Новий крок науки про космос: пришестя багатоканальної астрономії
Олексій Левін
Інфографіка, на якій порівняно розміри купола Надзвичайно великого телескопа (Extremely Large Telescope, ELT) з іншими великими наявними чи майбутніми наземними телескопами. ELT, з головним дзеркалом діаметром 39 метрів, буде найбільшим в світі телескопом оптичного та ближнього інфрачервоного діапазонів. Фото з сайту www.eso.org. Підписи українською: ВЦ «Наше небо».
Як уже розповідала ТрВ-Наука №240, 16 жовтня 2017 року на кількох прес-конференціях (зокрема у Вашингтоні, Лондоні та Москві) було оголошено про нову демонстрацію можливостей гравітаційно-хвильової астрономії. З осені 2015 року американський подвійний детектор гравітаційних хвиль Advanced LIGO разом з молодшим італійським партнером VIRGO знайшли в космічному просторі гравітаційні сліди зустрічі чорних дір: LIGO — чотири рази, а VIRGO — одноразово. А 17 серпня 2017 року ці прилади зареєстрували розтягнуті на сотню секунд збурення геометрії простору-часу, зумовлені спіралеподібним зближенням двох нейтронних зір незадовго до їхнього зіткненням.
Щоправда, гравітаційний слід останнього з цих катаклізмів не вдалося зареєструвати, бо буквально в останній момент зустрічі небесних об’єктів частоти гравітаційних хвиль вийшли за межі чутливості обох спостережних станцій. Розрахунки показують, що результатом зіткнення може бути нейтронна зоря більшої маси, ніж маса кожної окремої зорі до злиття. Також можна очікувати виникнення сильно нестабільного згустку нейтронної речовини (який за час від секунди до декількох годин після цього колапсує в чорну діру), або ж появи нової чорної діри. Поки не ясно, що відбулося в цьому випадку насправді.
Однак, значення відкриття, зареєстрованого під позначенням GW170817, аж ніяк не зводиться до самого факту гравітаційного детектування злиття нейтронних зір. Зрештою, в радіусі мільярдів світових років від Землі щорічно відбувається кілька таких подій. Варто зазначити, що LIGO здатна стежити за ними на відстанях не більше 250 млн світлових років (у 2019 році ця межа зросте до 650 млн). У цьому випадку, сигнал прибув з відстані 130 мільйонів світлових років, що варто вважати немалим досягненням. В будь-якому разі, перша реєстрація зіткнень нейтронних зір була питанням часу. Тому 17 серпня 2017 року ввійде в історію як попередник революційних змін в науці про космос.
На чому, власне, ґрунтується такий прогноз? Злиття чорних дір відбуваються практично в порожньому просторі і тому не генерують нічого, окрім гравітаційних хвиль. Нейтронні зорі при космічних зіткненнях «лоб-в-лоб» продукують при цьому величезну кількість екзотичної речовини, яка сигналізує про себе електромагнітними хвилями і потоками релятивістських частинок. Їх можна спостерігати впродовж кількох місяців, а то й років, що дає можливість інтегрувати роботу гравітаційних детекторів з великою кількістю наземних і космічних спостережних засобів, які стежать за сигналами з космічного простору. Першим прикладом практичної реалізації цієї можливості став активізований подіями 17 серпня феєричний сплеск активності астрономів і астрофізиків по всьому світі. Кількість обсерваторій, які взяли участь у «гонці за лідерами» LIGO і VIRGO, перевищила сім десятків — цей факт справді вражає!
Космічні месенджери
А тепер найголовніше. В багатьох публікаціях, присвячених GW170817 і всьому, що за ним випливало, з’явилося ще не надто відоме словосполучення «багатоканальна астрономія» («ММА, або multi-messenger astronomy — мультимедійна астрономія»). Мається на увазі перехід астрономії (і, природно, астрофізики) до комплексної та практично одночасної обчислювальної та теоретичної обробки сигналів про космічні події, спричинені різними фізичними процесами і тому приходять по багатьох каналах. Ці канали, до яких частіше всього відносять імпульси гравітаційних хвиль або потоків рентгенівських квантів, зараз прийнято називати месенджерами. (Наскільки я знаю, вперше цей термін з’явився в книзі «Advanced Gravitational Wave Detectors» («Розширений детектор гравітаційних хвиль»), ed. by D. E. Blair et al, Cambridge University Press, Cambridge, 2012, p. 105.)
Про що, власне, мова? Астрономія, як відомо, може використовувати і такі месенджери, як небесні тіла — скажімо, метеорити чи комети, спостереження яких багато розповідають про далеку периферію Сонячної системи. Немало інформації про Сонце приходить з сонячним вітром — потоками протонів і електронів, що долітають до Землі зі швидкістю в кілька сотень кілометрів за секунду.
Одначе, для отримання відомостей про дальній космос, особливо про події поза межами нашої Галактики, потрібні месенджери іншого роду, що рухаються зі швидкістю (або майже) світла, причому найкраще по невикривлених трасах. Це імпульси електромагнітних хвиль і хвиль тяжіння (на квантовій мові — потоки фотонів і гравітонів), а також елементарні частинки, які не мають електричного заряду і тому не відхиляються космічними магнітними полями. Поки в цій якості працюють лише ті нейтрино, які мають нікчемно малу масу і тому рухаються практично зі швидкістю світла (втім, не без того, що коли-небудь відкриють й інші схожі месенджери). Заряджені частки (протони і антипротони, ядра гелію та важчих елементів, а також електрони й позитрони), які входять до складу первинних космічних променів, також можуть розганятися до релятивістських швидкостей, проте місця їх народження відслідковувати набагато складніше.
Астрономія, як відомо, одна з найдавніших наук. Якщо вважати, що її родоначальником був засновник першої обсерваторії античного світу і творець першої математичної моделі Сонячної системи Евдокс Кнідський, то вік її сягає щонайменше 24 століття. І майже весь цей час астрономи виконували спостереження лише в оптичному сегменті електромагнітних хвиль, тобто в видимій ділянці спектра. В термінах енергії фотонів, ширина цього діапазону менше одного електрон-вольта — від 1,7 еВ в червоній частині спектру до 3,1 еВ на фіолетовому її кінці. В наші дні можливості астрономічних спостережень стали незмірно ширшими. Нині дослідникам космосу доступні сигнали, які переносять фотони з енергією від однієї мільйонної частки електронвольта (радіовипромінювання) до 300 млрд еВ (верхня межа чутливості оглядового гамма-телескопу на борту космічної обсерваторії Фермі). Енергії космічних нейтрино реєструють аж до 1015 еВ, а протонів — навіть до 1020 еВ, так що ширина діапазону енергій переносників сигналів становить 26 порядків.
Варто звернути увагу на той факт, що астрономія освоїла все гігантське різноманіття космічних месенджерів за дуже короткий час. Спостереження зоряного неба в інфрачервоних променях ведуть з середини XIX століття (спочатку на Землі, а з 1983 року — в космосі, і не тільки навколо-земному, але й навколо-сонячному).
Згодом настала черга радіоастрономії. Перший справжній радіотелескоп з поворотною параболічною антеною в 1937 році побудував американець Ґроут Ребер, з його допомогою він створив першу карту радіо-неба.
До ультрафіолетового діапазону спектру астрономи перейшли дещо пізніше, десь близько 1970 року. Рентгенівська астрономія веде відлік з 1949 року (або навіть з 1978-го, якщо пов’язати день її народження із запуском першого супутника з рентгенівським телескопом). Перший гамма-телескоп відправили в навколоземний простір в 1961 році (на борту американського супутника Explorer 11). Космічні промені відкрив співробітник віденського Радіоінституту Віктор Гесс в 1912 році.
Залишається згадати ще два месенджери — нейтрино і гравітаційні хвилі. Нейтринна астрономія почалася з вимірювання щільності потоків цих часток, що виникли під час термоядерних реакцій на Сонці. Рей Девіс і його колеги запустили перший детектор сонячних нейтрино в глибокій шахті в штаті Південна Дакота в 1968 році. Пізніше з’явилися апаратні комплекси, здатні зареєструвати нейтрино, які прилетіли з далекого космосу. Найбільша з таких установок, IceCube Neutrino Observatory, працює на Південному полюсі. Саме на ній в 2013 році зареєстрували три (всього три!) нейтрино з енергіями порядку 1015 еВ — це не перевершений і донині рекорд! І, нарешті, 14 вересня 2015 року інтерферометри комплексу Advanced LIGO вперше виявили сплеск гравітаційних хвиль, чим започаткували початок ери гравітаційної астрономії.
Хоча LIGO і VIRGO можуть реагувати тільки на катастрофічні події типу зіткнень чорних дір та/або нейтронних зір, після вже запланованої модернізації, ймовірно, зможуть надійно детектувати гравітаційні хвилі, які випромінюють дві нейтронні зорі, тобто подвійна нейтронна зоря, що стабільно обертаються навколо загального центра інерції.
Еволюція телескопів
Класична телескопічна астрономія за останні десять років теж радикально змінилася. Новіші телескопи-рефлектори працюють не тільки в видимому, але й в інфрачервоному діапазоні — наскільки це дозволяє земна атмосфера. Ба більше, в наступному десятилітті передбачається ввести в дію три телескопи-супергіганти (два в Чилі й один на Гаваях), які дотягнуться і до ультрафіолету. Нині телескопи стандартно оснащені (і будуть обладнані) системами активної та адаптивної оптики — перша виправляє механічні деформації дзеркал, друга компенсує атмосферні збурення, які «розмивають» спостережувані світлові сигнали. Ці системи, особливо адаптивна оптика, практично зрівняли спостережні можливості земної та космічної астрономії. Тепер найбільші стаціонарні телескопи забезпечують краще розділення, властиве не тільки Космічному телескопу імені Габбла, але й майбутньому інфрачервоному космічному телескопу «Джеймс Вебб». Варто відзначити, що нові телескопи змінили характер астрономічних спостережень. Відійшов у минуле романтичний образ спостерігача-одинака, що проводить ночі в обсерваторії, а також за проявленням та аналізом фотоплатівок. Нині астрономи використовують телескопи так само, як і фізики прискорювачі. Левову частку роботи виконують експлуатаційники, які наводять телескопи на заданий об’єкт, знімають показання детекторів і передають їх дослідникам по комп’ютерних лініях зв’язку. Більше того, з’явилися і автоматизовані телескопи, цілком і повністю керовані дистанційно. Такі «безлюдні» спостереження стали невід’ємною частиною ММА.
Наука майбутнього
Отже, спостереження з допомогою широкого набору месенджерів вийшли на передній край астрономії та астрофізики. Вони обіцяють особливо багатий урожай в галузі вивчення найбільш високоенергетичних космічних процесів і подій, результатами дослідження яких може стати уточнення і навіть перегляд як астрофізичних моделей, так і фундаментальних фізичних законів. Модернізація наявних дослідницьких комплексів (наприклад, передбачуване десятикратне збільшення чутливості IceCube) і створення цілої серії установок нового покоління (таких як гігантська підводна нейтринна обсерваторія KM3NeT, яку будують в Середземному морі за 40 км від Тулона), додадуть багато фактів у кошик наших знань про світ.
Так художник уявляє майбутню нейтринну обсерваторію KM3NeT, яку споруджують в Середземному морі. Мал. з сайту en.wikipedia.org.
Не менш важливими є й інші фактори, зокрема, те, що поява ММА вже привела до зміни соціальної структури науки про Всесвіт. Вона стимулювала формування нових великих дослідницьких колаборацій, таких як Європейська гравітаційна обсерваторія з штаб-квартирою в Піссі, що об’єднує вчених з Італії, Франції, Нідерландів, Вірменії, Іспанії та Польщі. У неї є власна організаційна структура у вигляді АМОN (Astrophysical Multimessenger Observatory Network, Астрофізична мережа багатоканальної астрономії), створена під егідою Пенсільванського університету в 2012 році.
Астрофізична мережа багатоканальної астрономії (AMON). Мал. з сайту www.amon.psu.edu.
AMON ставить за мету спрощення обміну інформацією, отриманою через різні космічні месенджери в реальному масштабі часу. Про досягнутий рівень інтеграції свідчить і той факт, що в аналізі відкриття GW170817 брали участь біля п’яти тисяч спеціалістів. Загальний висновок вищесказаного: ММА (багатоканальна астрономія) — наука майбутнього.
Джерело: Газета «Троицкий Вариант», № 242, стр. 3
Переклад з російської зробив Георгій Ковальчук
