Член-корреспондент РАН Андрей ФИНКЕЛЬШТЕЙН, директор Института прикладной астрономии РАН

В июле 2003 г. Международный астрономический союз принял решение объявить 2009 г. Годом астрономии. Оно было поддержано 33-й Генеральной ассамблеей ЮНЕСКО, а в 2007 г. - 62-й Генеральной ассамблеей ООН. Логика этих шагов объясняется тем, что в наши дни отмечается 400-летие изобретения телескопа, тесно связанное с именем выдающегося итальянского ученого Галилео Галилея. Его астрономические открытия вместе с ранее им же выполненными экспериментальными работами по механике сломали существовавшие в средневековье схоластические представления об окружающем мире и дали толчок для формирования науки в современном смысле этого слова. Таким образом, Международный год астрономии можно рассматривать не только как повод для празднования эпохальных научных прорывов Галилея, но и как дату возникновения современного естествознания.

Ныне астрономия, являющаяся одной из самых развитых и высокотехнологических наук, продолжает изучать Солнце, планеты*, их спутники, астероиды, кометы, звезды и скопления последних**, межзвездное вещество и планеты около других звезд (так называемые экзопланеты), нашу и другие галактики и их скопления, реликтовое излучение, экзотические формы космического вещества и энер-

* См.: Э. Галимов. Перспективы планетоведения. - Наука в России, 2004, N 6; И. Митрофанов. Разгадывая марсианские тайны. - Наука в России, 2002, N 6 (прим. ред.).

** См.: Ю. Ефремов, В. Сурдин. Звездные комплексы и структуры галактик. - Наука в России, 2001, N 1 (прим. ред.).

гии, стремится найти жизнь на иных планетах и существование внеземных цивилизаций.

Для получения знаний о Вселенной астрономы используют весь спектр электромагнитного излучения - от гамма- и рентгеновского до оптического и радиоизлучения, а также источники гравитации, нейтрино, космические лучи и вещество планет, их спутников и комет. Сегодня выполняются масштабные международные наблюдательные программы, объединяющие усилия десятков стран и сотен организаций. С помощью современных информационных технологий объединяются телескопы, расположенные на различных континентах и в космосе, в единые глобальные сети реального времени. Для описания наблюдаемых явлений привлекают самые изощренные математические методы и современные физические теории. Благодаря всему этому астрономия, начиная с середины XX в., претерпела подлинно революционные изменения, которые будут определять ее облик по крайней мере до середины нынешнего столетия.

Доказательством сказанному служат открытия звездных ассоциаций и звездообразований Виктором Амбарцумяном (1947, СССР; с 1953 г. - академик), квазаров - Мартином Шмидтом (1963, Голландия, США), реликтового излучения - Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном (1965, США), пульсаров - Джоселином Беллом и Энтони Хьюишем (1967, Великобритания), рентгеновских объектов - группой под руководством Риккардо Джиаккони (1970, США), двойного пульсара, свидетельствующего об излучении гравитационных волн, - Расселом Халлсом и Джозефом Тейлором-младшим (1974, США), солнечных нейтрино - Раймондом Дейвисом (1968, США) и космических нейтрино - учеными во главе с Масатоши Кошиба (1987, Япония), анизотропии реликтового фона - группой под руководством Джона Мэтера, Джорджа Смута (1992, США) и экзопланет (1995 - 2005, США, Объединенная Европа).

Среди теоретических работ, прояснивших наиболее существенные наблюдаемые астрономические явления или предсказавших их, следует отметить исследования Субраманьана Чандрасекхара (США), построившего теорию строения и эволюции звезд, Ханса Бете (США), развившего теорию ядерных реакций и объяснившего с ее помощью природу энергетики звезд, Уильяма Фаулера и Фреда Хойла (США) - труды по теории образования химических элементов во Вселенной и в звездах.

Крупный теоретический вклад внесли в середине XX в. и отечественные ученые: Георгий Гамов (СССР, США; член-корреспондент с 1932 г.) - создатель теории "горячей Вселенной", Яков Зельдович (академик с 1958 г.) и его ученики Рашид Сюняев (академик с 1992 г.), Игорь Новиков и Андрей Дорошкевич - авторы пионерских работ по теории "черных дыр" и реликтового излучения, Иосиф Шкловский (член-корреспондент с 1966 г.), предложивший синхротронный механизм для объяснения радиоизлучения дискретных радиоисточников.

Наконец, среди новаторских трудов, легших в основу создания технических средств для астрономических наблюдений, следует упомянуть работы Мартина Райла (1952, Великобритания) - автора метода апертурного синтеза, Николая Кардашева и Леонида Матвеенко (1965, СССР), предложивших метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.

Разумеется, этот перечень достижений далеко не исчерпан и может быть существенно дополнен. Остается только добавить, что большая часть упомянутых работ была отмечена Нобелевскими премиями в области физики.

Однако с каждым новым открытием число загадок и тайн Вселенной не уменьшается, а скорее, наоборот, увеличивается. И это не случайно. Ведь пространственно-временные и энергетические масштабы процессов, происходящих в космосе, на порядки порядков превышают и будут превышать технические и технологические возможности любой сколь угодно высокоразвитой цивилизации. Тем самым Вселенная является уникальной физической лабораторией, которую она предоставила исследователям для изучения необычных состояний материи и построения фундаментальных физических теорий. Поэтому именно в астрономии сосредоточены все наиболее значительные вызовы природы и прорывы в их понимании. Вот лишь три примера.

В фундаментальной физике особое место занимает теория тяготения Альберта Эйнштейна (1879 - 1955; Германия, США). Она описывает сверхсильные гравитационные поля и основные свойства пространства-времени. Созданную более 90 лет назад, ее многократно экспериментально проверяли прямыми астрономическими наблюдениями в Солнечной системе, и не было обнаружено ни одного экспериментального факта, противоречащего высказанным в ней положениям. Вместе с тем при изучении таких экзотических астрономических явлений, как "черные дыры" и ранняя Вселенная, возникает твердое убеждение, что теория тяготения Эйнштейна должна быть обобщена подобно тому, как в свое время она сама поступила с теорией тяготения Исаака Ньютона (1643 - 1727; Англия). О том, что это произойдет, свидетельствует следующий факт. В настоящее время три из четырех фундаментальных взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное - описываются Стандартной моделью, а гравитационное - независимо от теории тяготения Эйнштейна, и их объединения можно достигнуть только созданием квантовой теории гравитации.

"Черные дыры", являющиеся прямым следствием теории тяготения Эйнштейна, - особые области пространства-времени, возникшие на заключительной стадии эволюции звезд с массами, большими трех масс Солнца, в ядрах галактик и квазаров и на начальной фазе расширения Вселенной. Если существование первых практически решенный вопрос, то ближайшие десятилетия должны окончательно прояснить существование сверхмассивных "черных дыр" (с массами в сотни миллионов и миллиардов масс Солнца) и первичных (с массами порядка миллиардов тонн) - первых как источников первичной энергии ядер галактик и квазаров, вторых как источников информации об очень ранних фазах расширения Вселенной.

Вселенная - уникальное образование, возникшее 13,5 - 14,0 млрд. лет назад из сверхплотного и сверхгорячего состояния, из сингулярности, которая подобно гену содержала все данные о ее будущем. О первых нескольких сотнях тысяч лет ее жизни несет сведения реликтовое излучение. А информацию о более ранних этапах - данные о первичном химическом составе и, прежде всего, о соотношении водорода, гелия, дейтерия и лития (более тяжелые элементы рождаются в звездах). Однако наиболее поразительные явления сосредоточены на самых ранних стадиях эволюции Вселенной, когда она имела размеры на 20 порядков меньшие, чем атомное ядро. Тогда и позже "работали" такие загадочные механизмы, как "темная энергия", позднее и "темное вещество", обеспечившие расширение Вселенной, определившие ее основные динамические и топологические свойства.

Исследование природы начальной фазы эволюции Вселенной дает шанс получить ответ и на ряд экзотических вопросов. Уникальна ли она или таковых множество, несмотря на то, что некоторые из них бесконечны? Универсальны ли фундаментальные физические законы, описывающие эволюцию всех возможных вселенных, или каждая следует своим законам? Является ли наша Вселенная самой сложной из теоретически возможных, в силу чего ее физические законы позволяют образовывать живые структуры, к которым принадлежим и мы?

Несомненно, что в процессе получения ответов на перечисленные вопросы нас ждет много неожиданностей, требующих переосмысления ряда положений, выдвинутых современными и кажущимися ясными астрофизическими и космологическими теориями. Единственно, в чем можно быть уверенным, это в том, что общая астрономическая картина Вселенной не претерпит радикальных изменений.

Далее. Все астрономические открытия, сделанные и еще предстоящие, связаны с развитием различных наземных и космических астрономических инструментов, кардинально отличающихся от телескопа, примененного 400 лет тому назад Галилеем.

Трудно представить астрономию без оптических телескопов, и они, пройдя 400-летний путь развития, в настоящее время представляют собой большие и сложные установки, оснащенные современными приемниками оптического диапазона. Так, в 1975 г. в Специальной астрофизической обсерватории РАН (Северный Кавказ) вступил в строй 6-метровый телескоп. 20 лет он являлся крупнейшим оптическим телескопом мира, пока в 1993 - 2002 гг. не были введены в действие оптические телескопы нового поколения с диаметрами зеркал 8 - 10 м, а также несколько телескопов с зеркалами 6,5 м. Например, в 1993 - 1996 гг. на Гавайях были установлены крупнейшие на Земле телескопы - "близнецы" Keck 1 и Keck 2 с диаметрами зеркал Юм, состоящих из 36 шестиугольных стеклокерамических элементов, каждый из которых управляется компьютерной системой. Такое адаптивное зеркало позволяет скомпенсировать влияние атмосферы и обеспечить высокое угловое разрешение в 0,04 угл. сек. Находящиеся на расстоянии 85 м друг от друга, "близнецы" могут работать в интерферометрическом режиме с угловым разрешением в 5 мс дуги. В этой же обсерватории установлены телескопы "Плеяды" с диаметром зеркала 8,2 м и "Северный близнец" - 8,1м ("Южный близнец" смонтировали в Чили для наблюдения объектов Южного полушария). Наконец, в 1998 - 2002 гг. в Южной Европейской обсерватории в Чили был введен в действие "Очень большой телескоп" (VLT - Very Large Telescope), состоящий из четырех телескопов с диаметрами адаптивных зеркал 8,2 м, способных действовать в режиме интерферометра.

Все эти инструменты - как зарубежные, так и отечественные - значительно пополнили арсенал знаний уникальным наблюдательным материалом для галактической и внегалактической астрономии, а также для обнаружения и исследования экзопланет.

Трудно представить сегодня изучение Вселенной без радиотелескопов. История соответствующих наблюдений началась в 1931 г., когда американский инженер Карл Янский, исследуя радиопомехи, мешающие работе трансатлантического беспроводного телефона, открыл радиоизлучение Галактики. С тех пор было построено большое количество различных радиотелескопов, работающих в диапазоне длин волн от 1 мм до десятков метров. Крупнейший из них на сегодняшний день - полноповоротный в обсерватории Грин Бэнк (США) с адаптивной отражающей поверхностью главного зеркала 100 х 110 м, состоящей из более 2000 отдельных панелей, устанавливаемых манипуляторами, управляемыми лазерным лучом. Создаваемая таким способом поверхность обеспечивает работу на частотах до 100 ГГц (3 мм). Следует отметить, что десятки больших радиотелескопов с диаметрами зеркал свыше 20 м, принадлежащие различным государствам, объединяются в международные глобальные радиоинтерферометрические сети.

Значительный вклад в рассматриваемые исследования вносила и вносит Россия, которая до нынешней поры является одной из крупнейших радиоастрономических стран мира. Она обладает пятью полноповоротными многоволновыми радиотелескопами с зеркалами диаметром 32 - 70 м, оснащенными современными приемниками сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн, три из которых объединены в постоянно действующую радиоинтерферометрическую систему со сверхдлинными базами "Квазар-КВО"*. Кроме них, на Северном Кавказе работает радиотелескоп РАТАН-600, крупнейший на планете с антенной переменного профиля диаметром 600 м, а в Бурятии - крестообразный интерферометр Сибирский солнечный радиотелескоп, состоящий из двух баз по 128 параболических антенн диаметром 2,5 м, ориентированных в направлениях восток-запад и север-юг. Наконец, сейчас у нас создают радиотелес -

* См.: А. Финкельштейн. Радиоинтерферометрическая сеть "Квазар". - Наука в России, 2001, N 5 (прим. ред.).

коп с адаптивным зеркалом диаметром 70 м, способный работать на длинах волн вплоть до коротких миллиметровых.

Радиоастрономия сделала без преувеличения ряд великих открытий - межзвездные мазеры, многочисленные молекулярные линии, пульсары (включая двойные), квазары и реликтовое излучение (в том числе его анизотропию), внутрисуточные вариации параметров вращения Земли, движение континентов на нашей планете и т.д.

Немалый объем информации в астрономии остается за пределами земной атмосферы, которая сама по себе поглощает большую часть поступающего инфракрасного и ультрафиолетового и почти 100% рентгеновского и гамма-излучений. Чтобы вести наблюдения в этих диапазонах, необходимо выносить соответствующие приборы в космос. За последние 35 лет туда было запущено около 70 аппаратов, оснащенных необходимыми приборами, работающими в различных диапазонах длин волн. Среди них выдающуюся роль сыграли оптический телескоп "Хаббл", инфракрасный "Спитцер", микроволновый WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), рентгеновский "Чандра", гамма-телескоп "Комптон" и космический радиотелескоп VSOP (VLB1 Space Observatory Programme). Организаторами этих миссий были Национальные космические агентства США, Объединенной Европы и Японии.

К примеру, с помощью "Хаббла", запущенного в 1990 г., были получены сотни тысяч высококачественных изображений десятков тысяч небесных объектов - планет и их спутников, комет, звезд, экзопланет, туманностей, галактик и протогалактик. "Спитцер" (2003 г.) осуществил масштабные глубокие инфракрасные исследования слабосветящегося вещества во Вселенной - остывших звезд, гигантских молекулярных облаков и протопланет. Телескоп WMAP, доставленный в 2001 г. в точку Лагранжа, дал возможность представить картину раннего этапа жизни Вселенной, свидетельствующую в пользу инфляционной теории, и уточнить ее возраст с беспрецедентно высокой точностью. "Чандра" (1999 г.) позволил построить с рекордным угловым разрешением изображения рентгеновских космических источников - коллапсирующих, облаков горячего газа в межгалактическом пространстве, облаков, оставшихся от взрывов сверхновых. "Комптон" (1991 г.) провел обзор всего неба в гамма-лучах, обнаружив свыше 400 новых источников излучения и зарегистрировав более 2,5 тыс. гамма-всплесков. Космический радиотелескоп VSOP с диаметром зеркала 8 м, запущенный в 1997 г. Японией на околоземную орбиту с апогеем около 3 радиусов Земли, работал совместно с крупнейшими наземными радиотелескопами в режиме радиоинтерферометра со сверхдлинными базами. Главным результатом этой миссии была успешная демонстрация возможности создания наземно-космического радиоинтерферометра.

Россия также планирует реализовать ряд космических астрофизических программ. Прежде всего это международный проект "Спектр-Р" - "Радиоастрон" (научный руководитель - академик Николай Кардашев). Он предусматривает запуск 10-метрового радиотелескопа (орбита с апогеем в 350 000 км), оснащенного приемниками диапазона 1,35 - 92 см, образующего с наземными радиотелескопами наземно-космический радиоинтерферометр; последний позволит исследовать космические радиоисточники различных типов с разрешением до миллионных долей угловой секунды на волне 1,35 см. Основные задачи

данного проекта состоят в изучении областей вблизи сверхмассивных "черных дыр" и "черных дыр" звездных масс, нейтронных звезд и уточнении вклада темного вещества и темной энергии в динамику Вселенной. Наземный сегмент "Радиоастрона" на территории России будут обеспечивать радиотелескопы российской РСДБ-сети "Квазар-КВО" и 64-метровый в городе Калязин (Тверская область).

Второй проект "Спектр-РГ" (научный руководитель - академик Рашид Сюняев). Это международная станция, оснащенная узконаправленным зеркальным рентгеновским телескопом для круглосуточного обзора неба на средних энергиях рентгеновского диапазона широкоугольным рентгеновским монитором, позволяющим строить рентгеновские изображения за один виток, и кремниевыми детекторами гамма-всплесков. Проект предназначен для исследования природы космического рентгеновского фона, космических гамма-всплесков и "черных дыр" в рентгеновских двойных звездах, каталогизации различных рентгеновских источников.

И, наконец, третий проект "Спектр-УФ" (научные руководители - академик Александр Боярчук и член-корреспондент РАН Борис Шустов) предполагает вывод на орбиту Земли международной станции, оборудованной ультрафиолетовым телескопом с диаметром главного зеркала 1,7 м, спектрометром высокого разрешения и спектрополяриметром. В рамках этой работы предстоит изучить физико-химические свойства атмосфер планет, комет, горячих и холодных звезд, природу активности галактических ядер.

Все перечисленные российские космические программы планировалось реализовать еще в 1990-х годах. К сожалению, в силу ряда объективных причин воплотить их в жизнь не удалось. Однако и сейчас интерес мирового научного сообщества к запускам указанных станций не утерян, и можно ожидать, что в ближайшие годы они будут успешно реализованы, дадут множество новых сведений о Вселенной и населяющих ее объектах.

Из вышесказанного следует, что современные астрономические наблюдения требуют сложных и дорогостоящих инструментов, высококвалифицированных специалистов (физиков и астрономов, математиков и инженеров), которые с их помощью будут наблюдать, обрабатывать и анализировать полученные данные. Вместе с тем астрономия сохранила место и для любителей - интеллектуалов и романтиков, которых волнуют тайны Вселенной и поражают ее удивительная красота, стройность. Ведь современные любительские оптические телескопы, оснащенные не очень дорогими ПЗС-приемниками, позволяют не только наслаждаться прекрасными видами Солнечной системы, но и вести такие содержательные и необходимые для профессиональной астрономии наблюдательные работы, как поиск новых комет и малых планет.

В заключение хочу напомнить: астрономия - единственная из наук, у которой есть своя муза - Урания. Она получила имя от устремленности к небу тех, кто постиг ее искусство. В Год астрономии все мы ждем, что число приверженцев этой покровительницы астрономии будет лишь возрастать.

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: