Проект «Сверхновые для космологии»

Ожидание затянулось на полвека. Для организации Центра астрофизики частиц Национальный Фонд содействия развитию науки в 1988 году выделил Калифорнийскому университету 6 млн долларов. Этот Центр начал использовать различные подходы к раскрытию тайны темной материи. Один из них – обнаружение частиц темной материи в лаборатории. Другой – поиск темной материи в космосе. Третья группа ученых исследовала темную материю на основе имеющихся теорий. Четвертая попыталась определить, сколько темной материи во Вселенной, и сколько вообще материи.

Группа под руководством Сола Перлмуттера и Карла Пеннипакера (первого официального руководителя группы) работала над космологическим проектом «Сверхновые», который также называется «Сверхновые для космологии» или «Космологический проект по изучению сверхновых». Его основной целью было определение космологических параметров Вселенной по наблюдениям далеких сверхновых типа Ia. Дело в том, что сверхновые типа Ia обладают замечательным постоянством в максимуме блеска и поэтому их можно использовать в качестве «стандартных свечей» – объектов, истинная мощность излучения которых известна, и следовательно, их можно применять для точных оценок расстояний. Если пронаблюдать кривую блеска далекой сверхновой и найти ее видимую звездную величину в момент максимума блеска, то, сравнив эту величину с истинной светимостью, можно легко определить расстояние до звезды. С другой стороны, расстояние до этой же звезды можно оценить по ее красному смещению и по задаваемой космологической модели. Сопоставив данные для множества сверхновых в широком диапазоне, можно оценить основные параметры Вселенной – значение постоянной Хаббла, плотность вещества, кривизну пространства.

Что такое сверхновая? Можно сказать, «сверхновая звезда» или «вспышка сверхновой». Это явление, в ходе которого звезда резко меняет свою яркость на 4–8 порядков, то есть десятков звездных величин, затем происходит сравнительно медленное затухание вспышки. Оно происходит в конце эволюции некоторых звезд и сопровождается выделением огромной энергии. Это природный катаклизм. Сверхновые звезды наблюдаются постфактум, то есть когда событие уже произошло, а излучение достигло Земли. Поэтому природа сверхновых долго была неясна. Предлагалось и предлагается много сценариев, приводящих к подобным катаклизмам. Сверхновой дается название, которое составляется из букв SN (supernova – сверхновая на английском), после которых ставят год открытия, а потом одно- или двухбуквенное обозначение. Первые 26 сверхновых текущего года (то есть открытых в текущем году) получают однобуквенные обозначения из заглавных букв от A до Z (буквы английского и латинского алфавита). Остальные сверхновые получают двухбуквенные обозначения из строчных букв: aa, ab… az, ba, bb… bz и так далее. Неподтвержденные сверхновые обозначают буквами PSN (possible supernova – возможная сверхновая) с небесными координатами.

Но для оценки параметров Вселенной вначале сверхновую нужно открыть (это можно сделать и на небольшом телескопе, так как в максимуме блеска она может затмить излучение целой галактики), потом получить ее спектр, убедиться, что она относится к нужному типу, и построить кривую блеска, чтобы с хорошей точностью оценить ее блеск в максимуме. Однако для дальнейшей работы требуются уже крупные телескопы. Но дело в том, что время работы на крупных телескопах, количество которых весьма ограничено, распределено на полгода, а то и на год вперед. Никто не может заранее сказать, когда вспыхнет та сверхновая, для изучения которой понадобится крупный телескоп. Блеск сверхновой нарастает очень быстро – если повезет, то до максимума блеска у наблюдателей есть лишь 1–2 недели.

Решение проблемы с крупными телескопами предложил Сол Перлмуттер. Поскольку Луна делает невозможными наблюдения слабых далеких объектов, начинать работу следует вскоре после новолуния. Относительно небольшие телескопы, которые имелись в распоряжении группы практически в любое время, использовались для получения снимков нескольких десятков участков на небе, причем для увеличения числа объектов следовало наблюдать далекие скопления галактик. Затем, в начале следующего новолуния, эти области снова наблюдали и, используя имеющуюся аппаратуру, сравнивали изображения и выделяли появившиеся за это время точечные объекты.

После исключения возможных дефектов изображений и следов космических частиц остаются кандидаты в сверхновые звезды. Эти кандидаты тут же исследуют на крупном телескопе, время работы на котором было заранее заказано на нужные даты. Такой подход позволяет почти гарантированно открывать вновь возникшие сверхновые, причем, чем больше галактик попало в исследуемую область неба, тем больше вероятность открыть сверхновую. Группа под руководством Перлмуттера успешно использовала эту методику.

Вначале они работали на Канарских островах, ведя наблюдения с помощью двух телескопов, 2,5-метрового и 4,2-метрового, и открыли самую далекую на тот момент сверхновую. В дальнейшем поиск сверхновых производился на 4-метровых телескопах в Австралии и в Чили, а спектральные наблюдения – на одном из 10-метровых телескопов-близнецов в обсерватории на Гавайях. В 1994 году у Перлмуттера уже были результаты наблюдений семи открытых его группой далеких сверхновых. С такими результатами стало легче получать время на крупных телескопах.

Эрнест Лоуренс, американский физик-ядерщик (1901–1958)

Но в Национальной лаборатории в Беркли над раскрытием тайны темной материи работали и другими методами. В конце 1920-х годов физик Эрнест Лоуренс, в честь которого лаборатория была названа, придумал ускоритель частиц, в котором частицы выстреливались не по прямой линии, как в линейных ускорителях, а двигались кругами. Изобретение получило официальное название циклотрон, и неофициальное – «карусель для протонов».

Диаметр первого циклотрона составлял 13 см и его легко могли установить в любой физической лаборатории. В 1940 году диаметр циклотрона достиг уже 4,7 м. Одним из самых известных ученых, работавших в этом направлении и оказавших большое содействие Перлмуттеру, был Луис Альварес, физик-экспериментатор, которого интересовали ускорители частиц, физика элементарных частиц, атомная и ядерная физика, оптика, радиолокация и многое другое. Он – лауреат Нобелевской премии по физике, но широкой общественности скорее известен другими своими достижениями, хотя и сделанными с помощью физики. Например, покадровый анализ так называемого фильма Запрудера – любительской съемки в Далласе в день убийства Джона Кеннеди.

Альварес хотел разобраться, мог ли президента в самом деле убить один человек одним выстрелом, и оказалось, что да. Он участвовал в экспедиции в Египет и при помощи космических лучей попытался выяснить, существуют ли еще ненайденные потайные комнаты в пирамиде Хефрена. В 1980 году он вместе со своим сыном Уолтером, геологом, предложил метеоритную гипотезу исчезновения динозавров. Именно благодаря динозаврам началась совместная работа Альвареса, Ричарда Мюллера, его бывшего аспиранта, и Сола Перлмуттера, который, в свою очередь, был аспирантом Мюллера.

184–дюймовый циклотрон Лоуренса в радиационной лаборатории Беркли, 1942

Альварес с сыном заявили, что динозавры исчезли 65 млн лет назад после того, как в результате падения кометы или астероида на Землю (хотя теория называется метеоритной) нарушилась экосистема на всей планете. Но в 1983 году группа палеонтологов обнаружила свидетельства массового исчезновения видов с определенной цикличностью: каждые 26 млн лет. На следующий год Мюллер высказал предположение о существовании парной звезды у нашего Солнца – Немезиды. Каждые 26 млн лет (27 – по другой версии) Немезида, которая движется по очень сильно вытянутой орбите, подходит относительно близко к Солнцу, и оказываемое ею гравитационное влияние притягивает кометы из самых дальних концов Солнечной системы на орбиты ближайших к Солнцу планет, одной из которых является Земля. Это вызывает глобальные катастрофы каждые 26 или 27 миллионов лет, а они соответствуют графику массовых вымираний на нашей планете. Эту идею можно считать вполне разумной.

Изучение звезд, подобных Солнцу, показало, что примерно 84 % являются частями бинарных систем, а это означает, что если Солнце – одиночная планета, не имеющая «компаньонки», то это аномалия. Мюллер поручил своему аспиранту Перлмуттеру поиск Немезиды, которую в средствах массовой информации стали также называть Звездой смерти. В 1986 году Перлмуттер завершил диссертацию, которая называлась «Астрометрический поиск звездного компаньона Солнца».

Луис Альварес, американский физик-экспериментатор с очень широкой сферой научных интересов (1911–1988)

Для нас также важно то, что Альварес заинтересовался программированием телескопов, так называемой «автоматической астрономией» и поиском сверхновых после того, как прочитал статью о том, что один его знакомый, Стирлинг Колгейт (1925–2013), наследник бизнеса по производству зубной пасты, но физик по собственному выбору, установил автоматизированный телескоп в пустыне штата Нью-Мексико. Идея автоматизированного наблюдения за сверхновыми принадлежит Альваресу. Альварес, Мюллер и Перлмуттер неоднократно работали вместе на одном и том же телескопе (пусть и по разным проектам), а также на других инструментах, в создании которых участвовал Перлмуттер. В 1984 году группа, работавшая над поиском сверхновых в Беркли, стала называться БАСС (BASS), английское сокращение расшифровывается как «команда, занимающаяся автоматическим поиском сверхновых в Беркли». БАСС открыла первую сверхновую 17 мая 1986 года, так что ко времени начала работы по проекту «Сверхновые для космологии» в 1988 году они все давно и хорошо знали друг друга.

Группа, занимавшаяся поиском сверхновых, в процессе работы совершила несколько изобретений, которые оказались полезны для охоты на сверхновые. Первым из них был оптический прибор под названием компаратор, который обеспечивал быстрое переключение между двумя снимками галактики, сделанными с разницей в несколько недель. При использовании компаратора членам группы приходилось полагаться на свои глаза. Однако ему на смену быстро пришли новые компьютерные технологии. Например, одна такая технология позволяла астрономам убрать весь свет из первого снимка, а потом удалить тот же свет из второго, более позднего. Если какое-то свечение на втором снимке оставалось, компьютер подавал сигнал, и тогда уже живой человек принимался за изучение данных. Иногда это были астероиды, кометы, переменные звезды, иногда на инструмент попадал космический луч, но порой свечение вызывала взрывающаяся звезда, выделявшаяся на фоне десятков или сотен миллиардов других звезд, то есть сверхновая.

В 1981 году предсказывали, что астрономы будут открывать примерно по сотне сверхновых в год, но это оказалось слишком оптимистичным предположением. Сверхновые, которыми занималась группа БАСС, находились относительно близко, поэтому не подходили для ответа на вопрос, поставленный в 1988 году. Нельзя определить изменения в скорости расширения Вселенной, пока астрономы не найдут «стандартные свечи» в галактиках, находящихся значительно дальше взятой для примера Хабблом, и чем дальше, чем лучше. То, насколько эти сверхновые – и поэтому их галактики – отклоняются от прямой линии Хаббла, даст астрономам скорость «торможения Вселенной», то есть покажет, как замедляется ее расширение.

Работая в группе БАСС Пеннипакер и Перлмуттер занялись автоматическим поиском сверхновых. Таким образом в 1986 году были открыты еще две сверхновые и одна год спустя. Но вставал вопрос, возможно ли проводить автоматический поиск сверхновых на значительных расстояниях с точки зрения космологии? Мюллер считал этот проект преждевременным, с другой стороны, это был человек, много лет работавший рядом с Луисом Альваресом, обладателем колоссального воображения, а сам он был готов рискнуть своей репутацией в научных кругах, занимаясь поиском Звезды смерти. В результате он дал свое согласие и не прогадал: Центр астрофизики частиц получил миллионы долларов на проведение исследований от Национального Фонда содействия развитию науки.

Отмечу, что хотя официально поиск сверхновых был предложен Ричардом Мюллером и Карлом Пеннипакером, поиск судьбы Вселенной с самого начала связан с именами Перлмуттера и Пеннипакера.

В Центр астрофизики частиц и группу по поиску сверхновых также был приглашен Герсон Голдхабер (1924–2010). Его семья покинула Германию до начала Второй мировой войны, он жил в Каире, Иерусалиме, затем перебрался в США, где защитил диссертацию в Вашингтонском университете. В Беркли он работал с 1953 года, занимался физикой частиц, участвовал в создании Беватрона и сотрудничал со многими учеными, которые в дальнейшем стали нобелевскими лауреатами.

Сверхновые оставались привлекательными потенциальными «стандартными свечами» по ряду причин. Они достаточно яркие, чтобы быть видимыми из самых удаленных участков космоса, а это означает, что астрономы могут использовать их для глубокого исследования истории Вселенной. И «действуют» они во временных рамках, доступных для работы одного человека – это не миллионы лет, яркость усиливается и спадает в течение всего нескольких недель, в отличие от большинства астрономических явлений, например формирования Солнечной системы или скоплений галактик. Астрономы могут фактически наблюдать за «жизнью» сверхновой.

Но есть и проблемы их наблюдения. Сверхновые встречаются редко, нет никакой системы или схемы их появления – неизвестно, когда и куда смотреть, все происходит очень быстро. В нашей галактике Млечный Путь сверхновые появляются в среднем один раз в сто лет. Так что астрономам, занимающимся сверхновыми, приходится наблюдать за большим количеством галактик. И при обнаружении сверхновой действовать нужно быстро, о чем я уже говорил выше.

Сол Перлмуттер, американский астрофизик (род. в 1959)

Группа Перлмуттера и Пеннипакера столкнулась и с чисто техническими проблемами. Основная работа велась в Австралии, где они получили доступ к нужному телескопу. Но компьютеры там были недостаточно мощными для целей проекта, не было широкополосного Интернета, поэтому данные отправлялись в аэропорт Сиднея, там кто-то из группы строчил сотню бумаг и отправлял груз в Сан-Франциско. В США представитель Центра тоже заполнял формуляры, получал груз и вез в Беркли. На одну доставку с места на место уходило двое суток. Потом еще два дня физики в Беркли искали кандидатов на сверхновые и еще день изучали карты звездного неба, на которых отмечены все известные объекты в этом участке неба, – чтобы проверить, действительно ли обнаружена сверхновая. Пять дней – это невероятно долго, если имеешь дело с быстро исчезающим объектом. В дальнейшем группе помогли специалисты из НАСА – они взяли на себя передачу данных из Австралии.

Но за два с половиной года работы группа Пеннипакера и Перлмуттера не обнаружила ни одной сверхновой. Каждые несколько месяцев поиск сверхновых следовало как-то оправдывать, как и траты немалых средств, выделявшихся на это. Отчет принимал внутренний Консультативный совет Центра астрофизики частиц. После того как Пеннипакер (руководитель группы на тот момент) израсходовал лишние средства, а надежды покрыть их из следующего транша растаяли, встал вопрос о новом руководителе. Следующей кандидатурой стал Сол Перлмуттер. Этот человек отличался настойчивостью, умением убеждать и невосприимчивостью к отказам и оскорблениям. Ответ «нет» он не принимал. Кто-то смеялся над ним, у кого-то он вызывал злость и ярость. Но обычно он получал то, что требовалось.

Перлмуттер стал руководителем группы – и вскоре нашлась сверхновая, правда, повода для радости еще не было: данные не имеют значения для космологии, пока не определено, насколько далеко находится сверхновая, то есть ее красное смещение. Для этого требовалось провести спектроскопический анализ. Астрономы четырех обсерваторий в разных точках Земли, имевших необходимое оборудование, двенадцать раз соглашались провести необходимые наблюдения и помочь команде. В одиннадцати случаях это не позволили погодные условия, в двенадцатый раз сломалась аппаратура. Сол Перлмуттер сказал тогда, что их группа напоминает золотоискателей, которые блуждают по пустыне в поисках драгоценного металла, наконец находят его, но золотая пыль сыплется у них между пальцев, и ее уносит ветер.

Помощь, которую уже не ждали, пришла от британца Ричарда Эллиса, который искал сверхновые вместе с датчанами. С ним и связался Перлмуттер. Эллис согласился провести наблюдения 29 августа 1992 года. Старые данные по красному смещению, обнаруженные датчанами, составляли 0,31, что примерно соответствует 3,5 млрд лет назад. Новые данные по красному смещению составили 0,458 или 4,7 млрд лет назад. Группа Перлмуттера осталась в игре.