«Дальний космос – это машина времени!»

Академик Дмитрий Варшалович допускает, что в будущем изучение квазаров и тёмной материи может дать человечеству новые возможности

 

В последние годы далёкие космические пространства превратились для физиков в настоящую лабораторию. С помощью современных технологий, в том числе новых телескопов, астрофизики впервые сумели взглянуть на объекты, удалённые от Земли на 10–13 миллиардов световых лет. Новые исследования и открытия позволяют приблизиться к разгадке происхождения Вселенной, считает академик Дмитрий ВАРШАЛОВИЧ из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе.

– Дмитрий Александрович, сегодня исследования космических глубин принято называть передним краем науки. Что же удаётся разглядеть с этого переднего края, который находится на таких сумасшедших расстояниях?

– Начать с того, что там наблюдаются такие явления, какие невозможно создать в лаборатории на Земле. Например, нейтронные звёзды имеют плотность около миллиарда тонн на кубический сантиметр, а их магнитные поля столь велики, что атомы вытягиваются, как иголки, вдоль силовых линий поля. При вспышке сверхновой звезды за несколько секунд выделяется энергия, значительно превосходящая энергию, которую наше Солнце излучило за всё время своего существования.

Космос даёт нам уникальную возможность проверить, каким закономерностям подчиняется природа. Именно поэтому исследования квазаров, нейтронных звёзд, чёрных дыр произвели переворот не только в астрофизике, но и в современной физике.

Один из важнейших выводов, полученных в последние годы радиоастрономами и астрономами: известное нам обычное вещество, состоящее из атомов, молекул и ионов, даёт лишь около 5 процентов общей плотности Вселенной, остальное – так называемая тёмная холодная материя и тёмная энергия, о существовании которых раньше никто и не подозревал. В разрешении этой проблемы есть и наш вклад, он связан со спектроскопией далёких квазаров.

– Почему вы и ваши коллеги из ФТИ им. А.Ф. Иоффе выбрали для изучения именно самые удалённые космические объекты – квазары?

– Далёкие квазары находятся на расстояниях 10–13 миллиардов световых лет. Это значит, что мы их видим такими, какими они были 10–13 миллиардов лет назад. Поэтому, анализируя спектры квазаров, мы можем определить, какими тогда были физические условия, каков был химический и изотопный состав вещества на ранней стадии эволюции Вселенной. Тогда – это задолго до образования Земли и Солнечной системы, которые сформировались лишь 4,6 миллиарда лет назад, и почти вскоре после появления Вселенной, чей возраст, по измерениям реликтового излучения, – 13,8 миллиарда лет. По существу, это настоящая машина времени! Изучая спектры квазаров, можно понять, как формировалась структура Вселенной, что менялось, а что не менялось в процессе космологической эволюции. Наши исследования, в частности, показали, что за миллиарды лет, прошедшие с момента формирования спектров, законы природы не изменились и значения фундаментальных физических констант в ту эпоху были такими же, как в нашу, хотя некоторые теории предсказывали значительное их изменение. Исследование спектров квазаров позволило нам с помощью нового независимого метода определить относительную долю обычного вещества.

– Насколько я знаю, ваши научные исследования связаны также с молекулярными облаками…

– При анализе спектров далёких квазаров, полученных на одном из крупнейших оптических телескопов Европейской южной обсерватории в Чили, нам повезло: мы первыми в мире обнаружили там системы линий молекулярного водорода, содержащего дейтерий, то есть тяжёлый изотоп водорода. Фактически мы обнаружили холодные межзвёздные молекулярные облака, существовавшие в ту далёкую эпоху. Измерив относительное содержание дейтерированного и обычного молекулярного водорода в этих облаках, мы смогли определить относительное содержание первичного дейтерия, существовавшего на ранних этапах эволюции Вселенной. А это один из ключевых космологических параметров, который и позволил нам определить относительное содержание обычного вещества во Вселенной. Полученное значение – 4,5 процента – чуть меньше, но в пределах ошибок совпадает со значением, опредёленным иным путём, на основе анализа реликтового радиоизлучения. А если значения, полученные разными методами, на основе совершенно разных данных, фактически совпали – значит, основной вывод был правильным.

– Чем же интересен этот первичный дейтерий?

– Он образовался на раннем, дозвёздном этапе эволюции, когда Вселенная была ещё горячей и представляла собой единый термоядерный реактор, заполненный почти однородной плазмой с температурой примерно миллиард градусов. Тогда и началось образование атомных ядер. Но этот период был весьма коротким. Вселенная быстро расширялась, температура падала, и ядерные реакции прекратились. Успели образоваться лишь самые лёгкие ядра – изотопы водорода, гелия и лития. Все остальные элементы образовались значительно позднее в результате эволюции звёзд, а первые звёзды начали формироваться лишь через сотню миллионов лет после этого.

– Может ли это знание дать человечеству новые возможности, например новый источник энергии?

– Вывод о существовании тёмной материи принципиально важен для фундаментальной науки, для физики высоких энергий и элементарных частиц. Именно поэтому на Большом адронном коллайдере сейчас пытаются получить частицы тёмной материи. Это важно для понимания общей картины нашего мира.

Практического применения этого открытия сейчас не видно. Но что будет в дальнейшем, мы не знаем. Не раз бывало, что вроде бесполезное открытие потом оказывалось полезным. Например, когда начали заниматься ядерной физикой, многие считали, что на практике это никому не нужно. Наш институт даже критиковали за то, что его сотрудники занимаются таким бесполезным делом. Но потом выяснилось, что именно эти работы помогли заложить основы ядерной энергетики.

– А каким «бесполезным делом» заняты ваши коллеги-астрофизики сегодня?

– В этом году в Институте им. А.Ф. Иоффе состоялись две крупные международные конференции. Первая – по физике нейтронных звёзд и пульсаров. Вторая – по всплескам космического гамма-излучения. В этих областях вклад астрофизиков нашего института общепризнан. Наш институт – один из ведущих в мире центров и по физике нейтронных звёзд. Это уникальные объекты, единственные, состоящие не из элементов таблицы Менделеева, имеющие плотность несколько миллиардов тонн в одном кубическом сантиметре и магнитные поля до десяти в 14-й степени гаусс.

А космические гамма-всплески были открыты независимо в НАСА (США) и в нашем ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Это самое грандиозное и загадочное явление космоса. В течение нескольких секунд выделяется гигантская энергия, значительно превосходящая энергию излучения всех звёзд нашей Галактики. До сих пор неясно, что это такое – вспышка сверхновой звезды, слияние звёзд или, может быть, аннигиляция тёмной материи.

В 2004 году, в канун Рождества, произошёл самый сильный из наблюдавшихся всплеск гамма-излучения. Зашкалили все детекторы гамма-лучей на орбитальных обсерваториях США, Европы и других стран. Телеканал CNN объявил тогда, что это предвестник конца света, которого, конечно, не произошло. А наши астрофизики – единственные, кто смог измерить этот всплеск, впервые в мире определить поток энергии по гамма-излучению, отражённому от поверхности Луны.

– Некоторые пугают, что гамма-лучи представляют реальную опасность для землян.

– Если бы источник сверхмощного всплеска гамма-лучей находился близко от нас, он мог бы повлиять на земную жизнь. Но вероятность, что такое событие произойдёт недалеко от Земли, очень небольшая. Даже если мы испытываем какое-то воздействие лучей, оно слишком незначительно, чтобы принести нам вред.

Дмитрий Варшалович – физик-теоретик, доктор физико-математических наук, академик РАН, лауреат Государственной премии (2008 год). Открыл новое в астрофизике явление – ориентацию и выстраивание спинов (вращательных моментов) атомов и молекул в облаках межзвёздного газа, в оболочках звёзд, в кометах и т. п. Внёс большой вклад в спектроскопию межзвёздных молекул, теорию космических мазеров, физику квазаров и космологию. Заведует кафедрой «Космические исследования» в Санкт-Петербургском политехническом университете. В течение многих лет руководил сектором теоретической астрофизики ФТИ им. А.Ф. Иоффе, сегодня главный научный сотрудник института.

 

Беседовала Наталья Григорьева