Наблюдательная астрофизика: три канала информации

Человечество смотрит на звёзды с момента своего появления. Наши предки делали это невооруженным взглядом, правда, так мало что можно было увидеть. Затем появилось и «вооружение» – сначала лёгкое, затем оно «тяжелело» с каждым витком технологического развития. Сегодня телескопы в наблюдательной астрофизике – это сложнейшее оборудование, которым могут пользоваться тысячи исследователей со всего мира. То, что происходит «в одной далёкой-далёкой галактике», может рассказать нам о многом, нужно только знать, куда и как смотреть.

Однако для начала нужна идея. Любое научное исследование начинается с постановки проблемы, с вопроса, который задает учёный. На самом деле это самая сложная и одновременно захватывающая часть занятий наукой: не просто умение решать задачи, придуманные руководителем, а способность самостоятельно их ставить. Причём на вершине этой пирамиды стоят учёные с развитой научной интуицией: они «знают», где «копать», что окажется интересным и даст значимый и любопытный результат. 

Отлично, задача поставлена! Дальше мы задаёмся вопросом: как её решать? Если речь идёт об астрофизике, то не всегда нужны телескопы. Значительное количество крайне интересных задач можно выполнить теоретически, и для этого учёным-теоретикам хватит карандаша и бумаги. 

Теория без практики суха. Вот тут и потребуются телескопы, чтобы проверить (или опровергнуть, тут уж как пойдёт) построенную теорию. Это и называется наблюдательной астрофизикой. Следующий шаг – понять, какой именно телескоп станет лучшим инструментом, чтобы решить поставленную задачу. 

Наверняка я не открою Америку, если скажу, что телескопы бывают разные: одни вполне уместятся на вашем заднем дворе, а другие стоят миллиарды долларов и летают в космическом пространстве. Давайте пробежимся по основным их видам. 

Современная астрономия называется многоканальной – это означает, что наблюдательная астрофизика, которая позволяет нам исследовать Вселенную, способна получить информацию из трёх различных каналов. Первый – электромагнитный, от радио- до гамма-диапазона спектра. Если говорить совсем просто, то радиодиапазон включает длины волн, которые вы можете показать руками (как рыбак показывает размер пойманной рыбины или её глаз). Дальше, по мере того как волны становятся всё более и более короткими, мы идём выше по спектру: после радиодиапазона следуют инфракрасный, оптический (это видимый свет), ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазон. 

Казалось бы, большое разнообразие, но… Но из всего этого ассортимента до поверхности Земли, где располагаются наземные телескопы, добираются лишь волны радио- и оптического диапазонов, да и с ними не всё так просто. 

Взять, например, первый: через атмосферу планеты он проходит не весь – очень длинные радиоволны (100 м и больше) отражаются от ионосферы. Но можно поставить телескоп, способный принимать ультрадлинные волны, на Луне или запустить его на лунной орбите. Многие страны мира, включая Россию, обсуждают сейчас такую перспективу. Надо отметить, что такие волны – единственный оставшийся не исследованным диапазончик электромагнитного спектра. Здесь много интересных задач, включая изучение первых мгновений жизни Вселенной.

Оптический диапазон, конечно, самый «заслуженный» и давно используемый. Телескопы отлично ловят оптические волны ночами в хорошую погоду (в скобках отмечу, что «Хаббл» запустили потому, что чёткость получаемого изображения, если выйти за пределы атмосферы, будет на порядок лучше, чем на Земле. По причине турбулентности наземные «картинки» отличаются дрожанием и мерцанием космических объектов. Хотя и с этим учёные научились бороться, отслеживая турбулентность по поведению лазерного луча в атмосфере и подстраивая зеркала телескопов).

Инфракрасный и рентгеновский диапазоны доступны только из космоса. С гамма-диапазоном всё интереснее: фотоны высоких энергий через атмосферу Земли не проходят, однако рождают в ней ливни частиц, а уже эти частицы, проходя через воздушный слой, испускают так называемое (в честь нобелевского лауреата Павла Алексеевича Черенкова) черенковское излучение. Можно регистрировать его на Земле и затем восстанавливать информацию об исходных гамма-фотонах. Поэтому, с одной стороны, гамма-волны могут фиксироваться космическими телескопами, а с другой, есть способы, которыми мы можем исследовать этот диапазон электромагнитного спектра, не поднимаясь столь высоко.

Второй канал – гравитационный. Несколько лет назад использующиеся для сбора именно такой информации наземные лазерные интерферометры LIGOи VIRGOсмогли обнаружить гравитационные волны, изучая, как под действием последних меняется расстояние между зеркалами внутри них. Сейчас эти наземные системы исследуют слияния черных дыр или нейтронных звезд. У создаваемого космического гравитационного интерферометра LISAнемного другой круг задач, включающий сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик. Ещё один подход использует пульсары в качестве космических  маяков, через которые проходят гравитационные волны, достигая Земли. 

Наконец, третий канал информации – астрофизика частиц. Из Вселенной к нам прилетают заряженные частицы со скоростью, близкой к скорости света. 

Массивные заряженные частицы, например, протоны и ядра железа, называют космическими лучами. Самые экстремальные из них можно сравнить по энергии с летящей хоккейной шайбой. Такие частицы бомбардируют атмосферу планеты, и аналогично подходу с гамма-фотонами, изучая атмосферные ливни и черенковское излучение, мы можем их «ловить». Учёным это крайне интересно, ведь таким образом можно понять, как во Вселенной массивные частицы разгоняются до скорости света.

В последние годы активно развивается нейтринная астрофизика. Нейтрино, напротив, – ультралёгкие частицы и хороши тем, что способны выйти из глубин практически любых космических объектов, не будучи поглощенными по дороге, донеся до нас информацию о своём источнике. Кроме того, нейтрино электрически нейтральные, так что, пока они летят по Вселенной, их не отклоняют электромагнитные поля. Поэтому направление, откуда пришли нейтрино, – это направление на объект, в котором они родились. Эти частицы ловятся разными хитрыми и непростыми методами. Как правило, проводится сложнейший эксперимент, в ходе которого специалисты изучают взаимодействие нейтрино с каким-либо веществом. Так, Байкальский подводный нейтринный телескоп, который открыт 2021 году, использует воду: нейтрино, встречаясь с водой, рождает заряженные частицы. Они становятся «видимы» учёным, регистрирующим возникающее в воде черенковское излучение. 

Кстати, в отличие от приборов, рядом с которыми мы привыкли видеть выдающихся астрономов прошлого на картинках в учебнике, современные телескопы могут выглядеть совершенно фантасмагорически. Например, как комплекс зеркал, вогнутые полусферы, система пластин хитрых конфигураций – и даже как противотанковые ежи. Есть из чего выбрать! А для того, чтобы работать на большинстве из них, нужно будет… Впрочем, об этом поговорим в следующий раз. 


Иллюстрация: Елена Рюмина


62
0
202 просмотра
202 просмотра
мнения

Никто не комментировал

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий