Дмитрий Вибе (ИА РАН) об астрофизических измерениях

АрхивИнтерактив

На чем основано знание о Вселенной? Насколько оно надёжно и обоснованно? На вопросы отвечает сотрудник Института астрономии РАН Дмитрий Вибе.

Научное знание копится веками. В стремлении постичь мир ученые строят гипотезы и теории, проектируют и воплощают в жизнь сложнейшие научные установки. В естественных науках все можно проверить экспериментом. Практически весь мир (условно, конечно) можно поместить в научной лаборатории. Именно здесь решаются проблемы медицины, физики, химии, биологии, генетики и других наук. Но есть нечто, что никогда не поместится ни в одну лабораторию мира. Это - наша Вселенная. "Эксперименты" с ней может проводить только сама природа, а человеку остается лишь наблюдать за этим процессом.

Астрономия, наука о строении, развитии и структуре небесных тел и Вселенной, стоит особняком среди естественных наук, так как ей недоступны прямые эксперименты, и строить свои теории она может, лишь отталкиваясь от наблюдательной базы. Тем не менее мы знаем, что такое звёзды, как движется межзвёздное вещество, почему и как Вселенная расширяется и другие, немыслимые для обывательского понимания вещи.

На чем основано это знание? Насколько оно надёжно и обоснованно? На что опирается астрономический научный аппарат? О методах астрофизических измерений мы разговаривали с доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Института астрономии РАН Дмитрием Вибе.

- Дмитрий Зигфридович, насколько обоснованно сегодня разделение астрофизики на наблюдательную и теоретическую?

- Это разделение присуще всем естественным наукам, и астрономия (астрофизика) - не исключение. Общий принцип работы незыблем: наблюдатель при помощи телескопов собирает информацию, теоретик при помощи моделей пытается понять, что она означает. При этом современный телескоп - это устройство, очень сложное в технологическом плане, и без должной квалификации невозможно ни составить план наблюдений, ни провести их, ни обработать потом результаты.

Астрофизические модели также очень сложны, поскольку моделировать приходится очень сложные реальные объекты. Поэтому даже в простой модели зачастую сочетаются в той или иной степени чуть ли не все отрасли современной физики. Поэтому быть одновременно и хорошим наблюдателем, и хорошим теоретиком одному человеку невозможно. С другой стороны, конечно, наблюдатель должен иметь представление о теоретических моделях (чтобы наблюдать то, что нужно для их подтверждения или опровержения, а не то, что удобно наблюдать), а теоретик должен иметь представление о возможностях современных телескопов (чтобы результатом моделирования была не красивая анимация, а реально проверяемое предсказание).

- Астрономия вообще и, в частности, астрофизика, развивается стремительнее многих других наук. С чем это связано? Что является двигателем прогресса в этой науке?

- Двигателем прогресса в астрофизике, как ни скучно это прозвучит, является развитие технологий. За последние несколько десятилетий (начиная, скажем, с середины прошлого века) астрофизическая картина мира претерпела кардинальные изменения. При этом собственно физическая основа астрофизических моделей за это время проэволюционировала не столь значительно. До сих пор в профессиональной литературе в ходу имена Кеплера, Ньютона, Эйлера, Максвелла... Но вот техника наблюдений и моделирования изменилась неимоверно. Соответственно, грандиозно вырос объём информации о Вселенной, которую мы в состоянии получить и обработать. Главное достижение состоит, пожалуй, в том, что у нас появилась возможность проводить наблюдения во всём диапазоне электромагнитных волн - от гамма-излучения до радиоволн. Да и компьютерная техника заметно "подросла". Первые численные модели астрофизических процессов в 1960-е годы выполнялись на компьютерах, которые в современном мире по мощности могли бы конкурировать разве что с мобильниками.

Если же говорить более конкретно, то большой вклад в развитие астрофизики внесла гонка вооружений. Многие численные гидродинамические модели, физические базы данных попадали в астрофизику из Лос-Аламоса и других подобных учреждений. Не для астрофизических нужд разрабатывались изначально такие прорывные технологии, как адаптивная оптика и детекторы жёсткого излучения. Некоторые важные астрофизические явления и объекты (гамма-всплески, инфракрасные тёмные облака) были обнаружены при помощи военных спутников.

- Каждая наука имеет свою методологию. Какие есть особенности у методологии астрофизики?

- Можно, пожалуй, выделить две ключевые особенности: невозможность проведения запланированного эксперимента и возможность наблюдения исследуемых объектов только с одной стороны. Физик (как правило) имеет возможность так построить эксперимент, чтобы в нём наиболее выпукло проявлялся какой-то специфический процесс. В астрофизике эксперимент ставит Природа, которая нимало о нуждах исследователя не заботится. Допустим, физик хочет в деталях исследовать колебания маятника. Он сделает его из немагнитного материала, поместит на жёстком подвесе в суперизолированное помещение, откачает воздух, поставит десять камер, чтобы следить за маятником с разных ракурсов. В астрофизике тот же маятник будет сделан из материала с неизвестными магнитными свойствами, помещён в магнитное поле, подвешен на резинке, с одной стороны на него будет налетать поток газа, с другой - космические лучи, и наблюдать всё это можно будет только с одной стороны, как правило сбоку в плоскости колебаний.

Ещё один важный фактор - разнообразные эффекты наблюдательной селекции, суть которых сводится к тому, что внимание наблюдателя привлекают, в первую очередь, наиболее яркие и, как следствие, наименее типичные объекты.

Из-за этих ограничений в астрофизике к теоретической интерпретации наблюдений приходится подходить особенно жёстко. В частности, обязательно необходимо проверять, насколько предлагаемое объяснение согласуется с данными из других отраслей астрофизики. Это в общем тоже ложится на учёного дополнительным бременем: он не может позволить себе разбираться только в своей узкой области.

- В астрономии много разделов, какой из них самый сложный в смысле получения информации?

- Да в общем-то ни один из этих разделов особой лёгкостью не отличается. Но самые значительные сложности, наверное, у космологов. Им приходится иметь дело с очень большим объектом, и для выявления каких-то закономерностей необходимо с высоким качеством наблюдать если не всё небо, то по крайней мере значительные его участки, причём с

использованием космических обсерваторий. Эта задача всё ещё остаётся очень ресурсоёмкой.

- Каким инструментарием обладает астрофизика? Каким образом, наблюдая свет от удаленных звёзд, астрофизики определяют их параметры?

- Практически единственный источник информации о космических объектах - это электромагнитное излучение. Конечно, есть ещё космические лучи и нейтрино, но по информативности они со светом конкурировать не смогут ещё очень долго. Поэтому в основе астрофизического инструментария лежит, с одной стороны, необходимость зарегистрировать электромагнитное излучение, с другой стороны, необходимость понять, как оно было сгенерировано.

К счастью, электромагнитное излучение буквально напичкано информацией. Эта информация зашифрована в виде спектра - распределения энергии излучения по частотам. Общая форма спектра зависит от температуры объекта: чем объект горячее, тем дальше максимум его излучения сдвинут в область больших частот (очень горячие объекты светят в рентгеновском и гамма-диапазонах, очень холодные - в инфракрасном и миллиметровом диапазонах), сдвиг спектральных линий относительно "лабораторного" положения говорит о скорости движения вещества по лучу зрения, ширина спектральных линий - о температуре и плотности вещества. По интенсивности различных линий одного и того же элемента можно определить его содержание и состояние ионизации.

- Предположим, природу звёзд еще можно постичь. А как быть с более абстрактными явлениями, такими, как кривизна пространства?

- На самом деле, природа звёзд не более и не менее абстрактна, чем природа гравитации. Астрофизика, физика, вообще наука - это очень практическая часть человеческой деятельности, в которой не так много места для абстракций. Во всех случаях мы имеем дело с одной и той же логической схемой: есть наблюдения и есть модель, которая их объясняет. Свойства звёзд удаётся объяснить, исходя из предположения, что в их недрах происходят термоядерные реакции. Поведение луча света вблизи Солнца или, например, смещение перигелия Меркурия удаётся объяснить, исходя из предположения об искривлении пространства. Оба предположения являются равноправными составными частями общей физической картины Мира.

- Как обнаруживают экзопланеты, ведь они невидимы напрямую?

- Почему же не видны? В некоторых случаях внесолнечные планеты уже удаётся наблюдать непосредственно. В других случаях (их, правда, пока большинство) на помощь приходят косвенные методы, из которых наиболее продуктивны метод лучевых скоростей и метод затмений. В первом методе используется тот факт, что на самом деле не планета вращается вокруг звезды, а звезда и планета вращаются вокруг общего центра масс. Это небольшое движение звезды приводит к тому, что она движется то к наблюдателю, то от него. В результате из-за эффекта Допплера её спектральные линии смещаются то в синюю, то в красную область спектра. Эти колебания и выдают присутствие невидимого спутника. Если масса спутника не превышает 13 масс Юпитера, его считают планетой. Правда, метод лучевых скоростей позволяет определить не саму массу, а только её нижнюю границу, точнее, он позволяет определить произведение массы планеты на синус угла между плоскостью её орбиты и небосводом.

Метод затмений работает тогда, когда плоскость орбиты планеты почти параллельна лучу зрения. В этом случае планета на каждом обороте проходит перед звездой, частично затмевая её свет. Метод затмений более сложен, но и информации даёт больше. В частности, для затмевающих планет удаётся измерять массы, спектры и радиусы. То есть он, в отличие от метода лучевых скоростей, позволяет не просто зафиксировать сам факт наличия планеты, но и определить её физические параметры и даже свойства атмосферы.

- А как можно исследовать свойства атмосферы, если нельзя увидеть даже саму планету?

- Здесь также работает спектральный анализ. Если речь идёт о затмевающей планете, то во время затмения, то есть в тот момент, когда планета проходит по диску звезды, газовая оболочка планеты поглощает часть звёздного света, и это добавочное поглощение можно зафиксировать в наблюдениях. В тех же (пока редких) случаях, когда удаётся увидеть саму планету, возможно получить и её спектр - непосредственно, а не в виде едва заметного изменения в спектре звезды.

- Чёрные дыры представляют собой особый класс объектов, так как сами ничего не излучают. Каким образом они были обнаружены, и как были измерены их массы?

- Измерение масс чёрных дыр - как раз тот случай, когда прекрасно работают законы четырёхсотлетней давности, законы Кеплера. Наблюдая движение вещества по кеплеровским орбитам, можно определить массу того тела, вокруг которого обращается вещество. В ряде случаев оказывается, что вещество вращается вокруг "пустого" места, то есть источник тяготения в фокусе орбиты есть, обладает весьма заметной массой и при этом невидим. Очень наглядный пример - объект в центре нашей Галактики. Вокруг него вращается несколько звёзд, орбиты которых измерены с очень высокой точностью. Из параметров этих орбит видно, что звёзды движутся в поле тяготения объекта массой в несколько миллионов солнечных масс. При этом объект невидим (видно лишь слабое рентгеновское излучение падающего на него газа) и обладает очень небольшими размерами. Всё это - характерные признаки чёрной дыры.

- А можно ли объяснить эти признаки, не привлекая теорию чёрных дыр? Есть ли другие гипотезы?

- Да, время от времени публикуются статьи, посвящённые попыткам объяснить поведение звёзд в центре Галактики другими объектами - нейтринными шарами, бозонными звёздами и прочее. Однако эти объекты более экзотичны, чем чёрные дыры, а в науке принято правило, согласно которому предпочтение отдаётся более простому объяснению.

- Большая часть массы Вселенной состоит из тёмной энергии и тёмной материи, природа которых неизвестна. Как астрофизика изучает их?

- Тёмная материя локальна, её признаки наблюдаются не только в масштабах Вселенной, но и в отдельных скоплениях галактик, и в самих галактиках. Поскольку тёмная материя является источником гравитационного притяжения, её распределение можно исследовать по наблюдениям явлений, связанных с гравитацией, например по наблюдениям гравитационного линзирования. Здесь в общем ситуация примерно та же, что и с чёрными дырами, - действие поля тяготения фиксируется совершенно уверенно, а его видимый источник отсутствует. Только речь идёт не об очень компактном массивном теле, а напротив, о распределении невидимого вещества в масштабах скопления галактик.

Тёмная энергия - вещь глобальная, и её признаки проявляются в космологических наблюдениях, то есть, по сути, в наблюдениях Вселенной как целого. Но методика и здесь остаётся той же: теоретики рассчитывают, как должна выглядеть Вселенная (крупномасштабное распределение вещества, свойства микроволнового фона) при том или ином соотношении обычного вещества, тёмного вещества и тёмной энергии, а наблюдатели проверяют, насколько эти предсказания оправдываются на практике, например в наблюдениях анизотропии микроволнового фонового излучения.

- Расскажите, пожалуйста, о связи астрофизики и физики элементарных частиц! Ждут ли астрофизики каких-то определенных результатов от LHC?

- На самом деле, астрофизика - это не какая-то отдельная отрасль физики, подобная физике элементарных частиц или, скажем, физике твёрдого тела. Это скорее система применения знаний из различных областей физики к космическим объектам. Поэтому астрофизика связана и с физикой элементарных частиц, и с кинематикой, и с гидродинамикой.

При этом есть, конечно, разделы астрофизики, которые к физике элементарных частиц особенно близки. Это, например, физика космических лучей и космология, исследования вспышек сверхновых и процессы в нейтронных звёздах. Результаты LHC имеют скорее общефизическое значение, чем конкретно астрофизическое. Поэтому рискну сказать, что астрофизикам в массе не так важно, какие конкретно результаты будут получены на LHC. Хотя, конечно, очень интересно будет узнать, какие результаты там будут получены.

-А как же, например, эксперименты на LHC, предназначенные для проверки теоретических моделей столкновения космических лучей высокой энергии с молекулами атмосферы? Или вообще проверка Общей теории относительности? Разве новые данные LHC не ограничат (или расширят) модели, используемые в астрофизике?

- Астрофизика объединяет в себе сотни, может быть, даже тысячи моделей. В очень многих моделях ни релятивистских эффектов, ни энергий, для которых был построен LHC, нет. Соответственно ни результаты LHC, ни результаты проверок ОТО на этих моделях никак не скажутся. На самом деле если бы, скажем, эффекты ОТО играли столь большую роль в рядовых физических и астрофизических процессах, для проверки ОТО не приходилось бы проводить сложных и дорогостоящих экспериментов. Сложность её проверки обусловлена именно тем, что она зримо проявляется лишь в довольно исключительных обстоятельствах, которые во Вселенной редки.

- Может ли современная астрономическая картина мира оказаться неверной?

- Это сложный вопрос, и ответ на него будет зависеть от того, что конкретно понимается под астрономической картиной мира и какой смысл вкладывается в слово "неверна". Строго говоря, наши "руки" (в виде космических аппаратов) протянулись лишь чуть дальше, чем на 100 астрономических единиц от Солнца. Всё, что мы "знаем" вне этих пределов, является результатом интерпретации наблюдений электромагнитного излучения и космических лучей, то есть результатом того самого центрального процесса - построения моделей и их сопоставления с наблюдениями. При этом, даже если удаётся построить модель, которая хорошо описывает имеющиеся наблюдения и позволяет предсказать результаты новых наблюдений, остаётся вопрос единственности. Не существуют ли другие модели, которые будут не менее успешны?

Тем не менее мне кажется, что в своих основах астрономическая картина мира уже навсегда останется неизменной. Слишком многочисленны и разветвлены наблюдательные факты, на которых она строилась и строится. Невозможно, например, предположить, что энерговыделение в звёздах вызывается не термоядерными реакциями, не потянув массу последствий для других аспектов астрономической картины мира, начиная со структуры галактик и заканчивая химическим составом метеоритов. Об этом, кстати, часто забывают авторы самодеятельных научных "теорий": в астрофизике факты чаще всего нельзя объяснять поштучно.