Радиоастрономия: как услышать, что «говорит» Вселенная
Ночное небо всегда вдохновляло и притягивало человека. Множество произведений искусства воспевает красоту созвездий и лунного света. Однако жители больших городов, вглядываясь в небесный купол после заката, могут с трудом рассмотреть даже самые яркие, самые близкие к Земле звезды. Потому и кажется чуть ли не фантастикой, когда в СМИ появляются сообщения об открытии новых космических объектов, находящихся в миллионах и миллиардах световых лет от нас. Наблюдать далекие галактики стало возможным в том числе благодаря развитию такой науки, как радиоастрономия. Она изучает космические объекты с помощью их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн, длина которых может изменяться от километров до десятых долей миллиметра. В Институте прикладной физики РАН исследованиями в этой сфере занимаются сотрудники отдела радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии.
«Начало расцвета радиоастрономии пришлось на годы после Второй мировой войны, во время которой создавались радиолокаторы», – рассказывает Александр Владимирович Лапинов, заведующий лабораторией миллиметровой радиоастрономии ИПФ РАН. – «Похожие тарелки стали использоваться и в радиоастрономии. А миллиметровый диапазон был выбран потому, что он позволяет наблюдать газ в холодных молекулярных облаках, в местах, где рождаются звезды». Основные инструменты, с помощью которых проводятся наблюдения космических объектов, – это радиотелескопы. В России первые большие установки появились в конце 50-х – начале 60-х годов. Одна из них – РТ-22 – была построена в Пущино на поворотном устройстве корабельной пушки. Чуть позже в Крыму появился второй телескоп, с тарелкой аналогичного диаметра – 22 метра. Несмотря на то, что страна понесла огромные потери в Великой Отечественной войне, именно СССР в то время занимал лидирующие позиции в радиоастрономии. На установки мирового уровня приезжали посмотреть зарубежные ученые, в том числе и нобелевские лауреаты из США.
Особенность радиотелескопов в том, что они фокусируют излучение в одной точке, как и оптические телескопы, собирая электромагнитные волны в одинаковой фазе, за счет чего многократно усиливается их интенсивность. Излучение в фокусе становится более ярким, как лучи Солнца, собранные оптической линзой. Дальше с помощью оборудования ученые анализируют спектральные составляющие, извлекают данные в линиях разных молекул. «На самом деле, Вселенная непрерывно присылает нам информацию, надо только научиться слушать и понимать, что она нам говорит», – поясняет Александр Владимирович. Один из способов расшифровать «сообщения» из космоса – делать это при помощи спектральных приемников. Молекулы, будучи квантовыми объектами, постоянно совершают переходы с одного уровня энергии на другой, в процессе излучая фотоны, которые и улавливаются приемниками. Поскольку у разных молекул расстояния между уровнями различны, ученые могут их отличить друг от друга. По полученному излучению определяется не только вид молекул, но их количество, температура, плотность газа, то как двигаются облака, есть ли в них сжатие и выбросы струй, происходит ли образование новых звезд или же процесс уже завершился.
Еще один радиоастрономический инструмент – интерферометр. Он представляет собой антенную решетку из множества телескопов, которая может достигать протяженности от несколько километров вплоть до Луны. Такие установки необходимы для изучения массивных объектов, например, протозвезд, чтобы обеспечить хорошее угловое разрешение. «Эти объекты очень редки и довольно удалены от нас», – объясняет Петр Землянуха, младший научный сотрудник лаборатории высокочувствительных приемников миллиметрового диапазона. – «Поэтому, чтобы поймать их излучение, требуется большое количество телескопов. С каждой из антенн мы получаем огромное количество информации. Ее еще необходимо обработать и вычленить данные только того источника, который мы изучаем».
С помощью телескопов и спектральных приемников наблюдается огромное количество космических объектов, поэтому каждый научный институт, каждый коллектив специализируется на изучении определенного класса. «Наш конек – исследование областей звездообразования», – делится Александр Лапинов. – «Это традиционная тематика для Института прикладной физики, которую заложили Альберт Григорьевич Кисляков, бывший заведующий отделом, Игорь Иванович Зинченко, заведующий нашим отделом сегодня, и Александр Борисович Буров, один из создателей спектральных приемников. Но, поскольку наша наука достаточно широкая, у каждого из ученых есть «любимые» объекты. Например, я занимаюсь исследованием темных облаков, в которых рождаются звезды малой массы, наподобие нашего Солнца, а Игорь Иванович любит объекты, где происходит рождение звезд большой массы, так называемое «горячее звездообразование». «Одна из задач, которой я сейчас занимаюсь, – это взаимодействие нейтрального атомарного водорода с молекулярным газом, – рассказывает Петр Землянуха. – «Водород под воздействием гравитации сжимается и переходит в молекулярную фазу, образуются молекулярные облака, в которых происходит рождение звезд. Очень интересно в деталях изучить, как эти фазы проходят».
Также в радиоастрономии широко применяются и современные компьютерные технологии. Например, с помощью моделирования, ученые могут предсказать эволюцию процессов, которые происходят с космическими объектами, или построить траектории движения астероидов. «Сложность в том, что, как правило, модель включает много параметров, и их трудно измерить», – объясняет Петр. – «Когда мы направляем телескоп на какой-то участок неба, он собирает информацию по всему лучу зрения, при этом данные могут складываться друг с другом. В ряде случаев не получается однозначно интерпретировать полученный результат. И здесь на помощь приходит моделирование. А чтобы создать множество разных моделей с огромным количеством параметров и обработать их, а затем расшифровать данные, мы применяем машинное обучение. Поэтому, в радиоастрономии полезно уметь программировать».
Радиоастрономия – очень вдохновляющая наука. Причем, ученых ИПФ РАН она вдохновляет не только организовывать новые проекты, но и делиться знаниями. Прошлой осенью Петр организовал школу по радиоастрономии для молодых ученых, участниками которой стали более 40 студентов, аспирантов и научных сотрудников из разных городов России. Они прослушали несколько курсов лекций про задачи радиоастрономии, основные инструменты, объекты исследования, а также научились обрабатывать данные, полученные с помощью телескопа.