Как человечество сумело заглянуть в недра далёких звёзд и галактик, не имея возможности к ним слетать? 25 января в Ельцин Центре в Екатеринбурге в цикле «Космос в центре внимания» научный сотрудник Крымской астрофизической обсерватории Сергей Назаров рассказал о том, как эволюционировали методы астрономических наблюдений — от простейших угломеров до гравитационно-волновых детекторов.
Сергей Назаров — популяризатор науки, научный сотрудник лаборатории радиоастрономии и внегалактических исследований Крымской астрофизической обсерватории. Занимается исследованием сверхмассивных чёрных дыр, астероидов, комет и экзопланет.
С его лекции в Ельцин Центре стартовал цикл «Космос в центре внимания», задача которого — показать космос не только как объект исследования, но и как пространство, в котором формируются научные и мировоззренческие представления нашего времени.
От посоха Якова к телескопу
Лекцию Сергей Назаров построил на истории методов и инструментов, показывая, как менялась работа астронома на протяжении веков. Первые астрономы формировали научные знания, не используя никаких особенных приборов — только глаз и простейшие угломеры. «Это когда мы берём швабру строго определённой длины и на швабре равномерно набиваем гвоздики. Смотрим мы с черенка на эти гвоздики и получаем возможность измерять угловые расстояния на небе между телами — а значит, и скорости движения объектов по небесной сфере», — объяснил лектор устройство посоха Якова — древнего астрономического инструмента.
Его более совершенная и масштабная модификация — стенной квадрант. За счёт стационарного размещения и большого размера он работает гораздо точнее. Используя этот инструмент, Иоганн Кеплер в XVI веке установил три закона движения планет. Совершенно без телескопа — просто пользуясь наблюдениями своего учителя Тихо Браге по Марсу. «Сейчас это повторить вручную, используя ту математику, — это прямо колоссальное достижение, я считаю», — отметил Сергей Назаров.
Первые образцы телескопа появились в начале XVII века, и люди сразу поняли его ценность: телескоп собирает больше света и позволяет увеличить изображение. С этого момента началось взрывообразное развитие инструмента. Исаак Ньютон создал первый зеркальный телескоп — рефлектор, лишённый хроматической аберрации, свойственной линзовым системам. А любитель астрономии Уильям Гершель построил своими руками телескоп с зеркалом диаметром 1,2 метра — и открыл планету Уран, многочисленные спутники Сатурна, исследовал структуру Млечного Пути.
Восемьдесят лет заблуждений
Одну из самых ярких историй лекции Сергей Назаров посвятил марсианским каналам — примеру того, как субъективность наблюдений может вводить науку в заблуждение. В 1877 году один из самых продвинутых наблюдателей того времени, итальянский астроном Джованни Скиапарелли, зарисовал на поверхности Марса странные линейные структуры. Сам он не считал их искусственными — просто фиксировал увиденное.
«Естественно, заинтересованные люди подхватили эту тему, раздули её и популяризировали очень сильно. После этого другие наблюдатели тоже стали сообщать: да, мы видим на Марсе каналы. О, так это же инопланетяне там строят эту сеть каналов!» — рассказал лектор.
Поразительно, но последняя официальная карта NASA с каналами на Марсе была издана в 1960 году — уже в космическую эру, когда Гагарин готовился к полёту. Человечество находилось в плену этого заблуждения почти 80 лет — просто потому, что не было объективных методов регистрации изображений. Только космические аппараты, отправленные к Марсу, окончательно доказали: никаких каналов не существует. Красная планета оказалась безжизненной пустыней со средней температурой минус 85 градусов.
«Здесь очень важный момент, который я пытаюсь донести: астрономия потихонечку переходит от субъективных методов к объективным. И это продолжается до сих пор. Мы стремимся к совершенству в плане самокритики: а где у нас есть ещё возможность ошибиться? Это вопрос, который мы задаём себе в каждой научной публикации», — подчеркнул Сергей Назаров.
Охотник за астероидами
Рассказывая об инструментах Крымской обсерватории, Назаров остановился на истории двойного астрографа — телескопа с любопытной судьбой. «Собственно говоря, это Гитлер хотел подарить Муссолини, но не успел, поэтому телескоп теперь у нас», — с улыбкой отметил лектор. Телескоп достался СССР по репарациям после войны.
Начиная с 1963 года команда астронома Николая Черных приступила к систематическому поиску астероидов. За 30 лет, до середины 1990-х годов, им удалось обнаружить около 1280 неизвестных астероидов — потрясающий результат для своего времени. Двойная труба телескопа позволяла делать снимки со сдвигом во времени и создавать своеобразную анимацию, на которой астероиды «прыгали» между кадрами, выдавая себя движением на фоне неподвижных звёзд.
Гиганты современной астрономии
Отдельную часть лекции Назаров посвятил крупнейшим телескопам современности. Телескоп БТА в горах Кавказа с шестиметровым зеркалом массой 42 тонны остаётся крупнейшим в Евразии, хотя работает с 1975 года. «Труба весит 650 тонн — это девять железнодорожных вагонов. И вам нужно направить её в небо с идеальной точностью и сопровождать объект, чтобы всё это не упало», — описывает масштаб инженерной задачи лектор.
Американские телескопы Кек (Keck) на Гавайях с десятиметровыми зеркалами используют революционную технологию — сегментированные зеркала из множества шестиугольных элементов. А европейская обсерватория VLT в Чили объединяет четыре восьмиметровых телескопа в единую систему, способную «видеть» объекты с детализацией, как будто работает одно гигантское зеркало.
Особенно впечатляющей выглядит технология адаптивной оптики. Атмосфера Земли искажает изображения космических объектов — звёзды мерцают, детали размываются. Чтобы бороться с этим, астрономы создали систему с деформируемыми зеркалами. Специальная камера сотни раз в секунду фиксирует искажения от эталонной звезды, компьютер мгновенно рассчитывает коррекцию, а пьезоэлементы изгибают зеркало, компенсируя атмосферную турбулентность.
«А когда мы пытаемся увидеть какую-нибудь галактику на задворках Вселенной, света для работы этой камеры не хватает. Поэтому астрономы начинают обстреливать Вселенную из лазерной пушки», — рассказывает Назаров о создании «искусственных звёзд» для наблюдений. Лазеры возбуждают атомы натрия на высоте 92 километра, создавая яркую точку для калибровки системы.
Радиоастрон: телескоп размером с орбиту Луны
Отдельную историю лектор посвятил проекту «Радиоастрон» — космическому радиотелескопу, в работе которого участвовала и Крымская обсерватория. Аппарат с десятиметровой антенной работал на орбите, удаляясь от Земли на 330 тысяч километров. Одновременно с ним те же объекты наблюдали наземные радиотелескопы.
«С атомными часами на борту на сигнал ставим сверхточные метки времени. И здесь на Земле то же самое. Потом спокойненько по радиоканалу сбрасываем всю эту информацию на Землю, и там учёные совмещают эти сигналы», — объяснил принцип радиоинтерферометрии Сергей Назаров. Результат — детализация, как если бы существовал радиотелескоп диаметром с лунную орбиту. Благодаря этой технологии удалось получить изображения окрестностей сверхмассивных чёрных дыр — джетов, мощных выбросов вещества.
По такой же технологии наземная сеть радиотелескопов Event Horizon Telescope получила первые прямые изображения чёрных дыр — в галактике M87 и в центре нашего Млечного Пути. «Они даже не прокачивали данные через интернет — физически везли носители службами доставки», — отметил лектор. На 2030-е годы запланирован запуск аппарата «Миллиметрон», который должен позволить получить сотни подобных изображений.
Когда пространство дрожит
Завершающей темой лекции стала гравитационно-волновая астрономия. В 2015 году детекторы LIGO впервые зафиксировали волны от слияния двух чёрных дыр — колебания пространства-времени, предсказанные Эйнштейном столетие назад.
«Когда у нас чёрные дыры падают друг на дружку, они могут разогнать друг дружку до скоростей, близких к скорости света. Получается самое сильное искривление пространства. И вот эта волна искривлённого пространства может путешествовать на чудовищные расстояния, и мы её можем поймать», — объясняет Назаров.
Гравитационно-волновая астрономия — всепогодный метод: волнам пространства не мешают ни облака, ни межзвёздная пыль. Детекторы фиксируют уже десятки событий, позволяя учёным понять, как распространены чёрные дыры во Вселенной и как они взаимодействуют.
Ради чего всё это
Отвечая на вопросы гостей, Сергей Назаров рассказал о мотивации астронома. «Объединяющий фактор для астрономов — это любопытство. Всем интересно, как оно там устроено. Кому-то интересно, как устроено солнышко. Кому-то — как устроены галактики на краю Вселенной. А кому-то — универсальна ли гравитация, работает ли она во всей Вселенной одинаково».
Неотъемлемой частью работы остаётся критика и самокритика. Астроном часто работает на переднем крае, «где ещё никто не копал», — и должен сам понимать ограничения своего метода. «Ты всегда стоишь перед выбором: либо ждать, пока подтянутся и подтвердят, либо быстро публиковаться с вероятностью ошибки — но зато застолбишь потенциальное открытие».
Сам Сергей Назаров пришёл в астрономию благодаря отключениям электричества в Севастополе 1990-х: «Просто выходишь на улицу, а у тебя естественное природное звёздное небо над головой. И по мере того как я взрослел, я вдруг понял, что это не фон, который наклеен на небо, а там реально что-то происходит». Отец подсунул телескоп, журнал, книжку — и факторы сошлись. «А дальше всё — вот она, обсерватория: приезжай и вперёд».
