«Там все еще водятся драконы». Астрофи­зик — о главном, что известно и неизвестно о космосе

Шесть тысяч — примерно столько звезд мы можем увидеть невооруженным глазом в самую темную ночь.

И это очень мало. Только в нашей галактике миллиарды звезд, не говоря уже о других небесных телах: планетах, астероидах. А кроме них еще есть черные дыры, темная материя и другие странные, пока малоизученные явления.

Что все-таки известно ученым о самых интересных космических феноменах, рассказывает популяризатор науки, астрофизик, профессор РАН, исследователь ​​Международного центра по теоретической физике в Триесте Сергей Попов.

— Какие астрономические открытия последнего десятилетия вам кажутся важными?

— Гравитационные волны. Самое большое открытие за последние десять лет — это обнаружение гравитационно-волновых всплесков в 2015 году и последовавшее за этим развитие целой отрасли исследований. Гравитационные волны — это последнее гарантированное окно во Вселенную. И вот почему.

Изучая астрономические объекты, мы получаем то или иное излучение. Это могут быть электромагнитные волны, включая обычный свет, потоки частиц, еще какие-то сигналы. У нас есть набор волн и частиц, про которые мы достоверно знаем, что они существуют в природе. То есть с их помощью можно изучать астрономические объекты. И гравитационные волны — последнее излучение, которое мы не умели регистрировать.

Как и любой тип сигналов, гравитационные волны обладают способностью приносить какую-то уникальную информацию, которую другие волны не содержат. Что именно это за информация, говорит нам современная теория гравитации. С ее точки зрения, пространство и время — некая единая сущность, причем геометрическая. И движение тел в пространстве-времени может порождать возмущение, волновые колебания этого пространства-времени. Это и есть гравитационные волны.

Больше всего нового гравитационные волны могут рассказать о черных дырах. Возьмем, например, слияние двух черных дыр.

Звезды, как известно, любят образоваться парами. Обе звезды в звездной паре могут превратиться в черные дыры. За счет того, что эти две черные дыры вращаются вокруг общего центра масс, они испускают гравитационные волны. Гравитационные волны уносят энергию. Эти черные дыры сближаются — и в конце концов сливаются.

Две сливающиеся черные дыры не дают никакого сигнала в обычном электромагнитном диапазоне, не порождаются потоки частиц. Зато при их слиянии выделяется много энергии в виде гравитационных волн и по Вселенной во все стороны от этой пары бежит гравитационно-волновой сигнал. Если мы хотим изучать черные дыры, этот сигнал нужно регистрировать, что, собственно, мы и научились делать.

Телескоп Джеймс Уэбб. Кроме регистрации гравитационных волн мне кажется важным появление новых инструментов — прогресс в астрономии связан и с ними. Здесь нужно понимать: чем дальше, тем сложнее создавать устройства, которые могут двигать науку вперед. Возьмем, к примеру, физику элементарных частиц. Уже существует Большой адронный коллайдер, и когда появится следующий прорывной инструмент, никто не знает. И есть ощущение, что большая часть людей, занимающихся этой областью, просто не доживет до этого момента.

В астрономии ситуация пока сильно лучше. Но все равно по-настоящему большие прорывные инструменты появляются редко. За последние десять лет главный появившийся новый инструмент — это, конечно, космический инфракрасный телескоп Джеймс Уэбб. С момента запуска в 2021 году он стабильно выдает интересные результаты.

Прежде всего Джеймс Уэбб помогает собрать данные о первых галактиках. Нам хочется увидеть их такими, какие они были спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, когда только-только возникали. Но нам мешает особый эффект — космологическое красное смещение. Далекое прошлое видится сильно покрасневшим, потому что пока свет звезд движется миллиарды лет по расширяющейся Вселенной к нам, он переходит из видимого диапазона в инфракрасный. Так что нормально разглядеть далекие объекты можно только с помощью инфракрасного телескопа — такого, как Джеймс Уэбб.

Вторая главная задача Джеймса Уэбба — изучение экзопланет, то есть планет у других звезд. Естественно, всем в первую очередь хочется найти жизнь на других планетах. В ближайшем будущем мы можем рассчитывать лишь на косвенные данные, свидетельствующие о том, что планета может быть обитаема. Эти данные мы получаем благодаря анализу состава атмосферы. То есть если в атмосфере планеты, более-менее похожей на Землю, обнаружится одновременно вода, углекислый газ, кислород и метан, есть большая вероятность, что там найдется и жизнь земного типа. Но чтобы изучить атмосферу, нужен большой телескоп, что, собственно, из себя и представляет Джеймс Уэбб.

Спутник Гайя. Еще одно крайне важное событие — запуск спутника Гайя в 2013 году. Это космический инструмент Европейского космического агентства, который наблюдает в обычном видимом диапазоне.

Непрерывно вращаясь, спутник получает изображение неба и всех объектов, которые попадают в поле зрения — от объектов Солнечной Системы до далеких квазаров — и регистрирует измерения положений самых разных космических объектов. Так, уже собраны данные о полутора миллиардах звезд. После регистрации измерений тех или иных объектов их обрабатывает команда спутника, а потом данные выкладывают в открытый доступ.

— Что такое черные дыры? В поп-культуре о них масса стереотипов, но что о них точно известно науке?

— Черные дыры — объект интересный и непростой. Рассказывать про них можно с двух разных сторон: с точки зрения физики и с точки зрения астрономии.

Начнем с физики. Итак, современные теории гравитации — геометрические. Массивные тела искривляют пространство-время вокруг себя. Искривляют таким образом, что объекты удерживаются вблизи массивных тел.

Можно сделать этот процесс более заметным. Например, взять тело какого-то размера и увеличить его. Тогда это увеличенное тело сильнее искривит пространство в своей окрестности. И, наконец, это тело искривит пространство вокруг и внутри себя так, что никакой объект, включая свет, не сможет покинуть эту область. Не потому, что энергии не хватает, а потому, что это принципиально невозможно: область полностью окуклилась, отцепилась от остальной части Вселенной. Внутрь попасть можно, а наружу нельзя.

Вот такой объект и есть черная дыра. У черной дыры нет поверхности. У нее есть горизонт — вот эта граница, после пересечения которой пути назад нет. То, что попадает под горизонт, сваливается в так называемую сингулярность. Сингулярность — это область, где плотность вещества достигает очень больших значений. Поэтому мы не знаем, что происходит с веществом в черной дыре: не можем изучить его в лаборатории.

Напрашивается вопрос: как можно сделать тела настолько массивными или настолько маленькими, чтобы они превратились в черные дыры? Чтобы искривление пространства-времени достигло таких значений, что возникла бы такая странная область, где все вещество сваливается в сингулярность.

Оказывается, способов несколько — и все они астрономические.

Самый известный — это эволюция звезд, которая приводит к формированию темных дыр звездных масс. В недрах звезд идут термоядерные реакции — легкие элементы превращаются в тяжелые. Но этот процесс не может продолжаться бесконечно. И в центрах самых массивных звезд — Солнце к ним не относится, кстати — в конце концов появляется железное ядро. Потом ядро теряет устойчивость и начинает схлопываться, коллапсировать.

Если ядро достаточно массивное, коллапс ничем не останавливается. Тогда вещество проваливается внутрь и пытается сделать очень маленький массивный объект. В итоге получается черная дыра. То есть если взять массу вещества, начать ее очень плотно упаковывать и вовремя не остановить процесс, сформируется черная дыра.

— Вы часто говорите, что черные дыры не могут засосать человека. Но есть ли предположения, что происходит внутри них?

— Прежде всего, черные дыры не сосут. То есть они вообще ничего не засасывают. Они притягивают, если угодно, поскольку работает гравитация.

Попасть в черную дыру можно. Выбраться из нее нельзя. Так что изучение внутренних свойств черных дыр связано с принципиальными ограничениями. Кроме того, черные дыры — далекие объекты. И экспериментировать с ними мы не можем. Так что, как нередко случается, мы можем брать наши физические теории и применять их для описания процессов под горизонтом. Но тут, правда, черные дыры еще раз демонстрируют свои особенные особенности.

Мы хорошо представляем себе, что будет происходить с веществом сразу под горизонтом. Но чем ближе мы подходим к сингулярности, тем экстремальнее становятся свойства вещества и пространства-времени. В какой-то момент наши законы физики оказываются неадекватными для описания ситуации. Как правильно описывать сингулярность и ее окрестности — мы не знаем. Поэтому тут мы оказываемся на территории гипотез. И возможно, что ни одна из имеющихся на сегодняшний день не верна.

— Какой практический смысл в изучении черных дыр?

— Практический смысл астрономии — почти что любимая тема. Но на вопрос «какая от этого польза» коротко ответить сложно, поэтому попробую длинно.

Вот вам пример для разминки. Человек взял кисть, масляные краски, холст и начал что-то рисовать. Можем ли мы оценить практический смысл этого? Какая-то картинка. Портрет женщины. Не факт, что человек получит за него деньги.

Допустим, этот человек — Леонардо да Винчи, а женщина на картине — Лиза Герардини. Проходит много лет, и «Джоконда» приносит благодаря туризму в бюджет Парижа и Франции миллиарды евро.

Изначально мы не можем сказать, что каждый художник, работая с каждым холстом, делает что-то полезное для экономики. Но иногда так происходит. Точно так же в науке: мы не знаем, как в будущем будут использованы те или иные открытия. Когда Ньютон занимался гравитацией, это было бесполезным занятием. А сейчас мы бы не могли созвониться и провести это интервью без ньютоновских занятий гравитацией, потому что говорим через спутник. А никаких спутников без работ Ньютона не было бы.

Возьмем более современные примеры. Часто серьезные научные исследования, предполагающие наблюдения и эксперименты, косвенно способствуют развитию технологий. Они сразу ставят важные технологические заказы, которые иначе просто не возникают. Или не возникает никого, кто способен их оплатить. Яркий пример — вайфай: основы протокола технологии были разработаны в ходе радиоастрономических работ. Наверное, вайфай появился бы и без этого, но значительно позже.

Еще один пример из астрономии. Мировая система ориентации в пространстве основана на квазарах. Квазары — это те самые сверхмассивные черные дыры в далеких галактиках. И прежде чем их использовать в навигации, их надо было открыть. Что и было сделано в результате совершенно бесполезных астрономических исследований.

— Еще одна загадка космоса — темная материя, или темное вещество, из которого, судя по всему, на четверть состоит наша Вселенная. Что об этом известно?

— Вселенная состоит из вещества. Прежде всего это то, что входит в таблицу Менделеева. И когда-то казалось, что только это нас и окружает. Но еще в 1930-х годах появились данные, что есть что-то еще. Мы видим гравитационное действие этого неизвестного вещества, но само вещество не видим. Отсюда и термин «темное вещество». До сих пор нет точного ответа, что это такое, но общепринятая гипотеза гласит, что это вид элементарных частиц, которые пока не открыты.

Считается, что Вселенная на 25% состоит из темного вещества, на 5% — из вещества обычного. Оставшиеся 70% занимает совсем загадочная сущность — темная энергия.

Что такое темная энергия? В конце 20 века было открыто явление ускоренного расширения Вселенной: последние несколько миллиардов лет она расширяется все быстрее и быстрее. Но это было бы странно, если бы во Вселенной было одно вещество — неважно, обычное или темное. Тогда Вселенная должна была расширяться, наоборот, все медленнее: гравитация бы ее тормозила. Тогда как разнообразные наблюдения показывают, что сначала Вселенная действительно расширялась все медленнее и медленнее, а потом начала расширяться все быстрее.

Все популярные разумные объяснения этого феномена сводятся к добавлению еще одного ингредиента в состав Вселенной — темной энергии. Как и в случае с темным веществом, неизвестно, что это такое, хотя и существуют разные гипотезы.

— Считается, что Вселенная бесконечна, но представить себе это сложно. Так ли это?

— Будем отталкиваться от твердо установленных фактов.

За последние сто лет мы получили очень много данных о свойствах поведения далеких объектов. Это галактики, квазары и что-нибудь им родственное. И примерно сто лет назад был обнаружен важный факт, который с тех пор только точнее проверялся, утверждался независимо и разными способами: все далекие объекты от нас удаляются. И чем дальше объект, тем быстрее удаляется.

Этот факт быстро получил теоретическое описание в рамках общей теории относительности как расширение Вселенной. Описание, не объяснение — есть разница. Получилось построить космологическую модель, описать процесс. Но после этого мы стали задаваться вопросом: а что было раньше?

Если сейчас все далекие объекты от нас удаляются, раньше они были ближе. Давайте отмотаем время назад. Объекты становятся все ближе и ближе. Объекты перестают быть привычными. Это просто вещество, размазанное по пространству. У него растет плотность. Мы движемся в прошлое, все становится ближе, а значит, плотность возрастает. Движемся еще дальше. Растет температура.

И вот мы приходим к очень маленькому объему, практически к точке. Это говорит о том, что вся нами наблюдаемая сейчас Вселенная когда-то занимала совсем мало пространства. Вещество находилось при высокой температуре, плотности. А значит, мир, каким мы его знаем, имеет конечный возраст. Сейчас мы умеем его неплохо измерять — с точностью примерно 1%. Примерно 13,7 миллиарда лет. Этот мир мы сейчас наблюдаем — и, соответственно, мир в этом смысле для нас конечен в пространстве и времени.

Какие бы телескопы мы ни строили, мы не можем увидеть бесконечно далекие объекты и заглянуть в прошлое Вселенной сколь угодно далеко. Мы ограничены во времени и пространстве. Отсюда и естественные ограничения при изучении космологических вопросов. Наблюдения не говорят ничего о том, насколько Вселенная больше, конечная она или бесконечная. И в обозримом будущем способов получить точную информацию и ответить на эти вопросы не будет.

Точно так же мы слабо представляем себе, что было до того, как началось расширение Вселенной. Мы строим модели, но это все область гипотез. Там все еще «водятся драконы». И в этом смысле, говоря о Вселенной в целом, понимая под этим все бытие, мы сталкиваемся с проблемой: это самое бытие не получается познать через наблюдение, нам просто дан конечный объем пространства и времени для изучения. Все остальное — это экстраполяции, сделанные тем или иным образом.

— Периодически появляются новости о том, что ученые нашли планету, похожую на Землю. Действительно ли существуют такие планеты?

— Пока мы можем измерять не так уж много параметров планет. Мы можем измерить массу или радиус. Можем примерно определить возраст планеты. И можем узнать, сколько энергии планета получает от своей звезды. Грубо говоря, все сводится к тому, насколько близко она от своей звезды. Этого недостаточно, чтобы сделать четкое заключение о существовании жизни.

Вульгарная аналогия такая: можно ли выбрать спутника жизни по четырем параметрам? Массе, росту, возрасту и — пусть будет вместо света от звезды — образованию. Это, конечно, важная информация. Но вряд ли ее достаточно, чтобы понять, можно ли с человеком провести жизнь. Или хотя бы вечер.

Вот с планетами ситуация такая же. Чтобы узнать детали, нужно познакомиться поближе. А с планетами познакомиться поближе трудно. Во-первых, это все друзья по переписке — полететь туда мы пока не можем. А во-вторых, именно потенциально обитаемые планеты изучать трудно, потому что они небольшие, как и Земля. Большие планеты вроде Юпитера изучать проще. Поэтому первые измерения состава атмосферы были сделаны для больших планет — размером примерно с Юпитер.

Так что к изучению похожих на Землю планет мы только подбираемся. Джеймс Уэбб, наверное, первый инструмент, который может получить информацию об атмосферах потенциально обитаемых планет. Еще строятся два больших наземных космических телескопа, которые, возможно, смогут дать информацию о составе атмосферы потенциально обитаемых планет.

Так или иначе, нам нужно следующее поколение инструментов. По всей видимости, одной из главных задач следующего большого космического проекта НАСА, который придет на смену Джеймсу Уэббу, будет изучение атмосфер потенциально обитаемых планет. И уже не в духе «повезет — не повезет», а как гарантированный результат.

Вообще, изучение похожих на Землю планет и поиски внеземной жизни — не единственная и не самая приоритетная задача для тех, кто изучает экзопланеты и Солнечную Систему. Вопросы, связанные с жизнью вне Земли, больше всего интересовали всех на заре космических исследований. Но быстро стало понятно, что никакой явной легкодоступной жизни ни на Марсе, ни на Венере нет. И все-таки хочется проводить исследования, которые дают положительный результат, а не такие, что ты снова потратил миллиард долларов и ничего не нашел. Поэтому приоритет сместился — но вернется, когда появятся более продвинутые технические средства.

Если все же искать потенциально обитаемые космические области вне Земли, ближайший кандидат — Европа, спутник Юпитера. Сверху он покрыт ледяным панцирем. Под панцирем — океан, основную долю которого составляет обычная вода. Именно там может быть жизнь. Но вопрос — как именно ее обнаружить под этим ледяным панцирем. Задача нетривиальная, и для ее решения разрабатываются программы, которые в далеком будущем должны изучить подледный океан Европы.

Как и полагается космическим программам, такие развиваются поэтапно. Например, 10 октября 2024 года НАСА запустит в космос новый аппарат для изучения Европы — Europa Clipper. Его цель — пока еще не найти жизнь, но понять, действительно ли спутник пригоден для нее. И расстояние от этого шага до обнаружения жизни — или того, что ее не существует — может оказаться большим. Вся космическая отрасль так устроена, что продвинутые миссии имеют очень большой горизонт планирования. От «как интересно, давайте посмотрим» до «прилетели, измерили, вот результат» сейчас может проходить лет тридцать.

— В последние годы было совершено несколько туристических полетов в космос. Важно ли это для науки?

— Напрямую — нет. Но развитие туристических полетов в космос означает потенциальные инвестиции в разработку новых технологий. Чем лучше развиты технологии, тем они дешевле — и доступнее для ученых. Так — косвенно — космический туризм может в будущем послужить на благо науке.

Так произошло, например, с развитием спутниковой связи. Огромное количество спутников связи, запускаемых непрерывно разными странами, привело к тому, что появился большой рынок и снизилась стоимость запуска спутника. Теперь, когда нужно сделать научную миссию, можно не тратить большую часть бюджета только на доставку оборудования в космос, а вложить деньги в само оборудование.

Все это немного похоже на то, как обычный туризм влияет на инфраструктуру. Допустим, есть город, в городе — университет. Чтобы развивать туризм в этом городе, власти сделают новый хороший асфальт — жителям города станет легче ездить по дорогам, в том числе студентам и преподавателям. А фасад университета отштукатурят и покрасят. Непосредственной пользы преподавательской и исследовательской деятельности сотрудников нет, но жить проще и веселее.

— Какой ваш любимый фильм или сериал о науке и космосе?

— Я дам довольно странный ответ: мне безумно нравится сериал «Доктор Хаус». Хотя он не совсем о науке и совершенно точно не о космосе, я считаю его гимном рациональности в разных ее проявлениях. Это важное культурное явление, и, если спросить, какое художественное произведение за последние десятилетия принесло наибольшую пользу науке, я бы назвал именно его.