Сможет ли сверхмассивная черная дыра поглотить квазар
Во Вселенной можно найти весьма странные объекты и явления. Квазары заслуживают внимания, так как считаются одними из ярчайших объектов в видимом космическом пространстве. Ранее мы затрагивали эту тему в статье «Квазар – объект или явление?», но сегодня попытаемся ответить на необычный вопрос.
Итак, сможет ли сверхмассивная черная дыра поглотить квазар? Если вы немного разбираетесь в теме, то скорее всего подумаете, что вопрос звучит абсурдно или нелепо. Давайте рассуждать. Исследователи считают, что в центре каждой крупной галактики скрывается сверхмассивная черная дыра (10 5 -10 10 солнечных масс).
Вы уже множество раз могли слышать о жутких проделках черных дыр, их притягательности и аппетитах. В конце концов, даже свет не способен вырваться, если перешагнул за черту горизонта событий. Черные дыры бывают активными и спящими. По сути, их отличие состоит лишь в том, что у первых рядом присутствует достаточное количество материала для питания.
Когда сверхмассивная черная дыра в галактическом центре впитывают окружающую материю, то вокруг нее формируется аккреционный диск. Заряженные частицы в этом диске вращаются, ускоряются и высвобождают мощные лучи света. Добавим сюда еще сильное магнитное поле от сверхмассивной черной дыры и получим еще больший уровень яркости (самый яркий известный квазар превосходит солнечную яркость в 600 трлн. раз).
По сути, именно это излучение вращающегося материала на аккреционном диске у активной сверхмассивной черной дыры называют квазаром (квазизвездный радиоисточник). То есть, это не объект рядом со сверхмассивной черной дырой, а как бы последствия ее прожорливости.
Квазар на удаленности в 12.5 миллиардов световых лет сияет возле молодой галактики (12 миллиардов световых лет). Приборы ALMA уловили ионизированный углерод (зеленый) и диск с формированием звезд (синий)
Теперь вы могли понять, почему вопрос звучит немного странно. Квазары возникают по причине активного поглощения сверхмассивной черной дырой материала вокруг. Так что ответ на поставленный вопрос будет отрицательным.
Однако можно сказать, что сверхмассивная черная дыра способна заглушить яркость своего квазара, если у нее закончится «пища». Эту ситуацию наблюдали исследователи с помощью Слоановского цифрового небесного обзора. За квазаром SDSS J1011 + 5442 следили около 12 лет, отмечая изменения в уровне его светимости. За последний десяток лет ученые отметили 50-кратное падение яркости. Полагают, что все дело именно в том, что сверхмассивная черная дыра перестала получать материал для поглощения.
Источник
Квазары и чёрные дыры
Чёрные дыры и квазары – это два довольно удивительных и мало изученных объекта в нашей Вселенной, которые довольно подробно изучаются в современной науке. Кроме всего прочего, выяснилось, что квазары и чёрные дыры имеют весьма прочную связь.
Естественно, вы никак не сможете увидеть чёрную дыру в обычный телескоп. Но бьюсь об заклад что как только ваши друзья узнают, что вы занимаетесь астрономией, они тотчас же станут вам задавать вопросы о чёрных дырах.
Проникнуть в чёрную дыру можно, а вот вылететь из неё – абсолютно невозможно, как бы вы сильно этого не хотели. У вас не будет времени даже для того чтобы что-нибудь крикнуть. Поскольку огромное давление вмиг раздавит вас.
Чёрная дыра – это объект во Вселенной, обладающий настолько колоссальной гравитацией, что из неё не могут выбраться даже лучи света; как раз поэтому мы и не можем увидеть чёрные дыры.
На этом изображении чёрная дыра MAXI J1820 + 070 поглощает материал соседней звезды и формирует аккреционный диск. Авторы и права: Aurore Simonnet / NASA’s Goddard Space Flight Center.
Любое тело, попавшее в чёрную дыру, должно будет выработать энергии больше, чем оно производило когда-либо, чтобы выбраться из этой дыры. Официальное название данной “энергии” – скорость убегания (escape velocity).
Проектировщики ракет под термином “скорость убегания” подразумевают скорость, с которой должна лететь ракета или любой другой объект, для того чтобы преодолеть притяжение Земли и выйти в космическое пространство. Подобным образом этот термин применяется для любого тела во Вселенной (т.е. как скорость необходимая для преодоления притяжения какого-либо космического тела).
На Земле скорость убегания (или, правильнее, вторая космическая скорость) равняется 11 км/с. Для тел с более слабой гравитацией необходима меньшая скорость (допустим, на Марсе она составляет около 5 км/с), а для планет с более сильной гравитацией – большая (например, на Юпитере она равняется 61 км/с).
Но лидером Вселенной по скорости убегания является, и всегда будет таковой, чёрная дыра. Её гравитация настолько огромна, что для её преодоления необходима скорость убегания, свыше скорости света (т.е. больше 300 000 км/с). Именно поэтому никакой объект в мире не сможет вырваться из чёрной дыры, даже свет.
Источник
Самые таинственные объекты во Вселенной (Часть I)
Темная материя, квазары и черные дыры: что о них думает современная наука?
С этой статьи я начинаю цикл публикаций, посвященных самым загадочным объектам во Вселенной. Их не так много, поэтому у нас будет всего четыре части. По всем этим странным объектам у ученых нет единого мнения, что же это такое.
Мне кажется, что сейчас человечество делает лишь первые шаги в исследовании космоса. Мы напоминаем Колумба, который только подплывает к берегам Северной Америки. Он понятия не имеет, что это, считая, что заново открыл Индию. А уж, как с тех пор сильно изменилась Америка!
Я уверен, что в ближайшие 100-200 лет нас ждет еще масса любопытных открытий в космической сфере. А пока — давайте разбираться с тем, что уже известно сейчас про самые загадочные объекты нашей Вселенной.
Темная материя
Что это? По сути, скрытое от глаз и приборов вещество, которое никак себя не проявляет, но имеет массу. Какую массу? Значительную! Темная материя имеет массу, как минимум, в 9 раз больше чем видимая часть Вселенной (галактики, звезды и т п).
Люди наткнулись на темную материю случайно — это тот случай, когда теория обогнала практику.
Когда с помощью законов физики и математики ученые измерили массу галактик — она получилась в 10 раз меньше, чем должна быть. Кому именно «должна»? Законам физики — если бы галактика весила мало и в ней не было темной материи, то все звезды давно бы разлетелись.
Попробую объяснить наглядно. Представьте большой диск, на который село несколько человек. И мы начали этот диск крутить. Когда он достиг довольно большой скорости, люди начнут слетать с него и падать за его пределы. Так вот с галактиками тоже самое — они вращаются так быстро, что звезды должны разлетаться!
Грубо говоря: темная материя — это та скрытая масса, которая утяжеляет галактику до нужных физических величин, чтобы галактики не распадались.
Что же такое темная материя? Гипотез множество. Самые рабочие:
Черные дыры. Массивные черные дыры, часть из которых мы фиксируем. Но многих можем и не замечать. Если сложить все их массы, вот и получится масса скрытого вещества.
Нейтринный дождь. Нейтрино — мельчайшие частицы, которые имеют мизерную массу и их очень трудно уловить. Но во Вселенной их может быть так много, что они в сумме и дадут ту самую скрытую массу.
Барионная гипотеза. На данный момент считается одной из ключевых в науке. Барионы — это наша обычная материя, которая состоит из элементарных частиц, включая протоны, нейтроны и т д.
Просто во Вселенной есть множество разных объектов, которые почти незаметны. Те же черные дыры, всякие красные карлики, нейтронные звезды, космическая пыль и т д и т п. И за миллиарды лет существования Вселенной в галактиках накопилось столько этого «мусора»!
Одинокая гигантская планета-загадка
Этот интересный объект пока найден в единственном экземпляре. Это огромная планета, которая в шесть раз больше нашего Юпитера. И эта планета свободно летает по нашей галактике, в районе созвездия Козерога. Планета-кочевник носит название PSO J318.5-22.
Случай уникальный. Дело в том, что планеты образуются неподалеку от звезд и встраиваются в звездные системы. Физически, они не могут просто так улететь от звезды — их не пустит звездная гравитация.
Планета относится к газовым гигантам, температура на поверхности планеты +885 градусов °C. Тоже, кстати, интересно почему планета такая жаркая — ведь никакая звезда ее не обогревает. Трения с воздухом, от которого можно нагреться, в космосе нет, а химических реакций внутри планеты для этого недостаточно. Для сравнения, температура Юпитера, который похож на нашего героя, в среднем составляет -108 °C. И это притом, что до Юпитера все-таки доходят солнечные лучи.
В общем, планета загадочная, аналогов нет и астрофизики продолжают следить за ее судьбой.
Квазар
Это самые яркие объекты во Вселенной. Их размер — чуть больше обычной звезды, а яркость — больше чем у галактики!
Буквально, в начале этого года астрофизики обнаружили самый яркий квазар. Он светит, как 600 триллионов солнц. Представьте, где-то по Вселенной раскиданы такие маяки!
Все квазары находятся на огромном расстоянии, по сути — на горизонте видимости с Земли. Свет от самых дальних идет 10-12 млрд лет. По расчетам физиков, нашей Вселенной всего лишь 13,8 млрд лет!
Получается, что квазары — это галактические объекты, возникшие на заре развития Вселенной. Свет от них только добрался до нас, но самих квазаров давно уж не существует.
Источник
Черная дыра и квазар
Черная дыра и квазар – это две самые интригующие тайны Вселенной. Никто с точностью не может сказать, что это такое, зачем они существуют и какие происходят процессы внутри них.
Квазар не может существовать без черной дыры, в свою очередь, черная дыра – вполне может обойтись без квазара. Черные дыры классифицируют на три основных типа: малые (вес не превышает массу обычной звезды), сверхмассивные (масса таких объектов превышает массу миллиона или даже миллиарда масс солнца) и промежуточные, открытые в 1999 году (масса их варьируется и составляет примерно 500-1000 масс солнца). Все они имеют настолько большую массу, что поглощают даже световые лучи. Тело, которое попало в горизонт событий (граница черной звезды), сможет вырваться, если только разовьет скорость убегания свыше скорости света 300 000 км/с, что невозможно.
Первая квазизвезда (так иногда именуют квазары) была зафиксирована в 60-х годах ХХ-го столетия Томасом А. Мэтьюзом и Аланом Сендиджем в созвездии Девы в обсерватории «Джорделл-Бэнк» (Манчестер, Британия). К середине 60-х было зафиксировано всего 5 квазаров, сейчас же их обнаружено более двухсот тысяч. Само название квазар (quasi – лат. наподобие и star – англ. звезда) было придумано американским ученым китайского происхождения Хон-И Чу в мае 1964 года, и первоначально обозначало «звездноподобный радиоисточник». Сейчас доказано, что активно излучают только 10% из всех квазаров (радиогромкие квазары, излучающие в видимом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах), все остальные 90% являются радиоспокойными.
Ученые на сегодняшний день не смогли полностью разгадать тайну существования квазизвезд – существует как минимум четыре теории.
Первая теория гласит, что квазары – это активное галактическое ядро.
Другие считают, что квазар – это будущая галактика. Яркий свет объясняется большим выбросом энергии при формировании активных ядер.
Третьи признают, что квазары — это точки, откуда берет начало материя во Вселенной и противопоставляются черным дырам.
Тем не менее ученые придерживаются мнения, что квазары – это аккреционный диск сверхмассивных черных дыр, состоящий из газа и энергии, выделяемый телами при попадании в черную дыру. Из-за притяжения к черной дыре, газ начинает сжиматься, нагреваться и светиться. Чаще всего такое излучение – радиоактивное. Благодаря такому излучению и орбитальной обсерватории Chandra получается зафиксировать местоположение черной дыры.
Излучение квазара настолько мощное, что сопоставимо с излучением 10 триллионов Солнц или 100 галактик Млечного Пути. Несмотря на это, доказано, что размеры одного квазара не превышают световой день (26 млрд км), что немногим больше размеров Солнечной системы. Благодаря небольшому размеру их излучение способно меняться в течение одного земного дня. Как правило, квазары затмевают свои материнские галактики и сопровождают черные дыры. В галактике Млечный путь расположилась Стрелец А* — сверхмассивная черная дыра, но квазара у нее нет. Чтобы Стрелец А* смог напитать квазар, черной дыре необходимо поглощать не менее десяти солнечных масс в один год.
Таким образом, модель «черная дыра-квазар» можно описать так:
Сверхплотный объект огромной массы — черная дыра — располагается во вращающемся газовом диске, центральная часть которого является источником сверхактивного электромагнитного излучения и выделения частиц, которые распространяясь вдоль оси диска, формируют два «рукава». Такой диск образуется из-за того, что черная звезда, притягивая к себе звезды, а иногда и целые галактики, уничтожает их. Газ, освободившийся при разрушении, притягивается к вращающейся оси, часть поглощается самой черной дырой, оставшаяся часть сжимается, нагревается и начинает светиться. Хотя это теория и хорошо изучена, она никак не объясняет не только свойства квазаров, но и процесс их формирования и эволюцию.
Источник
Квазары и чёрные дыры — их природа и функция. Интервью с Александром Плавиным.
Квазары и чёрные дыры — их природа и функция. Что можно использовать для навигации в космосе?
Александр Плавин, аспирант и научный сотрудник из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и Московского физико-технического института.
Антонина Анапрейчик, участница МОД «АЛЛАТРА»: Мы рады приветствовать наших зрителей. Предлагаем вам принять активное участие в беседе, а также задавать ваши вопросы и оставлять их в ютуб-чате. В интерактивной части мы зачитаем их Александру, и он ответит на них. Мы начинаем. Первый вопрос.
Владимир Оксененко, участник МОД «АЛЛАТРА»: Здравствуйте, дорогие друзья. Наша тема сегодня «Квазары», и до эфира мы поинтересовались, почитали, что известно современной науке, насколько нам хватило наших знаний. Сегодня хотелось бы расширить понимания, что такое квазары, как они устроены, как они работают. Из той информации, которую мы нашли и которая сегодня доступна современной науке, известно, что квазары — это самые крупные объекты, которые обнаружены нами в видимой части Вселенной. По сути, они представляют из себя огромную Галактику, в центре которой находится активное ядро. Это самые светящиеся объекты, которые существуют на нашем небосводе. Считается, что в центре такой Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. И в процессе падения вещества на эту чёрную дыру происходит переработка этой материи, в результате чего формируется аккреционный диск, а также джеты, которые выходят из полюсов этой Галактики. Именно свечение этого аккреционного диска и джетов мы способны наблюдать с помощью современной техники. Нам хотелось бы расширить наши понимания о строении квазара, его предназначении. Поэтому, Александр, будем рады услышать Вас в эфире. Что же такое квазар, как он устроен?
Александр Плавин, аспирант, научный сотрудник АКЦ ФИАН МФТИ: Квазары — это уникальные объекты во Вселенной. Они самые яркие и постоянно светящиеся объекты, это самые далёкие известные объекты. И действительно, как было правильно сказано, под квазаром обычно понимается ядро в галактике, которое активно в том смысле, что оно светит очень ярко, ярче, чем все звёзды из этой же галактики.
Владимир: Александр, скажите, пожалуйста, когда мы выходим на улицу вечером или ночью, мы способны увидеть квазары невооружённым глазом или, например, с помощью оптического телескопа?
Александр Плавин: Нет, ни один квазар невооружённым глазом не виден. Невооружённым глазом видно буквально несколько галактик. Кроме Млечного Пути это Большое и Маленькое Магеллановы Облака в Южном полушарии, и галактика Андромеды. То есть это самые близкие к нам галактики, в них нет активных ядер. Когда мы видим эти галактики, мы видим только преимущественно излучение их звёзд. А квазары хоть и самые яркие, но они находятся (даже самый ближайший квазар) существенно дальше на несколько миллионов световых лет, даже десятков миллионов световых лет, поэтому их невооружённым глазом не видно. В оптические телескопы квазары видны. Причём, я так с ходу не готов сказать, какого размера нужен этот телескоп, но изначально квазары открыли в прошлом веке с помощью оптических телескопов. Они выглядели почти так же, как звёзды, и поэтому сначала их назвали квазары — квазизвёздный радиоисточник. Это очень маленькие точки на небе, но при этом, в отличие от звёзд, они излучают также в других диапазонах не только свет, но и радиоволны. Когда стали улучшаться различные технологии наблюдений, появляться новые типы телескопов, стало возможным увидеть внутреннюю структуру квазара, то поняли, что это на самом деле далёкие объекты, что в центрах далёких галактик находятся очень ярко светящиеся объекты. Это было удивительно, потому что до этого никто не представлял, что может быть такая мощность излучений, что мы их видим примерно так же ярко, как некоторые звёзды нашей Галактики, но при этом квазары на много, много порядков находятся дальше.
Как было правильно сказано, в центре квазара находится сверхмассивная чёрная дыра. Для типичных квазаров масса чёрной дыры намного больше, чем масса чёрной дыры в центре нашей Галактики. И сама чёрная дыра, конечно, не излучает, потому что она поглощает весь свет, падающий на неё, но вокруг чёрной дыры образуются различные интересные области, из которых излучается свет, радиоволны, другие типы излучений.
Смотрите на картинке: сама галактика, то есть звёзды — их даже не видно, они находятся где-то дальше отсюда. Это очень сильное увеличение центральной области Галактики, где именно в самом центре находится, чёрная дыра. Вокруг неё вы видите такой диск, и этот диск представляет из себя вещество, которое оказалось в этой области, и так как на него действует сила тяжести, то оно сначала постепенно закручивается так же, как планеты нашей Солнечной системы крутятся по орбитам, а потом различные слои этого облака из пыли и газа трутся друг о друга, теряют энергию и падают, в конце концов, на чёрную дыру, которая в центре, и её здесь не видно.
Дальше очень интересная структура на этой картинке (такая диагональная линия из левого нижнего в правый верхний угол) — это струи вещества, которые двигаются от чёрной дыры почти со скоростью света. Детальный механизм их образования, как они получаются в самом начале, пока не понятен, и в частности мы и другие группы астрономов, наблюдателей, теоретиков работаем и над этим в том числе. Но когда эти частицы (электроны, протоны, возможно) ускоряются вдоль джетов в две стороны, вдоль оси вращения всей этой системы, они дальше излучают и простираются на много, вплоть до тысяч, световых лет. И в зависимости от того, в какой телескоп мы наблюдаем (в оптический, в радио или ещё какой-то), мы будем видеть либо самую центральную область (яркая часть на картинке), либо, наоборот, какие-то протяжённые джеты. Именно совмещение различных методов наблюдений и позволяет нам настолько уверенно говорить о том, что же там, в квазаре. Джеты преимущественно излучают радиоволны, а видимый свет по большей части приходит из центральной области. Вкратце, квазар устроен примерно так.
Захар Кравченко, участник МОД «АЛЛАТРА»: Вы рассказали о таких известных параметрах квазаров, как яркость и других характеристиках. Расскажите, пожалуйста, какие на сегодняшний день есть методы исследования квазаров? Какие используются методы, какое оборудование?
Александр Плавин: Я сам занимаюсь наблюдательной астрономией, то есть не теорией, а наблюдениями, их анализом и обработкой. Поэтому я с радостью расскажу о том, как мы их наблюдаем, как мы их видим.
Квазары наблюдаются в самые различные телескопы, наверное, во все виды телескопов, которые существуют.
Это здание с куполом — я думаю, многие представляют, что именно так выглядит обычный оптический телескоп. Когда-то давно астрономы смотрели в них глазами. Сейчас глазами в эти телескопы никто не смотрит, в них всё записывается на компьютер, и в итоге мы видим картинку в обычном свете.
На следующей картинке показана сеть радиотелескопов, которые расположены по всему земному шару на всех континентах, и даже на Южном полюсе есть телескоп.
И конкретно эта сеть из 27 телескопов находится на самом юге США, то есть радиотелескоп — это примерно, как спутниковая тарелка, только намного больше, намного дороже и намного более точное оборудование там находится.
Дальше я не могу, конечно, не отметить очень важный инструмент. Бывают также телескопы космические, как на следующей картинке.
Это тоже радиотелескоп (российский), который летал по орбите около семи лет. Очень успешные результаты, мы их до сих пор обрабатываем и анализируем. Эта программа называется «Радиоастрон» — это радиоастрономический телескоп на орбите Земли, причём на очень вытянутой, вплоть до Луны он долетал фактически. Наша организация, Астрокосмический центр ФИАН, является головной организацией по научной программе этого проекта, поэтому мы очень плотно работаем с космическими телескопами в том числе.
Это в некотором смысле традиционные телескопы: оптические телескопы и радиотелескопы, они выглядят привычно. Бывают и другие телескопы, то есть чем дальше, тем больше появляется разнообразных телескопов.
Например, на этой картинке мы видим интересную структуру, которая находится на Южном полюсе.
Конечно, здесь то, что нарисовано подо льдом, — это иллюстрация, а не фотография; а сверху (надо льдом) — это фотография. Это нейтринный телескоп, про который я чуть дальше подробней расскажу. Он детектирует нейтрино с помощью детекторов света, которые находятся на нескольких километрах в глубине льда. Аналогичная структура есть в России на Байкале (понятно, что там не лёд, а вода). В общем, такие телескопы тоже бывают и они тоже называются телескопы.
Все эти телескопы и многие другие, про которые я просто не успею упомянуть, они в том числе наблюдают и квазары, потому что всё-таки такие уникальные объекты, как квазары, излучают практически всё, что только люди могут детектировать из космоса. Даже что-то иногда не ожидалось. Это то, что касается инструментов наблюдения квазаров.
В качестве примера того, что непосредственно видят астрономы, когда они наблюдали квазар на радиотелескопе (картинка 2.5). Это изображение одной из самых известных галактик — галактики М87, в частности, джет из неё.
Около года назад, если вы помните, группа «Телескопа горизонта событий» (англ. Event Horizon Telescope, EHT) впервые в истории показала изображение чёрной дыры и эта чёрная дыра, собственно, находится именно в центре галактики М87. На рисунке, её, конечно, не видно, здесь масштабы не те. Но если сделать zoom (увеличение) в центр на несколько порядков то, в принципе, её можно было бы увидеть. А здесь же мы видим вот этот джет, который, как я говорил, излучается вдоль оси вращения. Примерно с такими картинками и работают астрономы, изучающие квазары, то есть я вижу достаточно много таких картинок, анализирую, обрабатываю и так далее. Вот так мы изучаем квазары.
Антонина: Скажите, Александр, а известна ли природа процессов, которые происходят в квазарах? Может быть такое, что происходят какие-то процессы, которые на сегодняшний день наука не может объяснить?
Александр Плавин: Да, спасибо за вопрос. Во-первых, сразу скажу, что практически в любой естественной науке всегда остаётся возможность, что где-то происходит процесс, который мы не до конца понимаем. Даже на самом простом уровне физики: в быту и на Земле, и даже на околоземной орбите — нам практически везде достаточно обычной теории Ньютона о гравитации. Теория относительности, хотя мы знаем, что она более правильная, чем теория Ньютона, на самом деле в быту, в обычной сфере, она абсолютно нигде не применяется. Если её применять, то результаты будут точно такими же.
Поэтому с квазарами ситуация в некотором смысле похожа. Здесь, конечно, теория относительности обязательно нужна, потому что и скорости большие (как я говорил, близкие к скорости света), и массы очень большие, то есть чёрные дыры бывают в миллиарды масс Солнца и это абсолютно в порядке вещей. Но каких-то отклонений, которые мы могли бы ожидать от чёрных дыр по отношению к тому, что предсказывает теория относительности Эйнштейна, не обнаружено. Поэтому все наблюдения, которые проводятся с очень хорошей точностью, подтверждают, что да, всё выглядит ровно так, как предсказывал Эйнштейн. Мы из этих положений уже выводим различные свойства: измеряем какие-то поля, какие-то массы и так далее.
Нам и другим наблюдателям в мире всегда интересно и хочется найти что-то, где теоретики были неправы, где же они всё-таки что-то неправильно предсказали. Пока такого не обнаружилось. Всё, что предсказывает теория относительности касательно чёрных дыр, ровно так же наблюдается и в квазарах. И группа «Телескопа горизонта событий» (англ. Event Horizon Telescope, EHT) тоже это подтверждает. Поэтому на сегодня у нас нет никаких свидетельств того, что там происходят какие-то процессы, которые не укладываются в обычную теорию относительности. Здесь даже квантовая механика вроде как нигде не фигурирует. Поэтому пока нельзя утверждать, что что-то в эту теорию не укладывается, то есть это неизвестные процессы.
Но, с другой стороны, мы, физики, конечно, понимаем, что теория относительности — это не истина в последней инстанции. И когда что-то будет обнаружено не укладывающееся в неё, в науке про эту теорию не то что забудут (она, конечно, останется, как сейчас, например, остаётся Ньютоновская теория), но будет какая-то более точная. На сегодняшний день не обнаружено никаких процессов, которые не согласуются с тем, что в центре находится чёрная дыра и всё вращается, как и должно быть по законам. Но мы пытаемся разобраться.
Владимир: Спасибо большое. Тоже интересный вопрос: изучая эту тему, столкнулись с тем, что квазары бывают разных типов. Расскажите, пожалуйста, какие вообще бывают квазары? В чём их схожесть и в чём их отличие?
Александр Плавин: То определение квазара, о котором я говорил, что это, по сути, активное ядро галактики, у него есть одно исключение. Есть так называемые микро-квазары, то есть это такие чёрные дыры, которые не сверхмассивные, которые не намного превосходят массу Солнца. Они находятся в нашей Галактике в большом количестве, но сложно сказать, сколько конкретно, потому что они не такие яркие, не выделяющиеся, их сложно наблюдать. Это совсем отдельная тема — микроквазары. Поэтому если остановиться именно на тех квазарах, которые обычно подразумеваются под этим словом, то есть чёрные дыры в центре далёких галактик, то там, конечно, есть определённая классификация.
Все основные свойства известных квазаров, которые наблюдаются, сначала пытались объяснить тем, что это принципиально разные типы объектов. А теперь оказалось, что основное различие между типами квазаров (возможно, вы слышали про блазары, просто квазары какие-нибудь, радиогалактики, ещё что-то такое) в основном просто зависит от того, под каким углом мы на эту картину смотрим. Давайте представим: если мы смотрим так, что какой-то джет «бьёт» нам в глаз (практически направлен в нашу сторону), то он будет для нас настолько ярким, что мы кроме него, вот этого центрального облака, ничего не увидим просто потому, что оно будет намного менее яркое, чем джет, который «бьёт» нам в глаз. С другой стороны, противоположный случай: если мы смотрим из плоскости диска (перпендикулярно джету), то, наоборот, мы будем видеть все области, то есть центральная часть будет яркая, а джеты к двум краям симметрично спадают. Все эти типы квазаров, которые обычно выделяются, они, по сути, одни и те же объекты, просто с разными массами, с разными яркостями, но объекты абсолютно такие же. Мы их видим под разным углом, то есть какие-то оказались направленными в нашу сторону, какие-то — нет, но это ожидаемо, они же не специально на нас направлены. Поэтому типы квазаров — это не существенно разный тип объекта, а один и тот же объект, наблюдаемый под разными углами.
Захар: Александр, при нашей первой встрече, когда мы созванивались и знакомились, Вы говорили о том, что квазары очень интересно размещены на небесной сфере. Расскажите, пожалуйста, об этом поподробнее. Как размещены квазары в космическом пространстве и как это можно использовать в наших земных технологиях и методах?
Александр Плавин: Спасибо за вопрос. Практически в самом начале изучения квазаров выяснилось, что они распределены очень равномерно по небу, то есть нет асимметрии. Какой асимметрии можно ожидать? Если объекты где-то совсем близко, то там будет асимметрия север-юг. А если это объекты нашей Галактики, то можно было бы ожидать, что они будут в основном в плоскости Галактики, а не находиться перпендикулярно к ней.
Выяснилось, что квазары очень равномерно распределены на небе, то есть в каждой области неба примерно одинаковое количество квазаров. Вот смотрите, что здесь изображено? Здесь изображено, по сути, небо, карта неба: сверху — север, снизу — юг, точками изображены все квазары, которые наблюдаются на международных всемирных сетях радиотелескопов, потому что это самый точный способ наблюдения. Здесь даже на глаз видно, что есть асимметрия: примерно по широте -40 градусов есть такая вот отсечка, что ниже её меньше точек. Но это просто потому, что в южном полушарии телескопов мало, а там, где телескопов достаточно, например, на севере, в каждой области неба квазаров одинаково. Если просто случайно накидать точки, конечно, их где-то будет чуть-чуть больше, где-то чуть-чуть меньше, но в среднем их везде одинаково. Красной линией (круговой) показана плоскость нашей Галактики, как она видна на небе. Очевидно, что нет какого-то предпочтения, что квазары находятся вдоль этой линии.
Это было важное, практически 100 % указание на то, что квазары — это не какие-то объекты в нашей Галактике (тогда у них была бы асимметрия в расположении), а это внегалактические объекты, которые находятся настолько далеко от нас, от нашей Галактики, что там, в космосе, всё распределено примерно равномерно и поэтому нет никаких предпочтительных направлений. Они распределены абсолютно равномерно по небу.
Что касается использования квазаров, то, возможно, достаточно малоизвестный факт, что квазары имеют очень важное прикладное значение уже сейчас, не в будущем, а конкретно сейчас. Так как квазары находятся настолько далеко (это самые далёкие объекты, которые индивидуально можно увидеть), а также они излучают настолько ярко, что их можно наблюдать на сетях радиотелескопов. Кстати, сети радиотелескопов — это такой способ наблюдений, который вообще даёт самое высокое угловое разрешение, то есть, по сути, чёткость. Во всей астрономии нет оптических или ещё каких-то телескопов, которые дают большее разрешение. Поэтому квазары оказались очень важны для построения систем координат, в том числе на Земле, — просто как, условно говоря, гвозди, вбитые в небосвод. На протяжении любых человеческих масштабов времени (многих десятков, сотен лет) они абсолютно не меняют и не изменят своё положение на небе. И это уникально, так как объекты в нашей Галактике имеют параллакс, то есть различие в их положении, если мы измерим их сейчас и через полгода, например, Земля сместится по орбите.
Также они просто вращаются вокруг центра Галактики, и это измеряется современными телескопами. А квазары абсолютно неподвижны на небе, поэтому к ним привязываются все современные высокоточные наземные системы координат. Например, наши коллеги на основе наблюдений квазаров на радиотелескопах поддерживают так называемую службу вращения Земли, то есть передают самые точные параметры положения земной оси в текущий момент; передают поправки, соответствующие этому вращению, в системах GPS и ГЛОНАСС. Также впервые было точно измерено движение континентов с помощью привязки к квазарам. Потому что, если у нас есть радиотелескопы на разных континентах и мы с их помощью одновременно наблюдаем квазар, то, оказывается, используя хитрые математические способы, можно понять, где находится один телескоп и где второй. Несколько десятков лет назад это был самый точный способ измерения и привязки к координатам на Земле.
Вот такое прикладное значение квазаров. Они и сейчас используются для навигации. И здесь как раз важно то, что яркие квазары есть практически в любой точке неба и к ним очень легко привязаться, имея телескоп, радиотелескоп. Для сравнения, на прошлой неделе у вас был рассказ про пульсары. Пульсары — самые точные часы во Вселенной, они задают самую точную стабильную шкалу времени. А квазары время не задают, они, по сути, задают самые точные пространственные ориентиры, то есть самое точное определение направления во Вселенной, потому что они настолько далеко и можно считать, что они абсолютно не двигаются. Здесь есть, конечно, свои тонкости, над которыми мы работаем. Это такой малоизвестный факт, как абсолютно прикладное широко используемое применение квазаров.
Антонина: Спасибо большое. А скажите, пожалуйста, о чём говорит факт наличия большого красного смещения у квазаров?
Александр Плавин: Сначала я всё-таки в двух словах скажу, что такое красное смещение. Красное смещение — это очень интересный эффект, который был обнаружен в прошлом веке астрономами. Он состоит в том, что чем дальше от нас находится объект в космосе — не в нашей Галактике, а в масштабах сотен миллионов световых лет, миллиардов световых лет — тем более красным он становится. Из этого потом выросла вся космология, рассказывающая, как Вселенная расширяется и так далее.
Суть в том, что чем дальше объект от нас, тем он краснее. И так как квазары — это самые яркие объекты Вселенной, самые мощные излучатели, то они видны на самых больших расстояниях. То есть никаких звёзд, даже вспышек сверхновых звёзд на таких расстояниях мы просто не увидим, а квазары видно. И здесь связь именно такая, что квазары — это самые далёкие из известных человечеству объектов, поэтому у них самое большое красное смещение из известных. Изначально это было второе из доказательств, что квазары находятся не в нашей Галактике. Во-первых, они равномерно распределены по небу, а во-вторых, у них такое красное смещение, которое соответствует расстояниям в миллиарды световых лет. Ну а наша Галактика, для сравнения, — сотни тысяч световых лет. То есть это абсолютно разные порядки величин. Красное смещение у квазаров большое просто потому, что это самые далёкие объекты во Вселенной. Мы видим эти далекие объекты, потому что они очень яркие, а другие объекты на таком расстоянии мы просто не увидим.
Владимир: Спасибо. Интересный вопрос Вы только что затронули, что некоторые квазары находятся на огромном расстоянии в миллиарды световых лет. Мы тоже заинтересовались вопросом: а какие вообще существуют самые древние квазары? Оказалось, что возраст самого древнего квазара, который обнаружен на сегодняшний день, оценивается в 13,1 миллиарда лет, а возраст квазара, который до этого считался самым древним, — 12,9. Получается, что это не единичный объект, который удалось на сегодняшний день обнаружить современной науке. И что интересно, возраст нашей Вселенной оценивается около 14 миллиардов лет. Получается, что вот этот обнаруженный квазар, которому 13,1 миллиарда лет, образовался спустя 700 миллионов лет от предположительного Большого взрыва. Получается, что в этот период времени шёл процесс именно звёздообразования, то есть ещё не было Вселенной в её привычном состоянии, какой мы наблюдаем её сегодня. Тогда происходило формирование звёзд, и это была эпоха так называемой реионизации, когда формировались элементы. Возникает вопрос: если считать, что в центре квазара находится сверхмассивная чёрная дыра, то как получается, что в эпоху, когда только формировались звёзды, уже могла сформироваться такая громадная сверхмассивная чёрная дыра таких размеров, таких масштабов, на таких ранних этапах формированиях Вселенной? Существует ли ответ на этот вопрос в современной науке или предположения, которые пояснили бы такой парадокс?
Александр Плавин: Спасибо за вопрос. Действительно, есть квазары очень древние, как вы сказали, которые образовывались, по сути, в молодой ещё Вселенной. Я не буду сильно вдаваться в детали, потому что, во-первых, я занимаюсь не настолько далёкими объектами, то есть не космологией начала Вселенной, а во-вторых, для такого базового понимания, как образуются квазары, этого и не особо требуется. На самом деле даже и не для самых древних квазаров, а для образовавшихся много позже, вопрос о том, как чёрная дыра накопила так много массы, до конца неразрешённый. Давайте откроем иллюстрацию.
Все современные теории образования чёрных дыр заключаются в том, что сначала образуется (не очень понятно, как) чёрная дыра относительно небольшого размера. На иллюстрации показана чёрная дыра и вокруг неё в диске вращается вещество. Когда есть чёрная дыра и вокруг неё в достаточном количестве какое-то вещество, то оно будет закручиваться так, как, например, это происходило при образовании Солнечной системы, потому что там была масса. А когда вещество достаточно плотное, разные слои его будут тереться друг о друга и всё это будет падать на чёрную дыру, увеличивая её массу.
Качественно чёрные дыры так и образуются, хоть для древних объектов, хоть для более поздно образовавшихся, хоть для сверхмассивных чёрных дыр, хоть для несверхмассивных, то есть для солнечных масс. И в теории образования сверхмассивных чёрных дыр пока что не сходятся до конца все числа. Слишком уж они массивные получаются, даже не самые древние, и до конца неизвестно, как они образуются такие массивные, такие тяжёлые. Здесь не помогает и тот наблюдательный факт, что известно достаточно много сверхмассивных чёрных дыр, то есть в миллиарды масс Солнца, сотни миллионов. И известно достаточно много чёрных дыр, которые в десятки или, может, сотни раз тяжелее Солнца. А среднего размера чёрных дыр известно намного меньше. Получается странная ситуация: почему-то их меньше, чем логично было бы предположить. Поэтому вопрос, как формируются настолько тяжёлые сверхмассивные чёрные дыры, пока ещё открыт. Но в любом случае все гипотезы строятся на том, что сначала образовалось, как говорят на английском «seed» (семя) относительно небольшого размера, потом на него падало окружающее вещество и его масса увеличивалась.
Но вопрос открытый. Над этим в мире работает много людей. Конкретно я этой частью образования чёрной дыры не особо занимаюсь, мне просто интересно, я читаю иногда, что об этом пишут, но пока вопрос открытый.
Владимир: Спасибо большое. Мы задаём такие вопросы, потому что понимаем, что все процессы очень сильно взаимосвязаны. И увидеть цельную картину можно, только посмотрев с разных сторон. Естественно, мы понимаем, что каждый учёный или группа учёных занимаются определённой областью изучения. Но, с другой стороны, такие вопросы расширяют наше представление и дают возможность продвинуться вперёд в познании окружающего нас мира.
Действительно, получается парадоксальная ситуация с формированием таких громадных объектов на ранней стадии формирования Вселенной. Возможно ли предположить, Александр, что то, что находится в центре квазара, на самом деле обладает немножко другой физикой и отличается от того, как мы это представляем сегодня? Мы до эфира беседовали на эту тему с участниками движения «АЛЛАТРА».
Исторически как развивалось изучение квазаров? Было обнаружено огромное образование в Галактике, оказавшееся не совсем звездой. В его центре находится объект, который, как обнаружили, обладает огромной массой. И получается, что на роль такого объекта из всех теоретически и экспериментально исследованных объектов максимально подходила именно чёрная дыра. Соответственно, учёные приняли это как аксиому, и уже отталкиваясь от этого, начали развивать и теорию, и практику изучения квазаров.
Но если вернуться немножечко назад и поразмыслить, пофантазировать… А если это не чёрная дыра? А вдруг есть какие-то ещё объекты или физические процессы, которые мы пока ещё, на данном этапе научного познания, не изучили? И, может быть, это вопрос ближайшего будущего в науке? Можно ли вот в таком ракурсе мыслить, как Вы думаете?
Александр Плавин: Да, спасибо за вопрос. Немного прокомментирую относительно истории развития и подхода к исследованию. Когда открыли квазары были разные предположения, которые обсуждались более менее на равных, были не только чёрные дыры, но и более экзотические объекты. Насколько я понимаю, тогда ещё все не привыкли к теории относительности, то есть было меньше подтверждений, чем мы имеем сейчас. Поэтому обсуждались гипотезы, да и сейчас в научных статьях обсуждаются возможные альтернативы, например, что не только в квазарах есть чёрные дыры, есть чёрные дыры меньших масс, которые обнаружили с помощью аккреционных волн несколько лет назад. Любой проект, в качестве одной из своих задач, всегда предполагает что мы дополнительно проверяем: согласуется ли то, что мы увидим с тем, что должно быть — есть ли в центре, на самом деле, чёрная дыра. И как я уже говорил всем наблюдателям, хочется, чтобы когда-то, что-то принципиально не сошлось, потому что это будет крупнейший прорыв. Но пока, повторюсь, всё абсолютно сходится с чёрной дырой. Поэтому самый хороший способ изучения и самый удачный объект, на котором можно изучать сверхмассивные чёрные дыры, — это центр нашей галактики. Потому что он находится очень близко, мы хорошо видим отдельные звёзды, как они двигаются. Есть абсолютно подтверждённый факт наблюдения — звёзды, расположенные очень близко к центру нашей галактики, вращаются по орбите с такой скоростью, что в центре этой орбиты должна быть очень большая масса. А в центре этой орбиты, как не смотрели, никакого излучения нет, оттуда ничего не приходит. Это самое основное и простое объяснение, аргумент. «Телескоп горизонта событий», из-за технических сложностей с наблюдением центра нашей галактики, представили в прошлом году картинку не этой чёрной дыры. Но они над этим работают, и я почти уверен, что скоро будет какой-то результат. Я надеюсь, они увидят тень от чёрной дыры в центре нашей галактики. Специфическая форма тени, как оказывается, весьма существенно зависит от того, что должно быть в центре. И пока те альтернативные модели, которые люди развивают, вычисляют, они либо хуже сходятся с наблюдениями, чем чёрные дыры, либо примерно также сходятся, то есть не противоречат наблюдениям. Чёрная дыра — это очень простой объект, у неё есть только масса, заряд и вращение. Буквально три параметра. Более сложные объекты (в общем есть различные гипотезы) либо хуже подходят под наблюдение либо ничем не лучше, чем чёрные дыры, и при этом их сложнее объяснить. Посмотрим, что будет дальше
Захар: Александр, большое спасибо за ответ. Когда мы готовились к эфиру, обсуждали тему чёрных дыр и явлений, которые там происходят. У нас возникло два интересных вопроса. Зачастую говорится о том, что из ядер галактик, из тех же чёрных дыр, наблюдается огромное излучение большой яркости, которое мы на огромных расстояниях на Земле имеем возможность фиксировать. Вопрос заключается в следующем: как Вы думаете, это излучение, которое исходит из центра галактики от квазара, как оно путешествует все эти миллиарды световых лет? Ведь наша Вселенная вращается, она динамична и все объекты перемещаются. Как эти элементарные частицы: фотоны, протоны, те же нейтрино достигают нашей Земли спустя столько километров, а точнее световых лет? Ведь всё движется постоянно, как Вы думаете?
Александр Плавин: Да, спасибо. Это, действительно, интересный вопрос, но ответ на него достаточно обыденный. Во-первых, заряженные частицы, то есть протоны, электроны, они до нас не доходят от далёких объектов (причём даже от объектов из нашей галактики), по той причине, что заряженные частицы очень легко отклонить от своего пути, потому что если какой-то объект (даже пусть целая галактика) вращается потихоньку — есть какие-то магнитные поля. И этими магнитными полями заряженные частицы очень сильно отклоняются. В итоге они, скорей всего, где-то просто вращаются, либо их вращение вообще затухает и они останавливаются. То есть заряженные частицы к нам не приходят от далёких объектов. А незаряженные частицы — кванты света, фотоны, элементарные частицы типа нейтрино, как мы недавно выяснили, — доходят просто по той причине, что Вселенная в первом приближении пустая, то есть во Вселенной ничего нет. Даже в нашей галактике, в Солнечной системе, например, между Землёй и Солнцем вещества практически нет по сравнению с тем, что есть вокруг Земли. Если мы посмотрим между нами и соседней звездой, следующей за Солнцем, Проксимы Центавра, то получится, что расстояние ещё больше, плотность вещества ещё меньше. Ситуация между галактиками: расстояние ещё на несколько порядков больше, плотность ещё на несколько порядков выше и так далее. Дальше между скоплениями галактик. Так как Вселенная пуста в первом приближении (понятно, что она не пуста, потому что там есть мы и квазары), то на незаряженные частицы особо ничего не взаимодействует. Потому что как они могут до нас не дойти — только если они чем-то поглотились. Они не могут отклониться электрическим магнитным полем, гравитационные силы практически не действуют, потому что масса этих частиц, которые до нас доходят, маленькая. Единственное, что с ними может произойти — они поглотятся и просто не дойдут. Но чтобы поглотиться, эти частицы должны непосредственно врезаться во что-то, в какой-то объект, в какое-то облако газа, ещё что-то. И даже в облаках газа, если частица туда попала, она не факт, что поглотится, она может пройти, потому что там всё очень разряжено. Именно потому что Вселенная пуста, мы видим другие галактики, видим те же звёзды в нашей галактике, даже невооружённым глазом видим. Несмотря на то, что взаимодействие полей и незаряженных частиц маленькое, оно всё-таки есть. Чтобы это взаимодействие заметить, требуется очень точное измерение. Есть очень слабые изменения, которые не сразу были обнаружены. На пути света, приходящего к нам, вещество чуть-чуть всё-таки действует на него, чуть-чуть меняет его свойства. Но это очень тонкий эффект и в первом приближении свет приходит к нам ровно такой же, как излучался там за много миллиардов световых лет. Просто он приходит к нам, постарев на эти миллиарды лет. На счёт вращения Вселенной — она скорее просто расширяется, все объекты удаляются от нас. Свет так и идёт все эти миллиарды лет, ничего с ним по пути не происходит.
Владимир: Спасибо, Александр, У нас возник интересный вопрос в эту же тему. Мы рассматриваем квазар как объект, в центре которого находится чёрная дыра, обладающая огромной гравитацией, то есть всё вещество падает на эту чёрную дыру. А каким образом частицы в джетах или в аккреционном диске вырываются с огромной скоростью? Получается, есть какая-то обратная сила?
Александр Плавин: Касательно диска. Вещество в диске находится близко к чёрной дыре, но не внутри неё. Поэтому так же, как оно бы падало на любой другой объект с такой же массой, оно падает на эту чёрную дыру, но так как оно находится не внутри чёрной дыры, не за горизонтом событий, никакие физические законы не препятствуют тому, что излучение от вещества в этом диске доходит до нас (тёплые, точнее горячие частицы трутся друг о друга, излучают свет, который и доходит до нас без всяких проблем). Излучение не может выйти из самой чёрной дыры, поэтому она и чёрная. А из её окрестностей никакой проблемы того, чтобы свет дошёл до наблюдателя, нет. Что касается джетов, то там ситуация более сложная в том смысле, что непонятно пока детально, как конкретно образуется джет, какие именно это частицы, и откуда они берутся.
Александр Плавин: Есть разные гипотезы, разные объяснения, я не хочу вдаваться в детали, потому что пока нет окончательного ответа. В итоге эти частицы тоже не из самой чёрной дыры, а из каких-то, возможно, её окрестностей, из аккреционного диска — вещество может падать на чёрную дыру, но чуть-чуть мимо неё промахиваться. Так как там очень сильное магнитное поле, все заряженные частицы могут лететь только вдоль этого магнитного поля. Получается, что нет никаких физических законов, которые бы этому препятствовали. Просто детали образования джетов пока непонятны. Излучение джета — это когда вот эти самые частицы в струе летят и излучают свет — для него нет проблемы дойти до наблюдателя, до нас, потому что это не в чёрной дыре, это где-то в её окрестностях или даже не в ближайших окрестностях, а в масштабах световых лет от чёрной дыры. Нет никаких законов, которые бы мешали этому излучению дойти до нас. Но от самой чёрной дыры действительно нет излучения, оно не обнаружено и не ожидается.
Антонина: Спасибо большое. Александр, расскажите, пожалуйста, о нейтрино и о квазарах. Мы знаем, что есть интересные результаты исследования, откуда появляются нейтрино на Земле. Вы могли бы рассказать об этом?
Александр Плавин: Да. Я начну с нейтрино: откуда из космоса к нам приходят нейтрино. Уже достаточно давно, 50 лет назад, когда построили первые нейтринные детекторы, было обнаружено, что нейтрино — это такая незаряженная частица, которая приходит к нам в том числе из космоса. В лабораториях тоже, но для астрономии важно именно из космоса.
Почему это важно? Почему кому-то это стало интересно изучать? Это очень сложно, нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, их очень сложно продетектировать. Оказалось, что эта сложность (то, что они не взаимодействуют с веществом) является также и преимуществом. Например, с тем же Солнцем, от которого в космосе обнаружили первые нейтрино. Свет от Солнца приходит просто с самой поверхности Солнца, то есть внутренние слои мы никак не видим. А излучающиеся из центра Солнца нейтрино доходят до нас без всяких взаимодействий. Поэтому это очень интересно. Вообще, если астрофизические объекты излучают нейтрино — это уникальный способ заглянуть в самую глубину, откуда никакие фотоны и ещё какие-то частицы не вылетят, потому что они по пути врежутся много раз во что-то другое. Когда этим стали интересоваться, обнаружили нейтрино от Солнца. Потом обнаружили нейтрино от взрывов сверхновых звёзд, когда звезда стареет, взрывается и много энергии уносится нейтрино. И эти энергии были примерно такие же, как в лабораториях на Земле, то есть в ядерных реакциях. Потом стала развиваться нейтринная астрономия, и построили различные телескопы, нейтринные детекторы, ориентированные на более высокие энергии.
На этой картинке изображён телескоп на Южном полюсе, который состоит из глубоко забуренного под лёд большого количества детекторов световых вспышек. Когда нейтрино высокой энергии проходит через атмосферу Земли, из него образуются различные частицы. Когда эти частицы пролетают через воду или лёд, у них есть шанс провзаимодействовать с водой или льдом и оставить там слабый всполох света, то есть некую вспышку. На картинке кружками схематически изображены эти самые детекторы света подо льдом.
По тому, в каком направлении и с какой скоростью двигалась частица, которая дала вспышку, по сигналам от этих детекторов получается схематически достаточно точно определить наличие исходного нейтрино, с какой энергией и откуда оно пришло — вот такого рода параметры. В телескопе, который называется IceCube (рус. «Ледяной куб», или «Ледяной кубик», произносится «АйсКьюб»), задействован примерно кубический километр льда. После того, как его построили, он достаточно быстро стал детектировать нейтрино высоких энергий. Характерные энергии, о которых я скажу далее, — это примерно пета-электрон-вольт, то есть это энергии порядка 10 15 или 10 16 электрон-вольт. Этой энергии примерно, как в падающей капле дождя, только она сосредоточена в одной маленькой частице. Получается, что нейтрино стали детектироваться и было непонятно, откуда приходят нейтрино высоких энергий. Пару лет назад обнаружили, что есть одно нейтрино, которое вроде бы пришло от одного из квазаров. Но многие этому не сразу на 100 % поверили, потому что условно тут две причины: во-первых, если десять лет ждать, то что-нибудь одно может и совпасть, если повезёт или ещё что-то; во-вторых, этот квазар, от которого пришло нейтрино, ничем особо не выделяется, это просто самый обычный квазар, которых у нас на небе тысячи.
Встал вопрос: «Почему именно он?», ничего особенного там не было. Буквально пару недель назад вышла наша статья, в которой мы очень убедительно показали, что нейтрино, обнаруженные в этих высоких энергиях, массово приходят от активных ядер галактик. Просто до этого их искали не самым оптимальным образом. А мы показали, что полезно смотреть именно на связь детектирования нейтрино, которое абсолютно открыто бликует, что выдаёт группа телескопов IceCube.
Если их сравнить с тем, в чём мы эксперты, — с радионаблюдениями на радиотелескопах по всему миру, — то там окажется чёткая закономерность: квазары, которые находятся в тех местах, откуда пришли нейтрино, оказались существенно ярче, чем средний квазар. И это, как мы вычислили, не могло совпасть просто случайно, там очень маленькая вероятность случайных совпадений. Мы поняли, что квазары на самом деле массово излучают нейтрино и это не какие-то уникальные объекты. Просто чуть ли не большинство нейтрино высоких энергий, которые детектируются на Земле, пришли от квазаров. Оказалось, что все, даже косвенные наблюдения квазаров, согласуются с этим. То есть квазары не только ярче, они ещё и вспыхивают в то время, когда с той стороны приходят нейтрино. За последние пару месяцев и другие группы, с которыми мы сотрудничаем, по своим данным проверили и подтвердилось, что нейтрино действительно приходят массово от активных ядер галактик.
Это интересно с двух точек зрения. Во-первых, в плане изучения самих квазаров. Пока нейтринные телескопы всё-таки достаточно грубые по сравнению с оптическими радиотелескопами просто потому, что у них было меньше времени для развития. Это совсем свежая область. Сам факт того, что от квазаров массово приходят нейтрино, говорит о том, что квазары могут ускорять не только электроны до высоких энергий, как всегда предполагалось, и мы всегда считали, что излучение от джета, которое мы видим, — это излучение именно электронов. Это легко объяснить в двух словах: многие помнят из курса школьной физики, что протон в 2 000 раз тяжелее электрона, поэтому его в 2 000 раз сложней ускорить. Всегда считалось, что именно электроны излучают в джете, а протоны особо не ускоряются до таких энергий. Так как приходят нейтрино высоких энергий, то протоны там должны быть тоже высоких энергий. Единственное, что известно теоретически и практически, — механизмы рождения нейтрино обязательно включают в себя взаимодействие высокоэнергетичного фотона с чем-нибудь ещё, неважно с чем (есть разные варианты), но высокоэнергетичный протон просто обязан быть. Даже тот факт, что мы увидели массовое нейтрино от активных ядер галактик квазаров, говорит о том, что квазары могут ускорять очень тяжёлые протоны до высоких энергий. Конечно, мы планируем развивать эту тему: прогрессируют нейтринные телескопы, скоро будут полноценные наблюдения на Байкале, развивается и IceCube — это что касается изучения квазаров. Нейтрино очень полезны, они приходят из самого центра, откуда фотоны можно и не увидеть, и там обязательно есть высокоэнергетичные протоны.
А второе, почему интересно открытие нейтрино от квазаров, — касается непосредственно физики нейтрино как частицы. В этой области я не эксперт, больше занимаюсь астрономией, астрофизикой. Но тут возможно прояснить разные вещи: массу нейтрино (которая до сих пор неизвестна), какова масса при распространении (что с ней происходит: что меняется, что не меняется). Открытие нейтрино, которые приходят от квазаров, полезно не только для астрофизики, но и для физики частиц. Вот такой интересный результат, который мы буквально недавно получили и сейчас рассказываем всем на семинарах.
Антонина: Спасибо большое, это действительно очень интересно. Я думаю, что это очень важно для развития будущих технологий, для развития науки в будущем. И вот как раз хотелось бы рассказать о Созидательном обществе.
На платформе Международного общественного движения «АЛЛАТРА» людьми инициирован проект «Созидательное общество», а прецедентом стала конференция «Общество. Последний шанс», которая прошла 11 мая 2019 года. В одном звонке, на онлайн-конференции собрались люди более чем из 140 стран мира и обсудили самые важные вопросы, которые касаются развития общества, человека в будущем, вопросы, касающиеся всей цивилизации.
Все вместе мы пришли к выводу, что сегодня находимся в тупиковой ситуации как раз из-за того формата общества, в котором мы существуем, — это потребительский формат. Мы поняли, что нам необходимо поменять формат общества и сделать так, чтобы в обществе каждый человек был счастлив. И как раз сейчас активно проходит проект под названием «Созидательное общество», и люди во всём мире проводят социальные опросы, в которых задают вопросы: в каком обществе все мы хотели бы жить, в каком обществе каждый из нас был бы счастлив? И, конечно же, на этот вопрос мы можем ответить все вместе и решить, как нам жить дальше.
Поэтому вопрос к Вам, Александр: в каком обществе Вы чувствовали бы себя счастливым человеком? В каком обществе Вашим родным, близким, друзьям было бы комфортно, приятно и радостно жить, да и каждому человеку на Земле?
Александр Плавин: Хорошо. Вообще, я считаю себя оптимистом и счастливым человеком. Но что бы хотелось изменить, если говорить по большому счёту, то это в первую очередь, конечно, безопасность, чтобы общество было безопасно во всех смыслах, не только в плане физической безопасности.
Второе — это чтобы мир был открытым, чтобы не было границ между странами. И мне сейчас легко так говорить, потому что вы не спрашиваете, как этого достичь, — чего я не знаю. Но хотелось бы, чтобы по сравнению с тем, что сейчас, было безопасно и чтобы мир был открытым. Я повторюсь, что я оптимист и сейчас в том числе.
Антонина: А как, по Вашему мнению, будет развиваться радиоастрономия в будущем?
Александр Плавин: Спасибо за вопрос. Астрономия и многие другие науки (хоть и не все) по своей природе достаточно открыты, особенно фундаментальные науки. Если говорить конкретно про свой опыт и астрономию, то у нас абсолютно нормальное повседневное действие, что мы делаем какую-то работу, пишем какую-то статью или обсуждаем научные вопросы с коллегами по всему миру. Сейчас это всё происходит, по понятным причинам, дистанционно. Но даже обмены студентами, и уже более старшими специалистами: кто-то куда-то едет для обретения опыта, кто-то работал в одной стране, потом перешёл работать в более сильную группу, — в этом плане наука очень открыта. То есть хотелось бы, чтобы границы были открыты и в других сферах. У нас практически всё открыто, не только границы, но, например, и данные: если в радиоастрономии кто-то что-то пронаблюдал, то обычно через год эта информация становится доступной всем, абсолютно открытой, то есть любой человек может её использовать.
Статьи, которые мы пишем, по-моему, практически все без исключений выкладываются в открытый доступ на специальный сайт препринтов. Любой человек — неважно, в институте он, не в институте, просто нравится ему астрономия, астрофизика на высоком уровне — он может почитать любые статьи, включая достаточно свежие. Мы, например, сразу выкладываем в открытый доступ. В этом плане в науке, по крайней мере, многих проблем, которые есть в обществе в целом, их либо нет, либо они намного менее выражены. Есть, конечно, какие-то свои исключения везде, но вообще фундаментальная наука и астрономия, в частности, — это очень открытая и дружелюбная сфера. Всё без проблем: разные люди с разными культурами, все работают, общаются вместе, — никаких проблем не возникает. Поэтому непосредственно в науке я даже не скажу, что тут стоит принципиально поменять, в целом и так хорошо.
Владимир: Александр, спасибо. А если просто попробовать помечтать. Созидательное общество, о котором мы сейчас говорим, — это, по сути, та модель, которую внутренне понимает каждый человек, что так нормально, так должно быть. И с каким человеком мы бы ни общались в любой точке мира, все говорят приблизительно об одном и том же. Интересно было бы узнать, до каких бы высот шагнула наука: как быстро мы, например, могли бы полететь на другие планеты? Как быстро или в каком объёме мы могли бы изучить Вселенную? Насколько далеко мы могли бы шагнуть и в макромир, и в микромир? Потому что, чем больше мы изучаем, тем больше мы понимаем, что всё фрактально и всё взаимосвязано, что законы, которые заложены в основе строения Вселенной, они идентичны и для микромира, и для макромира.
И если мы создадим Созидательное общество, в котором каждый учёный мог бы заниматься любой тематикой, которая ему была бы интересна, и у него была бы для этого возможность (время, технические, финансовые возможности), не было бы каких-то искусственных преград, которые, возможно, сегодня испытывают учёные в плане технической базы, финансирования, в идейном плане, может быть, — вот если убрать всё это и учёные, специалисты (действительно учёные, внутренне, учёные по духу, исследователи) могли бы заниматься всем, чем угодно. Как Вы думаете, каких научных высот мы могли бы достичь как цивилизация и вообще в познании мира и себя?
Александр Плавин: Спасибо за вопрос. Каких высот мы могли бы достичь — это всё-таки такой предсказательный вопрос, на который я точно не возьмусь ответить, потому что сложно даже вообразить. Представьте, если бы человека 50 лет назад или даже 100 спрашивали: «Что будет через 100 лет? До чего дойдёт наука, до чего дойдёт техника?» — в общем, сложно было бы предсказать.
Я точно не берусь предсказать, чего мы достигнем. Тут сложный вопрос касательно того, как должно быть. С одной стороны, конечно, если спросить учёных, все скажут: «Давайте финансировать науку: физику, биологию, неважно, любую; больше финансировать и вообще это приоритет» и так далее. Однако история показывает, что наука — фундаментальная, в меньшей степени, но прикладная точно — развивалась быстрее, когда были какие-то конфликты, холодная война и так далее. С одной стороны, конечно, конфликтов не хотелось бы, то есть это очевидно плохо, но современная история нам показывает, что, по крайней мере, прикладные исследования развивались быстрее. И вот всё: интернет, космос, ракеты — это же всё вышло изначально именно из военных технологий. К фундаментальной науке это относится меньше, потому что теми же квазарами военные, к счастью, особо не интересуются.
Поэтому в фундаментальной науке я как учёный, конечно, всегда скажу, что, действительно, науку надо больше финансировать, Но я допускаю, что с этим кто-то не согласится. Сложно предположить, как надо поступить.
Антонина: Хочется подчеркнуть такой момент, что в Созидательном обществе хотелось бы, чтобы наука развивалась в мирном русле. И если были бы какие-то научные споры, то это всё-таки открытая дискуссия, в которой можно было бы найти истину, а не примеры войн.
Александр Плавин: В фундаментальной науке дело практически так и обстоит: дискуссия абсолютно открытая. То есть если человек высказывает какую-то научную идею, которую я не поддерживаю, то, во-первых, мне всегда интересно выслушать, почему он её придерживается, а дальше я согласен или не согласен — неважно, я всё равно, если знаю, то всегда предложу лучший способ проверить (хотя бы в перспективе), кто из нас более прав, какая из идей более верная. В фундаментальной науке открытая дискуссия — споры в позитивном конструктивном ключе, — это абсолютно типичная ситуация.
Антонина: Спасибо большое. И вопросы от зрителей.
Владимир: Да, если можно, мы ещё несколько вопросов зададим по физике, которые наши зрители оставили в чате. Вопрос такой: «Как получена первая картинка?»
Александр Плавин: Скорей всего, ответ кого-нибудь разочарует, потому что это иллюстрация, а не настоящее изображение из телескопа.
Это нарисовал художник по известным данным, как он представляет себе квазар. И если вы в Интернете откроете, например, картинки квазаров и что-то выглядит красиво, то это именно иллюстрация, а не фотография. Фотографии делаются на оптических телескопах, Хаббл снимал близкий к нам квазар (у меня сейчас нет картинок). А если мы откроем картинку 2.5, то это на самом деле то, с чем мы работаем. По сути, это фотография квазара на радиотелескопе.
Александр Плавин: Там видно только джеты и практически больше ничего. Потому что такую картинку получить телескопом напрямую просто невозможно. Например, в радиодиапазоне мы в основном видим джет, но не видим диска вокруг. В оптическом диапазоне (как делает Хаббл) наоборот — излучение из центра существенно ярче, но он не видит какие-то пылевые облака вокруг, которые тоже излучают (они были на иллюстрации). Чтобы увидеть пылевые облака нужен ещё другой телескоп — инфракрасный. В итоге получаем полную картину квазаров, за счёт того, что мы наблюдаем их с разными инструментами, учитывая разные параметры. В итоге у нас складывается полная картина квазаров и других астрономических объектов. Поэтому сделав снимок один раз, получить такое красивое изображение квазара, скорее всего, невозможно. Но с другой стороны, этот джет, чем он некрасивый? Весьма интересен.
Владимир: Спасибо большое. Следующий вопрос: известно ли, какую роль играют микроквазары в нашей Галактике?
Александр Плавин: Интересный вопрос. Я на него достоверно ответить не готов, потому что я про микроквазары просто читал. Их изучают — это квазары, только маленькие. Я с ними абсолютно не работаю. Вопрос — какую роль играют? А какую роль играют звёзды в нашей Галактике? Звёзды светят, и вокруг многих из них вращаются планеты. В этом смысле микроквазары тоже светят и вокруг них, скорее всего, планеты не вращаются. По крайней мере никто их не видел. Может быть такая ситуация: например, есть у него джет, может, вокруг него, вокруг чёрной дыры квазара вращается какая-то звезда — такое тоже может быть. Более детально я не готов ответить, потому что не знаю.
Владимир: Спасибо. Мы заметили, что форма галактик преимущественно спиральная — 55 % галактик типа S. Как Вы думаете, почему?
Александр Плавин: Да, тоже интересный вопрос. Смотрите, насколько я знаю, всё-таки 55 % — не такое подавляющее большинство, это значит бывает и много других типов. Это просто зависело от того, какие свойства, как именно организовалось вещество в той области, где образовывалась эта галактика. И какого-то простого ответа на это я не знаю, но знаю, что проводятся, в том числе нашими коллегами, различные численные моделирования: условно накидали миллион звёзд или какие-то облака газа, записали правильные физические законы, по которым они будут двигаться, и запустили это. Подождали симуляции сколько-то там миллионов лет, и получаются различные структуры. И они как раз показывают, что при определённых условиях будут спиральные галактики, и это всё согласуется с наблюдениями; при других условиях будут галактики неправильной формы. Но простого объяснения, когда какая получается, у меня нет. Это такой узкоспециализированный вопрос, именно про образование галактик, надо только читать.
Владимир: Спасибо. Интересно, мне вспомнились слова из книги «АллатРа» о том, что очень многие процессы в нашем мире происходят именно по спирали, то есть имеют спиралевидный вид и движение частиц. Если заглянуть внутрь строения ДНК человеческого волоса, клеток организма, то очень многие процессы и структуры имеют спиралевидную форму. Естественно, это предстоит открыть учёным, и может быть (как предположение), — это какой-то закон нашей Вселенной, что именно эта форма является энергетически более выгодна (например, с точки зрения хранения информации). Но пока это только предложение, возможно, наука будущего сможет разобраться в этом более детально.
Александр Плавин: Про спираль простого ответа нет. Но есть простой ответ на вопрос: почему галактики и планетные системы все как бы в одной плоскости. То есть это не какой-то шар, например, — это именно диск, как у Солнечной системы все планеты в одной плоскости, так и наша Галактика, и большинство других — это потому, что если есть какое-то движение не в плоскости, то оно просто теряется по физическим законам. Это даже можно вывести из механики Ньютона. Про спираль такого простого ответа нет.
Владимир: Спасибо. Такой вопрос: все ли квазары излучают радиоволны?
Александр Плавин: Вопрос мне очень понравился, потому что на самом деле ответа нет. Точнее так — не от всех квазаров мы видим радиоволны, может быть, они их излучают, но их просто очень мало. Яркие в радиодиапазоне — это условно несколько десятков тысяч квазаров, известных мне по чувствительности некоторых телескопов. А если мы смотрим в оптическом диапазоне, то есть в обычный телескоп, то квазаров там будет не один миллион, но радиоизлучение мы не увидим. То есть практически всё, о чём я рассказывал, это в первую очередь относится к квазарам, которые излучают в радиодиапазоне. Они имеют прикладное значение в навигации, из них приходят нейтрино, кроме того они излучают самую большую энергию. Но таких квазаров меньшинство, условно один процент от всех известных квазаров.
Владимир: Спасибо большое. Следующий вопрос: можно ли как-то, прокомментировать потоки нейтрино из ядра Земли в космос? Видимо, имеются в виду исследования с помощью IceCube.
Александр Плавин: IceCube «заточен» на высокие энергии и он ничего от ядра Земли не видит. Их данные открыты, можете посмотреть. В интернете есть карта неба, где отмечено, откуда пришло нейтрино. Если бы нейтрино приходили из-под Земли (а ядро Земли для них на севере), если бы было много нейтрино, приходящих с севера, то тогда это было бы таким практически «железным» указанием, что, действительно, нейтрино приходят из ядра Земли. Такого не обнаружено, то есть с севера ничего не приходит. Они говорят (и по карте видно), что нейтрино приходят абсолютно одинаково с разных сторон, со всех сторон. То есть нет какого-то преимущественного направления. Поэтому оно не приходит из ядра Земли. Что касается нейтрино меньших энергий: детекторы не обнаружили потока нейтрино из Земли. То есть такой краткий ответ: потока нейтрино из ядра Земли просто не обнаружено, хоть в космос, хоть куда ещё.
Владимир: Спасибо. Следующий вопрос граничит с квантовой механикой: работает ли эффект наблюдателя, который присутствует при наблюдении за электронами, при наблюдении за космосом? Я так понимаю, что при наличии наблюдателя частица схлопывается в волну. Наши зрители спрашивают: наблюдается ли такой же эффект с макрообъектами?
Александр Плавин: Правильный вопрос, конечно. С макрообъектами хоть на Земле, хоть в космосе, это не особо важно, квантового поведения не обнаруживается: всё согласно предсказаниям квантовой физики, квантовой механики и других дисциплин. Когда объекты очень большие, например, масштаб квазара, где огромное количество согласованно движущихся частиц, там квантовые эффекты есть только в том смысле, что, например, нагретые атомы будут излучать энергию отдельными квантами, то есть фотонами только с определённой длиной волны, и мы видим это как полосы на спектре. Только в этом смысле квантовая физика влияет. Над этим, скорее всего, ведутся теоретические работы — надо же как-то объединить теорию относительности, квантовую теорию, теорию гравитации в одну. Но прямых квантовых эффектов на больших масштабах в космических объектах мы не видим. Так же, как и не видим их на Земле.
Антонина: Спасибо большое, Александр. Мы хотим выразить благодарность за участие в передаче «Наука в Созидательном обществе», за ту информацию, которой Вы поделились. Это действительно очень интересно, познавательно. И думаю, что развитие науки в таком формате перспективно, когда любители и профессионалы могут общаться напрямую с учёными, задавать вопросы, которые их интересуют. Мы хотели бы также подарить Вам подарки. Это Доклад «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА», в котором есть информация про нейтрино и другие элементарные частицы, я думаю, Вам будет интересно ознакомиться. А также энциклопедия исконных Знаний о мире и человеке — «АллатРа». Наши участники в Москве свяжутся с Вами и обязательно передадут подарки. Спасибо Вам огромное.
Уважаемые зрители, большое вам спасибо за участие, за ваши вопросы, комментарии, за активность во время эфира. До новых встреч на следующей неделе. Спасибо большое.
Источник