Поиск - новости науки и техники

Звездный штурм. РАН соединила ведущих астрофизиков

28.09.19

В Международном центре передовых исследований Российской академии наук на базе гостиницы «Узкое» продолжился цикл мозговых штурмов, анонсированный президентом РАН Александром Сергеевым в конце мая. Первые две встречи российских и зарубежных специалистов в новом формате, сочетающем элементы международной конференции и выездного семинара по конкретной научной проблеме, прошли летом этого года и были посвящены исследованиям гелиосферы и преподаванию истории. Теперь ученые из разных стран приняли участие в обсуждении актуальных вопросов по теме «Высокоэнергичные процессы в космических объектах: фундаментальная физика и новые технологии детектирования». Вместе с российскими исследователями мозговой штурм провели астрономы и астрофизики из Аргентины, Германии, Израиля, Ирландии, Италии, Франции и США. Открывали мероприятие А.Сергеев, вице-президент РАН Юрий Балега и научный руководитель Института космических исследований РАН академик Лев Зеленый. О том, какие вопросы поднимались на встрече, «Поиску» рассказал доктор физико-математических наук, руководитель отделения физики плазмы, атомной физики и астрофизики Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе Андрей БЫКОВ.
– В астрофизике высоких энергий сегодня складывается очень интересная ситуация, – поделился ученый. – Появились новые возможности для исследований. Например, мы впервые стали регистрировать космические нейтринные события с энергиями около петаэлектроновольт – их сейчас около сотни. Основные поставщики этих данных – установка IceСube на Южном полюсе и Байкальский нейтринный телескоп, где недавно были получены первые результаты.
– Регистрация этих нейтрино – сложная задача?
– Да, потому что нас интересуют не те частицы, что производятся в огромных количествах космическими лучами в атмосфере Земли, и не низко энергичные солнечные нейтрино, а нейтрино, приходящие от далеких космических объектов. Их необходимо выделить из большого числа событий. Интрига заключается в том, что природа источников таких нейтрино совершенно не ясна. Ледовая обсерватория IceCube и комплекс наземных черенковских гамма-телескопов MAGIC объявили о том, что они идентифицировали одно нейтрино внегалактического происхождения (от блазара TXS 0506+056). На нашей встрече присутствовал Эли Ваксман – один из классиков нейтринной астрофизики, который поставил под сомнение эту интерпретацию и представил свое видение реальной ситуации с наблюдениями, рассказал о том, какие проблемы из всего этого вытекают.
Вторая важная часть наших обсуждений была связана с гравитационными волнами. Специалисты обсерваторий LIGO и Virgo создали каталог десятка гравитационных событий, из которых одно – от 17 августа 2017 года – представляет особый интерес, потому что это – единственный случай, когда гравитационный всплеск также наблюдался в электромагнитном диапазоне (все остальные – только в гравитационных волнах). Если сливаются черные дыры, то существующая теория не предсказывает, что будет какой-то сильный электромагнитный импульс, его рождают процессы с участием нейтронной звезды. То есть произошло слияние либо двух нейтронных звезд, либо нейтронной звезды и черной дыры.
– Это событие вызвало большой резонанс.
– Да, оно породило огромное число публикаций! Любопытно, что в ФТИ им. А.Ф.Иоффе долгие годы работает прибор Konus-Wind, который наблюдает гамма-всплески, и существенная их популяция была открыта нами в конце 1970-х годов. Оказалось, что они делятся на две группы: так называемые короткие жесткие и длинные мягкие. Мы давно подозревали, что короткие жесткие гамма-всплески – это и есть те слияния нейтронных звезд, которые сейчас наблюдают LIGO и Virgo. Кстати, огромный интерес к таким всплескам вызван тем, что кроме фундаментальной физики про них выяснились еще довольно забавные вещи, связанные с некоторыми неясностями в теории эволюции химических элементов. Одна из них – происхождение золота. Основной производитель золота, как сейчас считается, – это слияние двух нейтронных звезд, при котором производится примерно от одной до нескольких масс Земли драгоценного металла.
– И где же это богатство?
– Оно выбрасывается в этом событии. При слиянии нейтронных звезд происходит сильный взрыв, его продукты разбрасываются, и дальше эта выброшенная часть в Галактике как-то перераспределяется. Чтобы образовалось золото, нужны специфические условия: определенная плотность и очень сильный поток нейтронов. Этот поток нейтронов здесь как раз удачным образом формируется, и плотности хорошие, поэтому, согласно моделям, получается, что золота должно быть произведено много – порядка массы Земли. Сейчас некоторые косвенные наблюдения в рентгеновском диапазоне эту версию подтверждают. Это пример того, что называется multimessenger astronomy («многоканальная астрономия»): для того чтобы извлечь какую-то фундаментальную физику и, например, понять происхождение и эволюцию химических элементов, нужно одно и то же событие наблюдать в самых разных диапазонах. Из чисто гравитационно-волнового сигнала ничего нельзя сказать ни про золото, ни про что почти. Богатство начинается, когда вы смотрите все в разных цветах. В «Узком» мы обсуждали разнообразные физические модели, которые с этим связаны, а также наши возможности по созданию новых инструментов для таких многоканальных наблюдений, в частности, черенковскую гамма-обсерваторию ALEGRO в высокогорной пустыне Атакама. ALEGRO сможет регистрировать с рекордно высокой чувствительностью гамма-всплески и другие быстротекущие во времени события, называемые в астрофизике транзиентами, в диапазоне нескольких гигаэлектроновольт. В проекте ALEGRO серьезно заинтересованы наши партнеры из Аргентины, Армении и Ирландии.
– Чем интересны гамма-всплески?
– Это фантастические события, которые являются самыми мощными и яркими во Вселенной. Они, по-видимому, представляют собой специфический продукт коллапса ядра звезды. Примечательно, что открыли их одновременно в США и нашем институте. В 1970-х были созданы спутники для проверки выполнения запрета ядерных испытаний и в качестве побочного продукта этих наблюдений были обнаружены загадочные вспышки, когда небо озаряется в гамма-лучах на несколько мгновений с неимоверной мощностью. Потом все проходит, несколько секунд – и все. Такие события происходят почти каждый день. Сейчас их зарегистрировано несколько тысяч. А поначалу с ними не было никакой ясности. Это могли быть какие-то события, близкие к Солнечной системе, – тогда у них энергетика не очень большая. Могли быть события галактические, их сначала привязывали к процессам на нейтронных звездах – там энергетика выше. Эта загадка существовала довольно долго. Первая публикация по гамма–всплескам вышла в 1973 году, а сегодняшние знание о том, что они являются космологическим объектом, было установлено в 1998 году. Это и раньше предполагали, но не было доказательств.
Сегодня картина в упрощенном виде такая: у вас имеется массивная звезда в несколько десятков солнечных масс, которая живет достаточно короткое время (несколько миллионов лет), после этого она испытывает коллапс ядра, то есть вырабатывает ядерное горючее, формирует железное ядро, и это ядро начинает схлопываться. В результате такого схлопывания может образоваться вращающаяся черная дыра. Ее вращение, вероятно, приводит к формированию «джета» – узконаправленной струи, где выброшено нечто со скоростью, близкой к скорости света. Гамма-всплеск – это, по сути, направленный на вас джет, неимоверно яркое событие. Это глобальная картина, с которой все согласны. Но есть детали. В частности, выяснилось, что если на гамма-всплески посмотреть в разных диапазонах, от оптики до гамма-лучей, то можно отсечь какие-то базовые модели, в которых обнаружены противоречия. Сейчас это широко обсуждается, в «Узком» мы тоже эту тему поднимали.
Другой интересный объект – это магнетары, или нейтронные звезды, обладающие сверхсильными магнитными полями, характеристики которых экстремальны. В лабораториях мы никогда не сможем воспроизвести подобные условия.
– Зачем нужно их изучать?
– Дело в том, что законы природы получены из обобщений данных, имеющихся на Земле. Но у нас нет гарантии, что эти законы являются абсолютно универсальными, то есть работают одинаково во всей области возможных параметров. Наблюдение таких экстремальных состояний вещества, электромагнитного и гравитационных полей (являющихся основным объектом наших исследований) – это фактически проверка основополагающих физических законов в экстремальных условиях.
Часть вопросов в ходе мозгового штурма была посвящена наблюдениям позитронов, то есть антиматерии на орбите Земли. Там тоже есть любопытные вещи. Оказалось, что количество позитронов существенно больше того, что производят космические лучи, то есть должны быть еще какие-то источники. Это вызывает большой интерес. Наличие темной материи установлено по фундаментальным характеристикам движения скоплений галактик, однако природа темной материи остается загадкой.
– Ее пытаются понять и в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН.
– Действительно, на БАК ищут возможных кандидатов на роль темной материи, но пока ничего не находят. Среди них – нейтралино, которые аннигилируют друг с другом, и среди продуктов аннигиляции должно получиться довольно много всего, в том числе и позитроны. Эти частицы особенно интересны, потому что их мало, и поэтому если есть какой-то сильный дополнительный источник, то это может быть темное вещество, а может быть поток позитронов от релятивистских ветров пульсаров.
– На открытии встречи в «Узком» говорилось, что одна из ее целей – обсуждение перспектив международного сотрудничества астрофизиков. Удалось ли о чем-то конкретном договориться?
– Сотрудничество с зарубежными коллегам идет постоянно и в разных форматах. Один из успешных примеров – гамма-лаборатория «Интеграл», запущенная с Байконура нашей ракетой «Протон» еще в 2002 году и давшая немало ценных результатов. Но сейчас можно сделать приборы более высокого уровня. Мы бы хотели, чтобы наш институт был вовлечен в подобные проекты, ведь то, что достигнуто в фундаментальных и прикладных исследованиях полупроводниковых структур и детекторов на их основе (это специфика ФТИ им. А.Ф.Иоффе), можно с успехом применить в современных космических экспериментах.
Мы обсуждали несколько проектов. В частности, европейский e-ASTROGAM, который можно существенно улучшить, если объединить усилия специалистов из Европы и России. Это будет выгодно обеим сторонам. Пока что мы активно участвуем в части обоснования научной программы этой обсерватории, но хотим, чтобы и детекторная часть создавалась с участием нашей страны.
– Какой научный продукт может появиться по итогам встречи?
– Мы подготовим меморандум для РАН и Роскосмоса, в котором будет сформулировано наше понимание того, что может сделать Россия в этой области и в каких международных проектах мы можем участвовать. Л.Зеленый предложил продолжить цикл подобных встреч и снова собраться для обмена мнениями через несколько месяцев.

Светлана БЕЛЯЕВА

Нет комментариев