В отдельном томе ноябрьского выпуска  наиболее известного европейского научного журнала  Astronomy and Astrophysics  "единым залпом"  была опубликована 31 статья большой международной коллаборации ученых по результатам обработки астрономических  наблюдений, полученных  на космическом спутнике ПЛАНК в 2013 году.

В состав коллаборации Planck вошли ученые из 132 научных организаций со всего мира. Из них пять  — российские: Отделение астрономии и космической геодезии Казанского федерального университета, Академия наук Татарстана (Казань), Московский физико-технический институт, Институт космических исследований РАН (Москва) и Специальная астрофизическая обсерватория РАН (Карачаево-Черкесия, поселок Нижний Архыз). Об этом  на днях сообщила Gazeta.ru.

Чем же интересны полученные научные результаты  и каков вклад ученых КФУ? С этим вопросом пресс-центр обратился к профессору кафедры астрономии и космической геодезии КФУ Ильфану Бикмаеву.

- Ильфан Фяритович, одна из центральных статей Astronomy and Astrophysics  посвящена  обзору научных результатов, полученных в 2013 году по проекту ПЛАНК. В число соавторов статьи входят 400 ученых из 132 астрономических организаций, представляющих 25 стран мира. Чем вызвана  необходимость создания коллаборации столь большого количества ученых?

-  Это  было связано с огромным объемом научных данных спутника ПЛАНК, которые надо было оперативно обработать и проанализировать за короткий промежуток времени в один-два  года. Международный  научный комитет по проекту ПЛАНК, в  который входило несколько десятков ведущих астрофизиков мира, организовал виртуальную структуру под названием "Рабочие группы". Всего было создано около 15 рабочих групп, каждая из которых решала свои конкретные научные задачи, исходящие из наблюдений тех или иных астрофизических объектов, полученных спутником ПЛАНК.

В каждую из рабочих групп входило несколько десятков ученых из различных стран мира, работающих в своих институтах, центрах и университетах. Один из авторитетных ученых был руководителем рабочей группы и обеспечивал взаимодействие  между командой ученых внутри нее.

- Благодаря космическому спутнику ПЛАНК  был проведен ряд исследований реликтового излучения, и ученые получили ценные данные, а также смогли уточнить скорость расширения, устройство и возраст Вселенной.  Ильфан Фяритович, расскажите, пожалуйста,  о масштабах и возможностях исследований международного спутника ПЛАНК.
- Европейский космический спутник ПЛАНК был запущен в космос в 2009 году и проработал там до октября 2013 года, - напомнил Ильфан Фяритович. - Спутник был  назван в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка, который получил Нобелевскую премию по физике в 1918 году за  вклад в создание и развитие нового научного направления - квантовой физики.

Рис. 1.  Запуск спутника ПЛАНК  с космодрома Куру во французской Гвиане 14 мая 2009 года ракетой носителем Ариан-5 Европейского космического агентства

Основным инструментом космического спутника ПЛАНК является охлаждаемый телескоп с размером главного зеркала 1.5 метра, предназначенный для наблюдений в миллиметровом диапазоне длин волн. Эта область спектра от 0.3 мм до 10 мм находится  между инфракрасным  и радио диапазонами.   Основной научной задачей спутника ПЛАНК было сканирование всего неба с целью  составления карты флуктуаций микроволнового реликтового излучения . Микроволновое излучение (максимум его энергии приходится на длину волны 2 мм) является "отпечатком" (реликтом)  событий, которые происходили в нашей Вселенной, когда она была еще очень молодой, в возрасте 380 тысяч лет.   Сейчас возраст Вселенной составляет почти 14 миллиардов лет.

Рис. 2  Спутник ПЛАНК сканирует небо для измерения флуктуаций микроволнового реликтового фона Вселенной

В указанном миллиметровом диапазоне длин волн присутствуют фотоны не только микроволнового излучения, но и других составляющих  нашей Вселенной  - галактик с активными ядрами, звезд нашей Галактики,  межгалактической, межзвездной и межпланетной пыли.  С одной стороны,  эти  дополнительные источники излучения сильно мешали решению основной задачи спутника ПЛАНК и искажали поток от микроволнового излучения.  То есть ученым необходимо было "разложить свет от разных источников по своим полочкам" и  выделить из всего набора фотонов только те, что принадлежат микроволновому фону. Это была чрезвычайно тяжелая задача, но она была решена.  Эту работу выполнили западные коллеги.

С другой стороны,  спутник ПЛАНК дал ученым информацию не только о микроволновом фоне, но и о большом количестве других источников во Вселенной, которые мы ранее не наблюдали. К числу таковых относятся скопления галактик – самые массивные объекты во Вселенной, которые нам известны в настоящее время. Масса скопления составляет 10 в степени 42 тонн! Самое удивительное, что именно этим  объектам (в силу их большой массы) отводится ключевая роль  "пробных шариков"  Вселенной  для исследования природы темного вещества и темной энергии.  Но для того чтобы использовать скопления галактик для решения этих фундаментальных задач, сначала надо найти скопления галактик на небесной сфере.

 – Кто из российских ученых занимался решением подобных задач?

– Еще в далеком 1972 году один из самых цитируемых отечественных астрофизиков Рашид Алиевич Сюняев вместе со своим учителем – академиком Яковом  Борисовичем Зельдовичем обнаружили астрофизический эффект, который был назван их именем "эффект Сюняева-Зельдовича". Скопления галактик состоят только наполовину из звезд и галактик. А половина их гигантской массы содержится из горячем  газе  заряженных частиц – электронов, протонов, ядер тяжелых элементов. Эффект Сюняева-Зельдовича  состоит в том, что высоко-энергичные электроны  в центрах скоплений галактик при столкновениях с фотонами реликтового излучения передают фотонам  часть своей энергии и рассеивают фотоны в разные направления относительно их первоначального движения.  В результате, при наблюдениях участков неба в направлении на скопления галактик мы регистрируем  искаженный спектр микроволнового излучения и можем сделать вывод, что в данном направлении на небе есть скопление галактик.

Используя эффект Сюняева-Зельдовича, спутник ПЛАНК обнаружил 1227 кандидатов в скопления галактик. На основе этих данных был составлен наиболее полный на настоящий момент Каталог массивных скоплений галактик, опубликованный в одной  из серии 31 статей научного журнала  Astronomy and Astrophysics.

Рис. 3.  Расположение на небесной сфере (красные точки) 1227 кандидатов в скопления  галактик, обнаруженных спутником ПЛАНК

- И что еще  смог "разглядеть"  ПЛАНК?

- Аппаратура спутника ПЛАНК, к сожалению, смогла зарегистрировать лишь присутствие массивного объема горячего газа, принадлежащего скоплениям галактик. А  вот сами галактики спутник  не мог "разглядеть", так как они излучают в оптической области спектра.

Рис. 4. Пример регистрации кандидата в скопление  галактик спутником ПЛАНК на основе эффекта Сюняева-Зельдовича.  Регистрируется лишь наличие горячего газа в скоплении, а сами галактики скопления здесь не проявляются.

- Что нужно сделать, чтобы увидеть эти  галактики?

- Необходимы наблюдения с помощью наземных оптических телескопов.

Поэтому европейскими астрономами из Франции, Италии, Германии, России, Дании, Норвегии, Испании была организована специальная программа наземных наблюдений.

В 2011 году академик Рашид Алиевич Сюняев (почетный профессор КФУ), являясь одним из ведущих научных лидеров в коллаборации ПЛАНК,  предложил европейским коллегам использовать для задачи оптического отождествления  Российско-Турецкий  1.5-метровый телескоп (РТТ-150). 

Напомним

РТТ-150  - телескоп Казанского университета, установленный в  1999 году в Национальной обсерватории ТЮБИТАК (ТЮГ) (Турция)  на высоте 2500 метров. Участниками международного проекта  РТТ-150 являются  - КФУ, АН РТ,  Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН) - с российской стороны, и Обсерватория ТЮБИТАК – с турецкой.  Научный руководитель проекта РТТ-150 от КФУ – профессор Наиль Сахибуллин.

Рис. 5.  Национальная обсерватория ТЮБИТАК (ТЮГ) в горах на высоте 2500 метров над уровнем моря

- Насколько мне известно, в работе по наблюдениям и отождествлениям  новых скоплений галактик спутника ПЛАНК и проявили себя астрофизики Казанского университета. Имя одного нам известно – это вы, Ильфан Фяритович. А кто еще принимал участие в обработке результатов?  

 –  Это старший научный сотрудник  КФУ и ТЮГ  Ирек Хамитов,  и наши коллеги – доценты Рустам Гумеров, Роман Жучков, Алмаз Галеев, научный сотрудник Сергей Мельников, младший научный сотрудник Эльдар Иртуганов.

Рис. 6.   1.5-метровый телескоп РТТ-150  с общей массой 38 тонн, управляемый компьютерами  с расстояния 200 метров с помощью автоматизированной системы наведения.

- Какие результаты были получены?

- Анализ 1227 кандидатов в Каталоге скопления галактик ПЛАНКа, выполненный учеными из Франции, показал, что лишь для половины (600)  из них имеются оптические отождествления в существующих астрономических базах данных. То есть 600 кандидатов  в скопления еще неизвестны астрономам и их надо было обнаружить в тех направлениях на небесной сфере, куда указал спутник ПЛАНК (см. рис. 3).

Примерно 300 кандидатов из указанных 600  попадают в области Северной небесной полусферы, которая доступна наблюдениям из Европы и Турции.  Астрономам КФУ, совместно с их российскими коллегами из ИКИ РАН (Родионом Бурениным и Александром Мещеряковым) за три года работы  удалось выполнить на телескопе РТТ-150 наблюдения 120 (!)  участков неба из отмеченных выше 300 областей. Таким образом, с помощью телескопа РТТ-150 нашими астрономами проведена значительная часть наземных оптических наблюдений в Северном полушарии неба по этой международной программе.

- Для астрономии характерны цифры со многими нулями. Удивите какой-нибудь.  

- Пожалуйста. В результате выполненной работы было отождествлено 50 новых скоплений галактик и измерены расстояния для них наиболее точным спектроскопическим методом. Измерения показывают, что эти скопления находятся на расстояниях от одного до семи миллиардов световых лет!

- Впечатляет! Вот как далеко, оказывается, можно изучать Вселенную с помощью Казанского телескопа. Значит ли это, что полученные астрофизиками КФУ результаты использовались для определения и уточнения параметров  Вселенной.

- Да. И результаты отождествлений скоплений галактик, выполненные на РТТ-150, были чрезвычайно востребованы и использованы нашими западными коллегами из других рабочих групп проекта ПЛАНК.  

Рис. 7.  Близкое скопление галактик в созвездии Волосы Вероники. Снимок получен на РТТ-150.  Спутник ПЛАНК давал лишь изображение пятна на небе, аналогичное показанному на рис 4.

Рис. 8.  Далекое скопление галактик на расстоянии  в 3 млрд. световых лет. Снимок получен на РТТ-150. 

Рис. 9.  Спектр одной из галактик в скоплении, расположенном на расстоянии около 3 млрд. световых лет. Спектр получен на телескопе РТТ-150 в ноябре 2011 года.  Расстояние измерено по эффекту Доплера, используя отождествленные линии в спектре. Данные получены И.Ф.Бикмаевым

- Не значат ли опубликованные в журнале  результаты исследований астрофизиков  Казанского университета, что участие в международном проекте подошло к концу?

 - Совместная  деятельность ученых КФУ в международном проекте ПЛАНК продолжается, так как еще не завершена работа по оптическим отождествлениям скоплений галактик.

В декабре 2014 года ожидается публикация очередной большой серии статей по результатам работы коллаборации в 2014 году. Предполагается, что число кандидатов в скопления галактик ПЛАНКА увеличится в 1.5-2 раза по сравнению с ранее обнаруженными 1227 кандидатами. Это значит, что в ближайшие два-три  года предстоит дальнейшая кропотливая и интереснейшая работа в этом направлении.

Работа в рамках проекта ПЛАНК убедительно показывает, что время ученых-одиночек в науке прошло. Все простые законы Вселенной давно открыты. А более сложные закономерности можно обнаружить лишь путем коллективного труда наиболее передовых ученых  из разных стран мира. Серия статей по проекту ПЛАНК, опубликованная в ноябре 2014 года, подтверждает эту логику развития мировой науки.  Очень здорово, что и татарстанские ученые, представляющие Казанский университет и Академию наук РТ, смогли достойно войти в международную кооперацию в актуальном направлении современной астрофизики и космологии.