Маяки на небосводе. Без "подсветки" нашу Галактику изучать затруднительно

N 40(2016)
Дризе Юрий
30.09.2016
Так уж случилось, что практически совпали два события: Михаил Попов закончил аспирантуру Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга МГУ, а английские астрофизики Джоселин Белл и Энтони Хьюиш, впоследствии нобелевский лауреат, открыли пульсары - источники периодического радиоизлучения. Вообще-то они изучали так называемое явление мерцания радиоизлучения космических источников, но, как часто бывает в науке, искали одно, а нашли нечто совсем другое. Было это почти 50 лет назад. Тогда единственное место, где в СССР удавалось принимать импульсы загадочных космических объектов, была обсерватория в Пущине. Короткие всплески излучения пульсаров фиксировали самописцы, наподобие едва ли не всем известных кардиографов. Цифровые записи сигналов научились делать немного позднее. И все эти годы Михаил Попов, ныне доктор физико- математических наук, заведующий отделом Астрокосмического центра Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, изучает пульсары.
- Помню, в Пущине мы по ночам вели наблюдения, и утром нас заставала уборщица, которая никак не могла понять, чего ради мы сидим до утра в обсерватории? - вспоминает Михаил Васильевич. - Объяснение, что мы изучаем нейтронные звезды, ее не удовлетворяло. "Зачем они нужны? - вопрошала уборщица. - Они вон где, а мы - здесь". И не принимала мой довод, что, возможно, лет через 200 в каждой квартире будет давать энергию своя маленькая нейтронная звезда. Конечно, сегодня я бы куда подробнее рассказал ей и о пульсарах, и зачем мы их исследуем.
Нейтронная звезда представляет собой остаток массивной звезды после взрыва. Масса нейтронной звезды сравнима с массой Солнца, а размеры составляют всего 10-20 км, так что она может уместиться в пределах Московской кольцевой дороги. Нейтронные звезды обладают сверхсильным магнитным полем, в миллион миллиардов раз мощнее магнитного поля Земли. Вращающееся магнитное поле генерирует электрическое, как в динамо-машине. Его напряженность превышает всякие мыслимые значения и составляет десятки миллиардов вольт на сантиметр! Неосуществимая мечта для любого наземного ускорителя. Пульсар - уникальный ускоритель заряженных частиц (электронов, позитронов, протонов). Заряды являются источником электромагнитного излучения в диапазоне от радио- до гамма-лучей. Вращение звезды приводит к тому, что излучение попадает к нам в виде импульсов, как свет маяка. Сегодня известно более 2500 пульсаров. Длительность их радиоимпульсов составляет несколько миллисекунд, но они состоят из еще более коротких всплесков, длящихся менее наносекунды. Эти короткие всплески несут в себе гигантскую плотность энергии.
Изучая параметры сигналов пульсара и накопив массив необходимых знаний, возможно, мы сумеем использовать его в практических целях. Ведь изобретенные в 60-е годы прошлого века лазеры подобны открытым примерно в то же самое время космическим мазерам. Пример далеко не единственный и должен воодушевлять исследователей.
Нейтронная звезда-пульсар представляет собой уникальную космическую лабораторию, обладающую не достижимыми на Земле физическими параметрами. В ее недрах рождаются и ускоряются частицы, дающие излучение, которое в земных условиях получить невозможно. Принимая его и "раскладывая по полочкам", мы стремимся узнать, что происходит с большими магнитными и электрическими полями. Уже известно, что, двигаясь в сверхсильном магнитном поле, электроны собираются в сгустки и порождают мощное радиоизлучение. Природа его до сих пор неясна. Но если ее удастся разгадать, то, не исключено, это позволит создать новые средства космической связи между наземными службами и научными станциями, направляющимися к другим планетам или даже звездам. В принципе такой прибор сделать можно, если на орбите вокруг Земли разместить искусственный пульсар. Так, изучая космические объекты, астрофизики получают новое знание - объясняют природу различных явлений, которые невозможно воспроизвести на нашей планете.
В июле 2011 года с космодрома Байконур был выведен на орбиту искусственный спутник Земли "СПЕКТР-Р" с единственным в мире 10-метровым радиотелескопом на борту. Кроме него в международном проекте "Радиоастрон" участвуют более 30 наземных телескопов, диаметром до 300 метров, разбросанных по всему земному шару. Четыре из них находятся в России: в пригороде Петербурга, на Северном Кавказе, на Байкале и в Подмосковье. Наземно-космический интерферометр "Радиоастрон" принимает радиоизлучение от пульсаров, других источников излучения. Когда телескопы работают вместе, едва ли не самая сложная задача - совместить их сигналы. Точность отсчета времени при этом требуется фантастическая - до микросекунды. Чтобы достичь стабильности в привязке ко времени, на каждом телескопе, включая космический, установлены водородные стандарты частоты. Их показатели сверяют с эталонными атомными часами, точность которых достигает миллиардных долей секунды. Астрокосмический центр ФИАН разрабатывает программу измерений для всех телескопов и передает "Радиоастрону" команду произвести запись сигналов радиоисточника.
В проекте "Радиоастрон" участвуют несколько сотен астрофизиков со всего мира. Причем каждый из них может подать заявку на использование интерферометра для различных измерений. Рассматривает заявки Программный комитет, в его составе - шесть специалистов из разных стран мира, в их число вхожу и я. Споры, какое предложение принять, а какое отклонить, бывают жаркими. В этом году я подал несколько заявок, в частности на измерение рассеяния пульсаров. Это важно для наблюдения за нейтронными звездами и межзвездной средой. И хотя я член совета, мою заявку обсуждали без меня, чтобы я не мог повлиять на принятие решения, - таковы правила. В первые годы мы изучали в основном то, что лежит, так сказать, на поверхности. Теперь, накопив немалый опыт, мы более внимательно относимся к интересным деталям. Скажем, от общих обзоров характера излучения переходим к мониторингу, скорее даже "патрулированию" изучаемых объектов.
Работа с космическим аппаратом требует значительных усилий. На каждый день составляется задание, которое до определенного часа надо передать в НПО им. С.А.Лавочкина - оно осуществляет связь со спутником и командует, что включить, а что выключить, куда и когда направить антенну...
Пульсары - нейтронные звезды - очень маленькие объекты. Фактически это "точка" даже для наземно-космического интерферометра "Радиоастрон". Нечего и мечтать построить радиоизображение пульсаров! Однако они могут служить источником когерентного излучения. Излучение пульсаров мерцает при прохождении через неоднородности межзвездной среды нашей Галактики. Эти мерцания вызывают целый ряд эффектов: преломление лучей в межзвездной плазме (рассеяние) и др., а также размывают точечное изображение пульсара - так образуется диск рассеяния. Его уже может обнаружить наш наземно- космический интерферометр - исследовать структуру, другие свойства. Это позволяет определить параметры межзвездной среды, недоступные ранее для такого детального исследования. Так с помощью "Радиоастрона" была открыта субструктура диска рассеяния, которую необходимо учитывать при интерпретации наблюдений космических объектов разных типов. Помимо пульсаров мы исследуем квазары, космические мазеры, центр нашей Галактики и др. - программа обширная. Ее хватит лет на десять - главное, чтобы спутник выдержал: ведь срок его жизни - пять лет - уже достигнут. Но пока он чувствует себя неплохо.
Юрий ДРИЗЕ
Иллюстрации предоставлены М.Поповым и Ю.Ковалевым
Как фонарь в тумане
О результатах наблюдений астрофизиков, сделанных с помощью космического интерферометра, "Поиск" попросил рассказать руководителя научной программы проекта "Радиоастрон", доктора физико-математических наук, заведующего лабораторией Астрокосмического центра Физического института им. П.Н.Лебедева РАН Юрия Ковалева.
- По мере развития проекта нам пришлось решить много нетривиальных задач, - говорит Юрий Юрьевич. - Например, хорошо известно, что исследованию пульсаров мешает эффект рассеяния - искажение излучения при прохождении межзвездной среды. Даже очень компактные пульсары выглядят как фонари в тумане. Понятно, что этот эффект необходимо учитывать при изучении не только пульсаров, но и других источников излучения. И здесь свою роль сыграл "Радиоастрон". Пульсар, как маяк, освещает Галактику, а межзвездная среда, как туман, размывает его изображение. "Радиоастрон", в свою очередь, "фильтрует" это излучение. Оказалось, что на фоне размытых изображений объектов Вселенной встречаются ультракомпактные пятнышки - субструктура рассеяния. Соответственно, открытый благодаря космическому интерферометру эффект тонкой структуры рассеяния поможет разобраться с природой турбулентности межзвездной среды, определить расстояние до облаков, вызывающих основное рассеяние радиоволн. Это весомый вклад в астрофизику и интересно само по себе. Сегодня мы уже лучше понимаем физику турбулентных потоков в межзвездной среде. И самое важное: если мы не будем учитывать эти эффекты при исследовании объектов Вселенной, находящихся за турбулентными облаками, то не сможем верно интерпретировать результаты наблюдений.
В центре нашей Галактики находится массивная черная дыра - она примерно в 10 миллионов раз тяжелее Солнца. Изучать ее просто необходимо, но сделать это мешает рассеивание излучения. Замечу, что изучение черных дыр в современной астрофизике - одна из основополагающих, фундаментальных задач. Ученые, решающие их, теперь знают об открытом нами эффекте субструктуры рассеяния и учитывают его в своих работах. Больше того: получив подлинную картину пятнышек субструктуры рассеяния, можно восстановить истинное изображение объекта, спрятанное от нас за рассеивающим экраном. Это открывает перед астрофизиками потрясающие возможности. Результаты уже есть: в ведущих научных журналах появилось значительное количество публикаций, описывающих данные наблюдений по субструктуре рассеяния и механизмы восстановления истинных изображений космических объектов.
На фото: Михаил Попов и Юрий Ковалев
На изображении: Крабовидная туманнность - остаток вспышки сверхновой. В ее центре - молодой пульсар В0531+21. Его излучение рассеивается на оболочке туманности. Эти эффекты изучает "Радиоастрон".

Источник: 
Поиск