Цель есть, нет инструмента
Два века назад, бодрствуя долгими ночами, астрономы пытались заметить в телескоп малейшие изменения в хорошо им знакомом узоре созвездий. Именно так французский астроном XVIII века Шарль Мессье искал новые кометы — слабые туманные пятнышки, движущиеся по небу. В 1774 году он опубликовал каталог, включавший 110 туманных образований. Как выяснилось значительно позже, в знаменитом каталоге Мессье оказались и кометы, и газопылевые туманности (например, М8, Лагуна), и туманности планетарные (например, М27), и даже иные галактики, в том числе ближайшая соседка Млечного Пути — галактика М31, знаменитая туманность Андромеды.
Век спустя в астрономию пришла фотография. Светочувствительность фотопластинок была небольшой, и потому экспозиции сначала были огромными — одну фотографию снимали несколько часов. Случалось, закончить съёмку за ночь не успевали и приходилось продолжать начатое следующей ночью. Первую фотографию туманности из каталога Мессье (М42, туманность Ориона) опубликовал Генри Дрейпер в 1880 году.
А для обнаружения новых звёзд, неожиданно появлявшихся на небе, придумали стробоскопический метод. Дважды фотографировали одну и ту же область неба, а потом вставляли оба негатива в специальный аппарат, похожий на современный аппарат для просмотра слайдов. Несколько раз быстро меняли негативы местами. Если на втором негативе имелась звёздочка, которой не было на первом, то казалось, что она «мигает». Увидев мигающую звёздочку, астроном понимал: вспыхнула новая.
Чтобы изучать всё более слабые звёзды, требовалось собирать больше света, и потому размеры зеркал телескопов увеличивались. Самым большим телескопом первой половины ХХ века был Паломарский с диаметром зеркала 5 метров, а во второй половине самым большим стал телескоп на Северном Кавказе с шестиметровым зеркалом. Сейчас самый большой телескоп расположен на Канарских островах (Gran Telescopio Canarias), диаметр его зеркала 10,4 метра. Но через несколько лет в строй войдёт Европейский чрезвычайно большой телескоп (European Extremely Large Telescope), главное зеркало которого будет иметь диаметр 39,3 метра. Телескоп поставят в Чили, на вершине горы Серро Армасонес, на высоте 3060 метров (см. «Наука и жизнь» № 1, 2019 г., статья «В астрономическом раю. Заметки пулковского астронома о путешествии в Чили, в обсерватории ESO»).
Гигантские телескопы могут наблюдать очень слабые звёзды и очень далёкие галактики, но они имеют существенный недостаток: чрезвычайно маленькое поле зрения — видимый участок неба. Чем больше зеркало, тем меньше звёзд видно в окуляр и тем меньше их отображается на фотопластинке.
Решить эту проблему удалось в середине ХХ века с изобретением новых средств обработки изображений. Первая революция в астрономии произошла, когда на смену человеческому глазу пришла фотопластинка. Вторая — когда на смену фотопластинкам пришли электронные фотоумножители и лучшее на сегодняшний день средство накопления информации — ПЗС-матрицы (ПЗС — прибор с зарядовой связью, по-английски CCD, charge-coupled device). Изобрели ПЗС-матрицу в 1969 году сотрудники лаборатории «Белл» Уиллард Бойл и Джордж Смит. Через сорок лет они получили за своё изобретение Нобелевскую премию.
ПЗС-матрицы сейчас используют в цифровых фотоаппаратах, а в астрономии с их помощью проводят такие наблюдения, о которых в середине прошлого века и не мечтали. Если «до революции» для наблюдения звезды 19—20-й величины требовался телескоп с пятиметровым зеркалом, то с применением ПЗС-матриц оказалось достаточно очень небольшого по нынешним меркам телескопа с зеркалом всего 40—60 см. Поле зрения такого телескопа охватывает на небе несколько квадратных градусов, то есть можно наблюдать одновременно тысячи звёзд до 20-й величины! Современная компьютерная техника позволяет обрабатывать этот огромный наблюдательный материал в режиме реального времени.
Оказалось, что у небольших телескопов, оснащённых ПЗС-матрицами и компьютерами, огромные возможности. Они могут не только наблюдать значительно более слабые объекты, чем прежде, но и обнаруживать движущиеся и быстро меняющие блеск объекты, например астероиды и короткие оптические вспышки, наблюдения которых очень важны для астрофизики релятивистских объектов: нейтронных звёзд и чёрных дыр.
Нужны телескопы: чем больше, тем лучше
2 июля 1967 года американский спутник «Vela» зафиксировал странный всплеск гамма-излучения из космоса. Шли годы, число вспыхивающих космических гамма-источников исчислялось уже сотнями. Некоторые вспышки продолжались минуты, некоторые угасали за секунды, но физическая их природа оставалась неизвестной.
Теоретики выдвинули две основные гипотезы происхождения вспышек жёсткого излучения. Согласно первой, они происходят в окрестностях чёрной дыры, которая находится в двойной звёздной системе, где вторая звезда — «обычная». Звезда своё вещество теряет, а чёрная дыра его захватывает. Вокруг чёрной дыры образуется вращающийся диск из горячей плазмы, где время от времени и возникают короткие вспышки излучения. В этом случае источник излучения находится в нашей Галактике, на расстоянии нескольких тысяч световых лет. Согласно второй гипотезе, источник вспышки — сверхмассивная чёрная дыра, расположенная в центре другой галактики на расстоянии в миллионы, а то и в миллиарды световых лет, и энерговыделение при вспышке должно быть поистине огромным.
Чтобы сделать выбор между гипотезами, нужно отождествить гамма-всплеск с объектом, видимым в другом диапазоне: с квазаром (активным ядром галактики) или тесной двойной системой. Тогда станет понятно, какой из двух гипотез отдать предпочтение. Но как это сделать, если рентгеновские и гамма-детекторы пока обладают низкой разрешающей способностью? Неточность в определении координат вспышки так велика, что в «области ошибок» умещаются тысячи галактик, звёзд и звёздных систем.
В идеальном случае желательно одновременно с гамма-всплеском наблюдать и оптическую вспышку от того же источника, поскольку координаты объектов в оптическом диапазоне определяются с очень высокой точностью. Однако впервые одновременно наблюдать оптическую и рентгеновскую вспышку удалось лишь в 1997 году — тридцать лет спустя после открытия первого гамма-всплеска!
Почему пришлось ждать так долго? Причин много. Например, спутник фиксировал гамма-всплеск в такой области неба, которую в данный момент оптический телескоп наблюдать не мог, потому что в месте наблюдения не ночь, а день или плохая погода. Поэтому хорошо бы иметь не один телескоп, а несколько — чем больше, тем лучше, — расположенных в разных точках планеты в обоих полушариях.
Такая система телескопов могла бы непрерывно патрулировать небесную сферу в поисках «опасных астероидов» и оптических вспышек — новых звёзд и сверхновых. И хорошо бы соединить все телескопы общей системой управления и информационного обмена.
«Машина сценариев» создана. Что дальше?
Чтобы правильно проводить наблюдения, надо поставить правильную задачу. Когда появилась возможность построить систему небольших широкоугольных телескопов, правильная задача была уже поставлена. В восьмидесятых годах прошлого века двое молодых учёных из Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ МГУ) Виктор Корнилов и Владимир Липунов работали над созданием компьютерной программы, с помощью которой можно моделировать множество вариантов эволюции тесных двойных звёздных систем.
Для расчёта подбирали не только «обычные» начальные параметры, каких большинство, но и самые экзотические. В том числе посчитали, сколько каждый год в Галактике может происходить столкновений двух нейтронных звёзд, образовавшихся в ходе эволюции тесных двойных систем. Получив оценку частоты таких событий, вышли на ещё более интересную задачу: что произойдёт, если две нейтронные звезды действительно столкнутся? Один из выводов очевиден: должна, скорее всего, образоваться чёрная дыра.
Да, но какие физические эффекты возникнут при столкновении нейтронных звёзд? Можно ли этот процесс наблюдать? Ведь, по идее, при слиянии нейтронных звёзд выделится огромная энергия, а сам процесс должен продолжаться очень недолго. Значит, будет яркая вспышка! Секунды, возможно минуты. А потом можно наблюдать быстрое разлетание выброшенного вещества, нагретого до огромных температур. Вещество это будет излучать — во всяком случае, в первые дни или недели. Сценарий столкновения двух нейтронных звёзд оказался очень похож на уже известные гамма-всплески, которые так трудно было отождествить с оптическими объектами.
«Машина сценариев» — так Виктор Корнилов и Владимир Липунов назвали созданную ими программу — предсказывала, что в Галактике нейтронные звёзды сталкиваются, скорее всего, один раз в десять тысяч лет. Нечасто, мягко говоря. Но ведь вспышка получается очень яркая, и, по расчётам, наблюдать её можно, если слияние нейтронных звёзд происходит на расстоянии в миллионы световых лет, далеко за пределами Галактики. Тогда, если исследовать объём пространства, в котором находятся десять тысяч подобных галактик, получится, что раз в год хоть где-нибудь столкновение произойдёт! Но, чтобы такую вспышку наверняка зафиксировать, нужно непрерывно наблюдать за всем небом, вплоть до расстояния 60 миллионов световых лет. Внутри сферы такого радиуса, по расчётам, и находится 10 тысяч галактик.
Так сошлись интересы астрофизиков-теоретиков и новейшие практические достижения наблюдательной астрономии. Представьте систему из небольших широкоугольных телескопов с ПЗС-матрицами, расположенных в разных концах планеты и имеющих общее управление (современная компьютерная связь это позволяет). Они по команде могут начать совместное наблюдение нужной области неба. Более того, всю систему можно сделать автоматизированной. Оператору, находящемуся, например, в Москве, достаточно задать небесные координаты, и телескоп, расположенный в нужной части Земли, там, где в текущий момент видна данная область неба, «сам» наведётся на цель, проведёт серию наблюдений, получит снимки и спектры. Компьютер эти данные обработает, и на пульт управления поступят результаты, которые астрофизик сумеет понять и интерпретировать. Возможно, совершит открытие.
Именно такую систему телескопов и предложил установить российский астрофизик, профессор МГУ, доктор физико-математических наук Владимир Михайлович Липунов. Тот самый Липунов, который в 1980-х годах создал с Корниловым «Машину сценариев» и рассчитал частоту столкновений нейтронных звёзд в Галактике. Теоретик стал практиком.
Итак, система телескопов...
Однако задуманная система требовала немалого финансирования, которого на первых порах не было. Энтузиастам пришлось искать частного спонсора, которым стал В. А. Крылов, построивший под Москвой частную обсерваторию. Там в 2002 году и установили первый телескоп будущей системы, получившей название МАСТЕР (Мобильная Автоматическая Система ТЕлескопов-Роботов). Уже в первых обзорах неба астрофизики зафиксировали оптическое излучение от мощного гамма-всплеска GRB 021219, а также открыли активную сверхновую SN2005bv.
Телескоп справлялся с поставленными задачами, но он был один, и потому возможности наблюдений оставались ограниченными. Для строительства новых телескопов нужно было дополнительное финансирование. До 2008 года спонсором проекта был генеральный директор ОАО Московское объединение ”Оптика”» С. М. Бодров, а затем подключилось и государство. Разработанные командой МАСТЕРа телескопы стали изготовлять в ОАО МО ”Оптика”», и роботизированная система пополнилась пятью новыми инструментами. Кроме Подмосковья телескопы установили под Благовещенском, Иркутском, Кисловодском, в Крыму и в Коу-ровской обсерватории Уральского государственного университета.
Система вышла на качественно новый уровень: шесть полностью автоматизированных телескопов-роботов, способных очень быстро (всего за 50 секунд) навестись на заданную область неба и начать синхронную съёмку с разными светофильтрами и различными углами поляризации. Система могла работать полностью автоматически, но человек-наблюдатель в любой момент имел возможность взять управление на себя и через интернет изменить параметры наблюдения.
Однако В. М. Липунов справедливо полагал, что телескопов, расположенных пусть и далеко друг от друга, но всё же только в Северном полушарии, недостаточно для выполнения задуманных исследований. Нужны были телескопы в Южном полушарии. И такие телескопы были построены. К 2015 году роботизированная система пополнилась ещё тремя телескопами: в 2012 году в Аргентине установили сверхширокоугольную камеру, в 2014 году начал работать телескоп в ЮАР, а год спустя — на Канарских островах. Сегодня МАСТЕР — это сложнейшая автоматическая система широкоугольных и сверхширокопольных телескопов, оснащённых самой современной аппаратурой, способная ежедневно обрабатывать до нескольких терабайт информации.
МАСТЕР: заглянем внутрь
Телескопы системы МАСТЕР — зеркально-линзовые, с диаметром зеркала 40 см и фокусным расстоянием 1 метр. Каждый телескоп на самом деле двойной. Две одинаковые трубы расположены на установке параллельно друг другу, но могут по команде и «расходиться» на несколько градусов. Поле зрения каждой трубы составляет 4 кв. градуса, но если направление труб чуть изменить, чтобы они охватывали разные области неба, то общее поле зрения возрастает вдвое и достигает 8 кв. градусов.
Телескопы оснащены не только обычными широкоугольными камерами с обзором 4 кв. градуса, но ещё и сверхширокоугольными камерами MASTER VWF (Very Wide Field). С помощью таких камер слабые звёзды не увидишь, но зато поле зрения настолько велико (400 кв. градусов!), что можно заметить много ярких вспышек, а потом уж навести на нужную область неба камеру с более узким полем зрения и провести надёжное наблюдение объекта, измеряя его яркость вплоть до 20-й величины.
Телескопы автоматически следят за всем, что происходит в космосе, — за всем, что движется, вспыхивает, гаснет, меняет яркость. Всего через одну-две минуты после того, как луч света попадает на ПЗС-матрицу, оператор получает полную информацию о каждом из тысяч наблюдаемых объектов, в том числе данные о прежних наблюдениях этих объектов на всех телескопах, входящих в систему. Более того, оператор получает ссылки на все научные работы о каждом из наблюдаемых объектов, когда бы то ни было опубликованные в каталогах и обзорах международных центров данных!
После этого наступает время для объяснений и обсуждений, гипотез и теорий. Эстафета переходит от наблюдателей к теоретикам, которые создают физически обоснованные модели явлений, и в картину мироздания аккуратно укладывается ещё один камешек знания.
Сейчас роботизированная система МАСТЕР насчитывает девять телескопов (на самом деле вдвое больше, поскольку телескопы спаренные), и строительство продолжается. Система подключена к интернету, и потому, как только где-то на других обсерваториях или космических аппаратах обнаруживают яркую вспышку в любом наблюдаемом диапазоне от радио до гамма, сведения о ней немедленно поступают в её банк данных. Главное — координаты места вспышки, измеренные с максимально возможной точностью. Тот телескоп, который может сразу начать наблюдения, приступает к работе и получает максимум информации о яркости, распределении энергии в разных областях спектра и других характеристиках. Эти данные через интернет немедленно поступают во все обсерватории мира, и телескопы, в том числе самые большие, направляют объективы в нужную область неба.
Конечно, МАСТЕР не единственная в мире система телескопов-роботов. Подобные роботизированные системы небольших телескопов построены в США, Турции, Австралии, ЮАР. Между ними существует международная кооперация. В результате возможности каждой системы возрастают.
Что увидел МАСТЕР?
С самого начала главной задачей роботизированной системы телескопов было обнаружение любых оптических вспышек. Вспыхивать могут и обычные звёзды — например, нестабильные красные карлики, их называют катаклизмическими переменными. Перенос вещества в двойной системе с обычной звезды на белый карлик приводит к очень яркой вспышке, которая длится недели и даже месяцы. Тогда на небе появляется новая звезда, постепенно угасающая до прежнего блеска. Наблюдал МАСТЕР и вспышки сверхновых в других галактиках, и изменения яркости затменно-переменных звёзд, и перемещавшиеся по небу кометы, и не занесённые ещё в каталоги астероиды, в том числе пролетавшие на относительно небольшом расстоянии от Земли.
Такие астероиды считаются опасными, их орбиты нужно вычислять быстро и точно — ведь не исключено, что какой-то из астероидов врежется в Землю и вызовет неисчислимые бедствия. Хорошо, если опасный астероид обнаруживают на далёком расстоянии — есть время на расчёт орбиты. Но случается, что астероид небольшой массы становится виден, когда до его пролёта около Земли (к счастью, пока мимо!) остаётся всего несколько часов. До сих пор потенциально опасные астероиды приближались к нашей планете на расстояние десятков тысяч километров. Но опасность падения существует, и потому все широкоугольные астрономические камеры внимательно отслеживают пространство в поисках небесных камней, способных уничтожить жизнь на планете…
За прошедшие годы МАСТЕР обнаружил множество оптических вспышек, связанных с гамма-всплесками, число их перевалило за тысячу. Алгоритм работы проследим на примере мощного гамма-всплеска, произошедшего 25 июня 2016 года в 22 часа 40 минут 16 секунд всемирного времени.
Вспышку зафиксировала американская космическая обсерватория «Fermi». Через 31 секунду информацию о вспышке принял телескоп системы МАСТЕР в Тенерифе, на Канарских островах. Ещё 26 секунд спустя телескоп навёлся на область неба, где наблюдалась гамма-вспышка. Эта область — большая, ведь гамма-обсерватории не могут с высокой точностью определять координаты объектов. И потому на телескопе использовали камеру сверхширокого поля.
Прошло ещё 105 секунд, и «Fermi» зарегистрировал ещё одну, гораздо более мощную гамма-вспышку в той же области неба. Оказалось, что предыдущая была лишь предвестницей главного гамма-всплеска, и на этот раз «Fermi» определил координаты гораздо точнее. К тому времени (обратите внимание — счёт шёл на секунды!) к наблюдениям подсоединился и телескоп МАСТЕР-Таврида в Крыму. Именно этот телескоп в 22 часа 44 минуты 30 секунд мирового времени получил первые изображения оптической вспышки.
После первой вспышки (предвестницы) прошло всего 4 минуты и 16 секунд! Никогда ещё в истории астрономии не удавалось так быстро и надёжно отождествить гамма-всплеск с оптическим объектом.
Но это стало, конечно, только началом настоящих исследований. Да, объект отождествлён. Теперь нужно проследить, как будет со временем меняться оптический блеск. Ещё более сложная задача: измерить поляризацию оптического излучения. Именно по степени поляризации можно делать выводы о физической природе объекта. Телескоп в Крыму впервые в истории определил и эту величину.
Впоследствии, когда вспышка угасла и данные о ней были полностью обработаны, оказалось, что гамма-всплеск, получивший название GRB160625B, произошёл во время мощнейшего взрыва в районе чёрной дыры на расстоянии миллиардов световых лет от Земли. Взрыв произошёл, когда чёрная дыра только-только образовалась. Она очень быстро вращалась, энергия вращения переходила в энергию электромагнитного поля, которое, в свою очередь, ускоряло элементарные частицы до скоростей, очень близких к скорости света. Такие частицы называют ультрарелятивистскими. Они образуют две узко направленные струи (джеты) в двух противоположных направлениях. В джетах и происходят всплески гамма-излучения. О том, насколько эти взрывы мощны, можно судить по тому, что наблюдаются они с расстояний в миллиарды световых лет!
Есть столкновение!
Летом 2017 года МАСТЕР сделал открытие, которое почти тридцать лет назад предсказали молодые московские астрофизики, разрабатывая «Машину сценариев». Речь идёт о столкновении двух нейтронных звёзд.
В 1987 году в Москву приезжал Кип Торн — один из самых известных специалистов по чёрным дырам. Он присутствовал на семинаре в ГАИШ, где узнал о расчёте частоты слияний нейтронных звёзд. «Но ведь это частота всплесков гравитационного излучения!» — воскликнул Торн — и был прав.
Дело вот в чём. Когда сталкиваются нейтронные звёзды, не только происходит вспышка гамма-излучения, но и возникает гравитационная волна — сильное искажение пространственной структуры, распространяющееся со скоростью света. Связано это с огромным гравитационным полем нейтронных звёзд. При столкновении оно меняется очень быстро и очень сильно. Согласно общей теории относительности, именно в таких процессах должны образовываться гравитационные волны, которые физики безуспешно пытались зафиксировать ещё с шестидесятых годов прошлого века (Владимир Борисович Брагинский в МГУ и Джозеф Вебер в Мерилендском университете в США). Установки, способной обнаружить гравитационные волны, не существовало и в конце восьмидесятых, но идея показалась Торну настолько перспективной, что он «загорелся» и приложил все силы, чтобы такую установку сконструировали и построили. В 2002 году в США вступила в строй гравитационно-волновая установка LIGO. Вскоре аналогичную обсерваторию VIRGO построили и в Италии. Однако лишь в 2015 году предсказанные сто лет назад в общей теории относительности гравитационные волны наконец обнаружили.
В 9 часов 51 минуту мирового времени 14 сентября 2015 года две установки LIGO — в Ливингстоне и Хэнфорде — зарегистрировали всплеск гравитационного излучения (см. «Наука и жизнь» № 3, 2016 г., статья «Они существуют! Гравитационные волны зарегистрированы»). Измерив его параметры, физики пришли к выводу, что гравитационная волна возникла при столкновении чёрных дыр с массами 29 и 36 солнечных. За это открытие Кип Торн получил в 2017 году Нобелевскую премию по физике. Теория позволяет оценить, сколько примерно энергии при таком событии выделится в форме гравитационного излучения, сколько унесут нейтрино и сколько — электромагнитное излучение во всех диапазонах: от гамма до оптики и далее.
При слиянии нейтронных звёзд в оптическом диапазоне должно выделяться в тысячи раз больше энергии, чем при вспышке обычной новой звезды, но значительно меньше, чем при взрыве сверхновой. Это промежуточное, гипотетическое, пока не обнаруженное явление назвали «килоновой» (кило — тысяча).
В. М. Липунов и его сотрудники были уверены, что недалёк день, когда установки LIGO и VIRGO обнаружат гравитационную волну от столкновения нейтронных звёзд. И тогда не обойтись без широкоугольных телескопов-роботов, способных зафиксировать оптическую вспышку.
Звёздный час российских телескопов-роботов настал 17 августа 2017 года. В 12 часов 41 минуту 4 секунды мирового времени обе гравитационно-волновые установки зарегистрировали всплеск гравитационного излучения. По характеристикам гравитационная волна соответствовала столкновению двух нейтронных звёзд. Прошло всего две секунды после всплеска гравитационных волн, когда космические обсерватории — американская «Fermi» и европейская «Integral» — «увидели» вспышку гамма-излучения из той же области неба, откуда пришла гравитационная волна. Телескопы-роботы немедленно начали поиск оптического объекта, и десять часов спустя удалось сначала отождествить гамма-всплеск с галактикой NGC 4993, а чуть позже обнаружить в этой галактике оптический объект 17,5 звёздной величины, которого прежде не было на звёздных картах. «Увидел» эту звёздочку телескоп МАСТЕР в Аргентине. Вскоре другие телескопы этой системы, а также несколько американских телескопов подтвердили открытие.
Впервые в истории астрономии учёные наблюдали столкновение нейтронных звёзд, причём фиксировали не только гравитационное излучение, предсказанное общей теорией относительности, но и вспышку сразу в нескольких диапазонах электромагнитного спектра: гамма, рентгеновском, ультрафиолетовом, оптическом и инфракрасном.
Прошли всего сутки, и днём 18 августа астрофизикам (к тому времени уже много телескопов по всему земному шару подключилось к наблюдениям вспыхнувшей звезды) удалось измерить скорость расширения оболочки — примерно сто тысяч километров в секунду! Отпали последние сомнения в том, что наблюдалась именно килоновая. Дело в том, что оболочки обычных сверхновых расширяются со скоростями «всего» около тысячи километров в секунду. Со скоростью, втрое меньшей скорости света, может расширяться только оболочка, сброшенная нейтронной звездой во время столкновения. Более того, когда получили первые спектры килоновой, в них оказалось огромное число линий излучения самых разных, в том числе сверхтяжёлых, химических элементов. Такие элементы образуются именно при столкновениях нейтронных звёзд и нигде больше. Ни в оболочках новых, ни в оболочках сверхновых такого разнообразия сверхтяжёлых элементов никто никогда не наблюдал. Яркость килоновой уменьшалась по мере расширения оболочки, и через трое суток звёздочка исчезла, став слабее 19-й величины.
Но открытие свершилось. Система телескопов-роботов МАСТЕР доказала своё мастерство.
Автор и редакция благодарят Владимира Михайловича Липунова за любезное разрешение использовать иллюстрации интернет-журнала «Русский переплёт» (observ.pereplet.ru)
