Современная астрофизика: знать, чтобы удивляться

Мы публикуем стенограмму передачи «Наука 2.0» – совместного проекта информационно-аналитического канала «Полит.ру» и радиостанции «Вести FM». Гость передачи – старший научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга МГУ, кандидат физико-математических наук, член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах при Президентском Совете по науке и технологиям. Услышать нас можно каждую субботу после 23:00 на волне 97,6 FM.

Анатолий Кузичев: Как обычно в это время и на этом месте, в эфире радиостанции «Вести FM» проект «Наука 2.0». В студии Дмитрий Ицкович, Борис Долгин и Анатолий Кузичев. Мы сегодня продолжаем беседовать с Сергеем Борисовичем Поповым, старшим научным сотрудником Астрономического института имени Штернберга МГУ, кандидатом физико-математических наук. В прошлой программе мы говорили о популяризации науки, а сегодня давайте поговорим про астрофизику.

Борис Долгин: Сегодня поговорим о науке. И мой первый вопрос: что сейчас самое «горячее» в астрофизике?

Сергей Попов: Горячего в астрофизике много. Астрофизика сейчас – это фактически синоним астрономии, которая со временем очень сильно менялась. У Древних греков это было одно, в Средние века и в Новое время – другое. Тогда появилось, например, понятие астрономической точности. Время, координаты измеряли астрономическими методами. Астрономия была точной наукой.

Сейчас в астрономии доминирует астрофизика. Эта часть физики - наука совсем неточная по сравнению с какими-нибудь лабораторными измерениями. Она стала другой, чем прежде, - наукой о природе небесных тел. «Горячего» сейчас очень много, и это связано с тем, что астрофизика сейчас находится в счастливом периоде экстенсивного развития. Вы можете тупо делать телескопы всё больших и больших размеров. Естественно, если вы сделали телескоп вдвое больше по радиусу объектива, его площадь возросла в четыре раза. И вы собираете в четыре раза больше света или других электромагнитных волн, видите более слабые объекты. Вы видите дальше, у вас открываются новые горизонты, и вы открываете что-то новое, которое нужно объяснять и т. д.

Идет серьезное развитие, связанное просто с технологическим прогрессом. К увеличению размера приборов нужно добавить прогресс электроники, компьютеров, необходимых для обработки данных. Наверное, сейчас основные ньюсмейкеры в астрофизике – это люди, занимающиеся экзопланетами. Я помню, как в университете мы учили французский язык, у нас была замечательная преподавательница, которая устраивала потрясающие конференции. Надо было на французском сделать научно-популярный доклад по какой-то статье, а остальные должны были задавать вопросы. Один человек сделал карьеру в рамках этого курса таким образом: например, на докладе о нейтронных звездах он поднимал руку и спрашивал, что такое нейтрон. Так вот, с популяризацией есть сложности. Есть новостной формат, и есть определенная подготовка аудитории. В новости часто попадает то, о чем легко рассказать, что можно красиво представить. Здесь важно, чтобы была красивая или прикольная картинка.

А.К.: Например?

С.П.: Экзопланеты, о них очень легко рассказывать. Открыли планету с массой в два раза больше земной. Каждое слово понятно! Красивая картинка – затмение. Там есть, конечно, серьезные научные задачи, но я бы не назвал массовые выезды на затмение передним краем современной астрофизики. В конце концов, постоянно летают обсерватории, которые непрерывно мониторят Солнце во всех диапазонах. Затмения дают новые результаты, но это не прорывы. Зато красиво.

Еще есть темы, которые легко захватывают аудиторию, поскольку могут ее чем-то шокировать. Все близко пролетающие астероиды, хотя они пролетают где-то в миллионе километров, тут же попадают в новости. Меня всегда поражает следующее. Вот сидит ведущий в пиджаке и галстуке и говорит: «Новости науки. Летит астероид. По всей видимости, через полтора года он врежется в Землю, и мы все умрем. Переходим к новостям спорта». Понятно, что аудитория всерьез это не воспринимает. Ребята, которые оценивают посещаемость новостей, уже давно заметили, что новости, которые касаются смерти, стали даже более популярными, чем новости, касающиеся секса. Так что заголовки изменилось. Сейчас стремятся придумать заголовки, связанные со смертью.

Б.Д.: И главный вопрос ученому должен быть таким: «Ну что, когда мы от этого умрем?»

С.П.: Да. Вы помните, как Путину была прочитана лекция по астрофизике? Тогда основным выводом было, что наше Солнце потухнет через 5 млрд. лет, и что это очень печально. Поскольку новостным лентам приходится фиксироваться на новостях простых, красивых и страшных, за бортом оказывается то, что действительно важно в науке, но для чего требуется время на объяснение.

Б.Д.: Действительно важно в науке, видимо, то, что связано с открытием каких-то фактов, которые позволяют от одних интерпретаций перейти к другим?

С.П.: Не обязательно. Это могут быть недостающие звенья, факты, которые связывают между собой существенные теории. Но для начала нужно знать эти теории. Когда-то мой бывший научный руководитель придумал замечательный афоризм: «Чтобы удивляться, надо много знать». И это существенный момент. Как только мы понижаем уровень, на котором знают, сразу становится очень трудно удивлять людей. В этом смысле, современная наука сталкивается с проблемами, с которыми сталкивается и современное искусство. Вы смотрите картины Рафаэля? Если вы ничего не понимаете, то все равно можно посмотреть – красивые тетки. Вы смотрите на картины Джексона Поллока - и ничего там интересного нет.

Дмитрий Ицкович: Мы недавно беседовали со вновь назначенным директором Третьяковской галереи, и она ровно об этом говорила. Что хочет уделить внимание искусству ХХ века, но это очень сложно сделать, потому что для этого нужны дополнительные усилия. Здесь невозможно просто прийти и насладиться игрой света и тени, прекрасно выписанной женщиной или березой. Здесь надо что-то понимать, и к этому надо готовиться.

С.П.: Так что основные ньюсмейкеры – это планеты. Там действительно потрясающие результаты. Кстати, статей по астрофизике в год появляется примерно 10 000 - несколько тысяч фактов.

Б.Д.: Так что писать есть о чем?

С.П.: Да, выбор огромный. Так вот, сегодня появилась статья, а сама новость, как всегда, возникла немножко раньше. Сначала люди получили результат, потом они озвучили его на конференции - и, наконец, появилась статья. Наконец-то мы действительно уверены, что открыта твердая каменная планета. Сейчас известно несколько сотен экзопланет. Но обычно открывают большие планеты, аналоги Юпитера и Сатурна, находящиеся близко к звездам. Это интересно, но по ним нельзя ходить. Интересно увидеть каменную планету.

Д.И.: А Земля – это каменная планета?

С.П.: Да. Каменную увидеть трудно, потому что она маленькая. И если вы просто померили массу планеты, вы все равно не уверены, что она каменная. Может быть, она газовая. Так вот, впервые, благодаря европейскому проекту КАРО - это спутник, - была открыта планета. Масса ее порядка десяти земных. Мы видим, как она проходит по диску звезды, вокруг которой она вращается.

Д.И.: А у Земли маленькая масса?

С.П.: Это вопрос технологии открытия. Планеты меньше просто трудно заметить. Юпитер, скажем, гораздо тяжелее Земли - в сотни раз. Поэтому 10, 20 земных масс – это ближе к Земле, чем к планетам типа Юпитера. И поскольку мы видим, как планета проходит по диску звезды, мы можем получить измерение радиуса. Она имеет радиус 1,7 земных, что говорит о том, что она должна быть каменной.

Д.И.: Далеко она?

С.П.: И да, и нет. Все равно рукой не достать. Там примерно 500 световых лет. Все, что мы сейчас открываем, – объекты достаточно близкие. Просто близкие звезды легче изучать.

Сейчас, может быть, есть кандидат в планеты в соседней галактике – в Туманности Андромеды. Но там особая техника наблюдений, тяжело изучать. Можно узнать, что там есть, но изучать, следить гораздо сложнее. Так вот, экзопланетчики действительно поставляют новости. Это очень приоритетное направление, только-только начали снимать сливки - буквально 15 лет назад открыли первую экзопланету. Сейчас все запускают спутники, которые нужны для их изучения. Кстати, для справки. У нас в стране очень трудно начать новое направление, и экзопланетами почти не занимаются. Эту область надо было начинать с нуля.

Б.Д.: В основном продолжаются еще советские направления?

С.П.: В основном, да.

А.К.: Итак, Сергей нам докладывает, что экзопланету открыли недавно.

С.П.: Горячую, кстати. Она находится очень близко к звезде, ее температура на обращенной к звезде стороне примерно 2000 градусов. Так что жить там человеку достаточно тяжело.

Д.И.: А нечеловеку возможно.

С.П.: Такие планеты сейчас проще открывать - наблюдательный прогресс связан с прогрессом технологическим. Под новые задачи делают новые аппараты. Чтобы открыть планеты типа Земли, нужно запускать следующее поколение спутников, которое сейчас разрабатывается и в Европе, и в США. Это приоритетные направления исследований. Еще одно – это, наверное, космология. Всем интересно, как наша Вселенная появилась, функционирует, что с ней произойдет в будущем.

Б.Д.: В вашей совместно с Михаилом Прохоровым книге «Звезды. Жизнь после смерти» указано, что область научных интересов – это эволюция нейтронных звезд[1].

С.П.: К эволюции нейтронных звезд мы еще вернемся. Это все-таки более короткий промежуток времени. А эволюция Вселенной – это от начала до конца.

А.К.: А будет конец?

С.П.: Мы не знаем.

Д.И.: А начало было?

С.П.: Вопрос, о чем мы говорим. Вокруг есть предметы. Они состоят из атомов. Атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Мы с уверенностью можем говорить, что когда-то этих протонов, электронов и нейтронов не было. С этой точки зрения все появилось. Появилось ли из ничего или был предыдущий этап? Это можно обсуждать, но важно, что Вселенная какое-то количество лет назад (примерно 13-14 млрд.) прошла через сверхплотное состояние. С этого момента мы и отсчитываем. Что было до этого? Космологи очень не любят таких вопросов.

Д.И.: А куда от них деться?

С.П.: Никуда. И люди, конечно, об этом думают. Но очень трудно об этом популярно рассказывать. И я не возьмусь - тем более, не будучи профессиональным космологом.

А.К.: Вот, кстати. Это тема (что было до) может привлечь читателей.

С.П.: Сразу возникает проблема. Знаете, это как: «В нашем ресторане мы вас обслужим быстро, качественно, дешево. Выберите два любых пункта». В популяризации можно рассказать коротко, понятно, достоверно. Выберите два любых пункта. И это проблема, особенно для новостного формата.

Б.Д.: Но книга может быть и не очень маленькой.

С.П.: Книга, пожалуй. С другой стороны, количество людей, которые прочтут книгу на 600 страниц, достаточно невелико. И что значит «понятно»? В предисловии к своей книжке Хокинг пишет, что редактор сказал ему: Каждая формула в книге уменьшает тираж вдвое. И он ограничился одной формулой: E=mc2.

Так вот, космологи являются ньюсмейкерами, потому что тема захватывающая. Наверное, самая понятная тема для обсуждения – это темное вещество и темная энергия.[2] Особенно темное вещество. Вселенная состоит Бог знает из чего. Если мы возьмем какую-нибудь галактику, то обычное вещество составляет несколько процентов, а все остальное – Бог знает что. И люди ищут частицы этой темной материи, получают какие-то новые подтверждения в пользу того, что она существует. Сомнений сейчас уже особых нет. Есть отдельные группы людей, которые продолжают защищать какие-то альтернативы, но мы уверены в ее существовании. Вопрос в том, как это поймать.

Б.Д.: Получается, то, что мы привыкли воспринимать как вещество, есть лишь малая часть вещества в целом.

Д.И.: Вокруг нас есть темная материя?

С.П.: Да. Поэтому можно строить детектор, который когда-то уловит эти частицы. Они очень слабо взаимодействуют с веществом, иначе мы бы их чувствовали. Вокруг ведь очень много чего летает. Например, огромное количество квантов электромагнитного излучения. Есть нейтрино, которое с огромной скоростью через вас сейчас проносится. Есть очень красивая гипотеза о зеркальной материи, где есть как бы свои протоны и электроны, которые с нашими взаимодействуют плохо. Любимый пример – это то, что сейчас через комнату может проноситься локомотив из зеркальной материи, а мы об этом ничего не знаем.

Д.И.: А струнная теория?

С.П.: Я не специалист в теории струн. Узкая специализация – это проблема. Поскольку наука сложная, даже популяризация физики для самих физиков – это отдельная задача. Поэтому существует очень большая цепочка. Есть профессиональные издания, которые предназначены для самих физиков. Например, о физике элементарных частиц или нанотехнологиях.

Д.И.: Так что такое теория струн?

С.П.: Существуют постоянные попытки продвинуться в нашем понимании устройства природы все дальше и дальше в сторону микромасштабов. Есть протоны. Они состоят из кварков, которые сцеплены глюонами. В этом мы сейчас уверены. Можно ли пойти дальше и получить фундаментальную теорию, которая все бы описывала? Существует несколько подходов. Самый развитый и считающийся сейчас наиболее перспективным – это теория струн. В пределе она претендует на звание модели, которая описывает самые базовые представления об устройстве нашего мира. Струны – это потому, что частица связана с возбуждениями одномерных первичных объектов, которые и назвали струнами.

Сейчас проблема теории струн в том, что фактически она является разделом математической физики или физической математики. Ее предсказания очень трудно выводить на эксперименты. Есть несколько теорий, предсказания которых очень сложно проверять. Это связано или с недоступными сейчас областями эксперимента (очень большие энергии, очень малые масштабы) или с неопределенностями в самой теории. Например, наш мир как-то очень странно подстроен под наше существование. Масса протонов и нейтронов чуть сдвинута относительно друг друга, а мы не знаем, почему это так. Наше пространство трехмерно. В двухмерном мы бы не смогли существовать. Так вот, в теории струн есть замечательный путь для объяснения этого. Эта теория позволяет очень разные комбинации параметров. А дальше приходят люди с антропным принципом, которые говорят, что в большой Вселенной реализованы все возможности. Мы живем в той, в которой существование жизни возможно. Получается, что реальное объяснение подменяется статистической игрой.

Д.И.: Это близко тому, что нам биологи рассказывали. Когда каждый шаг эволюции имеет несколько проектов. И каждый из них реализован. Просто мы живем в одной ветке.

С.П.: Да. А здесь другие ветки могут быть в принципе недоступны. Так вот, технический прогресс позволяет астрофизике сейчас наблюдать вспыхивающие явления. Это тоже потрясающе интересная вещь. Мы сейчас живем не в той Вселенной, которая была 200 лет назад - она была совсем стационарной. И на уровне философских споров у людей возникали проблемы: если Вселенная существует вечно и неизменно, почему мы имеем такое состояние? Почему оно не деградировало во что-то иное за бесконечное время, или почему не появились совершенные существа? Почему кругом такой бардак, если было бесконечное время для улучшения? Сейчас мы знаем, что мы живем во вселенной определенного возраста, в меняющейся вселенной. Следить за этими вспышками сложно – это короткие явления. Нужно осматривать все небо в разных диапазонах. Постепенно появляются проекты, которые могут с достаточно высокой чувствительностью осматривать все небо во все новых диапазонах. Это серьезная тенденция, которая приводит к разным интересным открытиям или загадкам.

Б.Д.: То есть это такой сплошной мониторинг, который требует максимальных возможностей по хранению и обработке информации. Хватает?

С.П.: Всегда хочется больше.

Б.Д.: И те суперкомпьютеры, о которых сейчас постоянно идет речь, используются под это?

С.П.: Да. И в больших проектах часто стоимость компьютера является доминирующей проблемой.

Очень важно понимать, что астрофизика и астрономия в целом – это передовая наука. А в обществе до сих пор существует такой образ астронома: дядечка в колпачке на лестнице. Средний астроном сейчас – это примерно 35-летний молодой человек, сидящий перед несколькими мониторами и что-то судорожно программирующий и обрабатывающий. Данных сейчас много, и это проблема для вычислительной техники, которая с этим связана. Собственно, проблема даже не в том, что не все данные, которые мы получаем сейчас, сохраняются. На Земле еще хорошо – вы можете поставить суперкомпьютер, и он все хранит. Но если у вас аппаратура на спутнике...

Б.Д.: То чтобы ее хранить, ее надо сначала передать на Землю.

С.П.: Да. И часто вам не хватает каналов. Вам приходится сразу что-то отделять, что-то скидывать на Землю или хранить до следующего сеанса.

Б.Д.: Ведь мы никогда не знаем, что нам понадобится.

С.П.: Поэтому люди стараются сейчас это продумать. И большие современные проекты – это очень тщательно продуманные мероприятия. Как правило, это международные коллаборации, которые еще на стадии проектирования очень долго, подробно и открыто обсуждаются. Они постоянно конкурируют, и если запущен какой-то спутник, то ясно, что на начальной стадии было, наверное, 10 заявок, из которых вызрела одна. Проекты прорабатываются все более тщательно. Сейчас новая тенденция в мире - это сразу открытые данные, чего вообще не было 30 лет назад. Сейчас вы запускаете спутник и сразу открываете данные.

Б.Д.: А дальше вы или кто-то другой их обрабатывает.

С.П.: Конечно, у участников проекта все равно есть фора – они знают, как быстро работать с этими данными.

Б.Д.: Потому что они проектировали сам процесс.

А.К.: А если переформулировать изначальный вопрос «Что есть горяченького?» в «Что есть холодненького в астрофизике?» Есть эффектные области, которые имеют эффектное воплощение. Но ведь есть отрасли, у которых этого нет.

Б.Д.: Я говорю скорее о фронтире науки.

С.П.: Здесь возникает интересный вопрос о том, какова структура науки в данной стране или группе стран. Можно создать такую структуру науки, которая будет очень быстро перестраиваться под новые области. В этом есть и плюсы, и минусы, но плюсов, на мой взгляд, больше. Это позволяет концентрировать усилия (финансовые и человеческие) на тех областях, которые сейчас дают быстрый отклик. Наверное, это хороший путь. У нас в стране традиционно появившиеся структуры живут почти бесконечно. Создать отдел сложно, а закрыть его почти невозможно. Так отдел и самовоспроизводится с 1930-ых годов.

Есть области, в которых работает много людей, но которые уже не сильно прорывны. Или, чтобы делать там прорывы, надо использовать новые современные методики, которые не всегда есть. Можно говорить о том, что есть холодные области. Люди, которые там работают, будут вам говорить, что там очень интересные задачи, и когда-нибудь они станут горячими. Здесь возникает полемика. Кто-то скажет: «Когда они станут горячими, вот тогда мы к ним и повернемся». Кто-то скажет: «Как они станут горячими, если ими никто не будет заниматься?»

Вот банальное исследование звезд - это огромная наука. Есть там замечательная область: исследование колебаний звезд. Можно смотреть, как звезды дышат. Это дает нам информацию о том, что происходит внутри. Это замечательная область. Летает спутник КАРО, который для этого и был предназначен – для исследования таких звездных осцилляций. Но есть исследования звезд, когда люди просто продолжают мерить блеск переменных звезд, и это во многом оказывается работой достаточно рутинной. У Эйнштейна была замечательная цитата. Он сотрудничал одно время с человеком, работавшим в какой-то обсерватории. Тогда астрономия была достаточно скучной: измерение координат звезд, еще что-то. И тогда он сказал, что «идеи, которые я обсуждал с этим человеком, помогали мне отдохнуть после отупляющей работы в обсерватории».

Б.Д.: Можно про связку между астрофизикой и физикой элементарных частиц?

С.П.: Это большая тема. Была такая замечательная фраза: «Вселенная – это ускоритель для бедных». Я поясню, что дает нам Вселенная. Вот Большой Андронный Коллайдер. Все любят говорить, что когда он заработает, возникнет черная дыра и нас всех засосет. Я когда-нибудь сделаю себе футболку, на которой будет написано «Черные дыры не сосут», поскольку нет разницы в давлении. Кирпич упал на пол, но мы же не говорим, что его присосало. Его притянуло.

Как показать, что на БАКе ничего страшного не произойдет? Очень просто. Есть энергия частиц, которые сталкиваются на коллайдере. Люди трудились и трудятся, чтобы достичь этих высоких энергий. Каждую секунду на Землю падает частица с энергией в миллиард раз больше. И это происходит уже 5 млрд. лет. Если на коллайдере что-то рождается, это должно было родиться из частиц, которые падают на Землю, из космических лучей. Ладно, Земля – она достаточно рыхлая, есть тела, у которых плотность в миллиарды раз выше земной. Это недра белых карликов[3]. Вот Солнце наше умрет через 5 млрд. лет и превратится в белый карлик. У нейтронных звезд плотность в тысячу миллиардов раз выше земной.

Д.И.: Это вообразимо?

С.П.: Да. Это плотность атомного ядра. Мы все очень рыхлые, потому что размер атома выше ядра. Так вот, если эти черные дыры где-то рождаются, они бы давно рождались в этих белых карликах и нейтронных звездах, и тех бы просто не было. И тогда все вещество провалится в эту черную дыру, она станет большой, и если бы на коллайдере могло что-то такое появиться, мы бы не видели ни одного белого карлика. А мы их видим в огромном количестве, значит, ничего страшного не произойдет.

А.К.: Хорошо бы по мотивам выпусков нашей программы выпускать футболки. Здесь будет футболка: «Черные дыры не сосут». Спасибо вам, Сергей, за хорошую коммерческую идею. Так что есть конкретное приложение у астрофизики. А если серьезно, просто спасибо за беседу. Сергей Борисович Попов, старший научный сотрудник Астрономического института имени Штернберга МГУ, кандидат физико-математических наук, член координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах при Президентском совете по науке и технологиям. Беседовали с ним Дмитрий Ицкович, Борис Долгин и Анатолий Кузичев. Спасибо. До встречи через неделю.

[1] Нейтронные звезды – наравне с черными дырами – конечная стадия эволюции массивных звезд. Возникают после взрыва сверхновой в результате сжатия ядра. Имеют очень высокую плотность, в центральных областях в несколько раз выше плотности атомных ядер. При массе порядка солнечной, имеют диаметр в 20-30 км. В ряде моделей недра этих моделей состоят преимущественно из нейтронов.

[2] Темное вещество – совокупность астрономических объектов, недоступных прямому наблюдению современными средствами астрономии. То есть объектов, не испускающих электромагнитного излучения, достаточного для наблюдения, но наблюдаемых косвенно, по гравитационным эффектам, оказываемым на наблюдаемые объекты. Темное вещество не может состоять из обычных частиц: протонов и нейтронов. Наиболее вероятно, что это новый вид частиц, предсказываемый некоторыми теориями, слабо взаимодействующий с обычным веществом. Темная энергия - гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая все пространство Вселенной. Приводит к ускорению расширения Вселенной.

[3] Белый карлик – конечная стадия эволюции звезды, для которой характерно сочетание массы сопоставимой с массой Солнца и радиуса примерно в сто раз меньше солнечного. Плотность белых карликов почти в миллион раз выше плотности обычных звезд.

См. также:

• «Наука 2.0» с Сергеем Поповым. Как популяризовать науку

• «Наука 2.0» с Вадимом Радаевым. Разбегающиеся параметры социальной структуры

• «Наука 2.0» с Вадимом Радаевым. Между экономикой и социологией

• «Наука 2.0» с Михаилом Гельфандом. Что такое биоинформатика

• «Наука 2.0» с Кириллом Еськовым. Эволюция в образовании

• «Наука 2.0» с Кириллом Еськовым. Эволюция в экологии

• «Наука 2.0» с Сергеем Неклюдовым. Как работает народная традиция

• «Наука 2.0» с Кириллом Еськовым. Эволюция на марше

• «Наука 2.0» с Сергеем Ениколоповым. Агрессивное неблагополучие

• «Наука 2.0» с Даниилом Александровым. У колыбели науки

• «Наука 2.0» с Александром Аузаном. Выгоды от издержек

• «Наука 2.0» с Николаем Кавериным. Жизнь с вирусами

• «Наука 2.0» с Игорем Коном. Как появляется детство

• «Наука 2.0» с Сергеем Гуриевым. Как продать ожидания

• «Наука 2.0» с Алексеем Миллером. Украина: между нами и не-нами

• «Наука 2.0» с Сергеем Градировским. Миграция в России