Астрофизические лаборатории для бедных

«Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему». Всегда мечтал использовать эту фразу в научно-популярном тексте. Оставим несчастные семьи Льву Николаевичу, посмотрим на счастливые. Выглядит фраза как некий закон, имеет ли он действительно такую степень общности? Строго говоря, надо исследовать, проверять, одинаково ли счастливы счастливые семьи во время войны и во время мира или семьи казаков и семьи филипков, семьи австралийские и семьи шведские. Это надо проверять, если мы хотим от литературы перейти к науке, в данном случае – к социологии.

На самом деле все науки действуют примерно так же. То есть если мы записали какой-нибудь закон – в случае астрофизики это должен быть физический закон, – то дальше нужно его проверять в разных ситуациях. Потому что, хотя есть большой соблазн сказать, что книга природы написана на языке математики, на самом деле, конечно, не все так просто. На самом деле мы ее пишем, а не читаем. Мы смотрим на природу и пишем некую книгу на языке математики. Если мы уже написали какой-то кусочек или какие-нибудь великие физики написали его в XIX веке до нас, то продолжения могут быть альтернативными.

Со мной один раз произошел любопытный казус. Когда выходил последний том Гарри Поттера, мне не хотелось его покупать, потому что потом пришлось бы издалека везти его домой (я тогда был в обсерватории Кальяри на Сардинии), а он был очень тяжелый. И выкинуть жалко. Поэтому я его искал в Интернете. В итоге что-то нашел и нечаянно прочел альтернативное продолжение, приняв его за оригинал. Оно, кстати, понравилось мне больше, чем потом настоящий последний том саги (хотя и он неплох). Это очень здорово, когда есть хорошие альтернативы. Это очень важно, особенно в науке. Наука вообще существует, пока есть возможности писать «альтернативные продолжения» книги природы, о которой говорил Галилей.

В самом деле, пусть есть какой-нибудь физический закон, например, законы электродинамики. Вроде бы здесь все хорошо известно: мы начинали их изучать в школе, заканчивали учить в институте и потом забыли. Но если мы переходим к пределу очень сильных полей, то возникают альтернативные варианты. Мы начинаем от известных законов со стандартными полями, а в область сильных – экстраполируем, и это можно сделать одним способом или другим. И у всех теоретиков, как у разных писателей, есть разные взгляды на жизнь – как она устроена. Поэтому в естественных науках нам нужно проверять, какой из альтернативных вариантов соответствует действительности. То есть если мы хотим изучать счастливые семьи, то нам нужно ездить по всему миру и собирать данные о них и смотреть, одинаково ли они счастливы или эта гипотеза неверна.

Согласно легенде, возникшей на основе работы Винченцо Вивиани, ученика Галилея, великий ученый проводил свои опыты, бросая шары с Пизанской башни. Исторические исследования не подтверждают это. Однако даже если бы это было правдой, увеличение масштабов эксперимента не дало бы Галилею принципиально новых данных. Но уже в Солнечной системе, изучая движение тел под действием гравитации, можно столкнуться с принципиально новыми явлениями.

К несчастью, физический эксперимент всегда ограничен: всегда есть какие-то предельные значения параметров, достижимые в конкретном эксперименте. Начнем с самого банального. Например, если вы изучаете гравитацию, то вы можете изучать силу тяжести в масштабе своей комнаты, далее – в масштабе Земли, запустить спутники на околоземную орбиту, потом – запустить спутники на орбиту в Солнечной системе. Но изучать законы гравитации в больших масштабах вы не можете с помощью лабораторных приборов, вам нужно обращаться к естественным процессам в природе. Это самое банальное – лаборатория просто кончилась. Эксперимент ограничен масштабом установки.

Иногда нам не хватает каких-то мощностей, каких-то возможностей создать экстремальные параметры в лаборатории, и поэтому мы обращаемся к природным процессам. Чаще всего это процессы астрофизические. Академик Зельдович не зря называл Вселенную ускорителем для бедных. К примеру, инженеры и ученые 10–20–30 лет строили-строили и наконец построили какой-нибудь крупный ускоритель, научились ускорять частицы до больших энергий, но из космоса постоянно прилетают частицы с энергией в миллиард раз больше, чем на БАКе. Прилетают каждый день, прилетают совершенно бесплатно, в принципе их тоже можно брать и изучать. И нейтронные звезды – это как раз такие уникальные, естественные лаборатории, где очень многие параметры – самые разные – доведены до предела. Возможно, действительно, до предельных пределов, вообще существующих в природе.

Нейтронные звезды позволяют объяснять новые загадочные явления. Например, несколько лет назад прибор ПАМЕЛА, работавший на российском спутнике Ресурс-Д, предназначенный для изучения космических лучей, обнаружил избыток позитронов. Это вызвало большой ажиотаж, так как сразу же[18] была высказана идея, что лишние позитроны могут рождаться в результате аннигиляции частиц темного вещества. Несколько месяцев появлялось примерно по одной статье в день, посвященной эффекту ПАМЕЛЫ. Однако постепенно стало ясно, что у гипотезы с темным веществом в данном случае есть проблемы. Сейчас считается, что лучшим источником «лишних» позитронов могли бы быть близкие радиопульсары, испускающие ветер, содержащий много электрон-позитронных пар. Избыток электронов заметить трудно, как лишнюю ложку воды в тарелке супа. А лишние позитроны – легко, как лишнюю ложку соли в тарелке супа.

Другая загадка, которую могут помочь решить нейтронные звезды – это так называемые быстрые радиовсплески. Мы уже говорили о вращающихся радиотранзиентах (RRATs). Чтобы их открыть, понадобилось придумать и создать технологию, позволяющую идентифицировать отдельные очень короткие (миллисекундные) радиовсплески. Когда такие события поискали, то обнаружили не только вспыхивающие нейтронные звезды.

В 2007 году Дункан Лоример и его коллеги обнаружили миллисекундный радиовсплеск «из пустого места». Ни до, ни после в этом направлении ничего не удалось увидеть. Саму вспышку видели только в радиодиапазоне. Анализ показал, что, скорее всего, всплеск приходит с межгалактических расстояний, но точно сказать нельзя. Сразу же было высказано много разных гипотез, в том числе и с привлечением нейтронных звезд, например – магнитаров. Второй аналогичный всплеск обнаружили спустя несколько лет. Здесь авторы открытия высказали гипотезу, что это испарение черной дыры (именно такие события хотел найти Джон О’Салливан, инженер-радиоастроном, фактически придумавший Wi-Fi). Но были и сомнения, что это реальные события. Дело в том, что наблюдали очень похожие события, получившие наименование перитоны, которые явно казались имеющими земное, а не астрономическое происхождение.

В 2013 году появилась работа Дэна Торнтона с соавторами, в которой было представлено сразу четыре новых быстрых радиовсплеска. Стало ясно, что все-таки это какой-то астрономический феномен. Ситуация все больше напоминала ту, которая существовала с 1970 по конец 1990-х годов с космическими гамма-всплесками.

Неожиданный поворот приняло дело с перитонами. В 2015 году Эмили Петрофф из Австралии вместе со своими коллегами показала, что перитоны регистрировали, когда на обсерватории… открывали микроволновую печь! То есть это не просто земной феномен, а еще и искусственный. Более того, связанный с недопустимым использованием излучающих приборов на радиоастрономической обсерватории. Для нас же важно, что понимание природы перитонов сделало быстрые радиовсплески более достоверными в качестве астрономического феномена.

Сейчас большинство астрономов согласно, что быстрые радиовсплески – это внегалактические вспыхивающие источники. В 2014 году впервые удалось увидеть такой всплеск в реальном времени, а не в архивных записях. При этом в большинстве перспективных моделей для объяснения явления привлекаются нейтронные звезды. Иногда даже магнитары, как в нашей с Константином Постновым модели, физические детали для которой затем были разработаны в работе Юрия Любарского.

Есть такая забавная псевдотеорема, что нейтронные звезды – это суперобъекты. Доказывается она очень просто: в нейтронных звездах мы имеем сверхсильные гравитационные поля, сверхсильные электромагнитные поля, сверхпроводимость, сверхтекучесть (по-английски все эти термины начинаются с super). Таким образом, теорема доказана: нейтронные звезды действительно – суперобъекты. Потому-то физики их очень любят и делятся с астрономами самым ценным, что у них есть, – Нобелевскими премиями.

В самом деле, физики на астрофизиков иногда смотрят искоса (низко голову наклоня), т. е., иначе говоря, – косо. Почему? Потому что в астрофизике происходящие процесссы нам совсем не подконтрольны. У нас есть только наблюдения, а это сильно отличается от прямого контролируемого эксперимента. Когда мы не можем прямо манипулировать изучаемым объектом, то это, конечно, хуже, чем если бы все происходящие процессы находились в нашей власти, ведь мы получаем менее надежный результат. Но иногда ситуация такова, что деваться больше просто некуда. Здесь нейтронные звезды – как раз идеальный пример естественной лаборатории, где мы можем наблюдать экзотические процессы, не имея возможности вмешиваться в них.

В астрофизике совершается много интересных открытий, но не все из них одинаково интересны для большой физики. Вот, например, за экзопланеты, скорее всего, никогда Нобелевскую премию не дадут. По крайней мере есть общее мнение, что хотя это очень важное открытие, но оно астрофизическое (слишком астрофизическое) и к фундаментальной физике не имеет практически никакого отношения. А открытие нейтронных звезд, как сразу было ясно, представляет большой интерес сразу для нескольких областей физики. Поэтому и за открытие нейтронных звезд (радиопульсаров), и за открытие первых двойных радиопульсаров (первых пар «нейтронная звезда плюс нейтронная звезда») были вручены соответствующие Нобелевские премии. В конце этой главы мы попробуем пофантазировать, какие премии еще могу быть выданы.