Космическая одиссея казанских астрономов

Для разговора о космосе и его тайнах в преддверии Дня космонавтики корреспондент «Вверх» встретился с заведующим кафедрой астрономии и космической геодезии Института Физики КФУ, членом-корреспондентом Академии наук Татарстана Ильфаном Бикмаевым.

Разговор получился интересным, а если кому-то он покажется местами не совсем понятным – милости просим в университетский планетарий.

Чем меньше, тем тяжелее

– Ильфан Фяритович, создание стратегической академической единицы «Астровызов» говорит о том, что изучение космоса в университете на особом счету. С чем это связано?

– Исторически так сложилось. Астрономические исследования в университете ведутся с 1810 года, а в числе первых студентов-астрономов были Николай Иванович Лобачевский и Иван Михайлович Симонов. К слову, 2019 год в КФУ объявлен годом Симонова. Это связано с двумя обстоятельствами. Во-первых, 1 июля исполняется 225 лет со дня его рождения.

А, во-вторых, в следующем году страна будет отмечать 200-летие открытия Антарктиды. Симонов был единственным ученым в составе антарктической экспедиции и многое сделал для ее успеха. Он и координаты кораблей «Восток» и «Мирный» определял, и собирал образцы флоры и фауны, и установил факт отклонения южного магнитного полюса Земли от южного географического полюса на 14 градусов, чем положил начало новому направлению физической науки – изучению геомагнетизма.

– Я был студентом, когда университет приобрел свой самый мощный телескоп. Расскажите подробнее об этом инструменте?

– Это оптический телескоп с диаметром зеркала 150 сантиметров. Когда в середине 90-х годов телескоп  изготовили для университета на Ленинградском оптико-механическом объединении (ЛОМО), рассматривалось несколько вариантов его установки. Остановились на горах Турции. Сам инструмент является собственностью университета, а так вообще этот международный  проект регламентируется соглашениями между Казанским университетом, Институтом космических исследований РАН, Академией наук РТ  и Государственной обсерваторией министерства науки и технологий Турецкой республики (ТЮБИТАК). В 1995 году соглашения были подписаны, и в начале 2000-х годов телескоп начал свою работу. В настоящее время этот телескоп официально именуется как Российско-Турецкий оптический телескоп (РТТ-150).

В настоящее время казанские астрономы совместно с учеными из Института космических исследований РАН (группа академика Рашида Сюняева) используют телескоп РТТ-150 для изучения объектов рентгеновского диапазона. Точнее так: ученые ИКИ РАН  наблюдают за ними при помощи оборудования, выведенного в космос (атмосфера Земли не пропускает рентгеновские лучи), а мы дополняем их картинку наблюдениями из Турции.

Из российских университетов похожий телескоп имеет только МГУ. У них, правда, диаметр зеркала на метр больше, но зато мы находимся южнее и видим те области ночного неба, которые из России не просматриваются.

– Объекты рентгеновского диапазона – это что?

– Это самые экзотические объекты вселенной – белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры. Если очень упрощать, речь идет о звездах на заключительном этапе их эволюции, когда они сжимаются до чрезвычайно высоких плотностей.

Например, у белого карлика масса Солнца, а диаметр как у Земли – примерно 10 тысяч километров.

Поэтому один кубический сантиметр вещества белого карлика весит тонну. Нейтронная звезда в диаметре не шире Казани, но весит полторы солнечные массы. У нее плотность вещества сравнима с плотностью ядра в атоме.

Благодаря тому, что нейтронные звезды обладают такой колоссальной плотностью, вокруг них происходят явления, связанные с искривлением пространства. Неевклидова геометрия, которую в Казанском университете открыл Лобачевский в 19-м веке, полностью реализуется в окрестностях таких объектов.

– Если нейтронная звезда такая маленькая, как вы ее можете обнаружить в далеких просторах космоса?

– Если она одиночная, то мы ее и не обнаружим, но по счастью в нашей галактике полно так называемых двойных систем, где один объект – обычная звезда, а другой – нейтронная. Они вращаются вокруг друг друга и нейтронная звезда, благодаря сильнейшему гравитационному потенциалу, стягивает вещество соседки на себя. Из-за сильнейшего магнитного поля, вещество не сразу падает на звезду, а оборачивается вокруг нее спиралью, которая называется аккреционным диском (от английского accretion – падение). По мере закручивания вещество ускоряется и в момент падения достигает скоростей, близких к скорости света. При этом выделяется колоссальное количество энергии. Зона падения вещества на нейтронную звезду разогревается до температуры в десятки и сотни миллионов градусов. В таких условиях и возникает рентгеновское излучение.

Вторая, нормальная звезда рентгеновскому телескопу не видна, потому что она излучает в оптическом диапазоне.

Получается, что нам нужно два инструмента наблюдения: рентгеновский телескоп на орбите и оптический на Земле. Тогда мы видим оба объекта и можем исследовать процесс аккреции в деталях.

«Бублик», а не «дырка»

– Давайте поговорим о черных дырах.

– Звезды, которые при рождении были в 10-50 раз массивнее Солнца, в финале своей эволюции сжимаются до состояния черной дыры. Там настолько колоссальное притяжение, что даже фотоны не могут покинуть такой объект и двигаются по замкнутой траектории вокруг него.

Нет излучения света – нет видимости такого объекта. Но если рядом есть нормальная звезда, возникает упомянутый выше процесс аккреции. Он виден, причем в разных диапазонах спектра. Кроме того, существуют сверхмассивные черные дыры, масса которых достигает одного миллиарда масс солнца. Что это такое, мы пока плохо себе представляем. Эти объекты размером с солнечную систему, но их плотность еще более высокая, чем у нейтронной звезды.

– Визуально черные дыры выглядят именно как дыры?

– Нет, слово «дыра» является примером неудачной терминологии. Реальная топология этих объектов пока не известна, но она точно сложная. Это может быть «бублик», а может быть «бублик, свернутый в восьмерку… Там очень много комбинаций. Некоторые теоретики рассчитали модели, из которых следует, что черные дыры – это так называемые «кротовые норы», переходы из одного измерения в другое. На практике ничего подобного никто еще не наблюдал и в обозримом будущем не сможет наблюдать.

– А что нового из ранее еще не выявленного ученые смогут наблюдать в ближайшем будущем?

– В июне этого года «Роскосмос» совместно с Институтом космических исследований РАН (Москва) и немецкими партнерами планирует запустить в космос орбитальную обсерваторию «Спектр-Рентген-Гамма» (СРГ). Из названия следует, что аппарат будет сканировать небо в поисках источников рентгеновских и гамма лучей. Проблема в том, что эти лучи плохо подаются фокусировке. Изображения получаются распушенными и не такими точными как в оптической астрономии. Поэтому рентгеновским астрономам нужна поддержка наземных телескопов. Эту поддержку будет осуществлять наш телескоп РТТ-150 в Турции. Обсерватория СРГ будет указывать область на небе, откуда идет рентгеновское излучение, а мы будем искать в этой области именно тот объект среди многих других, который и является нейтронной звездой, черной дырой или скоплением галактик. 

Мы не только выявляем новые объекты, но и определяем их химический состав.

В этом году мир отмечает 150-летие создания периодической таблицы химических элементов Менделеева. Все элементы во вселенной были синтезированы в процессе ядерных реакций в центральных областях звезд. Так, наше Солнце сейчас перерабатывает водород в гелий, потом гелий будет перерабатываться в углерод. В более массивных звездах углерод перерабатывается в кислород, магний и далее по списку. Но не до конца таблицы, а только до ядер железа (26-й номер в таблице). Как же синтезируются более тяжелые элементы? Оказывается, они практически мгновенно формируются во время вспышек сверхновых звезд.

Потом они выбрасываются в межзвездное пространство и следующее поколение звезд, образующееся после охлаждения вещества, уже будет иметь в своем составе некоторое количество тяжелых элементов. То есть до Солнца было 3-4, а может быть 5 поколений звезд, которые отжили свое, взорвались и передали ему большую часть элементов таблицы Менделеева в наследство.

Звезды смотрят вниз

– Я знаю, что астрономы КФУ участвуют в поиске экзопланет – планет, вращающихся вокруг других звезд…

– Эта работа ведется вместе с турецкими и японскими коллегами. Турки создали программное обеспечение проекта, а японцы добавили в оборудование нашего телескопа йодную ячейку. Она представляет собой запакованный в вакуумном стеклянном цилиндре  йод. При прохождении света от звезд через прибор, пары йода образуют линии поглощения. Они неподвижны и потому могут использоваться как реперы наблюдения.

Если вокруг звезды вращается планета, то не только звезда гравитационным образом воздействует на планету, но и наоборот. Звезда тоже начинает перемещаться относительно центра масс двух тел. Для выявления этих перемещений и нужны йодные реперы. В 2017 году наша научная группа опубликовала статью об обнаружении планеты вокруг одной из звезд. (Всего в нашем  списке наблюдений содержится 50 звезд, но заранее неизвестно, около каких из этих звезд имеются планеты).

Обнаруженная планета более массивная, чем Земля, но, что удивительно, она двигается на расстоянии одной астрономической единицы от своей звезды. Это как раз расстояние от Земли до Солнца.

– То есть там теоретически может быть жизнь?

– Не исключено, хотя при такой массе эта планета должна иметь чрезвычайно сильную гравитацию. Ну и пока непонятно какая у нее поверхность. Сейчас обнаружили уже около трех тысяч экзопланет, вращающихся вокруг примерно тысячи звезд и там часто совсем другие закономерности, не совпадающие с нашей Солнечной системой, где первые 4 планеты каменные, а остальные газовые. На планете, которую обнаружили мы, должна быть приемлемая для жизни температура, плюс-минус 50 градусов, в зависимости от сезона. Для детализации нужны очень крупные телескопы с диаметром зеркала в 30-40 метров. Такой телескоп пока только строится в Южно-Европейской обсерватории.

– Разве такое зеркало не должно под своим весом деформироваться?

 – Там зеркало составное – из множества зеркал, сфокусированных в одну точку. Задача такого телескопа – получение спектра поверхности отдельно взятой экзопланеты. Из-за того, что планета движется на фоне звезды, дающей очень мощную засветку,  необходимо умудриться выделить одну десятитысячную долю от спектра звезды, которая может быть связана со спектром планеты. И тогда мы поймем, есть ли там вода, азот, углерод – вещества, необходимые для возникновения жизни.

– Название стратегической академической единицы, в которой вы работаете («Астровызов»), отсылает к теме астероидной угрозы нашей планете. Что вы можете сказать здесь?

– С помощью нашего телескопа мы исследуем траекторию движения астероидов, которые на шкале 50-100 лет могут угрожать Земле. То есть их траектории проходят через орбиту нашей планеты. Таких астероидов обнаружено уже несколько сотен, и число их пополняется по мере появления более мощных телескопов.

Самые первые астероиды, обнаруженные во времена Лобачевского и Симонова, имели диаметр в сотню - тысячу километров.

Сейчас мы исследуем астероиды диаметром полкилометра - километр. В масштабах космоса мелочь, но падение такого объекта на Землю при скоростях в десятки километров в секунду приведет к гибели целого города.

Для вычисления орбиты астероида нужно знать его массу. В определении этого показателя помогает метод спектрального анализа. Так вот из российских телескопов, наш телескоп РТТ-150 – единственный, на котором это можно делать. С его помощь мы можем сказать, какой это астероид – каменный, железный или углистый. У этих веществ разная плотность и, соответственно, разный вес. Вычисление траекторий движения потенциально опасных астероидов – пример прикладных астрономических исследований.

– А еще что-нибудь из прикладной области можете назвать?

 - Наша кафедра готовит не только астрономов, но и высококвалифицированных геодезистов, использующих современные спутниковые технологии. Более чем уверен, что вы пользуетесь электронными картами городов и маршрутов общественного транспорта, встроенными в современные сотовые телефоны. Наша кафедра предлагала запустить такого рода проект задолго до его реализации в Казани. К сожалению, тогда, в 90-е, нас не поддержали. Теперь мы снова работаем на опережение и в ближайшем будущем планируем приступить к созданию трехмерных карт городов, в которых наземные сооружения, подземные коммуникации и линии электропередач сведены в одно целое.

Точные координаты мы получаем от спутников, которые в свою очередь ориентируются по звездам. Реализация проекта позволит исключить ситуации, когда, допустим, застройщик забивает сваи под будущий дом и, не имея подземной карты города, ломает имеющиеся на месте стройки подземные коммуникации. Наблюдая за небом, астрономо-геодезисты  решают и вполне земные задачи.

Алексей Егоров