макса Планка в Германии. Руководитель научной программы международного проекта наземно-космического интерферометра "Радиоастрон". Лауреат премии Российской академии по астрономии имени Бредихина. А также премии фонда "Династия" для молодых докторов наук.
О.О.: Я пригласила вас поговорить о самом интересном сейчас проекте в области астрофизики в России. Проект, который называют флагманом нашей астрофизики, - "Радиоастрон". Как вас представлять – астроном или астрофизик?
Ю.К.: Представляйте, как хотите. Но вы знаете, у нас есть шутка такая, среди астрономов, мы много летаем на конференции. И если вам повезло сесть в самолeте рядом с девушкой и она задаeт вам вопрос "чем вы занимаетесь?". Если девушка симпатичная и у вас есть время и желание поговорить, то вы говорите, что вы астроном. А если желание поговорить не такое серьeзное, вам нужно поработать над презентацией, которую, естественно, вы делаете в последний момент на эту конференцию, тогда вы говорите, что вы астрофизик.
О.О.: То есть у девушек вопросы заканчиваются?
Ю.К.: На слове "астрофизик" – наверное, да.
О.О.: Тогда в таком случае у нас в программе астроном Юрий Ковалeв. И мы говорим про астрономический проект "Радиоастрон". Давайте сначала напомним о том, в чeм особенность этого проекта. Потому что уже 4 года как запущен спутник, вовсю проект работает. Но он же как-то очень хитро специально устроен. Давайте расскажем нашим зрителям, в чeм суть этого проекта.
Ю.К.: Вы знаете, что наша способность исследовать космические объекты с высокой детализацией, так называемое угловое разрешение – оно тем хуже, чем длиннее волна, на которой мы работаем. Соответственно, радиотелескопы работают на очень длинных волнах.
О.О.: Там не такое высокое разрешение, которое бы хотелось.
Ю.К.: Я бы даже сказал, разрешение абсолютно, отвратительно плохое. И около полувека назад наши коллеги вышли с идеей работать не одиночными радиотелескопами, а так называемыми радиоинтерферометрами. Идея заключается в том, что работает группа телескопов. И тогда наше разрешение можно значительно улучшить, потому что оно становится тем лучше, чем больше расстояние между телескопами, формирующими этот интерферометр.
О.О.: То есть у вас получается коллаборация телескопов.
Ю.К.: Совершенно точно.
О.О.: Земных и которые на орбите.
Ю.К.: Вот эта идея была предложена советскими астрономами, астрофизиками Шоломицким, Матвеенко, Кардашeвым, опять же, в середине 1960-х годов. И примерно тогда же была высказана идея, что на самом деле никто не мешает отправить один из этих радиотелескопов в космос. И тогда мы улучшим угловое разрешение, то есть возможность исследовать космические объекты с высочайшей детализацией ещe в такое количество раз, насколько далеко мы отправим телескоп в космос. Собственно, это и было реализовано в рамках проекта "Радиоастрон". Это так называемый наземно-космический радиоинтерферометр. У нас есть один телескоп в космосе, который разработан Россией с участием международной коллаборации, и несколько десятков телескопов на Земле. И благодаря этой идее, которую мы реализовали, мы на сегодняшний день держим рекорд по наивысшему угловому разрешению, достигнутому в астрономии. Я скажу больше – мы, можно сказать, даже построили наибольший измерительный инструмент в истории человечества, если рассматривать "Радиоастрон" как такой виртуальный телескоп размером от Земли до Луны.
О.О.: А в Книгу рекордов Гиннеса как вы попали?
Ю.К.: В Книгу рекордов Гиннеса попал именно космический радиотелескоп. Надо подчеркнуть, что техническая организация проекта – это научно-производственное объединение имени Лавочкина. Они большие молодцы. И в Книгу рекордов Гиннеса космический радиотелескоп попал как наибольший телескоп, запущенный за всю историю человечества. Я напомню, что мы запустили его в закрытом состоянии. Он должен был поместиться под обтекатель ракеты. Поэтому телескоп был сложен, как лепесточки у цветка. И потом, после запуска, он раскрылся.
Мы запустили с космодрома "Байконур" в середине июля 2011 года. И так 20-25 лет разработки. Вы ставите сверху громадной многотонной бомбы, потому что это взрывоопасное топливо, и поджигаете. Российско-украинская ракета "Зенит" вывела в космос наш спутник согласно техническому заданию с необходимой точностью. Потом, опять же, великолепно с высокой точностью отработал разгонный блок, опять же, разработки НПО имени Лавочкина. И примерно через полсуток мы уже были на заданной орбите. После чего НПО стартовало все свои работы. Уже через сутки всe, что должно было раскрыться, было раскрыто успешно, кроме самой антенны. Антенну раскрывали через 5 дней. Я помню, я сидел в маленьком квазицентре управления полeтами. На самом деле, это комната, которая соединяет нас с центром управления полeтами из Института космических исследований в НПО имени Лавочкина. Была дана команда на раскрытие. Примерно 10 минут раскрывались лепестки. Через 10 минут пришла информация о том, что двигатель, который их раскрывал, остановился. Однако подтверждение о том, что лепестки раскрыты, не пришло.
Последующий анализ показал, что, скорее всего, лепестки недораскрылись на несколько сантиметров. И это абсолютно кошмарно, потому что самая короткая длина волны, на которой мы работаем, – это 1.3 см. Соответственно, точность поверхности должна быть примерно в 10-20 раз лучше.
Что сделали наши коллеги из НПО? Они на ночь (помню, это была ночь с пятницы на субботу) повернули наш телескоп его нижней частью, попой к Солнцу, для того чтобы так называемая проставка (кольцо в основании) однородно прогрелась, совершенно однородно. Что и было сделано. И на следующее утро новая команда на дораскрытии прошла успешно. Мы получили подтверждение о том, что телескоп раскрыт успешно.
О.О.: Цветок на Солнце среагировал.
Ю.К.: Да, можно так сказать. Точнее, его именно нижняя часть положительно среагировала на Солнце. После чего была дана команда концевикам зафиксировать лепестки. Они зафиксировали. После этого через 6 дней после запуска мы получили работающее 10-метровое зеркало на орбите вокруг Земли, по которому как раз Книга рекордов Гиннеса и выдала соответствующий сертификат. Мне мои коллеги говорили, что после этого можно пить в Гиннес-пабах бесплатно. Обманули.
О.О.: Вы рассказывали. Я прямо чувствую, что и я, и наши телезрители испытывают какое-то невероятное чувство гордости и радости, что всe это произошло. Но что же в итоге?
Ю.К.: До запуска проекта в космос мы имели определeнные представления о том, что уже нужно делать. И некоторые ключевые научные программы таким образом были нами реализованы. Но на сегодня, когда у нас уже есть статус-кво по нашему проекту, наблюдательное время этого уникального аппарата, наземно-космического интерферометра, раздаeтся учeным, отдельным учeным или научным группам российским, зарубежным и международным в рамках открытого конкурса наблюдательного времени. Таким образом…
О.О.: Вы хотите сказать, что один конкретный астроном и даже астрофизик, назовeм его так, может подать вам заявку, что я хочу воспользоваться возможностями вашего телескопа и всей коллаборации, и хочу получить наблюдательное время.
Ю.К.: Совершенно точно. Вы можете подать заявку, если хотите. Мы не проверяем никаких документов.
О.О.: И любители могут?
Ю.К.: Никакой сертификации нет. И любители совершенно точно могут…
О.О.: Ведь огромное количество любителей-астрономов по всей Земле мечтали бы получить доступ. И вы даeте доступ любителям?
Ю.К.: Совершенно точно. Идея уже примерно полвека назад была предложена. По-английски называется open-sky policy. По-русски, это идея открытого неба. Идея заключается в том, что ведущие мировые телескопы настолько дороги, что странам выгодно их использовать ля решения наиболее актуальных научных задач наиболее передовым образом с наиболее продвинутыми научными группами. То есть выгодно вкладывать эти самые ресурсы или уже потраченные деньги и ресурсы в эти телескопы, для того чтобы решать наиболее передовые научные задачи.
О.О.: С другой стороны, у этого есть какой-то очень мощный философский подтекст того, что небо для всех, и каждый может иметь доступ к тому, чтобы понять, как устроен наш мир. Скажите, такой коллективный разум, который получает доступ к таким совершенным прекрасным инструментам – как-то он сработал, как-то это вам помогло? Ведь фактически, если вы даeте всем доступ, то и все мозги работают на вас?
Ю.К.: Совершенно точно. Именно так оно и действует в астрономии. И астрономия является одной из самых международных, если не самой международной наукой. Небольшое лирическое отступление. Вы говорили, меня даже немножечко дрожь пробила от воспоминания истории, которую мне рассказывали мои американские коллеги. В середине Холодной войны (конец 1960-х – начало 1970-х годов) кошмарные взаимоотношения между Соединeнными Штатами и Советским Союзом. И именно тогда советские учeные опубликовали идею о большом межконтинентальном интерферометре. Наши американские коллеги опережали нас с точки зрения технологий. Там очень важный аспект – это использование водородных атомных часов. У нас с этим было сложнее немножечко. Они первые эксперименты провели в Соединeнных Штатах. Когда пошли на межконтинентальные эксперименты, они обратились в Советский Союз с предложением провести межконтинентальный эксперимент. И один из первых таких экспериментов был проведен между Соединeнными Штатами, обсерваторией в Западной Вирджинии "Грин-Бэнк", где я сам провeл несколько лет, и между телескопом "РТ-22" в Симеизе. И американские коллеги приезжали в Советский Союз.
Так вот, с того времени они остались нашими громадными друзьями. Они вернулись обратно и рассказали, я просто читал их воспоминания, что, вы знаете, русские – они такие же, как мы. Там много анекдотичных историй о том, как их, наверное, шокировало, приходя в туалет в обсерватории и помыв руки мылом. После мытья они рассказывали: руки пахли хуже, чем до. Скорее всего, там лежало хозяйственное мыло. Много других историй. Но они увидели, что мы такие же, как они, мы все одно. Они рассказывали о поразительном опыте, когда, выходя из аэропорта, зовeте такси, им самый что ни на есть обычный таксист говорил: "Американцы, вы же только что на Луну слетали! Поздравляю! Как мы рады за вас!". Действительно, международный разум помогает и как с точки зрения научной двигаться вперeд наиболее оптимальными и большими шагами. И наиболее аккуратно разрабатывать наши миссии. Потому что проект "Радиоастрон" с момента своего начала имело то, что мы называем "Radioastron national science council" – это международный научный координационный совет "Радиоастрон", который включает в себя представителей ключевых международных организаций, занимающихся этой тематикой, экспертов по данной тематике, которые нам рекомендовали в течение всего времени создания и сейчас работы. Но точно так же, естественно, это помогает нам лучше понять друг друга в тех, к сожалению, нередко очень непростых и не только научных ситуациях, которые мы сейчас вокруг наблюдаем, к сожалению, всe больше и больше, всe чаще и чаще снова.
О.О.: О, да. И в связи с этим у меня вот какой вопрос. Ведь "Радиоастрон" – это проект, который осуществляется по заказу Роскосмоса.
Ю.К.: Совершенно точно.
О.О.: А почему же NASA или ESA не заказали аналогичные проекты? Почему американцы и европейцы не стали делать такой проект?
Ю.К.: Именно для того, чтобы не дублировать усилия. На самом деле…
О.О.: Почему они не опередили нас?
Ю.К.: Нас опередили японцы. Был проект наземно-космического интерферометра, который запустили наши японские коллеги, Японское космическое агентство. К сожалению. Им один раз не повезло. А именно – их самая короткая длина волны 1.3 см не сработала. Разошeлся контакт после тряски во время запуска. Чем короче длина волны, тем выше разрешение. Она не сработала. Поэтому их самая короткая длина волны была 6 см. И второй момент – они запустились на орбиту вокруг Земли примерно размером 2.5 диаметра Земли. А мы уходим до 30. То есть они улучшили возможности Земли в 2 раза, грубо говоря, а мы, простите, больше, чем на порядок. Поэтому была надежда в какие-то времена более призрачная. Особенно после развала Союза очень мало кто верил, что проект закончится успехом.
О.О.: Что он состоится.
Ю.К.: Совершенно точно. И во многом благодаря усилиям Николая Семeновича Кардашeва, который своей энергией, верой и безумным оптимизмом довeл его до запуска.
О.О.: Который являлся драйвером этого проекта и является сейчас.
Ю.К.: Драйвером в квадрате. Совершенно точно.
О.О.: Теперь расскажите, стоило ли всe это таких усилий, масштабов, денег? Стоило ли это? Что же вы в результате смогли наблюдать?
Ю.К.: Нам несколько раз повезло. Давайте поговорим сначала про квазары. Квазары – это далeкие галактики. Они в некотором смысле похожи на нашу, а в некотором смысле не похожи. Квазары похожи на нас тем, что в центре этих галактик тоже находятся сверхмассивные чeрные дыры. Однако мы считаем, что они значительно тяжелее, чем чeрная дыра в центре нашей галактики. В центре нашей галактики чeрная дыра, мы считаем, массой порядка 10 млн масс Солнца. В квазарах, мы считаем, миллиарды масс Солнца. Вокруг них сформированы так называемые аккреционные диски. Это диски пыли, газа, диски вещества, которое падает на эту центральную очень тяжeлую, сверхмассивную чeрную дыру. И примерно 10% этого вещества вырывается наружу в виде узких, коллимированных (что то же самое, что узкие, но более красивое научное слово, которое использовал бы астрофизик).
О.О.: Если бы хотел закончил разговор, а мы хотим продолжить.
Ю.К.: Да, совершенно точно. Узких струй этого вещества. Что это такое? Это, скорее всего, опять же, астрофизик сказал бы – релятивистские электроны, мы скажем – быстрые электроны, которые двигаются со скоростью, примерно равной скорости света. И если у вас есть заряженная частица, электрон, который двигается со скоростью, примерно равной скорости света, и у вас есть магнитное поле, то он будет излучать так называемым синхротронным механизмом открыто на Земле, когда на Земле как раз электроны – вот и раскрутили на ускорителе до скорости около скорости света. И вот квазары, излучение этих джетов или струй вещества мы на Земле и наблюдаем. Они находятся на расстоянии миллиардов световых лет. Естественно, надо их как-то разглядеть. И вот "Радиоастрон" был для этого использован.
Были предсказания о том, насколько яркими могут быть ядра этих квазаров. И "Радиоастрон" показал, что эти предсказания были ошибочными. На самом деле оказалось, что ядра квазаров более яркие, чем то, что мы считали раньше.
О.О.: Скажите, пожалуйста, для астрономов что важнее и что эмоционально интереснее – когда предсказания, сделанные теоретиками, наблюдения подтверждают или опровергают? Что есть больший вызов?
Ю.К.: Это сложный вопрос. Но упрощeнно я скажу, что любое несогласие между предсказаниями теории и наблюдениями является наиболее интересным.
О.О.: Это интрига?
Ю.К.: Да. Кроме того, что это интрига, это, наверное, наиболее эффективный способ сделать большой шаг вперeд быстро в понимании природы Вселенной.
О.О.: А ведь для того, чтобы правильно понимать, что мы видим, огромную роль, как я понимаю, во Вселенной играет наше знание о межгалактическом пространстве. Потому что именно от его состояния, физических и химических характеристик очень сильно зависит то, что мы сможем разглядеть на таких огромных расстояниях. Про это что вы поняли?
Ю.К.: Совершенно точно. И это очередной пример из серии, когда наши предсказания полностью были просто порушены результатами наблюдения "Радиоастрона". Предсказания до запуска проекта "Радиоастрон" в космос были следующие: скорее всего, приeмник 90 см, стоящий на борту, даст очень малый научный выход. Почему? Потому что та самая межзвeздная среда, которая находится в нашей галактике (пыль, газ) мешают. Каким образом они мешают? Они приводят к тому, что объекты, которые мы видим – они кажутся нам больше, чем они есть на самом деле. А если ваш размер большой, то "Радиоастрон" ничего не увидит. Потому что "Радиоастрон" построен для того, чтобы исследовать тонкую структуру космических объектов. Соответственно, чем больше длина волны, тем не только у нас хуже разрешение, но самое страшное то, что тем эффективнее работает межзвeздное рассеяние в нашей галактике. И фактически это можно себе представить…
О.О.: То есть размывается вся картинка?
Ю.К.: Вы наблюдаете фонарь в тумане. На длине волны 90 см самые интересные объекты – это пульсары. Потому что у пульсаров чем длиннее радиоволна, на которой вы их наблюдаете, тем ярче их излучение.
О.О.: Это вид нейтронных звeзд?
Ю.К.: Пульсары – это нейтронные звeзды размером примерно 10 км, которые вращаются и таким маячком бьют по нам. В результате своего вращения их лучик чиркает по Земле. И в результате пульсируют. Вначале, когда наши коллеги в Англии их увидели впервые, экспериментаторы не слышали про идеи пульсаров, тогда это только начинало появляться у некоторых теоретиков в головах, посчитали, что это вообще зелeные человечки.
О.О.: Это же с этим была связана история, что это свет инопланетян?
Ю.К.: Абсолютно точно.
О.О.: И эти исследования англичане засекретили?
Ю.К.: Засекретили. У меня есть коллеги, которые жаловались мне на то, что они были (по-моему, в Кембридже открыли пульсары) в это время в Кембридже, общались с теми людьми, которые их открыли, но они ни слова не сказали. Но мы в проекте "Радиоастрон" использовали пульсары как маячки, которые пронизывают межзвeздную среду. Их радиоизлучение было трейсером межзвeздной среды. И с их помощью мы исследовали межзвeздную среду. Мы смогли оценить параметры межзвeздной среды, плотность облаков межзвeздного газа, расстояние до них и так далее. Но самое неожиданное и интересное оказалось в следующем. Мы думали, что при увеличении базы интерферометра чем дальше уходит наш телескоп от Земли, тем больше база интерферометра, тем выше наше угловое разрешение. Мы считали, что достаточно быстро уже на несколько диаметров Земли мы перестанем видеть пульсары, что они совсем рассеются. Оказалось, это не так. Оказалось, есть эффект в межзвeздной среде, который приводит к тому, что насколько бы высокое угловое разрешение не было у пульсаров, мы будем видеть часть излучения пульсаров на этом интерферометре. Это очень интересный, очень хитрый физический эффект.
О.О.: Но это же большое везение?
Ю.К.: Это безумно большое везение. Более того, я вам расскажу, что после того, как мы открыли этот эффект на пульсарах, мы предсказали, вот, группа, которая занимается пульсарами и межзвeздной средой предсказала, что, извините, если это физика, то она должна работать одинаково для пульсаров, а также для других объектов, скажем, для квазаров, для центра нашей галактики. И мы уже провели эксперименты, проверяющие это. И мы подтвердили этот эффект уже и на других объектах. Уже опубликованы статьи на эту тему. Это очень интересный эффект, связанный с тем, что когда излучение проходит через межзвeздную среду, вы вместо того, чтобы наблюдать один объект, у вас изображение вашего объекта множится. Вам кажется, как будто этих объектов на небе несколько. И из-за интерференции, сложения, пересечения лучей от множественного изображения объекта, который вы излучаете, вы видите такие странные, знаете, как такие остаточные зайчики от солнца на воде. Борис Штерн предложил это сравнение, когда мы впервые наблюдали этот эффект.
И что интересно, вы можете использовать этот эффект не только для того, чтобы ещe более глубоко, с большими подробностями исследовать межзвeздную среду, но мы уже предложили идею о том, чтобы, используя этот эффект, научиться восстанавливать реальное изображение объекта, которое оказалось смазанным вот этой самой межзвeздной средой.
О.О.: Реконструкция?
Ю.К.: Совершенно точно. И эта идея на самом деле на много лет, потому что она требует громадной работы теоретиков. Но она будет работать не только для проекта "Радиоастрон", но и для других проектов, которые сегодня рассматриваются, включая проект, так называемый "телескоп горизонта событий", который строится на Земле, который будет работать на очень коротких длинах волн, уже начинает работать, который будет пытаться увидеть и провести картографирование тени от чeрной дыры в центре нашей галактики и в других галактиках.
О.О.: Я хотела спросить. Ведь когда проект разрабатывался, тень от чeрной дыры была заявлена как одна из научных задач проекта. И как же?
Ю.К.: Тень от чeрной дыры – рассказываю. У нас было два наиболее перспективных объекта. Один из них – это центр нашей галактики. И второй – это галактика в созвездии Дева. Так называемый объект "Дева А". Но мы говорили с самого начала, что да, мы будем проводить эксперимент для картографирования тени от чeрной дыры. Однако нам должно повезти в каком смысле? Нашего углового разрешения достаточно, чтобы увидеть тень от чeрной дыры. Но нам должно повезти в том смысле, чтобы плотные облака пыли и газа, которые закрывают центральные объекты в галактиках, включая нашу галактику, оказались достаточно прозрачными, для того чтобы мы это увидели. И похоже, что всe-таки на самой короткой длине волны 1 см проекта "Радиоастрон" они недостаточно прозрачны. Вот это самое поглощение нам мешает.
Но есть два решения. Одно решение – это новый проект, который сейчас ведeт астрокосмический центр, который называется "Миллиметрон", который уходит на более короткие длины волн, где нам уже рассеяние мешать не должно, потому что чем короче длина волны, тем меньше рассеяние. И вторая идея, про которую мы говорили – это разработать способ, с помощью которого мы можем учесть рассеяние и уйти от размазывающего эффекта рассеяния, чтобы восстановить картинку, что происходит.
О.О.: Юрий, вы меня прямо успокоили. Потому что НПО Лавочкина официально заявило, что предполагаемый срок работы "Радиоастрона" на орбите – это 5 лет. Может быть, конечно, и проработает дольше. Ведь мы знаем, что есть вполне объекты, которые летают довольно долго, хотя должны были бы уже выйти из строя. Но вы так интересно рассказывали. Мне кажется, мы уже со зрителями просто сроднились с "Радиоастроном". И если на следующий год начнут сбываться предсказания НПО Лавочкина, и вдруг он выйдет из строя, мы понимаем, что на этом наша жизнь с астрофизиками и с астрономами не заканчивается. Что всe-таки есть "Миллиметрон" и есть другие способы увидеть тень от чeрной дыры.
Спасибо большое. У нас в программе был заведующий лабораторией Астрокосмического центра Физического института имени Лебедева Российской академии наук Юрий Ковалeв.