Как в ИПФ РАН исследуют космос

12 апреля в России отмечается День космонавтики. Освоение космоса - это не только создание ракет и подготовка пилотов, но и изучение далеких звёзд, поиск планет и анализ данных с телескопов.

Исследования сотрудников ИПФ РАН тоже тесно связаны с космосом. О некоторых из этих исследований мы вам расскажем в нашем материале.

Пётр Землянуха

заместитель заведующего отделом радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии ИПФ РАН

- Что вы изучаете?
- Мы изучаем межзвездную среду, связанную с процессами образования массивных звезд.

- Почему вы выбрали эту тему?
- Не я выбрал тему, тема выбрала меня - сложились обстоятельства, попал в отдел будучи школьником. Задача была тогда достаточно сложная - вписать гауссианы в сотню-другую молекулярных линий, начальные условия натыкав мышкой. Потом - курсовые, диплом, аспирантура, кандидатская. Научные задачи вполне устраивали, за чем менять тему? Спасибо научному руководителю, свобода в выборе исследований приветствовалась.

- Как давно вы ей занимаетесь?
- Если говорить широко - то со школы. Если говорить чуть уже - первая работа с моим соавторством была опубликована в 2015 году, комбинировал данные интерферометра и одиночной антенны. Они вошли в мою диссертацию, пересчитанные, конечно. Если говорить совсем узко - то где-то с обеда. Сейчас мы со студентами прикручиваем вращение при расчете переноса излучения и анализе кинематики плотных ядер, посмотрим что будет.

- Как вы изучаете тему?
- Это достаточно широкий спектр. Был рад помочь Лапинову Александру Владимировичу с измерением лабораторных спектров молекул встречающихся в космосе. В остальном - наблюдения, работа с данными, работа с моделями, анализ, интерпретация. До пандемии мы ездили на наблюдения довольно много: Швеция, Испания, Индия. После известных событий поддерживать контакты все сложнее. Последние наблюдения были в Индии в 2022 году. Результаты занятные и ждут публикации.

- Есть ли уже какие-то итоги работы?
- Итоги работы подробно изложены в наших публикациях. Мы обнаружили занятную фрагментированость атомарного газа в области S187. Интересно, что ядро L1287, судя по всему, сжимается не под действием собственной гравитации. Сейчас мы работаем над обобщением результатов, которые, надеюсь, сделают мне докторскую.

Вячеслав Вдовин

главный научный сотрудник лаборатории высокочувствительных приемников миллиметрового диапазона ИПФ РАН

- Что вы изучаете?
- Наша научная группа занимается определением эффективной оптической толщины атмосферы в субтерагерцовом диапазоне длин волн с использованием широкополосных радиометров.

- Почему вы выбрали эту тему?
- Радиоастрономия является одним из наиболее эффективных инструментов исследования космоса. В мире построено большое количество радиотелескопов субТГц диапазона. В России их пока нет, но они очень нужны. Для того чтобы выбрать место для размещения радиоастрономической обсерватории, ученые проводят исследования астроклимата. Цель таких исследований – определить количество ясных дней, пригодных для наблюдений в соответствующем диапазоне радиочастотного спектра. От этого параметра зависит экономическая и научная целесообразность размещения обсерватории: строительство подобных объектов чрезвычайно затратно и необходимо учесть все аспекты будущего размещения.

- Как давно вы ей занимаетесь?
- Измерениями оптической толщины атмосферы в субтерагерцовом диапазоне длин волн мы занимаемся более 10 лет. По данной теме у нас часто организуются экспедиции в разные точки России, некоторые из них – экстремальные по погодным условиям. Мы самостоятельно разрабатываем аппаратуру, программные средства для сбора и анализа данных, применяем и новейшие методы ИИ для анализа данных.

- Есть ли уже какие-то итоги работы?
- На сегодняшний день мы уже исследовали астроклимат в более чем 20 точках России и ближнего зарубежья. А на основе полученных данных мы составили уникальную карту атмосферного поглощения для анализа и размещения новейших обсерваторий.

Евгений Деришев

старший научный сотрудник сектора плазменной астрофизики ИПФ РАН

- Что вы изучаете?
- Я провожу исследования гамма-всплесков. Это одно из первых астрономических открытий, которое было сделано не в оптическом диапазоне. В течение 30 лет учёные пытались определить, что такое гамма-всплески и где они рождаются. Сначала думали, что они происходят в Солнечной системе, потом - в пределах Галактики, а оказалось, что в далёком космосе. Предсказать гамма-всплески никак невозможно. Они неожиданно появляются и довольно быстро исчезают.

Как мы сейчас понимаем, чаще всего эти события сопровождают взрыв сверхновой: когда звезда заканчивает свою жизнь, она дает гамма-всплеск в определенном направлении. Наблюдая с этого направления, мы увидим очень яркое событие. Оно длится всего порядка 10 секунд, но на пике превосходит по яркости всю Вселенную. Их излучение бывает настолько мощным, что они влияют даже на радиосвязь на Земле. Хотя они происходят от нас на расстоянии, которое примерно равно половине размера Вселенной.

Некоторые всплески связаны со слиянием двойных нейтронных звёзд – было зафиксировано гравитационное излучение, которое совпало с гамма-всплеском.

Разобраться в в физике гамма-всплесков очень тяжело, потому что их источники во многих отношениях уникальны. Во-первых, гамма-всплески наблюдаются только в далёких галактиках. Во-вторых, взрывная волна от гамма-всплеска движется со скоростью, почти равной скорости света. Из-за этого начинают работать необычные физические процессы. В-третьих, это одни из немногих источники гравитационных волн.

- Почему вы выбрали эту тему?
- Это была тема моей самой первой статьи, которую я писал еще аспирантом. Но потом я от от нее отошел, поскольку данных на тот момент было немного и приходилось строить теории, которые невозможно было проверить. А сейчас я опять к этому возвращаюсь, поскольку качество наблюдений значительно выросло и тема снова стала очень актуальной. Из-за того, что гамма-всплески такие яркие и далекие, появляется возможность исследовать всю Вселенную. Например, мощные всплески подсвечивают и делают видимыми пылевые облака в нашей Галактике. Гамма-всплески рождают ТэВ-ные фотоны, которые взаимодействуют с фотонами звёздного света. Благодаря этому мы можем судить о том, сколько звёздного света во Вселенной – это важно для понимания истории образования звёзд.

- Как вы изучаете тему?
- ТэВ-ное излучение не так просто регистрировать. Для этого требуются специфические телескопы, которые видят излучение опосредованно. ТэВ-ные фотоны рождают в атмосфере быстрые электроны, которые летят быстрее скорости света в воздухе и создают черенковское излучение (для глаза это голубой свет). Его телескопы и видят, но только под небольшим углом к направлению, с которого прилетают эти фотоны. В воде, поскольку скорость света заметно меньше, чем в вакууме, это направление становится более широким и можно осмотреть больший угол. Гамма-всплески происходят примерно раз в день. Если телескоп атмосферный, а не водный, то для наблюдений нужны определенные условия. Это должна быть безлунная ночь, желательно безоблачная. А водный телескоп представляет собой закрытый бак с водой. Туда не попадает солнечный свет, а высокоэнергичные фотоны туда попадать могут.

Мы, учёные-теоретики, берём обработанные данные с телескопов по всему миру из открытых источников и анализируем их. Не все группы исследователей, работающих на телескопах, готовы делиться данными сразу, но рано или поздно они выкладывают результаты в общий доступ вместе со своими гипотезами.

Одно из направлений, над которым я сейчас пытаюсь активно работать – сотрудничество с профессионалами, которые непосредственно обрабатывают данные с телескопов. Важно, чтобы при обработке были сделаны правильные предположения, соответствующие современным теоретическим представлениям.

- Есть ли уже какие-то итоги работы?
- В 2016 году опубликовали мою статью, в которой была предложена возможная модель послесвечения гамма-всплесков как источников синхротронного излучения с самокомптонизацией. На тот момент она казалась лишь одной из нескольких возможных, к тому же довольно сильно отличающейся от общепринятых представлений. Но когда появились более полные данные оказалось, что всё примерно ложится на предсказания этой модели. Скорее всего, она и является правильной. Но, конечно, теория не бывает идеальна, и в действительности есть много деталей, которые требуют своего объяснения.

Одна из последних тем, которые я исследовал, – это кривые блеска послесвечения гамма-всплесков. Кривая блеска – это зависимость изменения яркости ионного излучения астрономического объекта от времени. Никто не ожидал, что когда-нибудь удастся наблюдать самое начало этого явления, но это произошло в 2022 году. Тогда водный черенковский телескоп LHAASO зафиксировал рекордно яркий гамма-всплеск GRB 221009A .

В прошлом году вышла моя статья по исследованию этого гамма-всплеска. В ней мы предложили относительно простую гидродинамическую модель релятивистской взрывной волны с непрерывным подводом энергии с произвольно меняющимся темпом. С помощью уникальных наблюдений ТэВ-ной кривой блеска гамма-всплеска GRB 221009A нам удалось протестировать эту модель.