Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
«Иногда падение — это взлет»


Лауреатами Госпремии по астрофизике в 2017 году стали главный научный сотрудник ИКИ РАН, академик Рашид Сюняев и заведующий отделом релятивистской астрофизики ГАИШ МГУ, профессор Николай Шакура.

Николай Шакура

— Николай Иванович, сразу после школы вы поступили на физический факультет МГУ, а сейчас руководите отделом в ГАИШ МГУ, учите аспирантов. Сколько лет вы уже связаны с этим вузом?

— Давайте посчитаем… В 1962 году я начал переписку с МГУ: ко мне в Белоруссию, в деревню, где я жил и учился в школе, присылали по почте задания, я их выполнял и отсылал обратно. Это помогло подготовиться к поступлению. А в 1963 году, не закончив чтения книги академика Зельдовича «Высшая математика для начинающих», отправился покорять Москву. Книжку я купил в городе Бобруйске после выпускных экзаменов. Конечно, я и не предполагал, что три года спустя Зельдович станет моим учителем…

В Москву я приехал автобусом из Бобруйска, и первое, что увидел, был шпиль высотного здания МГУ. С тех пор минуло уже 55 лет. С ума сойти! Проскочили они как- то незаметно. Особенно сейчас время летит стремительно. В студенчестве, помню, каждый год тянулся долго, сейчас же появилось ощущение бешеного ускорения, сжатия времени. Вжик — и все.

— А как вообще складываются ваши отношения со временем? Считаете ли вы, что это одно из измерений нашего мира, и, возможно, с помощью кротовых нор или черных дыр, которые вы изучаете, мы когда-нибудь сможем по нему передвигаться?

— Я знаю о работах, связанных с разработкой теорий времени. Об этом много писали Стивен Хокинг и Игорь Новиков. Очень интересные идеи, на первый взгляд кажущиеся фантастическими, но основам теоретической физики они не противоречат. Это касается и модели машины времени, когда астронавт вращается в окрестностях черной дыры, а потом возвращается на Землю совсем молодым. Ведь черная дыра, обладающая колоссальной силой гравитационного притяжения, обеспечивает околосветовую скорость вращения вокруг нее, а это означает, что время для астронавта, который вокруг нее движется, течет значительно медленнее, чем для нас с вами. На Земле может пройти сто лет, а для него год, и на родине его встретят внуки-ровесники.

— О черных дырах вообще много споров. Для вас ясно, что это за объект?

— За годы изучения этих объектов я составил приблизительную картину, что они могут собой представлять. А они бывают очень разные — как большие, массой в миллиард масс Солнца, так и «маленькие», в несколько солнечных масс. Как невращающиеся и сферически симметричные, так называемые Шварцшильдовы, так и обладающие моментом вращения, так называемые Керровы черные дыры.

— Существует ли сингулярность или это только математическая модель?

— Да, она существует и находится внутри так называемого горизонта событий черной дыры, но никакой информации оттуда выйти не может по определению.

— Когда вас заинтересовали эти объекты?

— Когда я учился в МГУ, всем было как- то не до черных дыр. Когда академик Я. Б. Зельдович, пришедший читать лекции на нашем курсе, предложил мне рассмотреть аккрецию вещества на нейтронную звезду, я сначала не понял, о чем идет речь. Слово «аккреция», означающее «падение», тогда в астрофизике вообще не фигурировало. Так получилось, что наши работы по изучению аккреции вещества на нейтронные звезды, пульсары, а потом и черные дыры стали пионерскими. Важный момент состоит в том, что черная дыра ничего не излучает (практически ничего, если не принимать во внимание испарение черных дыр по Хокингу). И все думали в 60‑е годы, что эти объекты надо искать среди двойных звездных систем, где одна компонента — обычная звезда, а другая невидимая, то есть черная дыра. Обычно чем массивнее звезда, тем она больше излучает, тем она ярче. А тут в прямом смысле дыра, и в прямом — черная. Отбирались такие объекты — яркие звезды, которые вращаются вокруг невидимых объектов. Считали, что это и есть черные дыры. Составлялись каталоги. Но этот путь оказался тупиковым. А потом началась наша с Зельдовичем работа. Мы начали искать объекты, на которые падает вещество. Интерес к ним пробудился тогда, когда были открыты источники космического рентгеновского излучения.

— А как они были открыты?

— В конце 40-х годов прошлого века с помощью высотных ракет было открыто рентгеновское излучение от нашего Солнца. Это излучение связано с наличием горячей короны вокруг него. Рентгеновская светимость Солнца составляет всего одну миллионную часть от его оптической светимости, и в те времена надежды увидеть рентген от горячих корон вокруг других звезд не было никакой. В начале 60-х годов группа американских ученых под руководством Рикардо Джакони решила пронаблюдать возможное флюоресцентное рентгеновское излучение от нашей Луны, которое возникает в результате торможения в ее поверхностных слоях космических лучей, идущих со стороны Солнца.

И вот 18 июня 1962 года, на небе полная Луна. Ровно в полночь они запускают ракету с рентгеновскими детекторами. От Луны они ничего не увидели, но был обнаружен рентгеновский источник, который, как оказалось позже, находился далеко за пределами Солнечной системы, и рентгеновская светимость его в десятки тысяч раз превышала полную светимость Солнца!

Среди множества публикаций того времени можно выделить две работы. Одна Зельдовича, вторая Эдвина Солпитера в США. Они рассмотрели задачу падения вещества на черную дыру и пришли к выводу, что при сферическом падении вещества сильного выделения энергии не произойдет. Затем они предложили рассмотреть вариант черной дыры, движущейся со сверхзвуковой скоростью относительно газового облака. При этом появляется ударная волна, и вещество вблизи ее «носика» разогревается до сверхвысоких температур.

А мне, когда я был студентом 5-го курса физфака МГУ, пришло в голову рассмотреть другую задачу — пусть черная дыра находится в паре с обычной звездой, и начинается перетекание с поверхности обычной звезды на черную дыру. Формируется так называемый аккреционный диск. Внутренние его части разогреваются до очень больших температур и излучают в рентгеновском диапазоне спектра. Вот эта работа конца 60-х и положила начало моим дальнейшим исследованиям.

Нужно отметить большое влияние на мои разработки тогдашнего директора Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга (ГАИШ) Дмитрия Яковлевича Мартынова, который в своих лекциях по общей астрофизике рассказывал про процессы перетекания вещества в мире обычных двойных звезд, когда они очень близки друг к другу. Нужно было решиться одну из обычных звезд в такой тесной паре заменить на черную дыру.

А с другой стороны этой задачей заинтересовался Рашид Сюняев, и Зельдович сказал: а попробуйте эту задачу решать совместно, построив модель аккреционного диска. Это было уже самое начало 70-х. Вместе работать оказалось намного интереснее, и наша с Рашидом работа 45-летней давности стала самой цитируемой в мире по астрофизике.

— Каким образом происходило изучение?

— Решающим моментом стал запуск американского спутника «Ухуру», который был разработан и запущен 12 декабря 1970 года все той же группой Рикардо Джакони. До этого все источники такого рода изучались с помощью ракетных запусков. Наблюдения в течение одного запуска ракеты длятся порядка десятка минут, а для того чтобы понять природу источника, необходимы более длинные временные интервалы. И первое, что было обнаружено со спутника «Ухуру», — это строго периодические выключения рентгеновского потока от ряда источников. Очень быстро было осознано, что эти выключения обусловлены затмениями источника соседней, обычной звездой в те моменты времени, когда по отношению к земному наблюдателю источник находится за оптическим компаньоном. Характерные периоды обращения открытых двойных рентгеновских систем составляли несколько суток. Чуть позже, уже в результате оптических наблюдений с Земли, были отождествлены и сами оптические звезды, которые находятся в паре с нейтронными звездами или черными дырами и питают своим веществом аккреционные диски. За это открытие в 2002 году Рикардо Джакони была присуждена Нобелевская премия. А мы с Рашидом несколько позже удостоились Госпремии за изучение аккреции вещества на черные дыры.

— А рентген от Луны как же?

— Он был открыт позже, с борта более совершенного рентгеновского спутника ROSAT, созданного в Германии.

— Первая задача, поставленная перед вами Зельдовичем, касалась не черной дыры, а нейтронной звезды. Механизм схожий?

— И да, и нет. Ударная волна с огромным энерговыделением и со сверхвысокими температурами появляется вблизи поверхности нейтронной звезды. У черной дыры нет такой поверхности, и при строго сферической аккреции вещества на черную дыру энергия не выделяется. Ни­чего не излучается наружу. А вот дисковая аккреция на эти объекты идет с эффективным энерговыделением в рентгене и в случае черной дыры, и в случае нейтронной звезды. Именно дисковая аккреция стала естественным механизмом для объяснения загадочных рентгеновских источников. Так что с точки зрения аккреции пришлось исследовать и пульсары, и нейтронные звезды, а не только черные дыры. Первым наблюдательным объектом с черной дырой стала звездная система в Лебеде Х-1. Там есть массивная черная дыра, и эта задача чрезвычайно нас увлекла.

— Почему же отмечают только вашу работу в области исследования черных дыр?

— Потому что она по-настоящему революционная. Там мы сумели окончательно разобраться со структурой аккреционного диска. Поняли, что такие диски могут существовать не только вокруг черных дыр или нейтронных звезд. Есть еще протопланетные диски. Сейчас появились новые наблюдения, эти диски видят. Когда их описывают, всегда ссылаются на нашу работу об аккреции, или падении вещества на эти объекты.

— Выходит, падение может быть одновременно взлетом с точки зрения науки?

— Выходит, что так.

— Удалось ли узнать что- то новое о черных дырах с помощью отечественного радиотелескопа «Радиоастрон»?

— Нет, у «Радиоастрона» другие задачи, но есть надежда на запуск другого крупного отечественного проекта — «Миллиметрон», где длина волны короче, а угловое разрешение будет на порядок лучше. Он сможет рассказать нам много важного.

— Реализацию каких еще космических проектов можно ожидать в ближайшем будущем?

— В ближайшее время самым результативным окажется совместный космический проект России и Германии «Спектр-Рентген-Гамма». Космическая обсерватория будет состоять из двух рентгеновских телескопов: e-ROSITA, созданный Институтом внеземной физики Общества имени Макса Планка (Мюнхен, Германия), и ART-XC, разработанный Институтом космических исследований РАН и изготовленный Всероссийским научно-исследовательским институтом экспериментальной физики в городе Саров (Россия). Запуск «Спектра-РГ» состоится в сентябре 2018 года с космодрома Байконур. Обсерватория будет выведена во внешнюю точку Лагранжа системы Солнце-Земля. Эта точка находится на расстоянии около 1,5 миллиона километров от Земли в направлении, противоположном направлению на Солнце, и силы притяжения со стороны Солнца и Земли в этой точке уравновешены центробежными силами. Иначе говоря, суммарная эффективная сила обращается в ноль. Эта точка удобна для проведения обзоров неба, в ней уже работали и работают другие космические аппараты.

Мы ожидаем, что в результате работы «Спектра-РГ» будут открыты около трех миллионов сверхмассивных черных дыр, находящихся в ядрах активных галактик и квазарах. И все они будут открыты по рентгеновскому излучению от аккреционных дисков Шакуры-Сюняева, которые окружают эти черные дыры.

Конечно, не менее интересны и другие цели проекта, среди которых выделяются исследование свечения в рентгене горячего газа от скоплений галактик, обнаружение приливного разрушения обычных звезд при их пролете вблизи сверхмассивных черных дыр.

— Что изменилось для вас с тех пор, когда была опубликована ваша с Сюняевым работа?

— Понимание процессов в аккреционных дисках стало с тех пор более глубоким. В 60—70-е годы информации было не так много, как сейчас. Тогда мы только поняли, что существуют черные дыры, нейтронные звезды и аккреционные диски. Сейчас, особенно когда есть молодые коллеги, у нас есть возможность более детального погружения в эти процессы. Первая работа с Рашидом не требовала компьютерных вычислений, мы все делали в буквальном смысле «на коленке», а сейчас все более- менее значимые модели рассчитываются и выполняются с помощью компьютерных программ. Это нелинейная система дифференциальных уравнений, и чаще всего для наглядности приходится визуализировать эти программы. Это существенно помогает нашим исследованиям.

— Нынешняя работа ваших молодых коллег привнесла какие-то неожиданности?

— Нет, все идет по плану. Мы предсказали все достаточно точно. Можно сказать, что идет работа по уточнению наших предыдущих данных.

— А можно ли сейчас, имея новые данные, сделать какие- то предсказания по поводу еще не открытых явлений?

— Да, наверное, можно. В нашей теории дисковой аккреции есть один безразмерный альфа-параметр, кото­рый характеризует отношение вязких сил в аккреционном диске к силам давления. Если вязкие силы маленькие, то и радиальная скорость вещества маленькая. Если они больше — то и темп аккреции больше. Мы в свое время считали так называемые стационарные аккреционные диски, а сейчас много расчетов делается с нестационарными, когда на небе вдруг вспыхивает новый рентгеновский источник, а потом так же неожиданно затухает. Эти объекты с переменной светимостью получили название рентгеновских Новых звезд, они тоже являются компонентами тесных двойных систем как с черными дырами, так и с нейтронными звездами. Так вот, мы выяснили, как на длительность этих процессов влияет величина загадочного альфа-параметра.

Зная характерные времена падения рентгеновского потока, мы можем построить модель нестационарной дисковой аккреции и определить величину этого параметра. Это нечто новое в нашем исследовании.

— Вы руководите отделом релятивистской астрофизики. Что еще важного удается сделать?

— Мы занимаемся еще и космологией — это изучение картины нашей Вселенной в целом. У нас есть отдельная группа, которую возглавляет Михаил Васильевич Сажин, где изучают космологию и новейшие теории гравитации, и где тоже много белых пятен. Они демонстрируют очень интересные результаты. Многие слышали, что в нашей Вселенной есть трехградусное микроволновое излучение, которое идет со всех сторон. Интересно анализировать, как меняется интенсивность этого излучения от разных участков неба. Где-то ярче, где-то слабее. Существуют карты распределения такого реликтового излучения. Флуктуации реликтового излучения содержат в себе информацию об истории нашей Вселенной.

В сентябре 2015 года американскими учеными группы LIGO были открыты гравитационные волны от слияния двух черных дыр. Процесс слияния идет очень далеко от нас, в других галактиках, но гравитационные волны до нас доходят. В августе 2017 года теми же учеными вместе с итальянской группой VIRGO были открыты гравитационные волны от слияния двух нейтронных звезд. В отличие от слияния двух черных дыр процесс слияния двух нейтронных звезд идет с их разрушением и, как следствие, с огромным выделением энергии в электромагнитном диапазоне спектра. В гамма-диапазоне всплеск излучения от слияния двух нейтронных звезд был обнаружен с бортов орбитальных обсерваторий ФЕРМИ и ИНТЕГРАЛ. Он также наблюдался наземными телескопами в оптическом диапазоне.

Уникальные наблюдения в оптическом диапазоне были проведены российской группой под руководством профессора Владимира Михайловича Липунова с помощью разбросанной по всему земному шару сети роботизированных телескопов МАСТЕР. Многие ученые полагают, что в процессе слияния двух нейтронных звезд рождается огромное количество тяжелых элементов таблицы Менделеева и особенно золота!

— Но нашему Солнцу не грозит судьба черной дыры?

— Нет, ему грозит судьба белого карлика. Но и в этом случае жизнь на нашей планете окажется под угрозой, и это одна из причин, почему космос надо пристально изучать уже сегодня. Постепенно запасы гелия исчерпаются, огромная раздувшаяся оболочка рассеется в окружающем пространстве и от прогоревшего термоядерного реактора останется лишь небольшая сверхплотная звездочка, единственным источником свечения которой служит постепенное остывание. Конечно, миллиарды лет — это большой срок, чтобы подготовиться к смене места жительства, но и подготовка требуется более чем основательная. А другая причина изу­чения Солнца — это солнечно-земные связи, которые оказывают на нашу жизнедеятельность огромное влияние. Магнитные бури, как известно, влияют на наше самочувствие и работу электроники, солнечная активность, как полагают некоторые специалисты, влияет на изменения климата. Так что все более чем серьезно.

— Николай Иванович, вам все это по-прежнему интересно, как полвека назад?

— Да, мне очень интересно. В первую очередь потому, что к нам идет молодежь, и молодежь замечательная, талантливая. Они просиживают тут целыми днями, защищают диссертации, придумывают новые программы, делают невероятные вещи, от которых даже у меня дух захватывает. Молодежь меня подпитывает, а я стараюсь помогать им. Поэтому уверен, что это дело нужное — и стране, и науке, и людям.

 

Беседу вела Наталия Лескова.

ЗС 12/2017

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source