НАУКА О КОСМОСЕ НА НОВОМ ВИТКЕ: ПРИШЕСТВИЕ ММА

11 февраля 2016 г. на пресс-конференциях в США и Европе было одновременно объявлено о крупнейшем научном достижении — первой прямой регистрации гравитационных волн. Эпохальное открытие сделали члены международной коллаборации LIGO, объединяющей более 1000 ученых из 15 стран. Они обнаружили гравитационно-волновой след космического катаклизма, рожденного слиянием пары черных дыр. Вскоре появились сообщения о регистрации еще двух таких слияний, пойманных двумя детекторами коллаборации LIGO. Это были первые — и какие великолепные! — успехи новой, гравитационной астрономии.

Вскоре последовало не менее великолепное продолжение. 14 августа 2017 г. свой первый всплеск гравитационных волн, связанный со слиянием черных дыр, зафиксировал итальянский детектор Virgo, а 16 октября 2017 г. было объявлено о новой демонстрации возможностей гравитационной астрономии. 17 августа 2017 г. обсерватории LIGO и Virgo зарегистрировали растянувшиеся на сотню секунд возмущения геометрии пространства-времени, обусловленные спиралевидным сближением двух нейтронных звезд непосредственно перед их слиянием. Правда, след финала этого катаклизма поймать не удалось, поскольку в момент удара частоты гравитационных волн оказались за пределами чувствительности обеих обсерваторий. Расчеты показывают, что результатом слияния могло стать образование нейтронной звезды большей массы, либо возникновение сильно нестабильного сгустка нейтронного вещества (который за время от секунды до нескольких часов коллапсировал в черную дыру), либо непосредственное появление новой дыры. Пока не ясно, что произошло на самом деле.

Значение этого открытия отнюдь не сводится к факту гравитационного детектирования слияния нейтронных звезд. В конце концов, в радиусе 1 млрд световых лет от Земли ежегодно происходит несколько подобных событий. Правда, LIGO способен отследить их на расстояниях не более 250 млн световых лет (в 2019 г. этот предел возрастет до 650 млн). В данном случае сигнал пришел с дистанции «лишь» 130 млн световых лет, что стоит счесть немалым везением. Во всяком случае, первая регистрация столкновения нейтронных звезд была вопросом времени. И все же она войдет в историю как еще один предвестник революционных перемен в науке о космосе.

На чем основан такой прогноз? Слияния черных дыр происходят практически в пустом пространстве и потому не порождают ничего, кроме гравитационных волн. Сталкивающиеся нейтронные звезды, напротив, оставляют за собой сверхгорячую экзотическую материю, которая дает о себе знать электромагнитными волнами и потоками релятивистских частиц. Их можно наблюдать как минимум несколько месяцев, а то и лет, что дает возможность интегрировать работу гравитационных детекторов с великим множеством наземных и космических обсерваторий, отслеживающих сигналы из космического пространства. Первым примером практической реализации этой возможности стал инициированный событиями 17 августа 2017 г. феерический всплеск активности астрономов и астрофизиков во всем мире. Количество обсерваторий, принявших участие в «гонке за лидерами» LIGO и Virgo, превысило 70 — это впечатляет.

А теперь самое главное: развитие MMA, или в российской терминологии многоканальной астрономии.

О чем же речь? Астрономия, как известно, может использовать и такие мессенджеры, как небесные тела — скажем метеориты или кометы, наблюдения за которыми немало рассказывают о дальней периферии Солнечной системы. Богатая информация о Солнце приходит с солнечным ветром — потоками протонов и электронов, долетающих до Земли со скоростями в несколько сотен километров в секунду. Однако для получения сведений о дальнем космосе, особенно о событиях за пределами нашей Галактики, потребны мессенджеры иного рода, путешествующие со световой или почти световой скоростью, причем лучше всего по неискривленным путям. Это импульсы электромагнитных и гравитационных волн (на квантовом языке — потоки фотонов и гравитонов), а также элементарные частицы, которые не несут электрического заряда и потому не отклоняются космическими магнитными полями. Пока в этом качестве работают одни лишь нейтрино, которые имеют ничтожно малую массу и потому движутся практически со скоростью света (впрочем, не исключено, что когда-нибудь откроют и другие подобные мессенджеры). Входящие в состав галактических космических лучей заряженные частицы (протоны и антипротоны, ядра гелия и более тяжелых элементов, а также электроны и позитроны) тоже могут разогнаться до релятивистских скоростей, однако места их рождения отследить намного труднее.

Астрономия, как известно, одна из древнейших наук. Если считать, что ее родоначальником был основатель первой обсерватории античного мира и создатель первой математической модели Солнечной системы Евдокс Книдский, то ей уже 24 столетия. И почти все это время астрономы вели наблюдения лишь в оптическом сегменте электромагнитных волн, то есть в видимом свете. В терминах энергии фотонов ширина этого диапазона меньше полутора электронвольт — от 1,7 эВ в красной части спектра до 3,1 эВ на фиолетовой границе.

В наши дни возможности астрономических наблюдений стали неизмеримо обширней. Сейчас исследователям космического пространства доступны сигналы, которые переносят фотоны с энергиями от 10–6 эВ (радиоволны) до 300 млрд эВ (верхний предел чувствительности обзорного гамма-телескопа на борту космической обсерватории имени Ферми). Энергии космических нейтрино регистрируются вплоть до 1015 эВ, а протонов — даже до 1020 эВ. Так что ширина диапазона энергий переносчиков сигналов составляет 26 порядков!

И вот что примечательно. Астрономия освоила все гигантское разнообразие космических мессенджеров за очень короткое время. Наблюдения небосвода в инфракрасных лучах ведут с середины XIX в. (сначала на Земле, а с 1983 г. — в космосе, и не только околоземном, но и околосолнечном). Затем настала очередь радиоастрономии. Первый настоящий радиотелескоп с поворотной параболической антенной в 1937 г. построил американец Гроут Ребер и с его помощью создал первую карту радионебосвода. Ультрафиолетовая астрономия возникла гораздо позже, где-то около 1970 г. Рентгеновская астрономия ведет начало с 1949 г. (или даже с 1978 г., если связать день ее рождения с запуском первого спутника с рентгеновским телескопом). Первый гамма-телескоп отправили в околоземное пространство в 1961 г. (на борту американского спутника Explorer 11). Космические лучи открыл сотрудник венского Радиевого института Виктор Гесс больше 100 лет назад, в 1912 г.

Остается упомянуть еще два мессенджера — нейтрино и гравитационные волны. О гравитационных волнах уже говорилось выше. Нейтринная астрономия началась с измерения плотности потоков этих частиц, возникших в ходе термоядерных реакций в ядре Солнца. Рэй Дэвис и его коллеги запустили первый детектор солнечных нейтрино в глубокой шахте в штате Южная Дакота в 1968 г. Позже появились приборные комплексы, способные зарегистрировать нейтрино, пришедшие из далекого космоса. Крупнейшая из этих установок, IceCube Neutrino Observatory, работает на Южном полюсе.

Классическая телескопическая астрономия за последние десятилетия тоже радикально изменилась. Новейшие телескопы-рефлекторы работают не только в видимом, но и в инфракрасном диапазоне — насколько это позволяет земная атмосфера. В третьем десятилетии XXI в. предполагается ввести в действие три телескопа-супергиганта (два в Чили и один на Гавайях). Сейчас телескопы стандартно оснащают (и будут оснащать) системами активной и адаптивной оптики: первая исправляет механические деформации зеркал, вторая компенсирует атмосферные возмущения, которые «размывают» приходящие световые сигналы. Эти системы, особенно адаптивная оптика, практически уравняли обсервационные возможности земной и космической астрономии в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Теперь крупнейшие стационарные телескопы обеспечивают разрешение на этих длинах волн, сравнимое с разрешением «Хаббла» и не запущенного еще инфракрасного космического телескопа имени Джеймса Уэбба.

Стоит отметить, что новые телескопы изменили характер астрономических наблюдений. Ушел в прошлое романтический образ наблюдателя-одиночки, проводящего ночи в обсерватории, а дни — за проявкой и анализом фотопластинок. В наши дни астрономы используют телескопы так же, как физики — ускорители. Львиная доля работы приходится на эксплуатационщиков, которые наводят телескопы на заданную цель, снимают показания детекторов и передают их исследователям по цифровой связи. Более того, появились и автоматизированные телескопы, целиком и полностью управляемые дистанционно. Такие «безлюдные» наблюдения стали неотъемлемой частью многоканальной астрономии.

Итак, наблюдения посредством широкого набора мессенджеров вышли на передний край астрономии и астрофизики. Они обещают особенно богатый урожай в области изучения наиболее высокоэнергетичных космических процессов и событий, следствием которого может стать уточнение и даже пересмотр как астрофизических моделей, так и фундаментальных физических законов. Так, стоит отметить, что многоканальная регистрация слияния нейтронных звезд дала возможность показать, что отношение скоростей распространения световых и гравитационных волн по модулю отличается от единицы менее чем на 10–16. Этот результат не только вновь подтверждает основы эйнштейновской ОТО, но и позволяет отсеять несколько конкурирующих теорий гравитации. Уже запланированная модернизация исследовательских комплексов (к примеру, предполагаемое десятикратное увеличение чувствительности IceCube) и создание целой серии установок нового поколения (таких как гигантская подводная нейтринная обсерватория KM3NeT, сооружаемая в сорока километрах от Тулона) добавят немало фактов в копилку наших знаний о мире.

Наконец, появление MMA привело к обогащению социальной структуры науки о космосе. Оно стимулировало формирование новых крупных исследовательских коллабораций, таких как Европейская гравитационная обсерватория со штаб-квартирой в окрестности Пизы, объединяющая ученых из Италии, Франции, Нидерландов, Венгрии, Испании и Польши. Имеется также организационная структура в лице AMON (Astrophysical Multimessenger Observatory Network), созданная в 2012 г. под эгидой Пенсильванского университета. AMON ставит своей целью упрощение обмена информацией, полученной через различные космические мессенджеры, в реальном масштабе времени. О достигнутом уровне интеграции свидетельствует тот факт, что в «освоении» открытия GW170817 участвовали около 5000 специалистов. В общем, ММА — наука будущего.

При всей молодости ММА она уже может похвастаться немалым числом успехов. Конечно, первый и главный — детектирование гравитационных волн, возникающих при столкновении и слиянии черных дыр и нейтронных звезд. Но не только. Например, в январе 2018 г. появилось сообщение о том, что анализ данных, полученных в ходе детектирования гравитационных волн от столкновения нейтронных звезд, позволил оценить чрезвычайно важный для теоретической астрофизики верхний предел массы нейтронной звезды, составляющий 2,26 масс Солнца. Хотя эта оценка нуждается в подтверждении, ее получение методами многоканальной астрономии само по себе очень важно.

Стоит упомянуть еще одно важнейшее событие, которое дополнило достижения многоканальной астрономии. Весной 2019 г. члены международной научной коллаборации EHT обнародовали «портрет» горизонта событий исполинской черной дыры, расположенной в ядре галактики М87. Реализация этого проекта потребовала, помимо всего прочего, обработки петабайтного объема первичной информации, собранной в ходе совместной работы восьми радиоастрономических обсерваторий, расположенных на разных континентах. Таковы масштабы современной многоканальной астрономии. И это ведь только начало!