Космос полон тайн, но даже самые фантастические теории могут найти со временем научное подтверждение. О далеких квазарах, загадочных черных и белых дырах, мультивселенной и червоточинах рассказывает грантополучатель РНФ Евгения Кравченко, старший научный сотрудник лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ.
Фото: пресс-служба МФТИ
Евгения, ваш грант посвящен изучению активных ядер очень далеких галактик, что дают эти наблюдения?
Это ключевой вопрос, на который мне постоянно приходится очень красиво отвечать, чтобы объяснить необходимость тратить деньги на такие фундаментальные исследования. Я рассматриваю активные ядра галактик как уникальные физические лаборатории с экстремальными условиями, недостижимыми на Земле. Они затрагивают такие области знаний, как теория относительности, гравитация, физика плазмы, магнитная гидродинамика и физика элементарных частиц. Не стоит ожидать, что результаты наших исследований мгновенно могут быть использованы, например, в промышленности. Может пройти 10 и 20 лет, когда будут созданы необходимые технологии.
Однако у активных ядер галактик уже есть весьма масштабное и необходимое для каждого из нас практическое приложение — это построение, поддержание и улучшение точности прецизионной инерциальной системы отсчета. Это в первую очередь сопровождение работы навигационных систем, улучшение точности систем глобального позиционирования, включая «ГЛОНАСС» и следующее поколение «Сфера», а также задача прогнозирования космической погоды, влияющей на земную и космическую электронику. Те же солнечные вспышки и бури, которые сказываются на самочувствии многих из нас, возможно предсказывать за несколько дней.
Какую роль для навигационных систем играют столь далекие активные ядра, которые находятся от нас в десятках миллиардов световых лет?
Спутниковая система навигации обеспечивает измерение расстояния и определяет местоположение объектов во всемирной системе координат. Они основаны на положении звезд, но звезды постоянно движутся. Таким образом, эта система не очень стабильна и имеет свои минусы. Сейчас активно продвигается идея использовать в ее работе квазары — активные ядра галактик, порожденные сверхмассивной черной дырой в ее центре. Черная дыра активно поглощает вещество галактики из звезд или газовых облаков, а часть выбрасывается со скоростью, близкой к световой.
Эти летящие струи плазмы, джеты, имеют протяженность в сотни и даже тысячи световых лет и направлены фактически на нас, что делает их самыми яркими точками для наблюдателя на Земле. В отличие от звезд, их положение стабильно. Но и здесь все неидеально. Из-за того, что струя джета неоднородна, может возникнуть смещение объекта на небе, что сказывается на точности системы. Детальное изучение джетов позволяет выполнять необходимую коррекцию и восстанавливать абсолютное положение объектов
Изображение релятивистского джета в галактике М87, полученное с помощью наземно-космического интерферометра Радиоастрон на частоте 1668 МГц.
Вы ведете наблюдение за галактикой М87, чем она привлекательна?
Радиогалактика М87 довольно близка к Земле, и в ее центре есть активная черная дыра, одна из самых массивных во Вселенной. В целом космические параметры так далеки от земных, что нам трудно представить расстояния даже в десятки световых лет, а здесь счет идет на тысячи.
Для того чтобы понимать, о каких масштабах идет речь, лучше всего взять за пример размер нашей солнечной системы. Расстояние от Солнца до Плутона составляет 39 астрономических единиц, а гравитационный размер горизонта событий черной дыры галактики М87 — 120 астрономических единиц. Таким образом, она больше нашей Солнечной системы в целом. А теперь представьте джет, который распространяется на расстояния в 10 миллионов раз больше, достигая нескольких сотен парсеков (примечание 1 парсек = 3,09 х 10^16 метра). Это реально немыслимые для нас размеры.
За счет близости, мощности и яркости джет в М87 наблюдается в беспрецедентных деталях. Поэтому этот объект является одним из самых исследуемых на небе.
М87 похожа на нашу галактику?
М87 больше Млечного Пути и находится в центре массивного скопления галактик созвездия Девы, куда входим и мы, но уже в относительно спокойных окраинах. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды и маленькие карликовые галактики — Магеллановы Облака.
Окружение повлияло и на саму форму галактик. Млечный Путь имеет красивый спиралевидный узор, а М87 — сферическая. Вероятнее всего, в бурлящем, оживленном космическом скоплении сливалось много черных дыр и галактик. Сопровождающие этот процесс гигантские температуры создавали эллиптические формы. При этом в нашей галактике также есть черная дыра, но она не столь активная и массивная: у нее всего миллион масс солнца, а в галактике М87 — почти 10 миллиардов.
Каких результатов вам удалось добиться в первые три года?
Тема гранта посвящена исследованию свойств релятивистских струй, образующихся в результате активности в центре галактик сверхмассивных черных дыр. Так, одними из самых актуальных и интересных вопросов являются механизм и области нагрева плазмы, а также структура магнитного поля и самого джета. Мы показали, что нагрев частиц происходит на краях джета, вероятно, за счет взаимодействия с окружающей средой и развития плазменных неустойчивостей. Наши результаты существенно дополняют картину магнитной гидродинамики джетов, а предложенные методы позволяют оценить критические параметры струйных выбросов.
Рисунок 1. Изображения блазара Mrk 501 с высоким разрешением на частоте 4,6 ГГц (слева). Белый прямоугольник показывает масштаб более высокочастотного изображения блазара на 24 ГГц, приведенного справа. Видимое положение самой яркой детали джета — РСДБ-ядра — отличается на разных частотах таким образом, что ядро на 24 ГГц будет находиться ближе к центральной черной дыре, по сравнению с ядром на 4,6 ГГц, которое удалено дальше по джету. Этот эффект называется «сдвигом ядра» и обусловлен синхротронным самопоглощением излучения в оптически непрозрачной плазме. В нашем гранте мы показали, что по величине сдвига РСДБ-ядер с частотой можно не только оценивать величину магнитного поля в этих областях, но и изучать профиль коллимации
Ключевым моментом нашего гранта является сформированный коллектив, работающий в разных плоскостях. Мы объединили ученых из МФТИ и ФИАН. Это позволило выполнять исследования комплексно, с использованием теоретических и экспериментальных подходов. Наша научная группа уже получила яркие и интересные результаты, более того, мы опровергли устоявшиеся представления и предложили новую интерпретацию физических механизмов и характеристик объектов.
Вы изменили взгляд научного сообщества на сами джеты?
Раньше считалось, что джет имеет коническую форму и скорость плазмы на всей протяженности равномерна. Мы доказали, что джет имеет форму параболы и вещество в нем не движется равномерно, а разгоняется на каждом этапе пути.
Что это значит. Определяющие факторы поведения джета — магнитное поле и аккреционный диск. Затягивающие вещества не сразу попадают в черную дыру, а образуют вокруг нее закручивающийся диск. Взаимодействие этого диска и магнитного поля порождает мощный выброс джета. Наше раннее представление о джете давало некорректные оценки магнитного поля. Поэтому мы усовершенствовали метод сдвига ядра, это весьма важный параметр. Видимое основание джета, как правило, смещено от своего истинного положения, и это существенно влияет на его характеристики.
Рисунок 2. Изображения блазара 3С273 на частоте 15 ГГц с высоким разрешением в эпоху наблюдения VLBA 7 марта 1998 г. (слева) и 6 августа 2008 г. (справа). Источник: MOJAVE/2cm Survey Data Archive. Видимое направление джета в области 5 угловых миллисекунд от РСДБ-ядра изменилось более чем на 200. Это может быть вызвано прецессией джета или его неоднородностью в виде плазменных неустойчивостей. В рамках гранта РНФ мы предложили и провели моделирования модели прецессирующих джетов со спиральным магнитным полем. Мы показали, что такая модель лучшим образом воспроизводит сильно-переменное во времени поведение линейной поляризации джетов. См. детали в работе Тодоров и др., 2023
То есть вы опровергли старые представления о джете и вывели новую форму расчета основных его характеристик?
Наша модель джета вполне укладывается в традиционную методику расчета, что позволило нам с высокой точностью определить энергию магнитного поля ряда «родительских» сверхмассивных черных дыр.
Но это далеко не все. Более совершенный метод измерения магнитного поля в будущем позволит нам обнаружить недоступные прежде формы пространства-времени, которые давно существуют в виде гипотез и часто используются в научной фантастике. Космос полон тайн, и их нельзя разглядеть напрямую, они слишком далеки. Большинство объектов находят с помощью относительных расчетов.
Например, черные дыры не могут образовать магнитные поля с энергией более 10^4 гаусс. Но в теории более высокоэнергетические объекты существуют и известны многим любителям научной фантастики, например «кротовые норы» или «червоточины». Именно через эти туннели члены экспедиции из фантастической киноэпопеи «Звездные врата» легко преодолевали расстояния в тысячи световых лет. Туннели представляют собой неравномерность пространства-времени и могут напрямую соединять удаленные точки Вселенной. Это настоящие научные гипотезы, получаемые в рамках квантовой гравитации, и им уже не один десяток лет.
Также с помощью более точных измерений мы можем обнаружить другую легенду — кварковые звезды, которые состоят не из атомов, а из кварков — самых элементарных «кирпичиков» материи.
То есть межгалактические полеты возможны?
Более чем. Помимо этого, существует много теорий, выходящих за пределы даже нашей Вселенной. Например, есть теория о мультивселенной: что, помимо нашей, есть и другие, и они могут пересекаться. И этими мостиками могут быть кротовые норы. Но если черные дыры все поглощают, то есть теория уже о белых дырах, их противоположности, которые также можно предсказать уравнениями теории относительности. Даже есть идея, что вся наша Вселенная может быть результатом взрыва белой дыры. Но пока не вызывают сомнения только черные дыры.
То есть черные дыры — не такие уж и загадочные объекты?
Теорема об «отсутствии волос» у черной дыры говорит о том, что у нее, помимо массы и момента импульса, других характеристик быть не может, в том числе и радиуса. При этом детальная информация о материи будет потеряна и частично излучена вовне при коллапсе.
Даже для меня чтение информации про черные дыры так же увлекательно, как фантастика. Мне кажется, этим занимаются только крутейшие ученые из области теоретической физики.
Как вы сами представляете загадочное зарождение нашей Вселенной?
Мне кажется, первоначально был некий бурлящий бульон, затем произошел довольно сильный всплеск и взрыв из точки, которая за довольно быстрое время расширилась до масштабов Вселенной.
А что стало детонатором этого взрыва?
Простая случайная флуктуация.
Осталось понять, откуда взялась эта точка. Но вернемся к самой астрономии. Какие самые перспективные направления? Чем бы вы сами хотели заниматься?
Мне нравится заниматься черными дырами, это достаточно загадочные объекты. Начиная наблюдения, мы совершенно не знаем, к каким результатам они приведут. Более того, результаты могут быть совершенно не такими, как мы предсказывали в начале. В процессе выясняется, что есть еще много другого интересного, и зарождаются совсем другие идеи.
Что касается направлений, то сейчас в астрономии даже ввели термин «мультимессенджер». Она становится всеволновой и сочетает в себе практически все направления физики. При этом сейчас активно занимаются гравитационными волнами. Это тоже очень интересно, особенно на фоне уже зарегистрированного слияния небольших черных дыр.
Непосредственно исследуя космос, верите ли вы в то, что существует другая разумная жизнь за пределами нашей Земли?
Абсолютно. Конечно, у нашего случая есть свои особенности. Земля расположена на весьма удачном расстоянии от Солнца. Здесь недостаточно холодно и недостаточно жарко, и у нас есть вода. Но мы уже обнаружили очень много экзопланет, которые находятся в так называемых зонах обитания и где, возможно, существует жизнь, но не в том виде, как на нашей планете, а, например, в виде простейших бактерий.
В целом в нашей Вселенной миллиарды подобных нашей галактик, но они очень далеко. Если цивилизации находится примерно на нашем уровне, то пока до нас дойдет ее сигнал, пройдут миллионы лет, эта цивилизация уже переродится. В то же время, если уровень развития другой цивилизации намного превышает наш, мы просто не сможем принять их сингал, у нас нет подобного уровня оборудования. Но я уверена, что со временем человечество создаст технологию, позволяющую преодолевать огромные расстояния.
Вы выбрали достаточно сложную специальность, что привело вас в астрономию?
Тут все довольно просто: меня интересовала астрономия еще с юности, я читала много литературы, фантастики. До 23 лет я жила в Бердске, в Новосибирской области, и в то время там не было возможностей заниматься астрофизикой. Со второго курса физико-технического факультета НГТУ у нас начались занятия на кафедре, которая находилась в Институте ядерной физики СО РАН. Там нам в малом объеме читались лекции по астрономии. А потом я совершенно случайно попала на летнюю школу, организованную Василием Семеновичем Бескиным в Пущинской радиоастрономической обсерватории ФИАН в 2009 году. И спустя три месяца после этой школы я переехала в Пущино, где живу до сих пор и веду с Василием Семеновичем совместные исследования. Я считаю, что каждому человеку важно найти в жизни работу или занятия, которые будут ему нравиться и вдохновлять его. Мне повезло, что у меня это получилось.
Легко ли женщине в науке или это до сих пор в основном мужское направление деятельности?
Как мама полуторагодовалой малышки я могу сказать, что женщинам несомненно тяжелее, чем мужчинам, хотя бы просто из-за недостатка времени и непрерывного сна. В моем окружении очень много молодых женщин-ученых, и я не считаю, что наука — это прерогатива мужчин. По моему мнению, женщины, наоборот, более способны выполнять скрупулезную работу и сосредотачиваться на какой-то задаче. У меня есть немало примеров, когда девушки быстрее доходили до защиты ученой степени, а парни либо бросали науку в поисках более высокооплачиваемой работы, либо затягивали защиту.
Также я не могу сказать, что к женщинам какое-то снисходительное отношение, совершенно нет. Недавно в Пущинскую радиоастрономическую обсерваторию приезжала группа космонавтов, среди которых была красивая девушка с шикарной косой Анна Кикина, которая стала прообразом для куклы Barbie-космонавта. Она вдохновила создателей своим талантом, целеустремленностью. И хотя Анна — единственная женщина в отряде космонавтов, в 2017 году она приняла участие в международном эксперименте по имитации полета на Луну. Это, конечно же, воодушевляет.
Евгения, благодарим вас за интервью! Сегодня у нас замечательный праздник, День космонавтики, что можете пожелать нам в этот день?
Найти свое призвание! А если вас интересует космос, то можно непосредственно увидеть нашу работу 13 апреля, в день открытых дверей в Пущинской радиоастрономической обсерватории. Приходите, уверена, вам будет интересно.
