Астрофизик Юрий Ковалев: «Исследования космоса — это очень интересно и страшно красиво»

12 апреля, в День космонавтики, в «Смене» пройдет лекция «Что увидел во Вселенной самый зоркий глаз?», организованная при поддержке научно-популярного издания «Лаба». На ней доктор физико-математических наук Юрий Ковалев расскажет, как российским ученым удалось создать «Радиоастрон» — не имеющий аналогов в мире наземно-космический измерительный инструмент. В преддверии лекции «Инде» поговорил с Ковалевым о том, что представляет собой «Радиоастрон», какие открытия были сделаны с его помощью, как астрофизика влияет на нашу повседневную жизнь и может ли фильм «Марсианин» приблизить день освоения Марса.

Юрий, реально ли объяснить простым языком, что такое «Радиоастрон»?

Это телескоп. Телескоп, да не совсем. Люди привыкли понимать под этим словом нечто с зеркалом и дырочкой, через которую можно увидеть небо, но «Радиоастрон» работает иначе. В космосе расположен «Спектр-Р» — космический радиотелескоп. Он работает в комплексе с телескопом, расположенным на Земле. Комплекс из двух телескопов называется наземно-космическим интерферометром — именно он позволяет проводить научные наблюдения. Этот интерферометр и называется «Радиоастрон».

Главное преимущество «Радиоастрона» — очень высокое угловое разрешение. Оно позволяет изучать мельчайшие детали космических объектов и строить их изображения с наивысшим уровнем детализации. Почему это возможно? Для ответа на этот вопрос вспомним формулу из базовых свойств оптики, а именно формулу для углового разрешения, которое примерно равно длине волны наблюдения, разделенной на диаметр используемого зеркала (λ/D).

В радиоастрономии волны очень «длинные»: радиотелескопы сильно проигрывают в угловом разрешении оптическим, и мы не можем построить внятное изображение ни одного элемента на небе. Поэтому радиоастрономы больше полувека назад придумали идею радиоинтерферометра, когда несколько радиотелескопов работают как единая система. Тогда в знаменателе формулы, которую я упоминал выше, диаметр зеркала заменяется на расстояние между телескопами.

Соответственно, наземные интерферометры можно разнести на расстояние до примерно диаметра Земли. В этом случае мы выигрываем у оптических астрономов: наземные интерферометры имеют угловое разрешение, позволяющее видеть мельчайшие детали для изображения космических объектов в 50−100 раз лучше, даже если сравнивать с телескопом «Хаббл».

С «Радиоастроном» мы пошли дальше — вынесли один из телескопов интерферометра в космос: он летает вокруг Земли на орбите до 350 тысяч километров (что равняется примерно 30 диаметрам Земли или расстоянию от Земли до Луны). Следовательно, мы смогли улучшить угловое разрешение, доступное для изучения астрономами, в 10−30 раз. Получается, что мы построили машину с наивысшим угловым разрешением за всю историю. При этом доступ к «Радиоастрону» есть не только у нас, сотрудников головной научной организации в Физическом институте им. Лебедева, но и у любых других астрономов в мире. Доступ к наблюдениям этого интерферометра осуществляется в открытом режиме на основе научных заявок.

Какие из достижений «Радиоастрона» вы, как руководитель научной программы, считаете наиболее важными и интересными?

Из большого количества результатов я бы выделил два, которые, с одной стороны, являются интересными, а с другой стороны — их можно объяснить в коротком интервью. Важно понимать, что «Радиоастрон» уникален. Это был высокорисковый проект — астрономы просто-напросто не знали, что они найдут с его помощью. Например, они не знали, как выглядят объекты на самых мелких угловых масштабах, ведь раньше у них не было такой машины.

Во-первых, мы открыли экстремальную яркость квазаров. Большинство ученых в мире сходились на том, что нам не удастся это сделать. О чем идет речь? Квазары — одни из самых ярких астрономических объектов: мощность их излучения иногда в десятки и сотни раз превышает суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша, хотя квазары находятся на расстоянии миллиардов световых лет от нас. Предполагается, что квазары представляют собой активные ядра галактик. В них находится сверхмассивная черная дыра — массой несколько миллионов масс Солнца, — которая вытягивает в себя материю из окружающего пространства. Квазары выбрасывают материю в виде плазменных джетов, предельная яркость которых, как полагали ученые, была хорошо известна. Все наблюдательные данные, которые были нам доступны до запуска «Радиоастрона» в космос, говорили, что «Радиоастрон» не увидит экстремально ярких компактных ядер у квазаров. Реальность превзошла все ожидания. Мы провели обзор 250 активных галактик — оказалось, что они как минимум в 10 раз ярче, чем мы думали раньше и чем предсказывала теория. Это прорывной результат — он заставляет нас переосмыслить базовые принципы механизмов излучения квазаров. Я называю это «известное неизвестное» — мы знали, в чем заключается крайне интересный вопрос, но не догадывались, каким может быть ответ.

Во-вторых, мы изучали пульсары. Пульсары — это нейтронные звезды в нашей галактике, которые из своих магнитных полюсов излучают свет. Они остались после взрыва сверхновой и имеют высочайшую плотность материи, высочайшие магнитные поля. В результате вращения пульсара его луч чиркает по Земле. Сами звезды очень маленькие, их диаметр составляет примерно 10 километров. Их излучение на длинных радиоволнах рассеивается при прохождении через межзвездные облака, и в результате пульсар для нас выглядит как фонарь в тумане.

Соответственно, мы не предполагали, что «Радиоастрон» позволит нам увидеть какой-либо сигнал. Действительность оказалась иной. Ситуацию с этим открытием я называю «неизвестное неизвестное»: мы в принципе не предполагали найти что-то новое при наблюдениях пульсаров. Оказалось, что, вне зависимости от размера базы интерферометра (расстояние между двумя приемными элементами интерферометра. — Прим. «Инде»), мы все равно видим какой-то остаточный сигнал. Потребовалось около года, чтобы разобраться, в чем дело. Мы поняли, что неожиданно открыли новый эффект рассеивания радиоволн в межзвездной среде.

Попробую объяснить, почему это важно, не вдаваясь в глубокую физику. Этот эффект, хоть мы и видели его от пульсаров, наблюдается и от центра нашей галактики, и от квазаров. Поэтому он важен при исследовании объектов, которые спрятаны от нас за плотными облаками межзвездной среды, — условно говоря, при поиске ответа на вопрос, что же происходит в центре нашей галактики.

Правильно ли я понимаю, что «Радиоастрон» занимается фундаментальными исследованиями? Значит ли это, что практического результата из его наблюдений не будет вообще? Или будет, но через десятилетия?

И да, и нет. Во-первых, техника радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой ежедневно находится на посту народного хозяйства и решает вполне прикладные задачи, которые необходимы для нашей ежедневной активности. С одной стороны, мы строим картинки далеких квазаров, а с другой — можем использовать далекие квазары как реперные точки (поскольку они находятся очень далеко и никуда не двигаются) и относительно них измерять координаты объектов на Земле. Без радиоинтерферометров не будут работать системы глобального позиционирования — ГЛОНАСС, GPS и прочие. Каждая из этих систем поддерживается радиоинтерферометром, который не реже двух раз в неделю измеряет параметры вращения Земли, быстро проводит обработку и анализ данных и передает информацию в центр, который занимается обслуживанием ГЛОНАССа или иной системы позиционирования. «Радиоастрон» подобной задачей напрямую не занимался. Зато он изучает физические свойства и структуру далеких квазаров, которые используются коллегами для постройки инерциальных систем отсчета и измерения параметров вращения Земли. Соответственно, результаты «Радиоастрона» используются в том числе для того, чтобы увеличить точность измерения параметров вращения Земли.

Во-вторых, любые фундаментальные космические проекты как в России, так и в других странах финансируются фактически не ради ученых: деньги вкладываются в основном в промышленность. Решение таких уникальных задач, как постройка космического телескопа «Радиоастрон» и его вывод в космос, толкает промышленность страны на новый уровень. Успех «Радиоастрона» сильно помог российской высокотехнологичной промышленности, космической отрасли. Недавно я выступал с докладом на Совете по космосу в РАН — перечисление российских промышленных предприятий, которые участвовали в постройке разных компонентов нашего спутника, заняло у меня аж два слайда в презентации.

Статистика «Смены» говорит о том, что среди всех научно-популярных лекций большей популярностью пользуются лекции о космологии и астрофизике. Как бы вы объяснили интерес непрофессионалов к космосу и устройству мира? Есть ли ощущение, что этот интерес растет?

То, что научно-популярное движение в стране сильно как никогда, — это сложившийся за последние годы факт. Поэтому ощущение, что та или иная дисциплина становится популярней, — просто результат того, что популяризация шагает семимильными шагами. Если говорить о том, почему космос вызывает постоянное любопытство, то причины тут две. Во-первых, космос близок к каждому — можно поднять ночью глаза на небо и увидеть нечто не очень понятное, но очень манящее. Во-вторых, исследования космоса — это очень интересно и страшно красиво. У нас как-то была дискуссия с коллегами-физиками, которые говорили, мол, вам, астрономам, хорошо: вы в пресс-релиз можете поставить красивую картинку и ее возьмут все СМИ — будет много лайков и откликов. А мы нарисуем твердое тело с кристаллической решеткой, и что с ним будет? На деле так и есть. Я прекрасно знаю, что охват пресс-релизов, которые мы выпускаем, прямо пропорционален красоте картинки.

А есть ли, на ваш взгляд, какой-то базовый набор знаний о космосе, который житель Земли должен иметь в 2019 году?

Я думаю, что необходимо знать о том, что скорость света является максимальной и чему она равна. И неплохо бы знать, что Вселенная расширяется: ведь если я живу в доме, то мне важно понимать, что с ним происходит со временем — особенно если он сжимается или расширяется.

Как вы считаете, способна ли популяризация науки повлиять на ситуацию в самой науке? «Интерстеллар» может привлечь инвестиции в космические исследования? Пиар-активность Илона Маска или фильм «Марсианин» способны приблизить день освоения Марса?

По поводу фильмов сильно сомневаюсь. Но популяризация, несомненно, может влиять на развитие науки. Хороший пример — телескоп «Хаббл»: этот проект должны были завершить довольно давно. И именно успех среди простых граждан США — в частности из-за красивых картинок — привел к тому, что в Америке поднялась большая информационная волна далеко не только среди ученых, а среди обычных людей — правильнее сказать, избирателей. И было принято решение продолжить финансирование «Хаббла». И тут мы выходим на более широкую тему: решения о том, куда вкладывать деньги, принимаются правительствами. А на них влияет общество. И если через популяризацию мы значительно поднимаем интерес и уважение общества к науке, научным результатам, то это, несомненно, скажется на финансировании науки. Тут меня можно назвать оптимистом, но я думаю, что это не оптимизм, а факт.

Часть ваших коллег считают своим долгом развеивать заблуждения и бороться с лженаукой, другая часть — хотят делиться чистыми знаниями с миром, третьи полностью игнорируют публичные площадки для разговора о науке, считая такие разговоры ненужным упрощением. Какая популяризация нужна России сегодня?

Я бы хотел подчеркнуть, что количество ученых, которые отказываются заниматься популяризацией, снобистски считая это ненужным упрощением и «понижением до уровня масс», исчезающе мало. Большинство ученых не занимаются популяризацией только потому, что не умеют это делать (популяризация — занятие не из простых), а специалистов, которые помогли бы им, рядом нет. Это факт, я говорю об этом на основе своего опыта.

Теперь о том, какой популяризацией надо заниматься. Важно помнить одну вещь: ученые не зарабатывают на популяризации. И это не основная их деятельность. Соответственно, они могут отдать на популяризацию определенный, не очень большой процент своего времени. Каждый ученый сам решает, какая из упомянутых выше целей для него наиболее важна и интересна.

Как астрофизика и космология отражаются на нашей повседневной жизни? Можно ли привести примеры технологий, которые невозможны без спутников и регулярного запуска ракет?

Могу выделить три кейса, все они связаны с астрофизикой. Как я уже говорил, без возможности измерять параметры вращения Земли методом радиоинтерферометрии не будут работать с необходимой точностью системы глобального позиционирования, а они влияют на нашу каждодневную жизнь. Это касается и телефонов, и систем навигации в машинах, и ракет — в том числе, к сожалению, военных.

Второй пример: цифровые фотоаппараты, которые сейчас есть во всех телефонах. Основную часть устройства — ПЗС-матрицу — разработали астрономы, потому что утомились использовать фотопластинки. И именно на телескопах стали впервые использовать ПЗС-матрицы. Их развитие в дальнейшем позволило цифровым камерам оказаться в кармане у каждого.

Третий пример: изобретение Wi-Fi. Много лет назад на радиоинтерферометре в Вестерборге (Нидерланды) решалась задача по поиску черных дыр небольшой массы — их вспышек на небе, которые были предсказаны теоретически. Один из участвовавших в проекте инженеров, Джон О’Салливан, со временем перебрался в Австралию и стал работать в крупной государственной научной компании CSIRO. Там он создал Wi-Fi на основе идеи, реализованной ранее при поиске черных дыр в Вестерборге. В чем вообще проблема Wi-Fi и что это в сущности такое? Это радиоволны, которые распространяются в закрытых помещениях и многократно отражаются от стен. Считалось, что проблему расшифровки таких данных невозможно решить. Но решилась она в итоге именно с помощью подхода, который был придуман инженером при обработке данных интерферометра. CSIRO запатентовала изобретение и до сих пор получает серьезнейшие отчисления. Напомню, изначально ставилась фундаментальная задача — ни о каком Wi-Fi ученые не думали. В этом смысле вложения государства именно в фундаментальную науку очень выгодны, просто их результаты мы увидим не завтра, а через 50 лет.

Иллюстрации: Яна Кузнецова