РадиоАстрон : главные достижения за 5 лет !!

18 июля 2011 года на орбиту отправился российский научный космический аппарат «Спектр-Р», который стал основой самого успешного отечественного астрофизического проекта РадиоАстрон. По случаю годовщины мы пообщались с заведующим лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук Юрием Ковалевым. Разговор получился содержательным и объемным, но если вы действительно хотите узнать про успехи и результаты проекта, где российская космическая наука лидирует в мире, то стоит прочесть его полностью.

Юрий Ковалев, фото (с)polit.ru

В первой части интервью мы поговорили о результатах, достигнутых РадиоАстроном на сегодняшний день, и обсудили ближние перспективы.

Проект РадиоАстрон — это научный эксперимент на основе метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Суть этого метода в том, что два или более радиотелескопа работают как элементы одной большой системы. Это позволяет вести наблюдения с очень высоким угловым разрешением, которое зависит от того как далеко разнесены телескопы. При наземных наблюдениях невозможно увеличить размер РСДБ сети свыше диаметра планеты Земля. Повысить разрешение на фиксированной длине волны можно только вынесением по крайней мере одного из телескопов в космос. Таким телескопом и стал российский «Спектр-Р». Ограничением данного метода является то, что так наблюдать можно только очень яркие источники излучения: квазары, пульсары, мазеры и др. Расстояние (вектор) между наземными и космическим радиотелескопами называется базой интерферометра. Ее проекция на плоскость, перпендикулярную лучу зрения, определяет величины углового разрешение и считается, для удобства, в диаметрах Земли. Чем больше проекция — тем выше разрешение.

— Юрий, надо вас поздравить с пятилетием, серьезный возраст, скоро в школу. Первый вопрос у меня очевидный: что бы вы назвали самыми значимыми результатами и самыми важными открытиями проекта РадиоАстрон за прошедшие пять лет?

— Да, это ожидаемый вопрос. И, как понимаю, это вопрос научный, хотя и выдающиеся технологические результаты достигнуты. О технологиях мы говорили в первую годовщину полета, а сейчас я подробно расскажу о научных. Но всё же хотел бы в начала разговора подчеркнуть, что никакие научные достижения не стали бы возможны если бы не воля, титанические усилия и вера в победу руководителя проекта академика Николая Семеновича Кардашёва, работа громадного количества ученых, инженеров в нашей стране и за рубежом: НПО им С.А. Лавочкина, АКЦ ФИАН, ОКБ «Марс», ЗАО «Время Ч» (Нижний Новогород) и многих-многих других. Без них нашего разговора сегодня не состоялось бы.

«Спектр-Р» в сборочном цехе (с) НПО Лавочкина/Роскосмос

Теперь, что касается результатов, я бы выделил несколько ключевых достижений, о которых сейчас можно уверенно говорить. Начнем с того, что мне наиболее близко, и о чем мы начали говорить уже после первого года работы радиотелескопа. Вначале осторожно, потом увереннее, сейчас мы уже можем говорить о статистической значимости на основе обзора двухсот ядер активных галактик (квазаров). Мы можем сказать однозначно, что наше понимание об уровне яркости излучения их ядер изменилось на порядок. Они оказались ярче как минимум в десять раз по сравнению с тем, что считалось ранее. Мы обсуждаем этот вопрос уже несколько лет, и пока нет внятного физического объяснения, которое удовлетворило бы большинство ученых. Многие рады такому открытию, поздравляют команду проекта, но при этом «чешут репу», пытаясь объяснить этот результат, включая нас самих.

Напомню, проблема заключается в том, что есть теоретическое обоснование механизма излучения ядер квазаров, ускоряющих релятивистские электроны до скоростей близких к скорости света. Считается, что эти электроны излучают некогерентным синхротронным механизмом. Любая заряженная частица в магнитном поле будет излучать так называемым синхротронным механизмом, когда она движется с релятивистской скоростью. Для этого случая есть предсказание: нельзя «сгенерить» яркость выше определенного предела, который называется «предел на комптоновскую катастрофу». Он связан с тем, что, если уровень яркости излучения превышает пороговое значение, электроны начнут активно передавать свою энергию фотонам. Электрон летит и излучает радиофотон этим самым некогерентным синхротронным механизмом, и если яркость превышает определенный порог, то происходит большое количество соударений между электронами и фотонами. Электроны отдают свою энергию фотонам. Фотоны, в результате, перепрыгнут из радиодиапазона в рентген или гамма-диапазон. Это называется обратным комптоновским рассеянием. При превышении предсказанного предела на яркость данный процесс будет происходить катастрофично, т.е. очень быстро и очень эффективно. Значит, мы бы наблюдали вспышку в квазаре, в ходе которой за несколько часов или нескольких дней энергия исчерпалась, и яркость квазара опять уходила бы под обсуждаемый предел. Это было предсказание, которое сейчас мы наблюдаем регулярно нарушаемым.

Квазар PG 0052+251

Что-то не так. Возможно, излучают релятивистские протоны. Многие ученые, которые сейчас занимаются тематикой космической лучей, очень заинтересовались данной возможностью. Если излучают релятивистские протоны, то это означает, что активные ядра галактик могут ускорять протоны до релятивистских скоростей, а протоны, я напоминаю, в две тысячи раз тяжелее электронов. Возможно существуют другие механизмы, которые могли бы это объяснить. В любом случае, согласованная картина нашего понимания природы излучения ядер квазаров рассыпалась.

Это первый интересный результат, который мы получили практически сразу. Считалось, что если предел на обратный Комптон не нарушается, то мы смогли бы зарегистрировать излучение всего несколько квазаров в небе на длинных наземно-космических базах РадиоАстрона. Поскольку у нас очень высокое угловое разрешение и мы видим только наиболее яркие и наиболее компактные детали изучаемых объектов. Мы на сегодня не только успешно пронаблюдали, но и измерили значимые сигналы для более ста пятидесяти ядер активных галактик. Это совершенно потрясающий результат, в который мало кто верил, переворачивающий наши представления о квазарах, которые сохранялись на протяжении сорока лет. Никакие предыдущие наземные эксперименты, в том числе интерферометрические, а также наземно-космические, например, с японским спутником VSOP, не показывали систематического нарушения этого предела.

Второй результат изначально даже не относился к ключевой научной программе РадиоАстрона. Я веду речь об открытии субструктуры рассеяния. Никто не ожидал, что такое явление вообще существует. Мы собирались изучать рассеяние излучения пульсаров. Пульсары – это «мертвые звезды» размером около 20 км, нейтронные звезды с экстремальными величинами магнитных полей и плотности вещества. Им удается ускорить электроны до релятивистских скоростей в магнитном поле, причем поле настолько велико, что синхротронное излучение в данном случае когерентно.

— Я правильно понимаю, что пульсар – это нейтронная звезда, которая бьет в сторону Земли релятивистской струей?

Пульсар Вела 

— Совершенно верно. Стоит уточнить, что эта струя — это поток электронов, который движется вдоль линий магнитного поля на магнитных полюсах пульсара. Наблюдая пульсары при помощи РадиоАстрона мы надеялись обнаружить т.н. «кружок рассеяния», а оказалось, что мы видим не просто пятно, а множество мелких пятнышек на фоне этого кружка.

Мы вообще не ожидали увидеть пульсары на больших проекциях базы. Пульсары излучают на длинных радиоволнах, а они очень эффективно рассеиваются. РадиоАстрон чувствителен только к компактной струкртуре. Но оказалось, что мы наблюдаем яркие пульсары на любой проекции базы, и размер этой базы практически не влияет на получаемые данные. Сейчас мы уже осознали этот эффект субструктуры рассеяния: на фоне размытого пятна от источника излучения, которое РадиоАстрон фактически не видит, а наблюдает только эти «пятнышки», которые являются интерференцией излучения от множества изображений пульсара, прошедшей через множество турбулентных сгустков в межзвездной среде. Это такое объяснение «на пальцах», но по физике эффект безумно сложный.

Это оказалось важно для интерпретации результатов не только РадиоАстрона, но и для других проектов, например Event Horizon Telescope. Теперь ученым из этого проекта приходится делать оговорки в своих исследованиях «Мы видим либо компактные структуры размером нескольких шварцшильдовских радиусов в центре Галактики, либо это субструктура пятна рассеяния».Наземные интерферометры, которые работают по объектам с сильным рассеянием в центре нашей Галактики, тоже могут видеть этот эффект.

Более того, буквально пару дней назад мне написал коллега, который сообщил, что завершает разработку специфической методики обработки интерферометрических данных, которая позволяет восстановить истинное изображение объекта, спрятанного от нас за этим рассеивающим облаком, с помощью восстановления информации о характеристиках межзвездной среды. То есть это открытие позволяет не только оценить параметры межзвездной среды, но и, используя данные о субструктуре рассеяния, определить внешний облик объекта, скрывающегося за ней.

Данный результат нам особенно приятен, поскольку мы его совершенно не ожидали. Тут сработал известный подход, что если ты построил телескоп, улучшив какой-то из его ключевых параметров на порядок по сравнению с предыдущими, то сможешь открыть что-то принципиально новое. И совсем не обязательно, что ты будешь заранее знать, что именно.

— Хотел уточнить, если вы говорите, что эффект наблюдается приборами с Земли, почему никто не обращал на него внимание? Они воспринимали рассеяние как простое пятно?

— Совершенно точно. Наблюдали мы пульсары, наблюдали центр нашей Галактики в виде большого пятна. И рассеяние считалось классическим. Угловой размер пятна прямо пропорционален длине волны, на которой осуществлялось наблюдение, в степени около двух. Результаты РадиоАстрона позволили скорректировать методику наблюдения наземными радиотелескопами и мы увидели эту субструктуру как в космосе, так и на Земле. До нас десятки лет наблюдали центр Галактики и никто не был в состоянии зарегистрировать этот эффект. Замечу, для пульсаров и квазаров все-таки нужен наземно-космический интерферометр.

Смоделированные изображения одиночного источника, показывающие эффекты рефракционной субструктуры на длинах волн 18, 6 и 1.3 см. © Johnson et al. (2016)

— Будем надеяться, теперь они с вашей методикой смогут взглянуть и за это облако в центре Галактики.

— Надо говорить не «они», а «вы». Мы провели наблюдения центра Галактики с РадиоАстроном в сентябре 2015 года. Изначально такие наблюдения не планировались, поскольку ожидалось, что пятно рассеяния не позволит ничего увидеть. Теперь посмотрели и, надеемся, у нас получится восстановить внутреннюю структуру. Это очень сложная задача, предполагающая крайне непростую обработку. Такой метод будет применен впервые в истории, и мы должны проверить и перепроверить результаты.

Видимое радиоизображение центра нашей Галактики (Sgr A*) на длине волны 1,3 см (с) VLBA+GBT / Gwinn et al. (ApJL, 2014)

Мы с вами обсудили сейчас два результата. Третий результат связан с картографированием квазаров. Надо понимать, что РадиоАстрон не был изначально оптимизирован как машина для картографирования. Хотя картографирование нами делается и освоено хорошо. Не каждый день, мы можем проводить соответствующие наблюдений раз в девять дней, т.е. раз в виток вокруг Земли. Когда спутник подходит к Земле, в районе перигея у нас есть возможность наблюдать космические объекты как на малых, так и больших проекциях базы, когда параметры наземно-космического интерферометра быстро меняются во времени. По результатам мы получаем немало интересных результатов по исследованию структуры джетов далеких квазаров…

Я бы выделил следующее:

Первое, мы смогли вплотную подойти к обнаружению и исследованию в деталях ударных волн в джетах квазаров как вдалеке от центральной машины (сверх-массивной черной дыры), так и вблизи. Причем, мы видим очень яркое их излучение… Впервые эту высокую яркость мы увидели не только рядом с центральной машиной, но и далеко от нее. Это, скорее всего, связано с взаимодействием между плазмой релятивистских струй и межзвездной средой у квазаров. Мы также видим ударные волны вблизи центральной машины, там где происходит впрыск ультра-релятивистских частиц в основание струи. Раньше эти участки были замыты из-за недостаточного разрешения.

Сравнение результатов обзора квазара 3C84 с наземных радиотелескопов и при помощи РадиоАстрона. (с) VLBA и VLA / NRAO,AUI; RadioAstron / Savolainen et al.

Далее, благодаря поляризационным измерениям, нам удается восстанавливать структуру магнитного поля в основании струй. А, как вы понимаете, не зная структуры магнитного поля, мы ничего не скажем по поводу механизма ускорения и формирования релятивистских джетов. Мы видим указания на спиральную структуру магнитного поля в основаниях струй квазаров.

Кроме этого, нам во многих случаях удалось сделать совершенно невозможное раньше с Земли — разрешить, рассмотреть структуру этих выбросов поперек. Мы стали отчетливо видеть эффекты распространения плазменных нестабильностей в джетах. Сейчас разница между наземным и космическим разрешением 5-10 раз и одна из групп сделала очень наглядную картинку, которую можно видеть ниже. Наземный результат наблюдений дает широкую сплошную струю, идущую прямо, без особых каких-то интересных деталей. Если же использовать разрешение РадиоАстрона, то оказывается, что мы видим квази-спиральную или периодичную двойную структуру внутри этих джетов. Скорее всего, это результат распространения плазменных нестабильностей. И сейчас мы, наверное впервые, можем напрямую сравнивать результаты эксперимента с тем, что предсказывали модели из магнитного гидродинамического моделирования релятивистских джетов.

Результаты наблюдений квазара 0836+710 на самой короткой длине волны интерферометра РадиоАстрон 1.3 см. Цветом показана наземная карта, синими контурами — результаты РадиоАстрона. Слева внизу — диаграмма направленности наземного и наземно-космического интерферометров, характеризующая разницу в их угловом разрешении.

(с) Наземная РСДБ сеть и РадиоАстрон / Vega-Garcia et al.

Кроме этого, мы видим указания на, так называемую, стратификацию течения плазмы. Кажется, что посередине джета излучения нет, или оно очень слабое. А излучают только края струй квазаров. Скорее всего это связано со стратификацией течения плазмы. А именно, это результат того факта, что посередине джетов квазаров плазма движется со значительно более высокой скоростью, чем по краям.Соответственно, мы наблюдаем эффект релятивистской аберрации: чем быстрее релятивисткая плазма движется, тем уже луч ее излучения. Этот лучик просто-напросто промахивается мимо наблюдателя на Земле, поэтому с Земли можно увидеть только более широкое излучение медленно двигающихся краёв джетов квазаров. Это имеет колоссальный выход для понимания природы джетов. Получается, наблюдая с Земли, для значительного количества объектов, мы видим не весь джет как он есть, а только его края. Соответственно, предположения об однородном течении плазмы в джетах квазаров, которые раньше закладывались в моделирование, в интерпретацию физики джетов, могут оказаться ошибочными.

Основание джета квазара 3C84 (с) RadioAstron

Теперь, четвертый результат. Он касается изучения т.н. космических мазеров.

Космические мазеры усиливают яркость радиоизлучения за счёт индуцированного испускания резонансных фотонов возбуждёнными молекулами среды. В нашей галактике мазеры это области образования звезд и планет. Внегалактические мазеры (мегамазеры) находят в аккреционных дисках галактик.

На сегодняшний день нам удалось продетектировать значительное количество этих мазеров водяного пара на базах вплоть до 11-ти диаметров Земли! Мы видим, что мазерные образования оказываются ультра-компактными, что дает значительный вклад в физическое моделирование процессов, которые в них происходят.

— Я хотел бы уточнить, это мазерное излучение, оно во все стороны направлено?

— Оно направлено в ту же сторону, куда и индуцирующее мазер излучение.

— Еще что-то есть, о чем можно было бы рассказать?..

— Есть еще одно направление исследований, которое пока рано вносить в список результатов. Тема, в которую мы вкладываем громадное количество времени и сил, и которая обещает «выстрелить», если нам удастся разрешить все технические и технологические сложности. Эта тема измерения так называемого гравитационного красного смещения. Если красивыми словами, это проверка был ли Эйнштейн прав.

Есть предсказания общей теории относительности по поводу того, как должны идти высокоточные часы при перемещении в меняющемся гравитационном поле. Мы имеем высокостабильные часы на борту нашего спутника, который летает вокруг Земли. Мы проводим специальные сеансы для измерения так называемого гравитационного красного смещения. То есть, фактически, это измерение разности хода часов на Земле и в космосе, и сравнение этой разности с предсказаниями общей теории относительности. У этого проекта пока нет результата, который бы перекрывал по точности, скажем Gravity Probe A. Однако есть надежда, что в ближайшее время научной группе это удастся.

В следующей части мы узнаем есть ли перспективы научной группы РадиоАстрона на Нобелевскую премию, как технически осуществляется обработка данных с радиотелескопов, и какие перспективные направления радиоастрономических исследований развиваются в России.