«Мы хорошо понимаем природу 5 процентов Вселенной»

23 марта 2016

А. М. Быков, руководитель отделения физики плазмы, атомной физики и
астрофизики ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН, профессор кафедры космических
исследований политехнического университета

– Что у нас происходит с исследованиями в области астрофизики, и какие позиции мы сейчас занимаем в сравнении с международными коллегами?

– Астрофизика – в значительной мере международная наука. Так как наиболее серьезные эксперименты требуют огромных вложений, большинство из них являются просто международными. Россия (Российская академия наук, российские университеты) участвует во многих международных проектах. Конечно, есть и свои собственные. Если говорить про международные проекты с нашим участием, то самый простой пример – это открытие гравитационных волн, о котором вы знаете из недавних новостей. Хотя открытие было сделано на территории Соединенных Штатов, но в сам проект были вовлечены тысячи людей из разных стран. Просто потому, что этот проект требовал огромного комплекса исследований. Там было много технологических вызовов, которые удалось решить; там было много проблем, связанных с обработкой данных с учетом самых разных факторов, которые могли бы повлиять на интерпретацию результатов. В решении этих проблем участвовали и российские ученые из разных институтов.

Мы тоже многие годы участвуем в совместных космических проектах. Я – сотрудник физико-технического института имени Иоффе, где руковожу отделением физики плазмы, астрофизики и атомной физики, и одновременно профессор кафедры космических исследований политехнического университета. У нас общий коллектив исследователей, и мы заняты в ряде международных проектов, в частности по гамма-астрономии. Здесь наши интересы лежат в области исследования космических объектов с экстремальным выделением энергии. А проявляют себя эти объекты так: примерно один раз в сутки все небо (если б наши глаза могли видеть его в гамма-лучах) на очень короткое время озаряется гамма-лучами. Это явление обнаружили в конце 60-х – начале 70-х годов, когда была актуальна проблема контроля за ядерными испытаниями. Одной из технологий контроля была регистрация гамма-излучения, возникающего при таких испытаниях. И вот вышло так, что обнаружили – совершенно случайно – эффект периодического озарения неба в гамма-лучах. Первые результаты были опубликованы по результатам спутников «Вела» (США) и советских аппаратов серий «Венера» и «Космос» (с детекторами, сделанными в ФТИ им. Иоффе). Причем открытые всплески гамма-лучей были не земного, а космического происхождения. Их источники оставались полностью загадочными до конца 90-х годов и сейчас находятся в центре внимания исследователей. Только к 2000 году была надежно установлена природа всплесков. Сейчас мы уже точно знаем, что гамма-лучи, озаряющие наше небо, имеют космологическое происхождение, то есть их источники находятся во многих случаях просто на краю наблюдаемой Вселенной. А сами эти источники всплесков – это самые энергичные объекты во Вселенной. Детальные исследования источников сегодня очень актуальны как для моделирования физических процессов в окрестности черных дыр звездных масс, так и для космологических исследований.

– Это эхо Большого взрыва?

– Нет, это не эхо Большого взрыва. Источниками гамма-всплесков являются взрывы звезд. Так называемые сверхновые звезды. Физика сверхновых сейчас – очень актуальное направление астрофизики. Сверхновые звезды – источники основных химических элементов во Вселенной, источники излучения и ускорители частиц самых высоких энергий (пока недоступных даже на лучших ускорителях-коллайдерах на земле). Сверхновыми звездами активно занимаются во всем мире и, конечно, российские астрономы и физики. В частности, ими занимаемся мы – здесь, на политехнической площадке.

– Вы сказали, что астрофизика – это международная сфера исследований. На самом деле, все ли здесь честно? Нет ли такого, что мы больше отдаем, чем получаем, потому что большие проекты находятся на территории, а значит, и в ведении других государств? Или там все равноценно организовано и у нас есть свободный доступ ко всем данным?

– Данные космических обсерваторий, которые находятся на орбите, находятся в общем доступе в сети Интернет, примерно одинаковом для всех. В международных проектах всегда имеется соглашение о распределении данных между коллективами до момента, когда они становятся общедоступными. В общем же, принцип работы большинства космических обсерваторий заключается в следующем. Если у вас есть определенная идея и вы хотите проверить какую-то свою гипотезу, свою теорию, свои соображения, то вы можете подать заявку на наблюдения на эту международную обсерваторию. Такая заявка пишется по определенным правилам. Обычно она довольно небольшая, всего несколько страничек, обычно четыре. В заявке вы обосновываете свою идею, предлагаете конкретное наблюдение для ее проверки, а затем обосновываете осуществимость этого наблюдения. Просто потому, что не все идеи можно проверить на данном аппарате. Если вы смогли это сделать, то вашу заявку рассматривает международная комиссия, члены которой необязательно являются представителями стран-участниц создания обсерватории. Я, например, состою в программных комитетах некоторых проектов, где наша страна не вкладывала фонды в приборы, но участвует в формировании и оценке наблюдательных проектов обсерваторий. Аналогично иностранные ученые работают в российских проектах. Рассмотрев все заявки и отобрав наиболее интересные и обоснованные, комитет включает их в программу наблюдений обсерватории. Часть наблюдательного времени (а оно очень дорогое) комиссия отдает, согласно соглашению о распределении данных, странам, финансировавшим проект. Однако, как правило, основная часть наблюдательного времени отдается на открытый конкурс заявок исследователей безотносительно их национальной принадлежности. Как правило, конкуренция за наблюдательное время очень высокая. Ели ваша заявка принята, то вы получаете приоритетное право в течение года работать с данными, полученными обсерваторией в ходе заявленных вами наблюдений. То есть в течение года никто, кроме вас, не получит доступ к вашим данным. За год вы должны их обработать и затем опубликовать эти результаты. Логика такого распределения наблюдений времени состоит в желании максимально эффективно использовать приборы (и вложенные бюджетные деньги) в целях получения новых знаний. Это стандартный подход ко многим крупным проектам в фундаментальной науке, что безусловно заметно отличается от практики планирования и реализации прикладных исследований.

– Вы считаете, что территориальный принцип в науке уже не работает?

– Есть и национальные обсерватории. У нас, например, есть оптические телескопы в Зеленчуке: 6-метровый телескоп в специальной астрофизической лаборатории, радиотелескопы, космические проекты с отечественными приборами. Еще раз: крупные прорывные проекты в области фундаментальных исследований являются очень дорогими и технологически чрезвычайно сложными, они сегодня осуществимы только в условиях широкого международного сотрудничества.

– Нам все-таки нужны такие новые большие проекты? Например, нужно ли нам организовывать какие-то международные коллаборации на своей территории?

– Это уже делается – например, космические проекты. В ближайшие дни с нашего космодрома будет запущен проект «ЭкзоМарс», совместный с европейскими учеными. В начале следующего года будет запущена новая космическая обсерватория «Спектр-Рентген-Гамма». На ней стоит отечественный прибор, сделанный в институте космических исследований (ИКИ РАН), так и немецкий прибор «е-Розита», а данные заранее поделены. Есть договоренность, что данные с одного полушария неба будут сначала переданы российским участникам, а с другого полушария – будут сначала обрабатывать немецкие институты. А потом все эти данные станут публичными. В этом и заключается специфика сегодняшней астрофизики. Ведь раньше астрономия и астрофизика были устроены так: вот вы наблюдали какой-то объект, снимали его на фотопластинки, но эти пластинки лежали только у вас. Ну, может, ваши студенты или ваши сотрудники имели к ним доступ, но больше никто, и в результате большая часть информации не была доступна и обработана. Сейчас же вся информация немедленно оцифровывается. Большая часть этой информации, по истечении некоторого периода времени, доступна в сети Интернет. Если вы обладаете знаниями, как обрабатывать данные, и у вас есть идеи и модели для их интерпретации, то все будут только рады, что вы будете это делать. Неважно, в какой стране и в каком проекте были получены эти данные. Создатели и конструкторы астрономических проектов и их институты обычно сами заинтересованы в том, чтобы их данные были проанализированы как можно глубже и детальнее. Просто потому, что они потратили очень большие деньги (космические проекты стоят миллиарды долларов), а научные коллективы их собственных институтов невелики. И все хотят, чтобы все данные были максимально эффективно задействованы в интересах фундаментальной науки, которая двигается вперед на основе новых знаний, полученных из астрономических наблюдений. В свою очередь, современная фундаментальная наука просто необходима для новых прикладных разработок и высоких технологий. Наши отечественные космические проекты стоят многие миллиарды рублей. И мы, безусловно, добиваемся, чтобы вся фундаментальная наука, которая есть в наших данных, не лежала мертвым грузом и после определенного периода, в течение которого только авторы проекта имеют приоритетные права на их анализ и публикацию.

– Говорят о том, что сейчас наблюдается массовизация науки.

– Да, среди активных «добровольцев» часто бывают люди, вышедшие на пенсию, студенты, и не только они. Я знаю, что среди наших выпускников есть люди, которые работают в совершенно других отраслях, но сохраняют интерес к науке. Например, человек работает в страховой компании, но у него сохранился интерес к астрономии, он купил себе небольшой телескоп и наблюдает кометы, звезды и галактики. Особенно важно здесь то, что сегодня, благодаря Интернету, у любого человека есть доступ к самым современным данным. Примерно через год после получения очень многие данные можно найти в открытом доступе в Сети. Это становится все более и более популярным. У нас на кафедре космических исследований введены специальные курсы обработки данных. Каждый студент, который получает у нас диплом, прошел несколько таких курсов. Задача наша и разработчиков – сделать средства обработки доступными каждому, что по-английски называется user-friendly, и научить обрабатывать и анализировать данные максимальное число людей. И чем больше людей занято анализом данных, чем полнее эти данные используются, больше новых знаний и открытий делается, и тем больше это оправдывает бюджетные затраты на получение этих данных.

– Сейчас часто говорят о том, что традиционные рамки между дисциплинами начинают размываться, рушиться. Что сейчас происходит в астрофизике?

– Безусловно, междисциплинарность у нас очень сильна. Исторически и традиционно астрофизика лежит на стыке астрономии, математики, физики и химии. В настоящее время к ним, естественно, добавились информационные и вычислительные технологии, получение и обработка изображений, проектирование высокочувствительных детекторов. Важное направление развития астрофизики – это связь с науками о жизни, исследование физики Земли и астробиология.

Например, наблюдая какой-либо космический источник, вы получаете не только его изображение, но и его спектр – зависимость детектированного потока излучения от частоты или энергии частиц. В наблюдаемом спектре вы можете обнаружить, в частности, спектральные линии различных химических элементов, сделать заключение о присутствии этих элементов в самом источнике или его окрестности, и об их количестве. Именно благодаря спектральным наблюдениям мы поняли происхождение всех химических элементов – откуда они взялись, как образовывались. В частности, стало понятно, как, скажем, образовалась углеродная жизнь, откуда взялся углерод, откуда – кислород. Повторюсь, что астрономия с физикой, химией и математикой увязывалась давно. Сейчас очень активное развитие имеют астробиология и связи с науками о жизни.

– Вы имеете в виду поиск потенциально обитаемых планет?

– Да, активные поиски так называемых экзопланет. На сегодняшний день это пока весьма упрощенная вещь; то есть просто мы знаем, что у некоторых звездных систем есть планетоподобные объекты, которые вращаются вокруг них. Физические свойства этих объектов известны мало. Сейчас будут направлены огромные ресурсы во всех космических агентствах (и в российском, и в международных) на тонкие спектральные наблюдения слабых сигналов экзопланет, то есть на попытки понять, есть ли зоны обитания. В традиционном смысле, чтобы была жизнь, надо, чтобы была вода.

– Это исходя из земных представлений.

– Да, но всегда с чего-то начинают. Конечно, и сейчас уже делаются попытки понять какие-то физические характеристики этих экзопланет. Но пока информации здесь мало, это еще нарастающая область. Астробиология, в частности, интересуется пределами возможности жизни вообще и установлением зон возможного жизненного обитания. Жизни – как мы ее понимаем, то есть какие должны быть потоки излучения, чтобы они поддерживали энергобалансы, а не убили все живое, какие возможны терморежимы, наличие воды и ряд других факторов.

– А насколько реалистична идея о том, чтобы такие проекты, как ЦЕРН, переносить в космос?

– Это довольно старая история. Очень известный советский ученый, академик Яков Борисович Зельдович однажды сказал, что Вселенная – это ускоритель для бедных. Зельдович сказал это еще до того, как появилась возможность строить мощные ускорители, подобные большому адронному коллайдеру в ЦЕРНе. Ведь астрофизики имеют дело с космическими объектами, в которых идут процессы ускорения частиц до очень высоких энергий. Эти частицы приходят на Землю, где можно их наблюдать, через взаимодействие с нашей атмосферой. Энергии этих космических частиц как минимум на 3 порядка выше энергии тех частиц, которые сегодня можно изучать на коллайдере в ЦЕРНе. Другое дело, что в ЦЕРНе это – управляемый процесс: мы знаем, где частицы должны появиться в коллайдере, управляем их пучками и ставим детекторы частиц. А космические частицы приходят когда хотят и появляются где хотят. Тем не менее исторически, с момента возникновения квантовой механики – с 30-х годов прошлого века, – основную информацию по теории фундаментальных процессов взаимодействия частиц в природе давали именно исследования космических лучей. По некоторым наблюдаемым следствиям (от прямого попадания ускоренных частиц нас, к счастью, защищает атмосфера) люди понимали, когда частицы попадали в атмосферу, как они погибали в ней, как создавали каскады вторичных частиц, так называемые широкие атмосферные ливни. Люди ставили детекторы для регистрации эти «ливней». Это делалось в горах, это делалось на земле. Люди проверяли разные гипотезы о природе взаимодействия частиц на основе сделанных измерений, и были сделаны многие фундаментальные открытия. Это не потеряло своей актуальности и в настоящее время, в сочетании с использованием данных современных коллайдеров.

Сейчас есть новое экспериментальное направление – физика нейтрино высоких энергий. По-прежнему, безусловно, актуальна физика нейтрино низких энергий – именно за нее была прошлая Нобелевская премия, но сегодня впервые стали возможны измерения космических нейтрино высоких энергий. Космические нейтрино высоких энергий очень сложно наблюдать, их потоки весьма малы. Для обнаружения реакций с их участием нужны очень большие объемы прозрачного плотного вещества (масса детектора должна быть порядка миллиарда тонн). Как, например, толстые панцири чистого льда на Южном полюсе или прозрачные глубокие воды озера Байкал. Задача построить на Байкале нейтринный телескоп была поставлена еще в 70-х годах прошлого века, и сейчас телескоп уже дает некоторые результаты. Альтернативой является использование льда. Американцы в коллаборации сделали на Южном полюсе прибор, который называется IceCube – ледяной куб. Прибор, по сути, являет собой кубический километр льда, пронизанный прочными нитями с закрепленными на них детекторами. На сегодняшний день этот прибор обнаружил уже примерно 55 событий нейтрино. Кажется, что это очень мало, что это какая-то ерунда или очень дорогое удовольствие, поскольку, естественно, и Байкал, и Южный полюс требуют соблюдения чрезвычайно высоких экологических стандартов при конструировании детекторов. Однако, по сути, с постройкой нейтринного детектора открылось новое окно во Вселенную. За последние 5 лет у людей появилось 2 таких новых окна наблюдения за Вселенной – это гравитационные волны и нейтрино высоких энергий.


– Расскажите о своем опыте работы в совместных проектах.

– Конечно, мы активно работаем со многими университетами по всему миру. Я, вообще-то, теоретик, поэтому у нас проще. Участвую в экспериментальных проектах и как руководитель, и просто как участник. У нас есть совместные проекты по гамма-астрономии – так называемая обсерватория «Интеграл», которая будет работать до 2018 года. «Интеграл» расшифровывается как International gamma-ray laboratory. Этот орбитальный проект был запущен в 2000 году на нашем знаменитом носителе «Протон» и выведен на заданную орбиту с фантастической точностью. Многие наши зарубежные коллеги после этого нас просто поздравляли. Хотя это незаслуженно, потому что не мы персонально делали «Протон», его создавали совершенно другие люди. Но сам запуск произвел большое впечатление на зарубежных коллег, та точность, с которой детектор «Интеграл» был выведен на орбиту. Наблюдения на детекторах «Интеграла» позволили получить уникальную информацию о синтезе элементов в сверхновых звездах и распределении источников и аннигиляции позитронов в Галактике.

У нас, в Физико-техническом институте имени Иоффе, есть и свои эксперименты по гамма-всплескам. Они идут еще со старых времен, о которых я говорил. В этих экспериментах задействована аппаратура «Конус» Евгения Павловича Мазеца, ушедшего от нас несколько лет назад, который внес огромный вклад в это дело. Евгений Павлович и коллектив его коллег успешно выполнили циклы наблюдений за космическими гамма-всплесками и повторяющимися всплесками на отечественных космических аппаратах «Космос», «Венера» и «Коронас». До сих пор его прибор летает на американском аппарате, что само по себе – большая редкость, потому что американцы очень редко ставят чужие приборы. Они считают, что у них свои хорошие технологии. Прибор «Конус» летает на космическом аппарате НАСА «Винд». Полное название эксперимента – «Конус-Винд». Он очень давно летает, но по-прежнему невероятно стабилен и надежен и принес огромное количество результатов. Так что мы продолжаем и это сотрудничество, и много других.

– Мы представляем портал, который занимается обсуждением возможной стратегии научно-технологического развития до 2035 года. Ваши идеи, что туда обязательно нужно включить?

– Естественно, происходят перемены, связанные просто с новыми технологиями. В космической области сейчас вообще идет разделение труда. Например, существенный прогресс достигнут в создании малых спутников, которые можно интегрировать в большую систему. То есть, попросту говоря, строить орбитальный проект как бы из большого числа кубиков. Эти малые спутники очень технологичны, они легко запускаются, их можно менять на орбите, если требуется поставить там что-то новое. И они существенно дешевле. С моей точки зрения, они имеют огромную перспективу как космические средства исследования Земли. Например, недавно выяснилось, что грозы, которые наблюдаются по всему миру, являются источниками гамма-излучения. Его довольно быстро поглощает атмосфера Земли. Но если вы летите недалеко от грозового фронта, скажем, на самолете, вы вполне можете попасть в зону определенного гамма-излучения. И это важно знать и учитывать. И это как раз очень хорошо исследовать маленькими, но многочисленными спутниками на орбите.

С другой стороны, не все задачи можно решить таким образом. Например, если вы хотите исследовать рентгеновское и гамма-излучение звезд. Это важный класс космических источников, от которых приходят, к сожалению, очень слабые потоки рентгеновского излучения. Его нереально наблюдать на детекторе маленькой площади, так как накопление сигнала займет сотни лет. Для подобных задач нужны довольно большие детекторы стоимостью в миллиарды долларов, тогда как маленький детектор стоит миллионы. (Если в рублях, то большой детектор стоит десятки миллиардов рублей, а маленький – десятки миллионов.) В общем, для разных задач нужны разные детекторы. Важно иметь и то, и другое.

И сегодня астрофизика решает фундаментальные проблемы. Это исследование природы темной энергии, темного вещества. Сегодня мы осознаем, что весь объем наших знаний о Вселенной позволяет нам хорошо понимать природу лишь 5 процентов всех ее компонентов. То есть природу лишь так называемого барионного вещества. А природа 95 процентов нашей Вселенной, которые приходятся на темную материю и темную энергию, пока неясна. Есть пока только гипотезы. Сейчас исследование этих фундаментальных вещей идет параллельно и в космических экспериментах, и в наземных экспериментах типа ускорителя в ЦЕРНе.


– И как стратегия развития науки сочетается со сказанным?

– А вопрос темной материи – это один из явных приоритетов современной науки. У физиков есть разные гипотезы о природе этой материи, причем сильно различные. Есть разные варианты проверки этих гипотез. Мы ставим своей задачей максимально обоснованно и экономически эффективно формулировать тесты для решения этих научных проблем. Они очень разные.

Люди подходят к решению проблемы темной материи с разных сторон. Например, часть теорий предсказывает, что темное вещество должно в результате столкновений его частиц между собой множественно производить другие частицы, в частности позитроны и антипротоны.

По продуктам этих реакций можно пытаться восстановить природу самих частиц темной материи. Трудность здесь в том, что в реакциях распада должны рождаться протоны, а это делает задачу наблюдательной проверки этих теорий весьма нетривиальной. Ведь протонов в космосе очень много, и понять, сколько из них является продуктом распада темной материи, нереально. А антивеществ (антипротонов? позитронов?), наоборот, очень мало. Из-за этого наблюдать его (их?) тоже очень непросто.

Мы на приборе «Интеграл» пытаемся ограничить модели природы темного вещества, наблюдая аннигиляцию позитронов, которые были произведены посредством взаимодействия частиц темного вещества. А именно: мы ищем дополнительные источники позитронов и антипротонов в определенных местах, возможно, связанных со взаимодействиями частиц темного вещества. Прибор «Интеграл» позволяет (у нас есть очень широко цитируемая работа на эту тему) дать ограничение на распределение этого темного антивещества (на самом деле позитронов) по линии аннигиляционного излучения. И это лишь один из подходов.

Есть и другой подход. В нашем институте, в лаборатории астрофизики высоких энергий, есть так называемый международный эксперимент «Памела», в котором участвуют мои коллеги. Они сотрудничают в рамках этого проекта с коллегами-исследователями из Италии, Швеции и других стран.

«Памела» – это орбитальный эксперимент, запущенный нашим носителем. В этом эксперименте задействован огромный магнит, чья задача – локализовать в маленькой области пространства заряженные частицы очень высоких энергий (заставив их вращаться в поле магнита). Поскольку электроны и позитроны имеют электрические заряды противоположных знаков, то в поле магнита они закручиваются в разных направлениях. Это позволяет исследователям отделить электроны от позитронов и с высокой точностью померить потоки последних. Мы из теории знаем, какие потоки позитронов должны быть при разных гипотезах. Задачей эксперимента является нахождение источников этих позитронов. О ближайшей перспективе: мы разрабатываем технологии наземных черенковских телескопов нового поколения – проект «Алегро». Это требует как создания детекторов с высоким квантовым выходом, так и разработки сложных компьютерных алгоритмов регистрации событий. Студенты политехнического университета активно участвуют в самых современных разработках, и это важнейшая наша стратегия.

Источник: Портал «Стратегия научно-технологического развития России»

Теги: Быков Санкт-Петербург телескопы космос астофизика