Уявімо собі, що за величезним новорічним столом зібралися люди, які беруть участь у вивченні Всесвіту: фізики, астрофізики, астрономи, космологи, а також фанати космосу — ті, кого дійсно хвилює, як влаштовано всесвіт і яке місце в ньому займає людина. Доктор фізико-математичних наук, головний редактор газети «Троїцький варіант» Борис Штерн взяв на себе роль тамади. За що б варто було підняти келихи, проводжаючи рік і десятиліття? Авторитарний і суб’єктивний тамада пропонує випити за відкриття комети Борисова, запуск літаючої рентгенівської обсерваторії в космос, за нобелівські відкриття і бозон Хіггса, за зйомки чорної діри та інші фундаментальні ривки людства.
Хоч поточне десятиліття і не закінчується (у нього ще попереду цілий рік), існує магія цифр, з-за якої багато відзначають зміну десятиліть саме зараз. Чому б нам не піти їм назустріч і не відзначити видатні досягнення десятиліття?
Тост 1. За першу міжзоряну комету 2I/Borisov
Починати краще з персональних тостів — від приватного до загального, і з досягнень тій частині людства, яка здатна зрозуміти слова тамади без перекладу. Отже, перший келих — за кримського астронома Геннадія Борисова, відкрив в цьому серпні першу в історії міжзоряну комету 2I/Borisov. Вона родом не з Сонячної системи — про це говорить незвичайна траєкторія, її шлях більше схожий на пряму, ніж на еліпс. Зараз комету можна розгледіти навіть з аматорського телескопа, але скоро вона полетить з Сонячної системи назавжди. Цікаво, що Борисов — астроном-любитель, хоча і працює інженером, обслуговуючим телескопи в Кримської лабораторії ДАІШ МДУ. Це не перший випадок, коли настільки важливі відкриття робить любитель. Хоча для цього недостатньо бути аматором, потрібно стати подвижником. Отже, за Геннадія Борисова і всіх подвижників в його обличчі!
Тост 2. За обсерваторії «Спектр-Рентген-Гамма»
Другий келих практично без перерви можна підняти за команду рентгенівської обсерваторії «Спектр-Рентген-Гамма», запущеної в космос влітку цього року і вже почала поставляти наукові дані. Її місія — створити карти видимої Всесвіту в рентгенівському діапазоні електромагнітного випромінювання. Це допоможе відповісти на питання, як проходила еволюція скупчень галактик. Проект був задуманий ще в 80-х роках минулого століття в Інституті космічних досліджень, але хронічно страждає від недофінансування, урезался і багато разів відкладався. Спочатку “Спектр-Рентген-Гамма” був суто російським проектом, потім приєдналася Німеччина. В результаті один рентгенівський телескоп на борту обсерваторії — німецький, інший — російський платформа і запуск — російські. Незважаючи на «довгобуд», проект не втратив своєї унікальності, і ніхто більше не може так добре впоратися з поставленим завданням: огляд всього неба в діапазоні 0.3–30 кев з хорошим кутовим дозволом. Далеко не кожен рік в Росії стартують наукові проекти такого масштабу.
Обсерваторія «Спектр-Рентген-Гамма»
Тост 3. За нобелівських лауреатів
Перейдемо до світових досягнень. Знову від приватного до загального. Тут було б непрощенним гріхом проігнорувати нобелівських лауреатів року Мішеля Майора, Дідьє Кело і Джеймса Пиблса. Їх премії (фактично це дві різні премії) — із серії нагороджень за минулі заслуги, що теж важливо, тим більше що ці минулі досягнення розгорнулися у всю міць саме в останньому десятилітті. Особисто мені симпатичніше перша двійка — вони зробили яскраве відкриття, для викладу якого достатньо одного малюнка і одного абзацу коментарів до нього. Вони відкрили першу планету у звичайної зірки. І нехай вона виявилася жахливою нелюдської планетою — гарячим юпітером, відкриття призвело до подальшої революції у вивченні планетних систем, про яку ми ще скажемо пару слів нижче. За Майора і Кело треба негайно випити! Джеймс Піблс, космолог, отримав премію за сукупністю робіт, що стосуються кількох важливих фрагментів загальної картини Всесвіту. За нього і за космологію піднімемо келих трохи пізніше.
Тост 4. За зйомки околиць чорної діри
А тепер можна зробити невелику перерву для перепочинку. Поміркуємо, чи можна дозволити об’єкт кутового розміру, рівному товщині людського волоса, що спостерігається з відстані 500 км. Саме такий максимальний кутовий розмір чорних дір, реально присутніх у Всесвіті навколо нас. Таких великих чорних діри дві: одна в центрі гігантської галактики М87 в сузір’ї Діви, її маса — близько 6 млрд мас Сонця. Інша — в центрі нашої Галактики, вона у тисячу з гаком разів менше, зате у дві тисячі разів ближче.
Як добитися потрібного дозволу? Потрібен величезний об’єктив — спробуємо зробити його розміром із Землю. Виявляється, це можливо: радиоинтерферометры розміром із Землю існують десятки років, навіть розміром з орбіту Місяця, — це російський «Радіоастрон». Але радіохвилі, досі вжиті радиоинтерферометрами, занадто довгі, вони не можуть пробитися через плазму, навколишнє чорні діри в центрах галактик. Потрібні більш короткі хвилі, близько міліметра, на яких важче влаштувати інтерференцію і отримати зображення. Але интерферометристы-миллиметровщики впоралися і отримали ось таку картинку, яка потрапила на футболки:
Щоб пояснити, що зображено на цій картинці, тамада змушений показати свою почеркушку:
Тут для простоти зображена невращающаяся чорна діра, її радіус — два гравітаційних радіусу Rg.
Все, що ми бачимо в реальності, — це випромінювання речовини, яка стягується до чорної діри, утворюючи аккреційний диск. Важливо те, що чорна діра линзирует своє зображення, збільшуючи його, як показано на малюнку викривленими променями, що полегшило завдання. Світле кільце — це так звана «фотонна сфера», розмита з-за недостатнього дозволу і збільшена за рахунок лінзування. При спостереженні здалеку вона виглядає яскравим кільцем, тому що «притягає» до себе траєкторії фотонів. А темний круг і є поверхню чорної діри.
І от за все це варто підняти черговий келих. Вперше людям показали пряме зображення найближчих околиць чорної діри — об’єкта, в реальному існуванні яких довго сумнівалися. Ця картинка, хоч і непоказним, але простою і зрозумілою широким народним масам. Для її отримання знадобився новий прорив у техніці спостережень. Отже, за найбільш вражаюче і технічно складне досягнення року! Обов’язково до дна!
Тост 5. За гравітаційні хвилі від злиття чорних дір
Щоб не робити різких поворотів, продовжимо про чорні діри. У поточному десятилітті зареєстрували гравітаційні хвилі від їх злиття. Це ще більш фантастичне досягнення, ніж портрет чорної діри. Такі гравітаційні хвилі — по суті розтягування простору на відносну величину порядку 10-21: кілометр розтягується на 1/1000 розміру протона. Я сам, розібравшись, як це робиться, не можу прийняти душею того факту, що це можливо. Але, дивлячись на дані, змушений погодитися: так, це воно! Основну роль в реєстрації гравітаційних хвиль зіграли американці з установкою LIGO, але по суті проект можна назвати міжнародним, у ньому активно беруть участь і наші вчені. Більше того, саме наші співвітчизники Владислав Пустовойт і Михайло Герценштейн вперше запропонували той принцип, на якому побудована LIGO, по суті — лазерний інтерферометр.
Злиття чорних дір з випромінюванням гравітаційних хвиль. Комп’ютерна симуляція
Зараз кількість зареєстрованих гравітаційно-хвильових подій перевалило далеко за півсотні. Там не тільки чорні діри — там і нейтронні зірки, які зливаються один з одним і з чорними дірами. Так от, гравітаційні хвилі від злиття чорних дір — пряме доказ їх існування, навіть більш сильне, ніж портрет чорної діри. Гравітаційні хвилі точно так само посилюються по амплітуді при наближенні до злиття, точно так само зростає їхня частота, потім хвилі точно так само загасають, як пророкує загальна теорія відносності для випадку злиття чорних дір, і тут діватися вже нікуди.
У цих десятках подій є маса астрофізичної інформації, але мені здається, їх моральне значення сильніше, особливо в проекції на широку публіку. Сто років тому вчені сказали: у теорії гравітації Ейнштейна існують гравітаційні хвилі, а також такі парадоксальні рішення, як чорні діри (термін придуманий пізніше). І те, і інше страшно важко підтвердити, тому ці передбачення довго висіли в повітрі. І ось, і те й інше наживо! Значить, все-таки вчені не в тім’я биті. Отже, один з найфундаментальніших тостів десятиліття — за відкриття гравітаційних хвиль!
Тост 6. За прорив у розумінні будови Всесвіту
Тепер, можливо, самий фундаментальний тост. В цьому десятилітті завершилася певна стадія у дослідженні Всесвіту як цілого. Це була довга епопея — спочатку відбулися теоретичні прориви. Саме за активну участь у космологічної епопеї був нагороджений Джон Піблс, про що ми вже говорили. Велику роль зіграли і наші співвітчизники. Теоретична частина історії розгорнулася в основному в минулому столітті. Потім, у першому десятилітті XXI століття в космос полетів мікрохвильовий телескоп WMAP, з’явилися перші точні вимірювання реліктового випромінювання, з яких витягуються загальні властивості Всесвіту.
Потім полетів більш досконалий телескоп «Планк», який довів вимірювання до досконалості, і в космологічної епопеї вже в цьому десятилітті була поставлена якась точка — не остаточна, але важка. В результаті ми розуміємо історію Всесвіту, розуміємо, як вона влаштована, розуміємо роль її несучих конструкцій, хоча й не знаємо, з чого зроблені дві з найважливіших — темна матерія і темна енергія. В цілому відбулося тріумфальне підтвердження основних теоретичних передбачень, розв’язалися парадокси, все встало на свої місця. Картина Всесвіту не закінчена, але вона вже відбулася, ми її вже бачимо у всьому велич і драматизм. І ось за цю картину треба підняти самий фундаментальний келих.
Тост 7. За відкриття планет, придатних для земного життя
Наступний тост буде не настільки фундаментальний, але може бути більш важливий, оскільки стосується місця людини у Всесвіті. Екзопланети! Ми вже відзначали Нобелівську премію, тепер треба відзначити прорив цього десятиліття — тисячі планет космічного телескопа «Кеплер». На жаль, «Кеплер» пропрацював занадто мало, щоб відкрити двійників Землі у двійників Сонця. Але він набрав величезну статистику по планетам з меншими орбітами, за якою з допомогою екстраполяції можна оцінити наскільки поширені землі, придатні для життя. Результат: 20-25% зірок типу Сонця мають землеподібної планети в зоні населеності. Це означає, що в межах 20 світлових років є кілька планет, на яких можна жити. Так давайте вип’ємо за ці конкретні планети і за те, щоб в наступному десятилітті їх знайшли!
І, нарешті, за бозон Хіггса
Наше святкове засідання підходить до кінця. Хоча, зачекайте!.. Трохи не забув, є ж ще бозон Хіггса — він же відкритий в цьому десятилітті. Якщо народ ще бадьоро тримається за столом, за нього треба обов’язково підняти келих. Це тільки з вигляду здається, що він з іншої опери, з області мікросвіту. Насправді поле Хіггса (а однойменний бозон — квант порушення цього поля) змінило весь Всесвіт. Адже першу микросекунду існування Всесвіту його не було, і світ був тривіальний і безплідний — всі частинки були безмассовыми. Потім, коли Всесвіт трохи охолов, і з’явилося поле Хіггса, світ став складний і родючий: частки придбали маси з-за взаємодії з цим полем. А далі на основі масивних частинок змогли утворюватися складні структури, до яких належимо і ми з вами. Як можна пропустити таке відкриття?! Отже, за бозон Хіггса, за однойменне поле і за його результат у вигляді нас з вами!
Ну і на завершення — за дивна властивість людини, здатного витрачати стільки сил і таланту на з’ясування тих речей, які абсолютно марні для добування їжі, продовження роду і створення комфорту. За допитливість! І за людей, які професійно схильні властивості.