Лабораторія розміром з Всесвіт: які експерименти спостерігають астрономи.

Сучасна картина світу, можливо, здалася б ученим, які працювали лише століття тому, безумною: у Всесвіту з'явився вік, ми знаємо, що деякий час тому він виник і з того часу постійно розширюється (та ще й з прискоренням). Сама природа часу і простору виявилася іншою, не кажучи вже про те, що на місці єдиного «зоряного острова» з'явилися мільярди і мільярди галактик, які об'єднуються в скупчення, а ті — в надскупчення, утворюючи величезну тривимірну павутину з порожнечами-воїдами.

Виявилося, що «звичайна» речовина, що складається з протонів, нейтронів і електронів — лише невелика частина маси Всесвіту, і значно більша її частка припадає на темну матерію, природа якої нам абсолютно неясна, але яка при цьому зробила можливим виникнення зірок і галактик. А ще існує загадкова темна енергія, і під її впливом Всесвіт розширюється з прискоренням. І ми не маємо жодного уявлення, що це таке.

Астрономи також навчилися бачити не лише видиме світло, але й рентгенівські, гамма-випромінювання, радіохвилі та гравітаційні хвилі, і виявили безліч нових дивних об'єктів — від чорних дір і нейтронних зірок до квазарів і «гарячих юпітерів».

Тому астрономія, яка багато століть була переважно математичною наукою — дисципліною, необхідною для точного опису руху небесних тіл в основному з метою навігації, змінилася до невпізнаваності. Сьогодні це в більшій мірі астрофізика, а астрономи тепер — це люди, які ретельно спостерігають за екстремальними експериментами з матерії, які ставить природа.

Всесвіт не лише фантастично розширився і заповнився дивними об'єктами та процесами, він перетворився на величезну лабораторію, і потрібно лише знайти способи побачити, які саме експерименти там проводяться, і які знання про природу матерії, простору і часу вони дають. І в останні десятиліття кількість і якість «очей», які дивляться у Всесвіт, змінилося найрадикальнішим чином.

Як ми дивимося?

Всі попередні століття ми дивилися на Всесвіт через «замкову щілину» — вузький фрагмент електромагнітного спектра від 380 до 780 нанометрів, тобто діапазон видимого світла. Але в XX столітті ми закрили цей спектр практично від початку до кінця — від гамма-випромінювання до радіохвиль. У багатьох випадках нам доводилося виводити спостережні пристрої в космос, оскільки атмосфера непрозора для значної частини електромагнітного спектра, і в околицях Землі працювали і працюють космічні телескопи, один перелік назв яких зайняв би кілька десятків рядків. Розповімо про деякі з останніх поповнень.

Досліджуємо центральну машину

В кінці 1950-х років вчені за допомогою радіотелескопів почали виявляти дивні об'єкти: вони були дуже яскравими в радіодіапазоні, але в оптиці були або зовсім не видимі, або на їхньому місці були дуже слабкі зірки, спектр яких був вкрай незвичайним. Природа цих квазізоряних радіоджерел або квазарів стала зрозуміла вже в 1970-ті роки, коли вдалося встановити, що ці об'єкти знаходяться на відстані в мільярди світлових років від нас і представляють собою активні ядра галактик.

Згідно з сучасними уявленнями, в центрі більшості галактик знаходяться надмасивні чорні діри. Речовина, яку така чорна діра притягує, утворює акреційні диски і джети — розігріті до температур у мільйони градусів, вони світять у всіх діапазонах, з яскравістю мільйонів зірок.

Характеристики цих дисків і джетів, окрім того, що вони дозволяли досліджувати властивості матерії в екстремальних умовах, могли дати відомості про чорну діру — «центральну машину», чий тяжіння створювало це освітлення. А крім того, поведінка речовини на межі горизонту подій чорної діри може в перспективі вказати шлях до вирішення головної проблеми фізики — пошуку «містка» між квантовою механікою і теорією відносності.

Дослідження активних ядер галактик було однією з головних задач найбільшого в історії космічного радіотелескопа — «Радіоастрон», ідея якого була сформульована ще в 1965 році астрофізиком Миколою Кардашевим.

Космічний апарат «Спектр-Р» з десятиметровою антеною цього радіотелескопа був виведений на орбіту в 2011 році. Хоча він і був включений до Книги рекордів Гіннеса як найбільший в історії космічний радіотелескоп, головна його перевага полягала не в розмірі власне космічної антени, а в можливості створити наземно-космічний інтерферометр — тобто проводити одночасні спостереження з орбіти і з наземних радіотелескопів. Такі спостереження з двох рознесених у просторі точок дають значно більше просторове розділення.

«Радіоастрон», рухаючись по орбіті, віддалявся від Землі на дистанцію в 344 тисячі кілометрів, таким чином інтерферометр за його участю не був обмежений розмірами нашої планети і забезпечував рекордне просторове розділення — до 8 мікросекунд дуги. Для порівняння: розділення телескопа «Хаббл» складає 0,05 кутової секунди, тобто інтерферометр за участю «Радіоастрону» зміг би розгледіти на Місяці об'єкт розміром 3 см (якщо б він випромінював у радіодіапазоні).

За сім з половиною років роботи «Радіоастрон» провів більше 4 тисяч сеансів спостережень, в яких взяли участь в цілому 58 наземних радіотелескопів.

Зібрані дані дозволили астрономам побачити тонкі деталі джетів — потоків речовини, що викидаються квазарами, зокрема визначити їх структуру і динаміку, механізми «роботи», отримати рекордно чітке зображення такого джета, побачити, як випромінювання квазарів розсіюється в міжзоряному середовищі.

Однак у деталях розглянути центральну машину «Радіоастрон» не вдалося, наблизитися до неї вд