Рецепты звездной "кухни": как "готовится" Вселенная

Нам тайны нераскрытые раскрыть пора, –

Лежат без пользы тайны как в копилке.

В.Высоцкий.

На прошедшем 20 ноября заседании Международного научного совета КФУ выступил профессор кафедры астрономии и космической геодезии Института физики, заведующий лабораторией "Рентгеновская астрономия" Ильфан Бикмаев. Он рассказал о научных проектах с участием астрономов КФУ.

В их числе – исследования космоса рентгеновской обсерваторией «Спектр-Рентген-Гамма», которая войдет в строй в 2017 г. Ее уникальные возможности помогут если не разгадать, то, по крайней мере, приблизить разгадку многих тайн, которые хранит Вселенная. А сегодня об этих тайнах и о том, что уже известно о происхождении и устройстве Вселенной Ильфан Бикмаев (на фото слева) подробно рассказывает нам.

- Ильфан Фяритович, почему Казанский университет планирует участвовать в проекте "Спектр-Рентген-Гамма"?

- Сначала напомню, что для всестороннего исследования испускающих рентгеновское излучение космических объектов необходимо наблюдать их также и в оптическом диапазоне. Дело в том, что у рентгеновских телескопов недостаточное угловое разрешение – в той области на небе, где они зарегистрировали рентгеновские фотоны от неизвестного ранее источника, в оптике мы видим десятки разных объектов. Рентгеновские телескопы сами не могут точно указать, какой именно объект из десятков наблюдаемых является источником рентгеновского излучения, а оптические телескопы обладают более точным «прицелом» и помогают отождествить источник рентгеновского излучения.

У нас есть современный телескоп РТТ-150 (на фото справа), установленный в Турции. Зная о его возможностях, ученые из Института космических исследований РАН предложили астрономам КФУ участие в проекте, тем более, что у нас есть опыт такой работы: уже более 10 лет мы стараемся наблюдать на РТТ-150 рентгеновские источники в оптическом диапазоне. Например, в 2003-2004 гг. мы, одновременно с международной рентгеновской обсерваторией "INTEGRAL", несколько  ночей подряд наблюдали с помощью телескопа РТТ-150 аккреционный диск, окружающий черную дыру в двойной звездной системе SS 433 (кстати, именно рентгеновские обсерватории обнаружили объекты, называемые черными дырами).  "INTEGRAL" отслеживал жесткое излучение, а мы – оптический спектр.

Модель одной из 7 секций рентгеновского телескопа косого падения "eRosita”, который будет установлен на обсерватории "Спектр-Рентген-Гамма".

Вскоре в авторитетном европейском научном журнале "Astronomy and Astrophysics" ("Астрономия и астрофизика") была опубликована статья, рассказывающая о результатах наблюдений. Ученые, например, выявили, что масса черной дыры в системе SS 433 в 10 раз превышает солнечную, что доказывает: SS 433 – именно черная дыра. Если масса компактного объекта составляет 1.5-2  массы Солнца, то это – нейтронная звезда.

- А как готовятся к участию в проекте "Спектр-Рентген-Гамма" университетские астрономы?

- Понятно, что для работы по исследованиям рентгеновского излучения нам будут нужны подготовленные в этой области специалисты. Пока таковых у нас нет, но, чтобы начать их подготовку на нашей кафедре, в прошлом году в рамках университетской "Программы повышения конкурентоспособности" была создана лаборатория "Рентгеновская астрономия". К работе в ней привлечены ведущие российские и зарубежные ученые – профессор Марат Гильфанов (Германия) и профессор Сергей Фабрика (САО РАН). Они будут помогать готовить наших студентов и привлекать их к уже ведущимся исследованиям, чтобы к моменту запуска нового рентгеновского телескопа у нас уже были знающие люди.

Кроме того, планируются стажировки студентов и сотрудников в Институт астрофизики им. Макса Планка (Германия), Институт космических исследований РАН (Москва) и Специальную астрофизическую обсерваторию РАН (пос. Нижний Архыз, Северный Кавказ),  так как там уже много лет активно занимаются рентгеновской астрономией и участвуют в ряде крупных международных научных проектов. У наших российских и зарубежных коллег-ученых имеется, соответственно, масса рентгеновских данных, полученных в результате исследований. Сотрудничая с ними, мы можем получить к ним доступ и предоставить в обмен данные, полученные нашим телескопом РТТ-150.

Одна из оболочек рентгеновского телескопа “eRosita”, покрытая тончайшим слоем золота для отражения и фокусировки рентгеновских лучей.

Первый опыт таких стажировок мы уже получили: благодаря Программе повышения конкурентоспособности КФУ, третьекурсники кафедры астрономии и космической геодезии Ильхам Галиуллин и Григорий Усков с 1 по 15 ноября сего года прошли краткосрочную стажировку в одном из ведущих мировых центров -  в Институте астрофизики им. Макса Планка (Мюнхен, Германия). Наши студенты занимались в научной группе академика Рашида Сюняева под руководством  профессора Марата Гильфанова. Они получили первый опыт обработки рентгеновских изображений галактик М51 и NGC4038, полученных обсерваторией "Chandra", примерно  10 лет назад запущенной NASA и до сих пор активно работающей.

Обсуждение планов стажировки в Институте астрофизики им. Макса Планка. Справа налево:  академик РАН, директор Института им. Макса Планка Рашид Сюняев, студенты Ильхам Галиуллин и Григорий Усков, профессора Марат Гильфанов и Ильфан Бикмаев

В ходе этой стажировки наши студенты также принимали участие в коллоквиумах, семинарах, обсуждениях и дискуссиях вместе с работающими в Институте астрофизики аспирантами и молодыми научными сотрудниками из разных стран Европы и мира. А студент 5-го курса Максим Глушков в рамках производственной практики с  1 сентября по 10 ноября прошел стажировку в САО РАН, где  под руководством профессора Сергея Фабрики (на фото справа) изучал физические параметры ультраярких рентгеновских источников.

Отмечу, что изучаемые в САО РАН научной группой Сергея Фабрики объекты в других галактиках - ультраяркие  источники - были обнаружены именно рентгеновскими телескопами. "Оптика" приняла бы их за обычные звезды или звездные скопления. С другой стороны, как я уже говорил, рентгеновские телескопы не в состоянии самостоятельно выяснить природу обнаруженных ими источников. Поэтому понадобились мощные оптические телескопы, например, 8-метровый японский телескоп "Subaru" ("Плеяды"), установленный на Гавайских островах. Он позволил получить оптические спектры этих слабых в оптике объектов, которые находятся далеко от нас – в соседних галактиках. Их сравнение со спектром SS 433 показало большую схожесть.

- Чем же важны исследования рентгеновского космического излучения?

- Космические объекты, испускающие рентгеновское излучение, по сравнению с объектами, излучающими только в оптическом диапазоне, обладают очень необычными свойствами, в частности, очень высокой плотностью (и, соответственно, гравитацией) и очень высокой температурой. То есть, это либо какой-то новый класс объектов, либо уже известные объекты, находящиеся в активной фазе, во время которой происходят процессы, заставляющие космическое вещество разогреваться до миллионов градусов.

- Первое, что приходит на ум - черные дыры…

- Это действительно так: речь, в том числе, идет и о них. Давайте подробнее остановимся на этих уникальных объектах – для того, чтобы было ясно, о чем у нас идет речь. Итак, нам до сих пор неизвестны строение черных дыр и происходящие за их горизонтом событий процессы, но мы знаем, что их гравитация так велика, что ее не могут покинуть даже фотоны. Поэтому, кстати, очень трудно найти одиночную черную дыру - из нее ведь не исходит никакой информации.

Тем не менее, кое-что об этих загадках Вселенной мы уже знаем, например, то, что эти объекты (или области пространства-времени) быстро вращаются вокруг своей оси.

- Как это было обнаружено?

- Началось с того, что астрономы нашли «кандидатов в черные дыры» - двойные звездные системы. Тут следует отметить, что скорость эволюции звезд зависит от их массы – чем она больше, тем быстрее звезда эволюционирует. В двойных звездных системах из-за этого получается, что более массивная звезда проэволюционировала раньше, взорвалась как сверхновая, и на ее месте образовался объект, который мы называем черной дырой.

Так вот, обнаружить ее позволяет соседка – обычная звезда с массой 1-10 масс  Солнца. Как это происходит: черная дыра, благодаря своей чудовищной гравитации, начинает "стягивать" вещество со звезды-соседки. Причем, природа устроила так, что "стягивание" происходит не мгновенно (например, путем обрушения звезды на черную дыру), а дозированно. Само звездное вещество не просто падает на черную дыру, а образует вокруг нее газовый диск (называемый аккреционным), из которого за горизонт событий уходит (с почти световой скоростью) дозированное количество звездного вещества (как это примерно выглядит - см. на фото справа). В двойной системе "звезда + черная дыра" появляется 3-й объект – аккреционный диск, который и становится предметом исследований.

Здесь нужно вспомнить про  черную дыру SS 433. Она была обнаружена в середине 70-х гг. (кстати, Сергей Фабрика исследует ее практически с момента обнаружения). Ее аккреционный диск необычен – он сверхкритический. Вообще, у способности черной дыры притягивать звездное вещество есть некий предел, так как из окрестностей черной дыры навстречу потоку вещества идет мощное излучение, сила которого возрастает с увеличением количества падающего вещества. В определенный момент оно так усиливается, что препятствует попаданию вещества на черную дыру.

- Ильфан Фяритович, а что происходит в аккреционном диске?

- Много чего интересного. Аккреция с диска на черную дыру приводит к выделению колоссальной энергии, причем, в разных диапазонах спектра  – это оптическое, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, а также радиоволны. При этом, внутренняя, «раскаленная» часть диска излучает в рентгеновском диапазоне, а наружная, более холодная – в остальных.

- Очевидно, это происходит вследствие каких-то ядерных реакций?

- Для возникновения ядерных реакций требуются еще и некоторые другие условия, например, очень высокая плотность вещества – как в недрах звезд.

- Но ведь черная дыра должна обладать громадной плотностью…

- Да, но мы пока не знаем, что на ней происходит, поэтому вопрос о существовании ядерных реакций в аккреционном диске пока открыт. Вообще, изучается не сама черная дыра, а ее окрестности – разобраться, что творится именно с ней, астрономы пока не в силах. Но мы пытаемся исследовать, что происходит в результате взаимодействия черной дыры и ее аккреционного диска.

- Наверное, нечто очень интересное…

- Это так: окрестности черных дыр   не только излучают энергию в виде фотонов в разных диапазонах спектра, но и выбрасывают получаемую из аккреционных дисков материю обратно в космическое пространство, однако не в любых направлениях, а в виде 2 узконаправленных лучей-джетов (как это примерно выглядит - см. на фото слева), исходящих из ее "полюсов". Кстати, аккреционные диски располагаются по "экватору" черных дыр – что-то наподобие колец Сатурна. Сами джеты состоят из заряженных частиц: ядра металлов, отдельные протоны и электроны. Они вылетают с громадной скоростью  - почти  четверть от скорости света,  и удаляются от черной дыры на очень большие расстояния – порядка 100 световых лет, то есть, могут достигать окрестностей соседних звезд.

Еще один интересный момент: благодаря своим физическим свойствам, аккреционные диски - объекты наивысшей светимости, излучающие энергию в миллионы раз больше, чем звезды, особенно, в рентгеновском диапазоне. Кстати, первыми это доказали советские ученые Рашид Сюняев и Николай Шакура. Они также первыми разработали физико-математическую модель аккреционных дисков. Их статья об этом, опубликованная в 70-х гг. в центральном отечественном  журнале "Письма в Астрономический журнал" ( английская версия "Astronomy Letters") – одна из самых  цитируемых в мировой астрофизике.

- Ильфан Фяритович, Вы упоминали, что нейтронные звезды обладают массой от 1.5 до 2 солнечных, а черные дыры - более 3 масс Солнца. А существуют ли космические объекты подобного рода с промежуточной между этими значениями массой?

- Пока, к сожалению, такие объекты не найдены. Но если они будут обнаружены, ажиотаж вокруг них будет огромным – там отдельная история, связанная с возможными "кварковыми" звездами – гипотетическими космическими объектами, состоящими из так называемой кварковой материи. Но возможно и существование нейтронных звезд с такими массами. Астрофизики-теоретики, уже рассчитывают их возможные размеры. Вероятно, что они очень малы – с радиусом порядка 15 км, но при этом обладают плотностью атомного ядра.

- Получается, что нейтронная звезда – "эмбрион" черной дыры? 

-  Нет, это не так.  При взрыве массивной звезды (с массой 10-50 солнечных) в конце ее эволюции в виде вспышки Сверхновой, большая часть вещества разлетается в космическое пространство, а часть вещества коллапсирует (сжимается) обратно в центр. Если масса сжавшегося остатка попадает в диапазон 1,5-2 массы Солнца, то будет сформирована нейтронная звезда, а если масса компактного объекта превосходит массу Солнца больше, чем в 3 раза, то в этом месте пространства сформируется черная дыра.  Информация от такого объекта просто перестает поступать, так как его гравитационное притяжение возрастает настолько, что не «отпускает» даже фотоны.

Кстати, ученым до сих пор неизвестно, каким образом после взрыва Сверхновой в одних случаях образуются нейтронные звезды, а в других – черные дыры.

- Наверное, это особо плотные черные дыры?

- Нет, такие  определения мы не используем, в том числе и потому, что не можем получить информацию из областей пространства, называемых черными дырами.

Другое дело, что по параметру "масса" ученые  разделяют эти космические объекты на два основных типа -  черные дыры звездных и галактических масс. Первые образуются из звезд, чья начальная масса составляла от 10 до 50 масс Солнца. Как я уже упоминал, они закончили свою жизнь взрывом – стали сверхновыми. Основная часть звездного вещества при этом была выброшена в пространство, а остаток сколлапсировал.

Второй тип еще называют сверхмассивными черными дырами или ядрами активных галактик. Их масса может достигать миллиарды солнечных. До сих пор непонятно, как они образовались  -  как в относительно небольшом пространстве (размер сверхмассивной черной дыры сопоставим с размером Солнечной системы) собралось такое колоссальное количество массы. В остальном,  это – обычные черные дыры. Они также имеют  аккреционные диски, из которых идет такое же излучение, правда, более сильное – из-за разницы в массе. Но диски состоят не из звездной материи, а из галактического газа, который, как раз, скапливается в центрах галактик, особенно на начальных этапах их эволюции.

Это далеко не все, что рассказал Ильфан Бикмаев. Разговор с ним был и о том, какая "кулинария" готовится в «кухнях» звездных недр, и о том, чем важно изучение ее "рецептов", а также о "пикантной приправе" космоса – "темной материи". Обо всем этом вы сможете в окончании интервью, которое будет опубликовано через неделю.