«Земля и Вселенная» 2005 №3, с. 3-12

В статье обсуждаются перспективы использования космических радиоинтерферометров ("радиотелескопов больше Земли") для астрофизики и космологии. В частности, для изучения модели Большой Вселенной ("Мультиверс") со сложной топологией, включающей сверхплотное скалярное поле с рождающимися в нем и расширяющимися вселенными, подобными нашей, соединенными пространственными тоннелями.

НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ В АСТРОФИЗИКЕ

Усредненный спектр электромагнитного излучения неба во всех диапазонах. В левой стороне — радиодиапазон, главный максимум соответствует миллиметровому диапазону, правее идут субмиллиметровый, инфракрасный, оптический, рентгеновский и гамма-диапазоны. По вертикальной оси отложена интенсивность излучения, по горизонтальной — частота и длина волн спектра. Приведены данные различных измерений.

Астрономия за последние 50 лет стала всеволновой. Колоссально расширился объем информации, и обнаружены принципиально новые объекты во Вселенной. Мне хотелось бы рассказать об экспериментальной стороне вопроса и ожидаемых в ближайшее время результатах. Одно из главных достижений последних лет — определение наиболее важных космологических параметров Вселенной (Земля и Вселенная, 2004, № 3). На базе данных, полученных с помощью многих наземных и космических обсерваторий (гамма-телескоп "CGRO", рентгеновские телескопы "Чандра", "XMM-Newton" и "Интеграл", оптический телескоп КХТ, инфракрасные телескопы "IRAS", "ISO" и "Spitcer", радиотелескопы "СОВЕ", "WMAP" и другие), в основном выявлена картина физических процессов во Вселенной во всех спектральных диапазонах (от гамма до радио), объединяющая этапы эволюции за миллиарды лет. На усредненном полном спектре электромагнитного излучения неба, охватывающем все диапазоны, выделяются три характерных пика. Прежде всего, это оставшееся от Большого взрыва реликтовое космологическое излучение — главный максимум в спектре (Земля и Вселенная, 2003, № 5). Большая часть энергии сосредоточена в миллиметровом диапазоне и соответствует излучению при абсолютной температуре 2.73 К (-270°С). Форма спектра описывается функцией Планка. Слева от реликтового излучения (дециметровые и метровые радиоволны) преобладает излучение релятивистских электронов нашей Галактики. В субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах (средний пик) преобладает излучение газопылевых облаков Галактики, а в оптическом — ее звезд. Кроме главного и инфракрасного пиков, в спектре неба выявлен пик в рентгеновском диапазоне (пик справа), связанный с излучением очень горячих или взорвавшихся объектов в нашей и других галактиках. Описанная выше форма спектра неба определяет стратегию астрономических исследований. Диапазоны слева и справа относительно максимума реликтового фона имеют принципиально разные ограничения при обнаружении и исследовании слабых сигналов. Та часть спектра, что находится справа от реликтового фона, подчиняется квантовой статистике, предельная чувствительность приборов определяется флуктуациями числа квантов, приходящих в телескоп. В левой половине спектра основную роль играет обычная физика (отдельные кванты уже не могут быть зарегистрированы), поэтому приемники радиотелескопов стремятся создать с минимальной мощностью шумов, включая обусловленные фоном неба.

Важнейшим достижением астрофизики последних двух десятилетий стало детальное изучение спектра и распределения по небу реликтового излучения (термин предложен И.С. Шкловским). На карте, построенной по данным американской космической обсерватории "WMAP", запущенной в 2001 г. (Земля и Вселенная, 2003, № 2), можно проследить распределение по небу фонового радиоизлучения в миллиметровом и коротком сантиметровом диапазонах. Первый эксперимент по составлению детальной карты микроволнового фонового излучения Вселенной был проведен на спутнике "СОВЕ" (запущен в 1989 г.). На основе данных "СОВЕ", наземных наблюдений и наиболее точной информации спутника "WMAP" сделаны фундаментальные открытия, заставившие изменить существовавшие представления о строении Вселенной и формах заполняющей ее материи (Земля и Вселенная, 2004, № 3). Установлено, что около 70% вещества сосредоточено в виде "скрытой энергии" и около 25% существует в виде "темной материи", определяющих открытое недавно ускоренное расширение Вселенной и образование ее объектов — звезд, планетных систем, галактик, скоплений галактик.

Рисунок, поясняющий работу на орбите российского космического интерферометра "Радиоастрон".

ПЛАНИРУЕМЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ В РАДИОАСТРОНОМИИ

Разработано несколько направлений дальнейшего развития исследований в радиодиапазоне объектов Вселенной. В России готовят к запуску космическую обсерваторию "Радиоастрон" (Земля и Вселенная, 2000, № 4). Она обеспечит угловое разрешение, которое в 30 раз лучше, чем достигаемое на Земле. Этот космический радиотелескоп предполагается вывести на орбиту с максимальным удалением 350 тыс. км, то есть близкую к орбите Луны. На нем будут установлены приемники, работающие в четырех диапазонах, каждый имеет два канала, которые принимают поляризационное по кругу излучение (по часовой стрелке и против). Космическая радиобсерватория работает как гигантский интерферометр с базой между спутником и системой наземных радиотелескопов (Земля и Вселенная, 2003, № 4). Используя такой интерферометр, мы сможем с исключительно высоким угловым разрешением и поэтому с высочайшей детальностью получать изображения небесных объектов. Ширина лепестка интерферометра на самой короткой волне (в радиодиапазоне λ = 1.3 см) будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что (при отношении сигнала к шуму около 10) позволит проводить измерения астрономических объектов с разрешением до микросекунды дуги. Это примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза.

Действующий макет космического радиотелескопа изготовлен в 2003 г. в НПО им. С.А. Лавочкина, укомплектован высокочувствительной приемной аппаратурой и испытан в начале 2004 г. на обсерватории ФИАН в г. Пущино, где было подтверждено, что все основные параметры (эффективная площадь антенны и диаграммы направленности) соответствуют техническим требованиям. Для проектируемого космического радиотелескопа "Радиоастрон" выбрали необычную вытянутую орбиту, для которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около ее большой оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от космического радиотелескопа, на расстоянии более 50 тыс. км, тем не менее она оказывает на него слабое постоянное гравитационное воздействие. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.

Наземные радиотелескопы, задействованные в системе интерферометра, станут принимать сигналы от исследуемого источника одновременно с космическим радиотелескопом. Информацию со спутника предполагается принимать на Земле со скоростью 128 Мбит/с. Приемные станции находятся в США (Грин Бэнк), в Пущино под Москвой и в Австралии (Тидбинбилла). С такой же скоростью будут приниматься данные всеми крупнейшими радиотелескопами, в том числе и отечественными. Это 70-м радиотелескопы в Евпатории и Уссурийске, а также 64-м — в Калягине. Предполагается, что ко времени запуска "Радиоастрона" (2007 г.) наши радиотелескопы будут полностью оснащены всей необходимой приемной и регистрирующей аппаратурой.

Проект "Радиоастрон" рассчитан на систематические исследования таких необычных небесных объектов, как сверхмассивные черные дыры в ядрах далеких и близких галактик, черные дыры звездных масс в нашей Галактике, нейтронные (а возможно, и кварковые) звезды, области образования звезд и планетных систем в Галактике и в ядрах других галактик, облака межзвездной плазмы и гравитационное поле Земли. Можно будет с высокой точностью изучить структуру, измерить координаты и движение источников мощного радиоизлучения с непрерывным спектром и в радиолиниях мазерного излучения (линия паров воды на волне 1.35 см и гидроксила ОН — 18 см). Для предстоящих наблюдений подготовлен список сверхмассивных черных дыр, микроквазаров, пульсаров, космических мазеров и других радиоисточников — всего несколько сот объектов, а к моменту запуска "Радиоастрона" предполагается пополнить его до тысячи.

ИЗУЧЕНИЕ НЕОБЫЧНЫХ ОБЪЕКТОВ

Сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и других галактик выбрасывают вдоль оси вращения своих ядер струи релятивистских частиц. Аккреционные диски захваченного вещества в экваториальной плоскости уже обнаружены и активно исследуются (Земля и Вселенная, 2003, № 3). Изображения таких объектов, полученные с помощью наземной системы радиоинтерферометров, показывают, что центральный объект является сверхмощным ускорителем. Ускоренные частицы с околосветовыми скоростями образуют два тонких луча, а на больших расстояниях релятивистские частицы накапливаются в виде двух облаков. Ближайшая задача — исследование принципа работы этого ускорителя, величины и структуры электрических и магнитных полей около черной дыры. Современные теоретические модели (Земля и Вселенная, 1992, №3; 1999, №3; 2003, №6) сводятся к следующему. Вокруг центральной черной дыры вращается диск с очень сильным магнитным полем, однако оно до сих пор не измерено, и это представляет собой одну из основных задач будущего (Земля и Вселенная, 2004, № 2). Предполагается, что измерить величину магнитного поля можно с помощью эффекта Фарадея (регулярный поворот плоскости поляризации излучения с изменением длины волны при прохождении поляризованного излучения через плазму с магнитным полем в аккреционном диске).

Аккреционный диск и релятивистские струи около сверхмассивной черной дыры в центрах некоторых галактик (а) и вид с полюса областей излучения (б).

Если смотреть с полюса на черную дыру и вращающийся аккреционный диск с магнитным полем, то область свечения в виде кольца будет соответствовать ускорению частиц подобно ветерку от вентилятора (механизм Блендфорда-Знаека), а если будет обнаружено излучение только вблизи оси вращения, то, скорее всего, ускорение частиц происходит в условиях высокого вакуума под действием сильного электрического поля.

В центре нашей Галактики находится ближайшая сверхмассивная черная дыра (расстояние 24 тыс. св. лет), ее масса оценивается в 3 х 10⁶ М⊙. Одна из самых больших черных дыр (масса 3 х 10⁹ M⊙) расположена в ядре близкой эллиптической галактики М87 (расстояние около 60 млн. св. лет). Изображение этого объекта получено во всех диапазонах, в частности с помощью наземных радиоинтерферометров и радиоинтерферометра Земля-космос, использующего японский научный спутник "VSOP"* с радиотелескопом диаметром 8 м, запущенный на орбиту в 1997 г. (Земля и Вселенная, 1998, № 5). С помощью этого интерферометра наблюдалось и множество других объектов.

* "VSOP" — VLBI (Very Long Baseline Interferometry Space Observatory Programme) — программа космической обсерватории для радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Одновременно "VSOP" является известной маркой французского коньяка.

Недавно американский астрофизик Джефри Бэрбидж обратил внимание на необычный двойной квазар ЗС 343.1. Сначала его нашли в радиодиапазоне, а потом исследовали в оптическом. Оказалось, что объект состоит из двух источников с разными красными смещениями (z = 0.34 и 0.75), то есть с различными скоростями движения, отличающимися почти на половину скорости света. А расстояние между двумя источниками — всего четверть угловой секунды, кажется, что они находятся очень близко друг от друга. Случайное совпадение пары источников, находящихся на разных линейных расстояниях, невероятно. Но пока трудно объяснить наличие близко расположенных двух сверхмассивных черных дыр, движущихся со столь большой скоростью относительно друг друга. В частности, необходимо получить более детальное изображение и его изменение со временем, чтобы определить структуру компонент и измерить скорости их поперечного движения.

"КРОТОВЫЕ НОРЫ" — ТОННЕЛИ

Некоторые из обнаруженных объектов, считающиеся черными дырами, могут оказаться входом в тоннели.

Радиоизображение близкой галактики М87 (созвездие Девы, расстояние 60 млн. св. лет) со сверхмассивной черной дырой (США, 27-элементный радиоинтерферометр VLA). На врезке — радиоизображение центральных областей той же галактики, полученное с применением японского космического радиотелескопа "VSOP".

Как известно, модель гипотетических "кротовых нор" (Земля и Вселенная, 2000, № 6; 2002, № 4; 2004, № 1) предполагает сложную топологию пространства и основана на общей теории относительности. Не исключено, что это некие новые объекты, наблюдаемые в нашей Вселенной и соединяющие нас с другой частью Вселенной или даже другой вселенной. Около входа в тоннель, так же как и около черной дыры, может существовать вращающийся газовый аккреционный диск с магнитным полем, и вдоль его оси вращения тоже могут выбрасываться частицы, ускоренные до релятивистских энергий. Главное отличие "кротовой норы" от модели черной дыры — отсутствие горизонта событий. Это означает, что вещество, попадающее в тоннель, не исчезает для внешнего наблюдателя. Оно либо уходит из нашей части Вселенной, либо приходит к нам. Имеющиеся модели "кротовых нор" указывают, что они могут состоять из материи с необычными свойствами. По своей природе эта материя может оказаться сходной с обнаруженной в последние годы "темной материей" и "скрытой энергией", о которых говорилось ранее.

Радиоизображение экзотического двойного квазара ЗС 343.1 в созвездии Дракона. Два близких по координатам на небе источника разлетаются друг от друга со скоростью около 0.5 с. Снимок получен с помощью системы радиоинтерферометров VLA (США).

а) "Кротовая нора" с двумя воронками входов в тоннель (рисунок); 6) модель Большой Вселенной: без тоннелей — слева, с тоннелями — справа.

Открытие тоннелей невероятно расширит наши возможности исследования и даже освоения Вселенной. Как уже отмечалось, вход в "кротовую нору" имеет особенности. Наблюдая за пробным светящимся телом, падающим на планету или звезду, в момент соприкосновения с их поверхностями мы увидим вспышку излучения и тем самым зафиксируем данное явление. Наблюдая падение тела в черную дыру, мы вначале видим его со все возрастающим красным смещением спектра, в результате чего тело совсем исчезает. Если же наблюдаемое светящееся тело устремится ко входу в тоннель, то оно будет видно все время, а красное смещение вначале после прохождения середины ("горловины") должно смениться фиолетовым у второго выхода из тоннеля. И наоборот, объекты, приходящие из другой вселенной или другой части нашей Вселенной тоже будут постоянно наблюдаться. Сначала в их спектрах появится фиолетовое смещение, а затем, при выходе из тоннеля, красное. Отсюда можно сделать прогноз: если такие тоннели существуют, то описанные эффекты должны быть обнаружены и исследованы. Наблюдатели должны сосредоточить внимание на уже известных необычных внегалактических источниках, что, вероятно, поможет не перепутать тоннель с черной дырой.

БОЛЬШАЯ ВСЕЛЕННАЯ

В современной космологической модели многокомпонентной Вселенной ("Мультиверс") отдельные вселенные постоянно хаотически генерируются из сверхплотного скалярного поля, поэтому Большая Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Обратимся к рисунку на этой странице и посмотрим на ту его часть, где красным цветом условно показаны области "кипящего" скалярного поля, плотность которого, возможно, близка к планковской плотности (5х10⁹³ г/см³). В вакууме возникают расширяющиеся "пузырьки", которые превращаются в отдельные вселенные. Мы живем в одном из таких "пузырьков". В результате расширения "пузырька" после нескольких фазовых переходов из скалярного поля образуются нормальные элементарные частицы, атомы, молекулы, галактики, звезды, планеты. Если картина такова, мы никогда не узнаем, что происходит в других "пузырьках" или параллельных вселенных. Но если есть тоннели ("кротовые норы"), то наблюдая сквозь них (или путешествуя по ним), мы можем получить информацию из любой части нашей или другой вселенной. Поэтому исследование возможностей существования "кротовых нор" или получение доказательства их отсутствия представляют собой важнейшую задачу космологии.

МАЗЕРЫ И МЕГАМАЗЕРЫ

Космический интерферометр "Радиоастрон" также предполагается применить для исследований исключительно интенсивного излучения в узких спектральных линиях — мазерного излучения отдельных компактных районов в нашей и других галактиках. Например, близкая область образования обычных звезд и планетных систем в созвездии Лебедя

Радиоизображение галактики М106 со сверхмассивной черной дырой в центре. На врезке — расположение областей звездообразования, излучающих в линии водяного пара (λ= 1.35 см; Мегамазер), а также релятивистская струя вещества с непрерывным радиоспектром, ориентированная перпендикулярно диску. Данные получены на радиообсерватории Нобеяма в Японии М. Иноуе, М. Миёши и Н. Накаи.

Предложен еще один оригинальный метод, который предполагается использовать для изучения небесных источников с помощью космического интерферометра. Скорость распространения радиоволн (и коэффициент преломления) в межпланетной и межзвездной плазме заметно отличаются от распространения в вакууме. Причем космическая плазма неоднородна, она имеет облачную структуру. Поэтому статистически от удаленного источника радиоволны могут проходить двумя (или даже многими) путями, поступая одновременно к наблюдателю. В простейшем случае двулучевого распространения возникает характерная для интерферометра периодическая изрезанность спектра, а поток излучения на каждой частоте периодически меняется со временем (периодическая структура динамического спектра). Таким образом, возникает естественный интерферометр: два луча взаимодействуют и создают периодическую картину. Но в этом случае угловое разрешение получается даже много выше, чем у космического интерферометра (до наносекунд дуги!), так как база интерферометра близка к характерному размеру облаков межзвездной плазмы. Эффект тем сильнее, чем ниже частота. Это явление уже обнаружено при исследовании пульсаров. Было открыто, что их динамические радиоспектры иногда показывают периодическую структуру. Поскольку большая ось орбиты "Радиоастрона" — порядка размера облаков межзвездной плазмы, то с помощью космического интерферометра при наблюдениях этого эффекта, вероятно, удастся исследовать структуру сверхкомпактных источников излучения и даже измерить диаметр пульсаров — нейтронных (а возможно, и кварковых) звезд. Если масса компактного объекта несколько выше гравитационного предела для нейтронных звезд, то он быстро сжимается и образует черную дыру. Однако в интервале масс между нейтронными звездами и гравитационным пределом возможно еще одно устойчивое состояние вещества, уже не из нейтронов, а из кварков. Согласно данным рентгеновской обсерватории "Чандра", одним из десятка кандидатов в кварковые звезды является пульсар внутри оболочки, образованной взрывом сверхновой звезды в 1181 г. — радиоисточник ЗС58 (созвездие Кассиопеи, расстояние 10 тыс. св. лет).

АСТРОМЕТРИЯ И ГРАВИМЕТРИЯ

"Радиоастрон" в десятки раз улучшит точность измерения координат и собственных движений источников радиоизлучения. С помощью специальной программы будет создана высокоточная астрометрическая система координат. Высокоточное измерение орбиты "Радиоастрона" с использованием водородного стандарта частоты и времени на его борту (разработан в организации "Время-Ч", Нижний Новгород) позволит построить высокоточную модель гравитационного поля Земли. Астрометрическое и гравиметрическое направления исследований имеют и прикладной, и фундаментальный характер. Измерения гравитационного поля Земли на больших расстояниях от нее связаны с новой научной проблемой, поскольку несколько лет назад обнаружена неизвестная сила, действующая на космические аппараты. Она крайне мала, направлена к Солнцу и, похоже, не зависит от расстояния до него. Не исключено, что в нашей планетной системе тоже присутствуют "темная энергия" и "скрытая масса". Эти данные получены из точного определения скорости и ускорения АМС "Пионер-10 и -11", сейчас находящихся на периферии Солнечной системы (Земля и Вселенная, 2002, № 5), а также космическим аппаратом "Кассини" при полете к Сатурну.

ПРОБЛЕМА SETI

Интерес к проблеме SETI (поиск внеземных цивилизаций) подогревается открытиями в области астрофизики и космологии, а также новыми идеями в теоретической физике. Вероятно, что деятельность внеземного Разума как-то связана с "темной материей" и "скрытой энергией", "кротовыми норами" (ведь с их помощью будут пытаться создать машину времени), теорией струн (физика элементарных частиц) и гипотетической многомерностью нашего пространства (10-11 и более измерений). Такие космические интерферометры, как "Радиоастрон", помогут изучать подобные явления (Земля и Вселенная, 2002, № 4). Для обнаружения радиосигналов, похожих на привычные нам радио— или телевизионные сигналы, от цивилизации нашего уровня развития и с расстояний до ближайших звезд нужен космический радиотелескоп (чтобы исключить помехи техногенной деятельности около Земли) с зеркалом диаметром в несколько километров. Такой инструмент для решения этой задачи и других фундаментальных научных исследований, вероятно, будет сооружен через несколько десятков лет.