Борис Штерн: "Наша наука развивается без денег и держится на героизме"

Борис Евгеньевич, с древних времен люди наблюдают за космосом и пытаются понять, как там всё устроено. Сначала были оптические телескопы, теперь нам стали доступны другие диапазоны для наблюдений (инфракрасный, ультрафиолетовый, радио, рентгеновский). Появились и совершенно фантастические, на мой обывательский взгляд, гравитационные и нейтринные обсерватории, которые фиксируют космическое излучение, ловят фундаментальные частицы. Как же эти новые методы работают и что нового они рассказали нам о Вселенной?

— На самом деле гравитационные детекторы гораздо сложнее, чем нейтринные. Нейтринные работают по принципу «бери больше — кидай дальше». Они, как правило, расположены под поверхностью земли или воды: сейчас есть крупная нейтринная обсерватория Ice Cube в Антарктиде, есть нейтринный телескоп на Байкале (Baikal-GVD), Средиземноморский нейтринный телескоп. Это всё довольно крупные детекторы, особенно антарктический, но они ещё не дошли до того, чтобы исследовать Вселенную. Это так, пока намётки.

Почему не дошли?

— Потому что пока для этого недостаточно денег. Телескоп на Байкале пока работает в таком режиме, когда нужно налаживать аппаратуру и исследовать «простые» вещи. До регистрации конкретных астрофизических объектов он ещё не дотянул, но уже похоже, что видит первые астрофизические частицы нейтрино (фундаментальная частица со сверхмалой массой, распространённая во Вселенной, которая образуется в ходе ядерных реакций, проходящих в звёздах, при взаимодействиях космических лучей высоких энергий, а также при коллапсе звезд. — Прим. «НП»), которые родились не в атмосфере Земли, а где-то далеко в космосе. Он их видит, но видит недостаточно, чтобы фиксировать целые объекты. Так, одиночные нейтрино из разных мест.

Так что нейтринные детекторы — это интересно, но это будущее, надеюсь, близкое. А вот гравитационные детекторы, способные уловить гравитационные волны, — это уже настоящее. И уже много чего с их помощью найдено. Хотя это гораздо сложнее, и я этому поражаюсь до сих пор. Понимаю умом, как это сделано, но душой не понимаю (смеется).

И что же ученым-астрофизикам удалось узнать с помощью гравитационных детекторов?

— Удалось узнать, что общая теория относительности Эйнштейна работает в условиях очень сильной гравитации. Речь идёт о двойных системах, таких как слияние чёрных дыр. Это огромная гравитация, где результаты наблюдения совпадают с расчётами, то есть то, что когда-то предсказывала теория, совпадает с тем, что в итоге увидели. Но это, конечно, не так просто. Задействовано довольно тяжёлое компьютерное моделирование, потому что теория гравитации Эйнштейна простых предсказаний не делает. Данные пропустили через компьютерную «мясорубку», это очень тяжелая задача, которая теперь решена, и мы видим, что всё работает. Ну, а дальше уже началась астрофизика. Уже гравитационные детекторы видят многие десятки слияний чёрных дыр и делают выводы.

Какие выводы делают астрофизики о слиянии чёрных дыр?

— Смотрите, раньше думали, что слияние чёрных дыр идёт по следующему сценарию: допустим, существовала парная система тяжёлых звёзд, которые вращались друг вокруг друга. Потом одна из них взорвалась, и получилась чёрная дыра. Вторая звезда, поскольку у них общая оболочка, из-за трения потеряла угловой момент, сблизилась с первой и тоже взорвалась. И так образовалась тесная пара чёрных дыр, которые постепенно теряют энергию за счёт гравитационного излучения, сближаются и, в конце концов, сливаются. Это основной сценарий, и он работает.

Но работает не только один сценарий. Если есть плотное шаровое звёздное скопление (рой из сотен тысяч, до миллиона звёзд) и там появляется тяжёлый объект (звезда или чёрная дыра), со временем он «садится» в центр этого скопления, грубо говоря, тяжёлое тело «тонет» в центр. И если сначала образовалась одна чёрная дыра, потом вторая, то обе тонут в центр, там соединяются в пару и теряют момент вращения не только за счёт излучения гравитационных волн, но и из-за взаимодействия с другими звёздами. И таких событий довольно много.

Зафиксировано и ещё одно событие, рекордное: слилась чёрная дыра порядка сотни солнечных масс с другой, чуть легче, но тоже тяжёлой. Хотя теоретики говорят, что чёрную дыру в сотню масс солнца очень трудно «сделать» из звезды.

Признаюсь, уму непостижимо! А как давно это выяснили?

— В прошлом году. И началась наука довольно интересная, потому что иными способами засечь эти огромные чёрные дыры, пока они не слились, практически невозможно. Это можно сделать только в ближайших галактиках, но там мы получаем «обычные» чёрные дыры в 10-20 солнечных масс — в двойных системах это видно. А напрямую без слияния увидеть таких монстров пока не удаётся. Но есть ещё сверхмассивные чёрные дыры, они видны, как квазары и активные ядра галактик, но их слияния — очень редкое явление, при этом нужны другие детекторы.

А как вообще гравитационные детекторы получают информацию о таких событиях во Вселенной?

— Гравитационные волны испускаются в последние доли секунды перед слиянием. Понятно, что это происходит в прошлом, очень далеко, но всё-таки в современной Вселенной. Современная Вселенная — это 4-5 млрд лет назад. И сейчас эти слияния тоже происходят. В современной Вселенной рождается мало звёзд, но чёрных дыр там полно.

Почему звёзд рождается меньше? Их скоро не останется?

— Вещество прогорело, газ конденсируется в звёздах, а свободного газа и пыли, из которых можно сделать новые звезды, стало меньше, но пока есть. Поэтому ещё будут рождаться новые звезды.

В 2019 году учёные получили первый снимок черной дыры, который произвел большой фурор не только в среде ученых, но и среди людей, далёких от науки. Как это удалось сделать?

— Это чёрная дыра в галактике М-87 (или источник Дева А). Это огромная галактика в 50 млн световых лет от нас. Это близко. Эту дыру хорошо видит оптика, даже хороший любительский телескоп. И там чёрная дыра в несколько миллиардов масс солнца, то есть она здоровенная. И она видна от нас под таким же углом, как видна толщина человеческого волоса на расстоянии 500 км. То есть, казалось бы, безнадёжно, но не совсем.

Берём очень большой объектив размером с Землю и пытаемся различить объект того же углового размера, что у толщины человеческого волоса на расстоянии 500 км. Как это сделать? Нам не обязательно, чтобы был сплошной объектив, мы можем взять кусочки этого объектива, несколько антенн на длине волны в миллиметр — это граница между инфракрасным излучением и радиоволнами. Мы их все направляем туда, куда нужно, и измеряем шум объекта. Но шум — он не просто шум, он коррелирован, там есть разные всплески. И данные с антенн, разбросанных по земному шару, мы засовываем в компьютер, который ищет корреляции между всплесками: по времени их прихода можно уже знать, из какого точно места пришли коррелированные волны. Таким образом составляется картинка. То есть это не снимок в обычном понимании, а результат обработки гигантского количества данных на суперкомпьютере. И что мы на картинке видим? Внутреннюю часть аккреционного диска и тёмное пятно в середине, которое и есть чёрная дыра.

Счастливое обстоятельство в том, что чёрная дыра сама себя увеличивает, искривляя лучи света (на самом деле она меньше). Видно, как меняется диск, видна переменность. Там много чего видно. Сразу в мусорное ведро летят некоторые модели, другие модели подтверждаются, уточняется масса чёрной дыры. Но в этом снимке скорее большой психологический эффект для публики. «Фотографию» черной дыры напечатали на футболках — это здорово, такой пропагандистский эффект. С точки зрения физики это менее информативно, чем слияние чёрных дыр (как ни странно, оно точнее подтверждает существование чёрных дыр, чем этот снимок), но картинкой всё проще объяснить людям.

Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М 87. Это первое в истории человечества качественное изображение тени чёрной дыры, полученное напрямую в радиодиапазоне. Фото: Event Horizon Telescope

А в нашей галактике есть такая же чёрная дыра? Ее можно «сфотографировать»?

— Да, есть чёрная дыра массой несколько миллионов масс Солнца (размером около световой минуты) в центре нашей галактики. Она в тысячу раз ближе, но она и в тысячу раз меньше, её сложнее исследовать из-за быстрой переменности. Из-за того, что она маленькая, трудно накопить данные и их сопоставить. Но будем надеяться, что когда-нибудь это удастся.

Раз уж мы говорим о новых достижениях, хочется вспомнить Нобелевскую премию по физике, которую присудили за открытие сверхкомпактного объекта в центре нашей галактики. Можете рассказать про него?

— Да. Речь идет о быстро летающих звездах в центре нашей галактики. Их увидели напрямую, померили распределение их скоростей, измерили их орбиты и по ним восстановили, что в центре нашей галактики не может находится ничего иного, кроме чёрной сверхмассивной дыры.

Хочу расспросить о Байкальской нейтринной обсерватории Baikal-GVD, которую официально запустили в марте. Как этот проект появился и как ученые оценивают его перспективы с точки зрения наблюдений?

— Это был замысел академика Алексея Маркова. У него было очень много идей по поводу нейтрино. Например, Баксанская нейтринная обсерватория (находится в Кабардино-Балкарии. — Прим. «НП») — его детище, и байкальский нейтринный телескоп тоже. Я как раз работаю в научном институте, который стоял у истоков этой обсерватории. У нас до сих пор работает основатель и лидер проекта байкальского телескопа — Григорий Домогацкий (российский учёный-физик, специалист в области физики нейтрино и нейтринной астрофизики. — Прим. «НП»). Он всё это начинал.

А почему Байкал?

— Вода — это хороший детектор. В ней частицы высоких энергий излучают черенковский свет, который можно регистрировать фотоумножителями. Нужна именно прозрачная вода, а на Байкале она более-менее прозрачна. На самом деле она хуже, чем в океане, но удобнее, потому что зимой на Байкале лёд, а со льда гораздо удобнее всё это монтировать, чем с судов. Например, на Гавайях, в Тихом океане, пытались сделать нейтринную обсерваторию. Ничего не получилось из-за сложностей монтажа и обслуживания. В Средиземном море это более-менее удалось, а на Байкале уже давно спокойно разместили струны с фотоумножителями (фотоумножители находятся внутри прозрачных сфер диаметром 17 дюймов, смонтированных на так называемых струнах. — Прим. «НП»). Просто раньше байкальский телескоп был маленьким — там было несколько струн с фотоумножителями, тем не менее они «видели» события. Сначала видели мюоны (элементарная частица, аналогичная электрону, но намного тяжелей его), затем и нейтрино, прошедшие с обратной стороны Земли (наша планета для них прозрачна — они очень слабо взаимодействуют с веществом). Однако это были так называемые атмосферные нейтрино — те, что родились от заряженных космических лучей высоких энергий в атмосфере Земли.

Ранее детектор был слишком малым, чтобы видеть астрофизические нейтрино, но сейчас проект стал быстрее развиваться — добавляют новые струны и, похоже, дошли до того, что видят нейтрино не из атмосферы, а прилетевшие из далёкого космоса. Пока одиночные и пока только предположительно, но уже видно такое искажение спектра, которое говорит об астрофизическом нейтрино. Вот на таком уровне на Байкале уже что-то видят. Разовьются — увидят источники нейтрино.

В начале нашей беседы вы упомянули открытый с помощью нейтринных детекторов блазар. Насколько я понимаю, вы как раз блазары изучаете. Это что за объекты такие?

— В 50-х годах астрофизики увидели довольно яркие звёзды удивительно синего цвета и заметили, что у них спектр сильно смещен в синюю область. И не могли понять, что это за объекты, потому что спектральные линии, которые увидели, не соответствовали атомным линиям никаких элементов. И где-то уже в 60-х годах Мартен Шмидт — лично я бы дал ему Нобелевскую премию, если бы этим распоряжался (смеётся) — посмотрел на один из таких объектов внимательно, сильно сдвинул его спектр на такую величину, на которую никто не догадался сдвинуть, в красную область, и увидел, что все спектральные линии совпали. То есть всё становилось на свои места, если применить к спектру большое космологическое красное смещение. Этот объект оказался на таких расстояниях, что у него должна быть совершенно фантастическая светимость, сравнимая со светимостью галактики, но при этом он меняет блеск за месяцы, значит он очень компактный. Это был первый квазар, который удалось определить и сказать, где он — фантастически далеко, за миллиард световых лет!

Наверное, ещё лет пятнадцать спорили о том, что это такое. Но потом все пришли к выводу, что это может быть только гигантская черная дыра, в которую падает вещество и светит. Там очень интересная физика у этих квазаров. Вокруг чёрной дыры образуется газовый диск — вещество не просто падает со всех сторон в центр, оно сначала собирается в диск, который по спирали, «водоворотом» стягивается в чёрную дыру. Вдоль оси этого диска еще бьет близкая к скорости света струя плазмы — так называемый джет, который светит всем чем угодно вдоль своего направления. И если она, эта струя, на нас попадает, мы видим ярчайший источник. Нет, конечно, невооруженным глазом не видим, но в телескоп эта струя видна прекрасно. И главное, что квазар замечательно виден.

С помощью современных методов наблюдений насколько глубоко и далеко мы продвинулись во Вселенной?

— Ответ на этот вопрос немного рискованный, но, скорее всего, правильный: мы продвинулись на 10-35 секунды от её рождения. Это, конечно, такая величина, которую невозможно представить. Где-то в этот момент произошёл Большой взрыв. Образовалась большая Вселенная с долгой судьбой.

И мы можем узнать точный день рождения Вселенной, чтобы его отмечать?

— Мы не сможем его привязать к нынешнему времени, вот в чём проблема. То есть мы знаем про первые 10-37 секунды, но мы не знаем, когда они произошли в нашем летоисчислении. В нашем летоисчислении речь идет о точности в десятки миллионов лет, но это всё равно хорошая точность! Может быть, скоро и до одного десятка миллионов лет её повысим.

На мировом уровне много денег вкладывается в исследования Вселенной. Изучаются такие объекты и материи, до которых человечество, вероятно, никогда физически и не дотянется. Так почему государства готовы вкладываться в астрофизику?

— Почему общество это поддерживает? А чтобы не отупеть. На самом деле наука — это то, что поддерживает интеллектуальный тонус общества. У человека осталась любопытство, пытливость с древних времён, когда нужно было выживать. В современном мире человек может без этого всего обойтись, может пользоваться достижениями предшественников и тупеть потихоньку. Но если подпитывать интерес к окружающему миру, что и делает наука, люди продолжают развиваться. Это моя точка зрения. Практической пользы в этих исследованиях нет никакой, самое важное — подпитывать интерес к миру. Это важнее, чем польза для народного хозяйства.

Но это же может пригодиться, чтобы осваивать космос…

— Здесь тот же вопрос: а зачем осваивать космос? И ответ такой же: чтобы не деградировать. Так-то мы запросто можем обойтись и без космических пространств. Просто когда-нибудь грохнется цивилизация, если так просто сидеть и не заниматься сложными вещами — космосом, наукой. Конечно же, далёкий космос, ранняя Вселенная, космология — мы до этого физически не доберемся, просто по законам природы. Хотя есть какая-то малая надежда, что до ближайших экзопланет всё-таки дотянемся.

Давайте поясним, что такое экзопланеты.

— Это планеты вне Солнечной системы, планеты у других звёзд. Их уже найдена куча — шесть с чем-то тысяч, в том числе у ближайшей звезды. И, в принципе, до них можно дотянутся, запустив туда зонд, который будет лететь сотню лет. Но дотянуться можно.

А те космические аппараты, что уже летят, например «Вояджеры» — они не дотянутся?

— Они летят слишком медленно и долетят туда за сотни тысяч лет. Да и летят они не туда, конечно. Прицеливаться надо, чтобы зонд пролетел мимо экзопланеты, что-то снял и передал назад. Ну и за сотни тысяч лет туда уже ничего «живого» не долетит, только «мёртвая» болванка, а за сотню лет прилетит вполне работающая станция, которая сможет что-то передать.

Раньше, в моем далеком школьном прошлом, нам говорили: Вселенная бесконечна, примите как факт. Но есть ли новые данные о её конечности, бесконечности и форме?

— Экспериментальных данных нет. На эксперименте Вселенная трёхмерна, и никаких свидетельств её кривизны нет. То есть если Вселенная представляет из себя трехмерную сферу, то её размер в 100 раз больше, чем её видимая часть. Но это очень грубо. Согласно теории, Вселенная не бесконечна, но огромна, и мы видим её микроскопическую часть. На сколько порядков она больше этой микроскопической части? Да на сколько угодно: на 10 порядков, на 100 порядков. Вселенная гигантская, но замкнутая, и замкнута она так, что совершить там кругосветное путешествие не получится — она всегда будет расширяться гораздо быстрее, чем движется любой наблюдатель. И мы заключены в этом небольшом круге радиусом в 40 млрд световых лет. Мы дальше ничего не видим и вряд ли увидим.

А она может быть не сферой, а, скажем, бубликом или диском?

— Диск, конечно, вряд ли, но бублик — запросто. Если она «родилась» в форме бублика, то этот бублик раздуется до такой величины, что мы будем видеть ничтожную его часть и не знать, какой он формы, что не позволит отличить сферу от бублика. Это вопрос непринципиальный. Принципиальный вопрос в том, что Вселенных бесконечно много и что наша образовалась вместе с гигантским количеством других Вселенных, похожих на нашу, с такими же законами физики и с другими законами физики — их тоже бесконечное множество.

С другими законами физики?

— Да, конечно. Наши законы физики, по всей видимости, случайны. Они случайно подошли для того, чтобы мы могли существовать. Просто есть множество разнообразных наборов физики, но только в редких из них может существовать такая сложная структура типа нас.

А это тоже выяснилось с помощью расчётов и экспериментов?

— Нет, это домыслы. Но домыслы очень обоснованные. Этот домысел называется антропный принцип (сформулирован он таким образом: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек». — Прим. «НП»). Если мы посмотрим на необязательные константы физики, которые непонятно почему такие, то увидим, что они настолько удачно подобрались, что мы можем здесь существовать. Они, эти константы, вполне могли быть и другими. Отсюда и появилась мысль, что Вселенных много, и Вселенных с другими законами физики тоже много. Есть, опять же, домыслы о том, как эти законы физики могут появляться, об этом говорит так называемая теория струн. Там исследователи много накопали интересных многообещающих возможностей. Но никакой конкретики из них пока никто не вытащил. В этом и есть затык — это пока просто многообещающая теория, которая таковой и остаётся.

Откуда взялись эти названия в астрофизике: чёрные дыры, тёмная материя, Большой взрыв и другие?

— Названия такие, потому что у физиков есть чувство юмора. Вместо того чтобы придумывать новые наукообразные термины, используют метафоры или заимствуют из литературы. Вот, например кварки (в физике элементарных частиц — заряженная фундаментальная частица. — Прим. «НП») откуда взялись? Так кричали чайки герою романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Three quarks for Muster Mark!» («Три кварка, три кварка для мистера Марка»). Кварков как раз три, отсюда и названия.

Чёрная дыра и кротовая нора — так их назвал физик Джон Уиллер, тоже человек с незаурядным чувством юмора, хотя были вначале какие-то наукообразные названия. Большой взрыв, или Big Bang, — это название от астронома Фреда Хойла. Так издевательски немного звучит, потому что это не совсем взрыв, а хлопок.

Надо же, как актуально…

— Да-да (смеётся). Но это он тоже немного издевался, но название Большой взрыв прижилось. Тёмная материя — да просто её не видно, поэтому и тёмная. Мне лично очень нравится такой подход к названиям.

В разных научных дисциплинах можно встретить различные лженаучные теории и верования. Есть климатические скептики, есть антипрививочники. А в астрофизике какие-нибудь такие отрицатели есть?

— Да сколько угодно. Есть отрицатели чёрных дыр, отрицатели Большого взрыва, есть отрицатели стандартной космологической модели. Если человек выдал ерунду по ошибке — это одно, но если учёный в пресс-релизе корреспондентам заявляет «я опроверг стандартную космологию» или «я опроверг темную энергию» — вот это уже безобразие, за это надо бить канделябрами. Не за ошибочные работы, а за хайп.

В физике разных отрицателей полно, всех мастей, от абсолютных мракобесов до профессиональных фриков на грани. Причём бывает, что ерундой занимаются и выдающиеся люди, например Фред Хойл. Ещё в 50-х годах, когда учёные видели, что Вселенная расширяется, но не был доказан Большой взрыв, у Хойла была прекрасная концепция вечной стационарной вселенной. Она заключалась в том, что Вселенная расширяется, но расширение компенсируется рождением новых частиц (протонов, электронов и т. д.), и мы имеем «вечнозеленую» Вселенную, в которой решается проблема тепловой смерти и в которой можно вечно жить. Красивая теория. Но когда обнаружили реликтовые излучения и то, что Вселенная явным образом меняется во времени, отрицать рождение Вселенной путем Большого взрыва стало неприлично. Хойл до смерти сопротивлялся и уже перешел некую грань, когда человек становится фриком. Из-за этого, кстати, он не получил нобелевскую премию за совершенно другой, но потрясающий результат (работа касалась нуклеосинтеза элементов, тяжелее бора в звездах). Так что существует весь спектр отрицателей: от городских сумасшедших до выдающихся ученых.

Тем не менее нападки со стороны более-менее профессиональных людей могут быть полезны в каком-то плане, хорошо, когда некую устоявшуюся концепцию кто-то пробует на зуб и в конце концов её таким образом укрепляет. А мракобесы всегда были и будут, просто нужно заниматься просвещением.

Какова роль российских ученых в современных астрофизических исследованиях?

— Есть две ипостаси: теория и эксперимент. В теории, то есть в космологии, у российской школы гигантская роль. Есть теория инфляции, на которой базируется современная космология. Ее отцом считается американский ученый Алан Гут, но фактически её сделали наши. У нас была мощная космологическая школа под предводительством Якова Зельдовича. Решающий вклад внесли Алексей Старобинский (российский физик-теоретик, автор работ по гравитации и космологии. — Прим. «НП»), который до сих пор работает в университете Ландау в Москве, Андрей Линде, который в конце концов сообразил, как правильно должен работать механизм космологической инфляции (Андрей сейчас работает в Стэнфорде) и Вячеслав Муханов (работает в Мюнхенском университете). Эта четвёрка сделала базу для современной космологии.

Что касается астрофизики, то основные позиции не у нас, но наши ученые тоже неплохо держатся. Во-первых, есть два хороших эксперимента. Есть российский проект «Радиоастрон» — радиоинтерферометр, который запустили на большую вытянутую орбиту. Он работал в паре с наземными приборами и получал очень хорошее разрешение, измерил несколько квазаров и ещё несколько интересных эффектов. Далее, международный проект, в котором у нас очень большой пласт, — «Спектр-Рентген-Гамма» («Спектр РГ»). У нас там один из двух основных приборов, наш запуск и платформа наша. Это такой обзорный инструмент, который обозревает всё небо и находит очень много объектов в рентгене.

Так что у наших вполне приличные позиции, связанные с внеземной астрономией. Но, конечно, вещей типа телескопа Хаббла, или телескопа Джеймса Уэбба, или гамма-телескопа Ферми у нас нет. Но у нас и финансирование по сравнению с мировым мизерное. В принципе, приятно что наука держится при небольшом финансировании хоть как-то, но в основном путём героизма. Люди героически годами и десятилетиями делали эксперименты и в конце концов своего добились и получают данные. Несмотря ни на что, дело делается. Это очень хорошо, потому что существуют группы реально работающих людей, которые учат студентов, вокруг них собирается интеллектуальная элита. Раньше был сплошной научный фронт, а теперь отдельные «недобитые» очаги, и очень важно, чтобы они дожили до лучших времён.

Мы тоже очень на это надеемся. А то как почитаешь новости про очередного арестованного учёного, становится жутко…

— Да, но кроме этой дичи есть ещё нормальные островки человеческой жизни. Надо, конечно, как-то этот исторический период пережить. Ну, и бороться тоже надо против этого. По мере сил мы и пытаемся бороться. Надо шуметь, не сдаваться и защищать учёных.