«Гамма-кванты несут в себе бездну информации»

Какие фундаментальные и прикладные задачи может решить современная астрофизика высоких энергий? Как открывают источники гамма-излучения? Почему это важно? Нужна ли астрономия в школе и на каком уровне находятся нынешние студенты астрономического отделения физфака МГУ? Об этом рассказывает профессор РАН Максим Сергеевич Пширков, руководитель отдела радиоастрономии Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга (ГАИШ) МГУ.

— Готовясь к нашему интервью, я прочитала, что в 2017 г. вы открыли еще один источник мощного гамма-излучения. А сколько было известно источников?

— Источников гамма-излучения сегодня известно более 7 тыс., тогда было меньше — 3–4 тыс., но идея не в том, что это плюс один к тысячам, а в том, что это еще один из классов источников. Основные источники гамма-излучения — активные ядра галактик: это сверхмассивные черные дыры в далеких галактиках, на которые падает газ, и они излучают во всех диапазонах, в том числе гамма. Больше половины на небе как раз такие. Но число классов не так велико — порядка десятка. Интересный момент в том, что источник, о котором говорит наша статья 2016 г., — это один из редких представителей класса, так называемые двойные массивные звезды со сталкивающимися ветрами. До этого была известна лишь одна такая система, самая экстремальная в нашей галактике, но она не представляет собой класс, потому что она — вещь уникальная.

— А в чем уникальность?

— Там очень тяжелые звезды — десятки-сотни масс Солнца с очень мощным звездным ветром, который выдувает вещество. За год она теряет за счет выдува вещества одну десятитысячную масс Солнца со скоростью 1 тыс. км/с. Эта стадия продолжается 1 млн лет, за это время теряется десять масс Солнца.

— И что же остается?

— Несколько десятков процентов от первоначальных масс, которые потом взорвутся как сверхновые. Но интересно то, что там две таких звезды, которые дуют мощными ветрами. Ветры сталкиваются, при столкновении происходит излучение высоких энергий, в том числе гамма. Наша статья описывает похожую систему, чуть менее экстремальную, но нам тоже удалось найти гамма-излучение.

— Почему это важно для науки?

— Это важно для астрофизики высоких энергий. Мы видим интересный процесс столкновения очень сильных ветров, то, какие процессы происходят при этом столкновении, как ускоряются частицы, как они излучают, могут ли ускоряться частицы до таких энергий, чтобы излучались фотоны с энергиями в гигаэлектронвольты, тераэлектронвольты. Все это нам дает некое понимание процессов ускорения частиц в космосе.

— А раньше такого представления у нас не было?

— Теоретически, конечно, было все что угодно. Рассматривали, что такие системы могут давать высокоэнергичные излучения, но самих систем до этого не находили. Это ограничивало наши возможности. А теперь, если их находят, теории приходится разрабатывать уже с учетом этих наблюдений.

— Когда я читала о ваших работах, меня зацепило словосочетание «неоднородность пространства и времени». Что это такое?

— Этой работой я был занят лет 20 назад, еще когда писал кандидатскую. Если бы мы жили во Вселенной, где все находится строго на своих местах, у нас бы никакой неоднородности во времени не было — была бы пространственная. У тяжелых звезд более сильное поле, чуть менее сильное — у планет, а далеко от звезд и планет никакого поля нет. То есть неоднородность пространства никуда бы не делась. Но поскольку звезды и планеты двигаются, появляется динамика. Это может повлиять на общую картину, если мы смотрим на какую-то звезду. Например, черная дыра проходит недалеко от луча зрения на звезду, и нам будет казаться, что звезда на небе «поехала» на какое-то расстояние, остановилась и вернулась обратно. По таким волнам распространяются свет, радио, и это будет менять наблюдаемое поведение. Понятно, что эффект этот очень слабый, но, с другой стороны, мы можем смотреть на эти слабые эффекты и узнавать, как распределена масса, как она двигается, даже если эта масса невидимая. Например, черная дыра, если она не находится в двойной системе, обычно излучает очень слабо. Но, смотря на такие эффекты, мы можем выявить распределение масс в галактике.

— С пространством понятно, а со временем — в чем проявляется неоднородность?

— Временнáя неоднородность в том, что объекты в космосе движутся во времени и картина со временем меняется. Но идея в том, что описывается это все единым образом, в общей теории относительности.

— Я слышала от многих физиков, что времени вообще не существует. Как вы к этому относитесь?

— Это очень глубокий вопрос, в том числе философский. Какое-то время над моим рабочим местом висела цитата Джона Уилера — это один из крупнейших специалистов по гравитации, теории относительности: «Время — это то, что мешает тому, чтобы все происходило одновременно». И нарисовано, что кто-то играет в футбол, вокруг бегают динозавры… Если бы не было времени, мы бы просто запутались.

— Значит, время придумали люди, чтобы не запутаться?

— Наверное, чтобы динозавр нас не съел. Этот вопрос идет к основаниям науки и даже, наверное, глубже них. Начиная от святого Августина, потом имплантируясь в науку через 15 веков. Боюсь, я не готов об этом компетентно рассуждать.

— Мы с вами немного попутешествовали во времени, перейдя в тот период, когда вы писали кандидатскую, когда открыли новый класс гамма-излучения… А чем вы занимаетесь сейчас?

— В итоге я пришел к астрофизике высоких энергий, в основном с упором на гамма-излучения, причем излучение высоких энергий — это гигаэлектронвольты и больше. Для понимания порядка величины: у нас в рентген-аппаратах рентгеновские фотоны в десять тысяч раз слабее. Эти фотоны могут наблюдаться только с орбиты Земли, вне атмосферы. Есть спутники, прежде всего американский спутник «Ферми», который летает с 2008 г. и накапливает данные. Сейчас мы пытаемся опубликовать статью, идея которой вот в чем: в 2010 г. в данных телескопа Fermi-LAT на борту этого спутника нашли гигантские пузыри, исходящие из центра нашей Галактики. До центра Млечного Пути — 8 кпк (килопарсек), если мерить в единицах, привычных для астрономов, а на гамма-небе вырисовывались тусклые пузыри высотой 10 кпк — такие гигантские образования, выходящие из центра нашей Галактики. Есть теория, что это след активности ядра Млечного Пути несколько миллионов лет назад: ядро потухло, а след остался. Мы заинтересовались, как можно посмотреть, насколько это распространенное явление. У нас есть такой удобный объект для сравнения — Туманность Андромеды. Она очень похожа на нашу, находится сравнительно близко — всего 700 кпк, по галактическим масштабам это совсем рядом. Мы, используя данные «Ферми», три года пытались обработать эту информацию и в итоге нашли очень похожий протяженный избыток вокруг галактики.

— Тоже пузыри?

— Да, пузыри описывают эти образования лучше, чем что-либо другое. Там, хоть она близко, источник не очень сильный, поэтому понять, какова внутренняя структура пузырей, уже тяжело. Потом это подтвердили: есть протяженный избыток, и стало интересно посмотреть, насколько это распространено в других галактиках типа Андромеды и нашего Млечного Пути. Этот избыток может возникать не только из-за взаимодействия активного ядра галактики и межгалактической среды, а, может быть, из-за темной материи, частицы которой могут распадаться и производить гамма-кванты. Это важный выход на фундаментальную физику. Мы взяли каталог близких галактик, отобрали какое-то их количество, по массе близких к Млечному Пути, пытались найти как можно ближе и смотрели, есть ли сигнал от «Ферми». Нашли! Это наша последняя работа, которая еще находится в редакции.

— Значит, во всех галактиках, которые вы способны посмотреть, вы находите подобные структуры?

— Там уже речь идет о галактиках на расстоянии не в 700 кпк, а в 15 Мпк (мегапарсек), то есть в 20 раз дальше. Надо понимать, что поток падает, как квадрат расстояния, соответственно, он в 400 раз меньше. Там у нас статистика уже очень маленькая, и чтобы нам это сделать, нужно взять все галактики и сложить сигнал от них. Иначе говоря, говорить там о какой-то картинке не приходится — идет только счет фотонов. Получилось, если сложить суммарно все сигналы от галактик с массой, как наша, то будет аналогичный сигнал. Результат очень интересный, и я удивлен, что пока не находится нужного количества рецензентов.

— С чем это связано?

— Дело в том, что работа рецензента не оплачивается, а статей в хорошие журналы приходит очень много, ведь все хотят публиковаться в этих журналах. Из-за этого происходят подобные вещи.

— То, что идет этот сигнал, означает, что, скорее всего, в других галактиках тоже присутствуют подобные структуры?

— Да. Скорее всего, это похоже на наши пузыри, просто в чуть большем масштабе. Галактики тяжелые, у них в центре находятся тяжелые черные дыры и на них иногда падает много газа. В этот момент они вспыхивают, становятся очень яркими. У нас галактика тоже достаточно тяжелая, но дыра у нас, можно сказать, «заморыш» — всего лишь 4 млн масс Солнца. Это вроде бы много, но, если смотреть на другие галактики такой же массы, она должна быть в 100 раз тяжелее.

— А почему у нас такая маленькая черная дыра? Может, это важно для каких-то астрофизических процессов?

— Наверное, это важно для центральной области галактики, вы правы. Когда газ падает на черную дыру и начинается процесс выделения гигантского количества энергии, он может остановить образование новых звезд во всей галактике, уж тем более в центральной области. Вполне возможно, что у нас сверхмассивная черная дыра не такая уж массивная, как-то повлияло на активность образования звезд в центральной области галактики. Звезды проходят свой цикл: рождаются, живут, умирают. Из материала, выброшенного этими звездами, образуются новые.

— Соответственно, тут задействовано и образование планет. Может быть, мы должны быть благодарны этой сравнительно небольшой черной дыре за то, что мы с вами сейчас сидим и разговариваем?

— Возможно, что так. А еще за то, что она от нас, слава богу, далеко. Не исключено, что все это может быть связано. Если вещество падает на сверхмассивную черную дыру (как я уже сказал, в других галактиках они гораздо тяжелее), то там будет гораздо более сильное энерговыделение, а значит, много вещества выносится на большое расстояние от галактики. Там эта энергия будет постепенно высвечиваться, в том числе в гамма-диапазоне. Я думаю, что это остаток, реликт предыдущей активности ядер в этих галактиках.

— Сейчас этот реликт играет какую-то роль или это такой остаток былой активности Вселенной?

— Вообще «реликт» в данном случае не очень удачное слово. Оно нас отбрасывает к реликтовому излучению ранней Вселенной. А в данном случае это просто «остатки былой роскоши» — 10–20 млн лет назад там было ярчайшее излучение, а сейчас оно уже давно погасло, вся энергия постепенно излучается, но уже на большом расстоянии от галактики.

— Как вы думаете, какие открытия нам может дать изучение этих структур?

— Может быть, мы обнаружим какой-нибудь след темной материи, хотя сомневаюсь.

— Почему сомневаетесь?

— Потому что пока ничего такого не нашли. Искать все равно надо, данные уже есть, их нельзя просто отбросить. Но в данном случае не совсем похоже на темную материю. От нее сигнал был бы сферическим, очень симметричным. Гало темной материи в первом приближении — это просто шар темного вещества, а в центре сидит наша галактика. Если сигнал происходит от этого гало, он тоже имеет форму круга. А сигнал, который мы обнаружили, не круговой, он имеет менее правильную форму. Поэтому это не похоже на сигнал от темной материи, хотя, конечно, хотелось бы.

— Допустим, это не темная материя. Но какие еще там могут быть интересные вещи?

— Нам надо посмотреть, как все это выглядит в других диапазонах: радио, рентген. Это позволит понять, что это такое. Дальше, если перекидывать в более широкую область, это нам даст понимание, как часто вспыхивают черные дыры в центрах галактик, как много энергии они выносят наружу, насколько это эффективно. Здесь очень много моделирования, но обычно, если энергия ушла далеко, ее очень сложно детектировать и проверить модели наблюдениями. Поэтому тяжело ограничить теории, так что это тоже поможет понять процессы взаимодействия галактики с галактической и межгалактической средой.

— Какие у вас научные планы, что бы вам хотелось обязательно понять?

— Сложный вопрос. Часто бывает — просто идешь в широкую область, а потом понимаешь, что вот тут надо копать. Пока данные есть, хочется больше узнать о высокоэнергичном излучении межгалактических объектов. Это интересно, потому что в этой области есть выходы на многие важные вопросы. Вот люди ищут и говорят: «У нас есть аномальная прозрачность Вселенной для гамма-квантов». Идея в том, что если у нас есть очень энергичный фотон, он не долетит до Земли, потому что он провзаимодействует с другим фотоном, возникнет фоновое излучение. Но мы видим эти прилетающие фотоны: в 2022 г. был очень яркий гамма-всплеск, на китайской установке LHAASO увидели 18 ТэВ (тераэлектонвольт), это очень большие энергии, раньше таких не видели. А на установке «Ковер» Баксанской нейтринной обсерватории увидели 250 ТэВ. Это просто фантастика!

— Мне рассказывал об этом директор БНО Валерий Борисович Петков. Это была настоящая сенсация.

— Да, это очень сильный результат. Я привел это в качестве иллюстрации. Наблюдения в этом диапазоне можно использовать не только в астрофизике, но и в более фундаментальных областях. Там решают, например, проблему прозрачности, вводя аксион, который может быть частицей темной материи. Цель не в том, чтобы наблюдать как можно больше гамма-квантов, — мы не детекторы гамма-квантов. Это всего лишь способ найти что-то интересное.

— Приходилось ли вам когда-то отвечать на вопрос: какое это все может иметь прикладное значение?

— На самом деле это правильный вопрос, но на него тяжело ответить. Нельзя сказать, как наблюдение галактики в гамма-квантах будет преобразовано в рост ВВП.

— Но когда-то было сложно ответить, для чего нужно электричество. Вольт говорил, что это просто забавный опыт, который вряд ли приведет к практической пользе.

— Пока практическое применение всего этого реализуется опосредованно, через эксперименты. Например, создание детекторов. CCD — это детектор матриц телефонов, фотокамер в оптической астрономии. Стопроцентное совпадение — WiFi. Австралийская научная организация CSIRO до сих пор получает патентные отчисления, потому что он был придуман именно радиоастрономом, чтобы избежать влияния помех.

— А чего можно ожидать от гамма-квантов? Может, эти бешеные энергии удастся использовать для дальних космических перелетов? В какую сторону тут должно думать человечество?

— Те гамма-кванты, которые получаются в результате синхротронного излучения, уже достаточно широко используются в прикладной сфере — и в медицине, и в материаловедении. Еще интересно смотреть гамма-кванты, когда изучаешь вспышки на Солнце. Наше светило в гамма-диапазоне — достаточно яркий источник, но не самый яркий, не то что в оптике. Но иногда на Солнце бывают вспышки, которые затмевают все гамма-небо. Почему это важно? Если эта вспышка вдруг попадет на нас, нам всем будет плохо, потому что могут сгореть все спутники, да и вся наземная электроника может сильно пострадать. Во время сильной вспышки 1857 г. сгорали телеграфные аппараты, так что легко представить, что станет сегодня с телефонами, компьютерами и электросетями. Любая информации об этих вспышках, о том, на что они способны, очень значима.

Люди пытаются использовать гамма-кванты. Везде в космическом пространстве есть космические лучи, и когда они бьются о поверхности объектов, возникают вторичные излучения. Анализируя эти излучения, мы можем пытаться понять структуру, свойства, то, из чего состоит объект. Получается в некотором смысле гамма-спектроскопия.

Так что если уж говорить о непосредственном применении в сравнительно близком будущем, это будет, наверное, бесконтактное исследование химического состава и распределения небесных тел в Солнечной системе.

— Вы сказали о медицине, в которой уже используются гамма-кванты более низких энергий, и я сразу вспомнила про гамма-нож, который широко применяется в онкологии.

— Совершенно верно. Это пучок гамма-квантов, рассчитанный так, чтобы он передавал бóльшую часть энергии именно на какой-то глубине и прямо в опухоль. Это позволяет сильно ее подавить, не травмируя, не приводя к неприятным последствиям при взаимодействии с окружающей тканью. Насколько я понимаю, регулируя энергию, можно двигаться по глубине и вычищать ткани.

— Вы из Пущина, города биологов. Почему выбрали астрофизику?

— За десять лет до первого камня в биологическом институте в Пущине уже существовала радиоастрономическая обсерватория. Сейчас ПРАО стал филиалом АКЦ ФИАН — Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. Там трудятся наши главные специалисты в интерферометрии.

— Зачем же вам ГАИШ? Ведь приходится далеко ездить.

— Я учился в МГУ — сначала на физическом факультете, потом пришел к научному руководителю Михаилу Васильевичу Сажину в ГАИШ. Наверное, я очень сильно привязываюсь к месту. В университет я поступил в 1996 г., и мне так здесь нравится, что хочется быть в университете как можно дольше. У ГАИШ это большой плюс — ты числишься сотрудником МГУ. Здесь не только наука, но и образование. Одновременно на базе ГАИШ — астрономическое отделение физфака МГУ. Каждый год набирают около 20 студентов. Я не очень много читаю, один лекционный курс в семестр, но это держит в тонусе. Постоянное общение, вокруг тебя студенты, приток молодежи. Эта активность позволяет не стоять на месте. К тому же ГАИШ очень разнообразен в том смысле, что у нас много рабочих групп, нет фиксации на одной теме. Здесь большое количество разных тем, и это тоже очень интересно: есть исследования галактики, внегалактических объектов, астрофизика высоких энергий, гравиметрия. Идешь на семинар и узнаешь что-то новое. Когда нужна консультация по какой-то теме, где ты не совсем специалист, можно найти кого-то разбирающегося на хорошем уровне в самом институте.

— В школе астрономию больше не преподают. На каком уровне находятся нынешние студенты?

— Это не очень влияет на уровень студентов, ведь к нам приходят люди, уже любящие астрономию, в том числе много победителей астрономических олимпиад. Им не столь важно, преподавали им астрономию или нет, они ее сами учили на очень высоком уровне.

— Правильно ли это? Ведь очень важно заинтересовать молодого человека в детстве.

— С одной стороны, вы правы. С другой — у нас сейчас перенасыщенная школьная программа. Надо очень сильно ее почистить, если мы хотим еще добавить астрономию. Иначе это превратится, как все в нашей школе, в профанацию и имитацию бурной деятельности, необходимостью заполнять новые бумаги учителям, и совершенно не будет «выхлопа».

— Нужно сначала провести реформу образования, а потом уже думать о новых предметах?

— Сейчас уже все боятся любой реформы образования, и не без оснований, но изменения, прежде всего значительное упрощение отчетности, конечно нужны.

— Если сравнить с тем, каким были вы, когда пришли учиться в МГУ, стали нынешние студенты слабее?

— Пожалуй, нет. Я не вижу, что студенты становятся глупее. Я общаюсь с очень сильными ребятами. Вот только что разговаривал со своим студентом-второкурсником — невероятно сильный молодой человек. Нет этого падения — может, наоборот есть восстановление. В какой-то момент приходили люди совершенно случайные, их либо со скрипом тащили, либо отчисляли. А сейчас люди, которые приходят ко мне как к научному руководителю, оставляют позитивное впечатление. Пессимизма у меня нет.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ