Автор: Штерн Б.Е.  

Теги: астрономия   астрофизика   исследование космического пространства   геодезия   физика   космос   естественные науки   космология  

ISBN: 978-5-17-111648-4

Год: 2020

Похожие

Астрофизика высоких энергий

Сборник задач по астрофизике

Понятный космос. От кварка до квазара

Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии

Текст 
                    
Борис Штерн,
Валерий руБакоВ

астрофизика
троицкий Вариант

Издательство АСТ
Москва


УДК 52:53
ББК 22.63
Ш90

Ш90

Штерн, Борис Евгеньевич.
Астрофизика. Троицкий вариант / Борис Штерн, Валерий Рубаков. — Москва : Издательство АСТ, 2020. —
368 с. — (Удивительная наука).
ISBN 978-5-17-111648-4
Темная энергия, космологическая инфляция, черные дыры, экзопланеты, бозон Хиггса, реликтовое излучение, большой взрыв, барионная асимметрия — всё самое интересное о космосе и микромире
частиц. Никаких домыслов, только достоверная информация от двух
ученых — Валерия Рубакова и Бориса Штерна.
Валерий Рубаков — физик-теоретик, специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный
сотрудник Института ядерных исследований РАН.
Борис Штерн — астрофизик, доктор физико-математических наук,
ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН,
главный редактор газеты «Троицкий вариант — наука».

УДК 52;53
ББК 22.63

ISBN 978-5-17-111648-4

© Штерн Б.Е., 2020
© Рубаков В.А., 2020
© ООО «Издательство АСТ», 2020


Содержание
Предисловие (Б. Штерн, В. Рубаков) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 8
Часть I . Космология  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 11
1 . Вселенная до горячего Большого взрыва (В. Рубаков)  .  .  .  .  .  .  .  . 12
2 . Во славу темной материи (В. Рубаков, Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 24
темная материя воочию  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 25
темная материя на «детском снимке»
Вселенной  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 28
Каркас Вселенной .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 31
3 . темная энергия во Вселенной (В. Рубаков) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 34
Немного истории  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 35
Больше не знают о ней ничего  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 40
Почему сейчас? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 42
Кандидаты .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 43
темная энергия и будущее Вселенной  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 50
4 . антропный принцип (В. Рубаков, Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 53
Человек — творец и вершитель?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 53
Наше хрупкое благополучие  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 55
Бесконечное множество вселенных .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 59
где Бог играет в кости?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 61
Когда антропный принцип оказывается
капитуляцией .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 63
5 . сахаров и космология . Барионная асимметрия
Вселенной (В. Рубаков, Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 67
Почему наш мир состоит только из вещества
(без антивещества), и почему вещества
так мало?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 68
Последующее развитие  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 76
6 . сахаров и космология . масштабная линейка
Вселенной (В. Рубаков, Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 81
из физики первых мгновений  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 83
стоячие волны  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 85
Волны застывают  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 89
Улыбка мироздания  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 90

3


7 . WMAP: триумф девятилетней службы (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 93
Предсказание  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 94
«Показания стрелок» на карте  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 96
Вклад в фундаментальную физику  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 100
Почему это так хорошо получается  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 102
8 . объявлены космологические результаты
«Планка» (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 105
они замечательные, но сливки уже
съел WMAP  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 105
9 . Премия за сотворение Вселенной (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 111
10 . Реликтовые гравитационные волны (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 116
Последний штрих в картине происхождения
Вселенной?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 116
Вопросы, поставленные первой
космологической революцией  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 117
Вторая космологическая революция  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 118
Рябь Вселенной .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 119
Недостающая деталь  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 121
Предыдущие данные  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 124
Есть В-мода? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 125
Звон бокалов и сомнения  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 126
Послесловие  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 128
11 . столкновение космологов: тридцать три
богатыря против банды трех (Б. Штерн) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 132
апелляция к народу  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 136
Коллективное письмо  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 138
о публичных дискуссиях .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 139
12 . Конец темных веков (Б. Штерн) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 141
темные века и первые звезды  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 141
Эпоха вторичной ионизации  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 144
Знаменитая линия 21 см  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 145
след первых звезд обнаружен? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 147
13 . Путь в небеса (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 149
Часть II . астРофиЗиКа  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 155
14 . открытые данные (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 156
Что понимается под открытыми данными?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 157
Коллизия интересов? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 160

4


15 .

16 .

17 .
18 .

19 .

20 .

21 .

а тем временем в Европе . . .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 161
а как насчет Большого адронного
коллайдера?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 163
Just do it  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 165
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 167
Первый свет «Радиоастрона» в темное время (Б. Штерн) .  .  . 168
история проекта  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 169
Первый свет .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 170
Первые результаты  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 172
Планы и конкурсы .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 175
Что увидели детекторы LIGO (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 177
Что увидели детекторы LIGO?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 177
Как определили расстояние?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 178
Что еще увидела LIGO?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 180
Что увидели детекторы «ферми»?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 180
Что нам это дает?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 182
Какие возможности для астрономии
открывают гравитационные волны?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 183
Как образуются пары черных дыр? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 184
гравитационно-волновая астрофизика
на марше (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 186
Нобелевская гравитация (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 188
В чем заключается основное значение
эксперимента?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 189
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 191
Первый крик нейтринной астрономии высоких
энергий (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 193
Что такое Ice Cube  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 193
Что такое «блазар»  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 194
Что именнозарегистрировали  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 197
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 198
Юбилей «ферми» . Небо в гамма-квантах (Б. Штерн) .  .  .  .  .  .  . 199
Что такое гамма-обсерватория «ферми»  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 200
Небо глазами «ферми» .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 203
Зоопарк «ферми»  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 207
Юбилей «ферми» . Блазары (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 210
Что такое блазар  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 210
Рекордсмен .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 212

5


Блазары на голодном пайке  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 215
источник нейтрино  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 219
22 . Хребет галактики (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 222
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 224
23 . государственная премия через 44 года нашла
героев (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 225
Предыстория  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 226
Всюду диски…  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 227
основополагающая статья .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 229
24 . Увидеть черную дыру! (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 231
астрофизический контекст  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 231
Что можно рассмотреть у черной дыры .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 233
техника наблюдений  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 235
Результаты и их интерпретация  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 237
Значение результата и перспективы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 239
Часть III . Частицы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 241
25 . Классические эксперименты лобашёва (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  . 242
источник и маятник .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 243
Нейтринная бочка  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 249
26 . опера о скорости нейтрино (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 255
Чудо на 730-м километре  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 256
Ни в какие ворота!  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 258
Релятивистская дуэль  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 260
и выкрики в зале .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 262
Еще не финал  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 264
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 265
27 . Бозон Хиггса . Неужели наконец-то! (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 266
28 . Эксперимент с несчастливой судьбой (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  . 270
смысл эксперимента SOX  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 271
Экспериментальнаяустановка  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 273
где взять церий-144? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 273
Перспективы и проблемы  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 274
29 . Бозон Хиггса открыт . Что дальше? (В. Рубаков) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 276
Что такое бозон Хиггса?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 277
Почему бозон Хиггса открыли лишь
недавно  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 280
Несколько слов про БаК .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 281

6


Зачем нужен бозон Хиггса  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 283
Что дальше? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 286
Часть IV . ЭКЗоПлаНЕты  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 291
30 . Экзопланеты: современные факты (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 292
31 . Есть ли жизнь на . . .? (Б. Штерн) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 301
Пересмотр  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 303
Увидеть другую Землю? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 305
Почти научная фантастика  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 306
32 . Экзопланеты: прорыв, еще прорыв! (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 308
33 . Двойка по физике мильнеру с Хокингом (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  . 313
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 317
34 . Ближайшие пригодные для жизни
экзопланеты (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 319
где они, как их можно наблюдать
и можно ли их достичь? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 319
где мы видим планеты, похожие на Землю?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 319
где они есть на самом деле?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 324
Как их наблюдать?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 326
Как их достичь?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 328
а может ли на экзопланеты ступить нога
человека? .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 330
35 . Есть ли жизнь у Проксимы центавра? (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  . 332
36 . опять эти красные карлики! (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 336
37 . с открытием атмосферы у экзопланеты, похоже,
поторопились (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 339
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 347
38 . В далеком созвездии тау Кита… (Б. Штерн)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 348
Вот, двигаясь по световому лучу… .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 349
Ужасно повысилось знание .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 351
На тау Ките условия не те?  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 354
39 . Экзолуны (Б. Штерн) .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 356
Для начала, некоторые полезные понятия .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 357
Как найти спутник экзопланеты  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 358
Поиски экзолун .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 360
Послесловие .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 363
Не бойтесь сказать «истина»
(вместо послесловия) (Б. Штерн, В. Рубаков)  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 364


ПредиСловие

Перед вами сборник научно-популярных статей,
опубликованных в «троицком варианте — наука», двух
из многочисленных авторов этого издания . У сборников статей есть свои характерные недостатки: фрагментарность, отсутствие стройной системы, неполный
охват темы . мы попытались компенсировать эти недостатки, написав несколько дополнительных статей,
закрывающих очевидные лакуны, и добавили ряд
послесловий и комментариев . Конечно, этого не достаточно, чтобы из набора статей сделать обстоятельную
книгу, но у подобного издания есть свои достоинства .
Книга получилась полемичной и злободневной,
и потому полной жизни, даже когда речь идет о злобе
вчерашнего дня . В книге отразилось время, причем
не в ретроспективе, а в его течении, время довольно
бурное: открытие бозона Хиггса, становление «прецизионной космологии» (во многом благодаря микроволновым телескопам WMAP и «Планк»), регистрация
гравитационных волн, прорыв в изучении экзопланет .
многие статьи написаны по горячим следам, некоторые через месяцы или годы пришлось дополнять
новыми комментариями . В книге есть материалы про
рухнувшие сенсации и горячие споры, про ярких
людей и красивые заблуждения — в подобных вещах
и оживает прошлое . Некоторые главы написаны
8


совместно, некоторые — кем-то одним из нас, причем
есть вопросы, в которых наше мнение не совпадает .
статьи по тематике разбросаны весьма широко .
В книге четыре раздела: космология (наука о Вселенной
в целом), астрофизика, частицы и экзопланеты, которые
тесно связаны между собой . Например, квазары и скопления галактик находятся так далеко, что наблюдая их,
мы изучаем эволюцию Вселенной и динамику ее расширения . Частицы (в основном речь идет о нейтрино
и бозоне Хиггса, поскольку именно они стали предметом главных открытий в физике частиц в последние
десятилетия) напрямую участвуют в эволюции ранней
Вселенной, а экзопланеты тесно связаны с вечным
вопросом о месте человека во Вселенной .
Книгу можно читать как с начала, так и с конца или
с произвольного места: большинство глав-статей самодостаточны, в противоположном случае даны ссылки
на предшествующие статьи . Как заявлено в нашей первой же фразе, книга относится к научно-популярной
литературе . Это не простой жанр: авторы всегда сталкиваются с проблемой целевой аудитории . Должен ли
данную книгу понимать, например, студент кулинарного техникума? ответ — да, если таковой студент обладает живым пытливым интеллектом, интересом к космосу, не боится школьной физики и уже немного
начитался популярной литературы . Чего должен опасаться автор? того, что кто-то откроет книгу и захлопнет ее со словами: «Какая дичь, ничего не понятно,
авторы не уважают читателя!»? или того, что некто
другой, пробежав глазами несколько страниц, воскликнет: «Что за чушь! сплошная вульгаризация, заигрывание и дешевка! они не уважают читателя, считая его
необразованным и глуповатым!»? Нас больше беспокоит вторая реакция . обоих читателей удовлетворить
невозможно, поэтому мы жертвуем частью аудитории
во имя некой достоверности и честности . там, где это
9


возможно, мы стараемся сделать изложение максимально глубоким, считая, что именно глубина — это то,
что может заразить читателя интересом к устройству
мира . тем не менее, мы избегаем математики, выходящей за рамки школьной программы, как правило, обходимся без формул и стараемся пояснять термины, которые относятся к отдельным областям науки . Конечно,
невозможно разъяснить все термины, да это и не нужно
в век интернета . Ни книгу, ни статью невозможно написать так, чтобы все поняли в ней всё . Важно, чтобы
любой наш читатель нашел в ней нечто понятное
и интересное для себя .


Часть I

КоСмология


1.

вСеленная
до горяЧего
БольШого вЗрыва

Все, кто сколько-нибудь интересуется космологией,
знают, что на ранних этапах эволюции Вселенной вещество в ней было очень горячим и плотным, а темп расширения Вселенной — огромным . Пожалуй, менее
известно, что данные наблюдательной космологии
неопровержимо свидетельствуют о том, что эта стадия,
которую называют стадией горячего Большого взрыва
(ключевое слово здесь — «горячего»), была не самой первой, что до этой стадии была еще какая-то эпоха (а возможно, и не одна) с кардинально иными свойствами .
сам факт существования эпохи, предшествовавшей
горячей стадии, ни у кого из космологов не вызывает
сомнения, а вот вопрос, что это была за эпоха, до сих
пор однозначно не решен . Наиболее популярна и проработана (в гораздо большей степени, если сравнивать
с другими) теория инфляции, но надо подчеркнуть, что
это всё еще гипотеза, однозначного подтверждения
которой пока нет (хотя многие воспринимают инфляцию как данность) .
На самом деле инфляция не единственная гипотеза,
есть и другие, речь о которых пойдет ниже . Замеча12


тельная особенность современного этапа развития
космологии состоит в том, что есть основания полагать: экспериментальные данные (результаты космологических наблюдений) позволят в обозримом будущем сделать выбор в пользу той или иной гипотезы .
с помощью данных о современной Вселенной на
огромных масштабах расстояний мы рассчитываем
узнать, что представляла собой Вселенная в те мельчайшие доли секунды своего существования, которые
предшествовали известной нам горячей стадии и которые, скорее всего, характеризовались гигантскими
плотностями энергии!
Ключом к осознанию необходимости эпохи, предшествовавшей горячей стадии, а в будущем — к выяснению, что это была за эпоха, служат неоднородности во
Вселенной .
На очень больших масштабах расстояний Вселенная
почти однородна: области, размером миллиард световых лет и больше, выглядят все одинаково . На меньших
масштабах в современной Вселенной имеются структуры — галактики, скопления галактик, гигантские
пустоты-войды, мы с вами, в конце концов . Значит,
материя (обычное вещество и темная материя) распределена в пространстве неоднородно . так есть сейчас,
так было и в прошлом .
Неоднородности в распределении массы материи
и связанные с ними гравитационные потенциалы
на космологическом жаргоне принято называть скалярными возмущениями . Возможны также тензорные возмущения — реликтовые гравитационные волны .
Подчеркнем, что речь здесь не идет о гравитационных волнах, недавно открытых в эксперименте LIGO:
те гравитационные волны были излучены сравнительно недавно в результате слияния черных дыр или
нейтронных звезд и несут мало космологической
информации .
13


Реликтовые гравитационные волны, если они существуют, — это сигнал, пришедший к нам как раз из той
эпохи, которая предшествовала горячему Большому
взрыву . об их свойствах, предсказываемых инфляционной теорией, мы еще поговорим . Наконец, в принципе
могли бы быть так называемые векторные возмущения, но даже если они образуются в сверхранней Вселенной, их амплитуда быстро затухает со временем,
и надежды на их регистрацию мало . Кстати, классификация космологических возмущений (скалярных, векторных, тензорных) была разработана Евгением лифшицем в 1940-х годах .
Чтобы пояснить, почему свойства неоднородностей
во Вселенной прямо свидетельствуют о том, что горячая
стадия не была первой, будем рассуждать от противного . В предположении, что история Вселенной началась
непосредственно с горячей стадии, приходится считать,
что эволюция началась с настоящего Большой взрыва,
в «момент» которого плотность материи и темп расширения пространства были гигантскими — формально
бесконечными . Заметим, что темп расширения пространства не имеет прямого отношения к скорости
передачи сигналов, поэтому пространство в принципе
может расширяться сколь угодно быстро .
Надо думать, правда, что бесконечностей в природе
не бывает, что Вселенная стартовала из совершенно
непонятного для нас сегодня состояния, где на всю
катушку работали эффекты квантовой гравитации,
а представления о пространстве, времени и поле
не имели привычного для нас смысла (а скорее всего,
описание Вселенной в этих терминах было вообще
невозможным) .
Для нас сейчас это неважно . Важно, что время
жизни Вселенной с момента Большого взрыва
конечно — сегодня это 13,8 млрд лет . В такой картине
сигналы, испущенные в момент Большого взрыва
14


и распространяющиеся с максимально возможной скоростью — скоростью света, пролетели к фиксированному моменту времени t конечное расстояние . Это
расстояние называют размером космологического
горизонта: области, находящиеся в момент t на расстоянии, большем этого размера, никак не успели
обменяться сигналами, они ничего друг о друге
не знают, все физические процессы происходили внутри этих областей независимо .
В современной Вселенной размер горизонта составляет примерно 45 млрд световых лет (за 13,8 млрд лет
свет пролетел расстояние 13,8 млрд световых лет,
а к тому же Вселенная сама по себе расширилась) . Как
выглядят или когда-то выглядели области пространства,
отделенные от нас сегодня на расстояние больше
45 млрд световых лет, мы не можем знать в принципе
(если считать, как мы сейчас делаем, что горячая стадия
была первой) . и это при том, что мы твердо уверены,
что полный размер Вселенной, если он вообще конечен,
значительно превышает размер горизонта . мы видим
лишь очень небольшую часть Вселенной (точно не более
одного процента ее объема, а скорее всего, на много
порядков меньше) .
Вернемся теперь к неоднородностям во Вселенной .
их свойства измеряются не только путем построения
карты распределения материи в современной и сравнительно поздней Вселенной (на что нацелены глубокие
обзоры галактик и квазаров) . Важнейшим источником
информации служит реликтовое электромагнитное
излучение . оно дает нам фотографию Вселенной (точнее, видимой ее части, размер которой сегодня и составляет 45 млрд световых лет) в возрасте всего 380 тыс .
лет, в это время реликтовое излучение «отщепилось»
от вещества, его называют временем рекомбинации .
На «снимке» (см . цветную вкладку, рис . 1) желтые
области соответствуют более горячим и плотным обла15


стям Вселенной, а синие — менее горячим и менее плотным . Полезно, наверное, сказать, что относительные
отклонения температуры и плотности вещества здесь
от среднего значения составляют всего-навсего величину порядка 10–5: во время рекомбинации (т . е . в возрасте 380 тыс . лет) Вселенная была гораздо однороднее,
чем сегодня . тем не менее отклонения от средних значений есть, причем — и это главное для нас — на всех
угловых масштабах . Действительно, невооруженным
глазом видно, что имеются области с размерами совсем
немного меньше размера всей Вселенной, в которых
температура (и плотность) в целом ниже или выше
средней по Вселенной .
Вот тут-то мы и можем завершить наше доказательство от противного . Размер космологического горизонта во время рекомбинации составлял всего около
1 млн световых лет (это несколько больше 380 тыс . световых лет из-за расширения Вселенной до рекомбинации) . с тех пор этот размер растянулся из-за расширения Вселенной после рекомбинации примерно в тысячу
раз, т . е . сегодня он составляет 1 млрд световых лет .
а размер всей видимой Вселенной — 45 млрд световых
лет . Это означает, что угловой размер горизонта эпохи
рекомбинации составляет около 2° . глядя на небо
в направлениях, различающихся более чем на 2°, мы
видим (с помощью реликтового излучения) области
Вселенной, которые в эпоху рекомбинации ничего не
могли знать друг о друге .
Это полностью противоречит наблюдаемой фотографии . Во-первых, все области Вселенной, даже находящиеся друг от друга на расстоянии, превышающем тогдашний горизонт (а сегодня разделенные угловым
расстоянием больше 2°), были во время рекомбинации
одинаковыми с точностью порядка 10–5 . Для этого не
было никаких оснований: эти области не успели еще
прийти в причинный контакт!
16


η
η0

η(tr)
0

→
x

Рис. 1.1. схема, показывающая парадокс с горизонтом в ранней Вселенной . маленькие конусы показывают распространение света,
испущенного в момент начала расширения Вселенной, если оно
совпадает с Большим взрывом, т . е . началом горячей стадии . Большой конус — наше поле зрения . По вертикали — конформное время,
«замедляющееся» обратно пропорционально масштабному фактору
расширяющегося пространства, по горизонтали — конформное расстояние, определяемое аналогично . изображение В . Рубакова .

Во Вселенной, стартовавшей сразу с горячей стадии,
области, разделенные угловым расстоянием больше 2°,
должны были бы быть совершенно разными, а они
совершенно одинаковы (с точностью 10–5) . Эту трудность теории горячего Большого взрыва называют проблемой горизонта .
Во-вторых, и это, пожалуй, главное, во Вселенной
в эпоху рекомбинации были более холодные и более
теплые области, размер каждой сильно превышал размер горизонта (а угловой размер сегодня сильно превышает 2°) . Неоднородности такого размера никак не
могли образоваться в процессе эволюции Вселенной от
Большого взрыва до рекомбинации . а они есть! Противоречие налицо .
Чтобы уйти от противоречия, необходимо считать,
что стадии горячего Большого взрыва предшествовала
17


какая-то другая эпоха . именно во время этой эпохи образовались неоднородности во Вселенной — зародыши
галактик, скоплений галактик, а через них и мы с вами .
из уже сказанного ясно, что эта новая (с точки зрения
космологии сорокалетней давности) эпоха должна была
быть в определенном смысле очень длительной, иначе
неоднородности гигантского размера не поместились
бы внутрь тогдашнего светового конуса и не могли бы
образоваться . Нужно, правда, уточнить, что требуемая
большая «длительность» новой эпохи не обязательно
означает, что эта эпоха должна занимать большой интервал времени: достаточно, чтобы изначально близкие
друг к другу точки пространства к концу новой эпохи
из-за расширения Вселенной оказались разнесенными
на очень большое расстояние . именно последняя возможность реализуется в сценарии инфляции, а в альтернативных сценариях новая эпоха действительно длится
долго в обычном смысле этого слова .
итак, до горячей стадии была существенно иная
эпоха — эпоха образования первичных неоднородностей . отсюда следует общий вывод о том, что, изучая
методами космологических наблюдений свойства неоднородностей, мы можем надеяться выяснить механизм
их образования, а тем самым узнать, что именно происходило во Вселенной до горячей стадии .
Как обстоит с этим дело сегодня? Как уже говорилось, наиболее популярным и разработанным сценарием новой эпохи является инфляция . В этом сценарии
Вселенная на самом раннем этапе быстро, экспоненциально расширяется, пространство растягивается в невообразимое число раз, а наша видимая часть Вселенной
представляет собой маленькую долю области, причинносвязанной к концу инфляции .
Замечательно, что инфляционные модели имеют автоматически встроенный механизм образования первичных возмущений — это усиление вакуумных флуктуа18


η
η0

ηe

0

→
x

Рис. 1.2. схема причинной структуры в теории со стадией, предшествующей Большому взрыву . Вершины маленьких конусов — начало
Большого взрыва, самым большим показан световой конус, исходящий из некой точки в какой-то момент предшествующей стадии .
таким образом, все области размером с горизонт в момент рекомбинации оказываются причинно-связанными . Предшествующая
эпоха выглядит длительной потому, что по вертикали отложено
конформное время, «текущее» очень быстро, когда Вселенная была
маленькой . изображение В . Рубакова .

ций полей (как правило, того самого поля, которое
обеспечивает инфляцию — инфлатона), происходящее
благодаря быстрому расширению пространства .
Рискну высказать предположение, что независимо
от того, верна или нет инфляционная теория, источником первичных возмущений во Вселенной служат вакуумные флуктуации какого-то поля или каких-то полей,
усиленные в процессе эволюции . тут надо напомнить,
что в квантовой теории вакуум — это далеко не безжизненная пустота: в нем всё время возникают и исчезают флуктуации всех полей, какие есть в природе .
Другой язык для описания этих флуктуаций — виртуальные частицы, рождающиеся и уничтожающиеся
в вакууме . Эффекты, связанные с этими вакуумными
флуктуациями, хорошо известны, рассчитаны и изме19


рены с высокой точностью . В квантовой электродинамике это лэмбовский сдвиг, аномальные магнитные
моменты электрона и мюона и другие . В интенсивных
внешних полях и вообще в необычных условиях вакуумные флуктуации могут усиливаться и тем самым превращаться из виртуальных в реальные, непосредственно
наблюдаемые . В квантовой электродинамике это должно
проявляться, например, в рождении реальных электронпозитронных пар сильным электрическим полем . Усиление вакуумных флуктуаций полей в процессе эволюции
Вселенной и является, по всей видимости, механизмом
образования неоднородностей . В этом смысле все мы —
далекие потомки вакуума .
Возможность рождения реликтовых гравитационных
волн в нестационарной Вселенной из-за усиления вакуумных флуктуаций была обнаружена еще в 1974 году леонидом грищуком, а картина образования неоднородностей плотности материи из нулевых колебаний была
предложена независимо от инфляционной теории
в работах Владимира лукаша 1980 года . однако получавшиеся в этих работах свойства неоднородностей материи были далеки от того, что требовалось для согласия
с наблюдениями .
Всё встало на свои места в 1981 году, когда Вячеслав муханов и геннадий Чибисов выполнили анализ
в инфляционной теории и обнаружили, что образующиеся первичные возмущения обладают как раз правильными свойствами . Этот вывод блестяще подтвердился
последующими исследованиями неоднородностей материи (с помощью как наблюдений реликтового излучения, так и изучения распределения материи в современной и сравнительно поздней Вселенной), выполненными
с весьма высокой точностью .
тем не менее сегодня нам известны лишь самые
общие, базовые свойства возмущений материи, поэтому пока нельзя сказать с полной уверенностью, что
20


горячему Большому взрыву предшествовала именно
инфляционная стадия . одной из альтернатив инфляции
служит сценарий с отскоком . В нем Вселенная стартует с периода медленного сжатия из состояния с малой
плотностью энергии, похожего на современное состояние . В процессе эволюции скорость сжатия увеличивается, плотность материи растет, а в какой-то момент
сжатие прекращается и сменяется расширением, и эволюция переходит в известную нам горячую стадию .
Первичные неоднородности в таком сценарии образуются на ранней стадии, когда сжатие происходит медленно, и времени для образования неоднородностей
больших масштабов предостаточно . Вариантом сценария с отскоком служит сценарий пульсирующей Вселенной, в которой эволюция — циклическая (сжатие —
расширение — сжатие — расширение и т . д .) .
Другой сценарий, альтернативный инфляции, был
предложен сравнительно недавно, в 2010 году Паоло
Креминелли (Paolo Creminelli), альберто Николисом
(Alberto Nicolis) и Энрико тринкерини (Enrico
Trincherini) . они довольно нахально назвали его генезисом (Genesis — Бытие, первая книга Библии) . В этом
сценарии в начальном состоянии Вселенная пустая, плоская и статическая . Затем в ней появляется не нулевая
плотность энергии, из-за этого Вселенная начинает расширяться, плотность энергии и темп расширения растут,
а на каком-то этапе уже быстрого расширения плотность энергии переходит в тепло и начинается горячая
стадия . В сценарии генезиса образование неоднородностей тоже происходит на раннем этапе эволюции, когда
Вселенная расширяется очень медленно .
Надо сказать, что построить теоретически согласованные модели Вселенной с отскоком или генезисом
очень непросто . Не менее сложно предложить механизм образования неоднородностей со свойствами,
правильными с точки зрения наблюдений . Всё это нахо21


дится сейчас, как говорят, в работе . Предварительно
можно сказать, что самосогласованные и даже красивые теоретические варианты построить можно, хотя
для этого надо привлекать довольно экзотические поля,
до сих пор не встречавшиеся в природе (впрочем, большинство моделей инфляции тоже основаны на введении нового поля — инфлатона) .
можно ли будет выяснить с помощью экспериментов, какой из сценариев реализовался в природе? Вполне
обоснованные надежды на это есть . они связаны с обнаружением и исследованием достаточно тонких свойств
неоднородностей во Вселенной . Прежде всего, инфляционные модели, и только они, часто предсказывают
существование уже упоминавшихся реликтовых гравитационных волн (тензорных возмущений), причем со
всеми длинами .
Наиболее интересны гравитационные волны с длинами, близкими или немного меньшими размера видимой части Вселенной . Периоды колебаний таких гравитационных волн составляют миллиарды и десятки
миллиардов лет! Надежда на их обнаружение в том,
что во многих инфляционных моделях амплитуды этих
гравитационных волн весьма велики — порядка 10–6 или
немного меньше (сравните с амплитудами порядка
10–21–10–22, характерными для гравитационных волн
существенно меньшей длины, зарегистрированных LIGO
и VIRGO) . Влияние реликтовых гравитационных волн
на температуру и особенно поляризацию реликтового
излучения может быть обнаружено будущими экспериментами, что послужит, на мой взгляд, доказательством
инфляции .
Различные инфляционные теории, а также варианты альтернатив инфляции отличаются и тонкими
корреляционными свойствами неоднородностей материи . На сегодняшнем уровне точности наблюдений
эти неоднородности обладают самыми простыми
22


(гауссовыми) статистическими свойствами, которые,
кстати сказать, характерны и для вакуумных флуктуаций простейших полей, — это одно из прямых указаний на изначальную природу неоднородностей,
о которой мы говорили выше .
так вот, обнаружение и изучение в будущем негауссовости, если оно произойдет, позволит отбросить одни
сценарии и подтвердить другие . отметим, что в простых инфляционных моделях негауссовость очень мала,
так что если они верны, то ее обнаружение — дело далекого будущего . Есть и другие возможные особенности
неоднородностей материи, которые возникают в некоторых сценариях и в принципе могут быть обнаружены
путем наблюдений .
итак, ситуация в космологии сегодня своеобразная .
с одной стороны, мы уверены, что горячей стадии эволюции Вселенной предшествовала другая, весьма отличающаяся от нее эпоха, важная для нас тем, что именно
в эту эпоху образовались зародыши столь необходимых неоднородностей материи — галактик, звезд, нас
с вами . с другой стороны, однозначно сказать, что это
была за эпоха, мы сегодня не можем . Вся надежда
на будущие наблюдения и развитие теории образования структур, с их помощью мы должны разгадать эту,
пожалуй, главную загадку Вселенной!
Валерий Рубаков
09.10.2018


2.

во СлавУ Темной
маТерии

темная материя дослужилась-таки до популярного
мема (согласно «Википедии», мем — единица культурной информации), почти столь же популярного, как
динозавры . В свое время, как могли, пытались связать
то или иное явление с вымиранием динозавров, это
считалось сильным пиар-ходом . Например, лет двадцать назад гремела гипотеза, что динозавры вымерли
от близкого гамма-всплеска . а вот теперь на русском
вышла книга «темная материя и динозавры» (лиза Рэндалл, аНф, 2017), где предполагается, что дата вымирания динозавров связана с темной материей (именно
с галактическим диском из нее) . связать между собой
две столь популярные сущности — это очень сильный
ход, даже если приходится с большим усилием натягивать одно на другое .
и всё же темная материя — важнейшая часть мироздания, и лиза Рэндалл, по сути, права: не будь этой субстанции, не было бы ни галактик, ни звезд, ни динозавров, не было бы и их вымирания . связь налицо .
любой популярный мем вызывает как позитивную,
так и негативную реакцию . В последнее время довольно
часто раздается разного рода брюзжание по поводу темной материи: дескать, никто ее не видел, а изобрели
24


только для того, чтобы прикрыть несостоятельность
астрофизики . ссылки на то, что темная материя блестяще объясняет совершенно разные эффекты, а ее количество измерено с точностью до процентов, не помогают .
аргумент типа «никто не видел и не щупал» оказывается
сильней . а авторитет всяческих физиков уже не тот .
между тем темной материи в пять раз больше, чем
обычной, и именно она сформировала обитаемую Вселенную . Поэтому полезно сказать пару слов во славу
этой важнейшей субстанции .

темная материя вооЧию
Для тех, кто все-таки сомневается в существовании
темной материи, — картинка, где она «видна глазами»
(см . цветную вкладку рис . 2) . Это снимок «Хаббла» двух
скоплений галактик, пролетевших одно сквозь другое,
с наложением поверх этого карты распределения горячего газа от рентгеновского телескопа «Чандра» (розовый цвет) и карты распределения массы по результатам
гравитационного линзирования далеких галактик (синий
цвет) . где находится основная масса обычного (барионного) вещества скопления? Не в звездах, а в газе (по крайней мере, его доля в пять раз больше звезд) . масса газа
оценивается по интенсивности рентгеновского излучения — чем она выше, тем чаще сталкиваются частицы .
газ горячий, поэтому он прекрасно виден в рентгене .
Что же там происходило? При пролете скоплений
одно сквозь другое ионизированный газ обоих скоплений неупруго провзаимодействовал, собрался в облако
по середине и отстал от своих галактик . Повторим, это
большая часть обычного вещества скоплений . а звезды
галактик — меньшая часть обычного вещества — свободно пролетели мимо друг друга и продолжили свой
25


путь . Но это лишь пятая часть
массы . а где основная часть,
между тем темной материи
показанная синим? Не там, где
в пять раз больше, чем обычгаз, а там, где звезды: т . е .
ной, и именно она сформиро- основная масса, во много раз
превышающая
массу
газа
вала обитаемую вселенную.
и в десятки раз — массу звезд,
Поэтому полезно сказать
повела себя, как звезды, — ее
пару слов во славу этой важоблака свободно пролетели
нейшей субстанции.
друг сквозь друга и также продолжили свой путь . так может
вести себя только та материя, которая не взаимодействует с обычным веществом и сама с собой, т . е . «темная» (термин «невидимая материя» был бы точней,
но «темная» звучит лучше) .
Как получили карту распределения массы, показанную синим цветом? с помощью достаточно хорошо
отработанной методики, которая называется «слабое
гравитационное линзирование» . массивная гравитационная линза может растянуть изображение далекой
галактики в длинную дугу — это случается, когда луч
зрения на ту галактику проходит близко к центру скопления . Это сильное линзирование . Подобные дуги
видны на снимках некоторых скоплений галактик,
но распределение массы из дуг по строить можно
далеко не всегда . Под слабым линзированием подразумевают то, что изображения далеких («фоновых») галактик лишь немного вытягиваются перпендикулярно
направлению к центру линзы . одна галактика здесь
погоды не делает, но их сотни — тут уже включаются
и хорошо работают статистические методы .
Если бы темной материи не было, то синий цвет
(распределение массы) на снимке (рис . 2 цв . вкладки)
совпадал бы с розовым (распределение газа) .
Конечно, изначально вывод о существовании темной
материи был сделан из совсем других наблюдений .
26


Еще в 1933 году фриц цвикки, измерив скорости галактик в большом и сравнительно близком к нам скоплении Coma (созвездие Волосы Вероники), заявил, что
массы имеющихся там звезд не хватает, чтобы объяснить разброс их скоростей . а без этой массы скопление
с гарантией разлетелось бы (недостача более чем существенная — общая масса должна была быть в десятки
раз больше) . Позже начали систематически строить
кривые вращения галактик — зависимость орбитальных
скоростей звезд от расстояния до галактических центров . и снова она оказывалась не такой, как следовало
бы из распределения массы видимого вещества в галактиках, — существенно больше, особенно на периферии .
Значит, есть что-то еще, в несколько раз превышающее
массу звезд и газа в галактиках .
Что бы это могло быть? Например, обыкновенные
кирпичи . Как это ни комично, их в данном случае достаточно сложно обнаружить . Подошли бы, скажем, мелкие и крупные астероиды, планеты-сироты, мелкая
галька,… а вот пыль уже не подходит из-за того, что
у нее слишком велик показатель общей площади поверхности на единицу массы и, соответственно, она не может
оставаться невидимой из-за своей способности поглощать и переизлучать свет звезд . Подходят и первичные
черные дыры .
Нельзя ли как-нибудь иначе объяснить большие скорости движения галактик в скоплениях и звезд в галактиках? Это пытаются сделать уже многие десятки лет
с помощью изобретения теорий модифицированной
гравитации . среди них так называемая MOND — модифицированная ньютоновская динамика: при очень слабом гравитационном поле ускорение тел меньше, чем
положено по закону Ньютона . формально таким способом можно объяснить эти неправильные скорости .
Но объяснить картинку, приведенную выше, с помощью «подправленных» теорий тяготения невозможно .
27


Для этого нужно было бы подправить не только силу
тяготения, но и ее направление, чтобы вместо тяготеющего облака газа получить два тяготеющих центра
в других местах (напомним, что масса звезд в галактиках во много раз меньше массы газа) .
альтернативные теории гравитации предлагаются со
времен Эйнштейна . Но классическая теория стоит как
скала, будучи самой стройной . альтернативные же теории нуждаются во всяких «подпорках» и валятся одна
за другой при появлении новых данных .
Впрочем, есть и гораздо более сильный аргумент
в пользу реальности существования темной материи .
Ведь все попытки обойтись без нее разбиваются о космологию, об историю ранней Вселенной . об нее же разбиваются и варианты темной материи типа кирпичей,
астероидов и других объектов, сделанных из обычного
(барионного) вещества .

темная материя
на «детском снимке»
вселенной
главное свидетельство присутствия темной материи
в ранней Вселенной «вписано» в карту реликтового излучения . Это не единственный, но самый богатый источник космологической информации о темной материи .
Реликтовое излучение — микроволновый фон, «остывший свет» горячей плазмы, который перестал взаимодействовать с космической средой тогда, когда Вселенной было всего 380 тыс . лет от роду и в ней царила
температура 3000 кельвинов (сейчас тепловой фон упал
до 2,7 К) . Это время называют эпохой рекомбинации,
тогда произошел переход обычного вещества из плаз28


менного (непрозрачного для фотонов) в газообразное
(прозрачное) состояние . Вещество в той юной Вселенной было гораздо однороднее, чем сейчас, никаких галактик, скоплений галактик и пустот (не говоря уж о звездах и планетах) тогда не было, а неоднородности
обычного вещества составляли относительную величину по рядка 10–5 . Эти неоднородности приводят к зависимости температуры реликтового излучения от направления на небесной сфере (анизотропии), с высокой
точностью, измеренной в многочисленных экспериментах, среди которых на сегодняшний день наиболее
информативен, пожалуй, космический эксперимент
«Планк» . иными словами, температурная карта Вселенной возраста 380 тыс . лет слегка пятниста (см . цветную
вкладку рис . 1) . Контраст этой пятнистости лишь немногим выше, чем 10–5, но она несет уйму информации .
темная материя и обычное вещество влияют
на температуру реликтового излучения существенно
по-разному . Для обычного вещества основной эффект —
это неоднородность горячей среды, проявляющаяся
в звуковых колебаниях космической плазмы . В русскоязычной литературе их нередко называют «сахаровскими
осцилляциями», а в англоязычной литературе — «акустическими осцилляциями» . Эти колебания прекрасно
видны в данных по реликтовому излучению: там, где
плотность горячей среды выше, там и температура
выше . Для темной материи такого явления нет: температура 3000 K к ней отношения не имеет, темная материя холодная (или «прохладная») . строго говоря, здесь
важна не температура, которой мы не знаем (она зависит от массы частиц темной материи), а скорость
частиц: она должна быть достаточно малой, чтобы
частицы могли скапливаться в гравитационных ямах .
и они скапливались, к моменту рекомбинации почти
на два порядка увеличив глубину гравитационных ям
(там, где плотность выше) или высоту горбов (где плот29


ность ниже) . Эти ямы и горбы фактически видны
на карте реликтового излучения, хотя и не напрямую,
а при определенной обработке . Эта обработка называется «разложением по угловым мультиполям», она отражает зависимость контраста пятен от их размера . Разложение показано на рис . 3 в цветной вкладке . Плавные
пики, самый высокий из которых соответствует размеру пятен около градуса, появились благодаря обычному веществу — это и есть упомянутые выше сахаровские осцилляции . Высота этих пиков сильно зависит от
концентрации обычной материи — отсюда получается
очень точное измерение этой концентрации . а вот «подложку» под этими пиками обычной материей объяснить невозможно, если бы не темная материя, этой
«подложки» почти не было бы . Здесь и сказывается темная материя, «стекшаяся» в образованные ею гравитационные ямы . Звуковых волн в темной материи нет
(поскольку нет давления), так что вклад темной материи в угловые мультиполи не осциллирует .
Несколько огрубляя ситуацию, можно сказать, что
реликтовые фотоны, выбираясь из гравитационных ям,
теряют энергию; их частота, а стало быть и температура, уменьшаются . таким образом, темная материя
тоже приводит к анизотропии реликтового излучения,
но за счет совсем другого механизма . Довольно сложная картина анизотропии реликтового излучения прекрасно описывается тем, что космическая среда в юной
Вселенной состояла как из обычного вещества, так и из
темной материи в массовом соотношении 1:5 .
Проблема для модифицированной гравитации, пытающейся обойтись без темной материи, состоит в том,
что Вселенная (вместе с неоднородностями в ней) на раннем этапе эволюции, во время и до отщепления реликтового излучения, замечательно описывается общей теорией относительности и концепцией темной материи .
Причем при этом описании достаточно использовать
30


самую простую, а значит надежную, линейную теорию
неоднородностей . точность этого описания составляет
доли процента . Ничего такого модифицированные
модели гравитации не дают и близко . Ученые, агитирующие за модифицированную гравитацию без темной
материи, стараются это обстоятельство замести под
ковер, а в лучшем случае соглашаются с тем, что проблема есть, но надеются, что «как-нибудь рассосется» .
Нам (и не только нам) ситуация здесь представляется
безнадежной . Разумеется, соотношение обычной и темной материи 1:5, требуемое для описания картины
реликтового излучения, закрывает и возможность того,
что темная материя — это кирпичи, астероиды или
любые другие объекты, состоящие из обычного вещества . Подчеркнем, что точность измерения вклада обычного (барионного) вещества в плотность энергии
в нашей Вселенной на основе данных по реликтовому
излучению составляет доли процента . с экзотическими
гипотезами не разбежишься! Кстати, несколько более
слабое, но исторически первое ограничение на количество обычной материи получено из теории первичного нуклеосинтеза, произошедшего в первые три
минуты существования Вселенной и давшего четверть
гелия, немного дейтерия и лития . Если бы темная материя состояла из протонов и нейтронов (как кирпичи),
то результат первичного нуклеосинтеза противоречил
бы наблюдениям .

каркас вселенной
В заключение скажем, что темная материя крайне
важна для нашего существования . Если бы ее не было,
то неоднородности вещества на всех масштабах расстояний при температуре 3000К составляли бы, как мы
31


говорили, относительную величину порядка 10–5 . Важно,
что до этого горячее вещество находилось в состоянии
плазмы, в нем было много фотонов, которые обеспечивали высокое давление, и неоднородности в обычном
веществе не росли по амплитуде . Это, собственно
говоря, и видно в картине реликтового излучения . Если
бы пространство было заполнено лишь обычным веществом, то неоднородности выросли бы с тех пор
по амплитуде в 1100 раз (амплитуда растет обратно
пропорционально температуре) . таким образом, если
бы не темная материя, то относительная амплитуда
неоднородностей сейчас составляла бы несколько процентов . Этого мало для того, чтобы из неоднородностей
образовались серьезные структуры — галактики, скопления галактик, звезды, планеты, мы с вами . Вселенная до
сих пор была бы почти однородной — и безжизненной .
спасает дело темная материя . Давление в ней отсутствует, ее собственные неоднородности со сравнительно маленькими размерами (соответствующими,
например, протозвезде) начинают расти по амплитуде
еще задолго до рекомбинации и становятся достаточными для образования первых плотных сгустков темной материи через сотни миллионов лет . области
с повышенной плотностью темной материи гравитационно притягивают к себе обычное вещество, которое
после рекомбинации в свою очередь сваливается в гравитационные ямы, образованные темной материей . так
и образуются первые звезды, затем галактики и — уже
совсем недавно по космологическим меркам — скопления галактик . такая картина в целом подтверждается
большим набором наблюдаемых данных и никак
не укладывается в представления о модифицированной
гравитации .
общее заключение: благодаря наблюдениям мы
знаем о Вселенной и объектах в ней так много, что экзотическим гипотезам о ее составе и эволюции (за исклю32


чением самых ранних этапов, соответствующих временам жизни меньше одной секунды) остается очень мало
места . темная материя во Вселенной есть, известно,
сколько ее, известны многие ее свойства . известна ее
роль в мироздании — что-то вроде несущей конструкции, каркаса Вселенной . Но не известно, из чего сделан
этот каркас! На этот счет есть много гипотез, но пока
темная материя старательно ускользает от прямого
детектирования и проявляет себя только через гравитацию . Узнать, из чего она состоит, — одна из самых амбициозных задач для физиков .
Валерий Рубаков, Борис Штерн
25.09.2018


3.

Темная Энергия
во вСеленной

Физики любят красное словцо. В их среде с некоторых пор принято давать «ненаучные» названия вновь
открытым сущностям. Взять хотя бы странный
и очарованный кварки. Вот и темная энергия не синоним темных сил, а термин, придуманный для обозначения некоторых необычных свойств нашей Вселенной.
открытие темной энергии было сделано астрономическими методами и стало для большинства физиков
полной неожиданностью . темная энергия, пожалуй,
главная загадка современного естествознания . Вполне
вероятно, что ее разгадка станет важнейшим событием
физики XXI века, сравнимым по масштабу с крупнейшими открытиями недалекого прошлого, такими, как
открытие феномена расширения Вселенной .
Не исключено даже, что произойдет настолько радикальное развитие теории, что оно встанет в один ряд
с созданием общей теории относительности, открытием
кривизны пространства-времени и связи этой кривизны
с гравитационными силами . мы сейчас находимся
в начале пути, и разговор о темной энергии — это возможность заглянуть в «лабораторию» физиков в то
время, когда их работа идет полным ходом .
34


немного истории
то, что в нашей Вселенной «что-то не так», стало ясно
космологам уже к началу 1990-х годов . Для пояснения
полезно напомнить о законе расширения Вселенной .
Удаленные друг от друга галактики разбегаются, причем,
чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас .
Количественно темп расширения характеризуется параметром Хаббла . К началу 1990-х значение параметра
Хаббла в современной Вселенной было довольно хорошо
измерено: темп расширения Вселенной сегодня таков,
что галактики, удаленные от Земли на расстояние 1 млрд
световых лет, убегают от нас со скоростью 24 тыс . км/с .
отметим, что параметр Хаббла зависит от времени:
в далеком прошлом Вселенная расширялась гораздо
быстрее, чем сейчас, и, соответственно, параметр Хаббла
был гораздо больше .
В современной теории гравитации — общей теории
относительности — параметр Хаббла однозначно связан
с двумя другими характеристиками Вселенной:
во-первых, с суммарной плотностью энергии всех форм
материи, вакуума и т . д ., во-вторых, с кривизной трехмерного пространства . Наше трехмерное пространство,
вообще говоря, не обязано быть евклидовым; его геометрия может, например, быть аналогична геометрии
сферы; сумма углов треугольника может не равняться
180° . В таком случае «упругость» пространства с точки
зрения расширения Вселенной играет ту же роль, что
и плотность энергии .
К началу 1990-х годов с неплохой точностью была
оценена и плотность энергии «нормальной» материи
в современной Вселенной . «Нормальная» она в том
смысле, что испытывает такие же гравитационные взаимодействия, что и обычное вещество . Дело, впрочем,
осложнилось тем, что большая часть «нормальной»
35


материи — это так называемая
темная материя . темная матеПараметр Хаббла зависит
рия, по-видимому, состоит из
от времени: в далеком проновых, не открытых пока в земшлом вселенная расширяных экспериментах элементарных частиц, чрезвычайно слабо
лась гораздо быстрее, чем
взаимодействующих с вещесейчас, и, соответственно,
ством
(слабее
нейтрино!),
параметр Хаббла был
но на равных испытывающих
гораздо больше.
гравитационное
взаимодействие . именно по эффекту гравитационного притяжения она и была обнаружена .
Более того, измерения гравитационных сил в скоплениях галактик позволили определить массу темной
материи в них, а в конечном итоге — в целом во Вселенной . таким образом и была найдена полная плотность энергии «нормальной» материи (для нее справедлива знаменитая формула Е = mс2).
и что же оказалось? Выяснилось, что «нормальной»
материи явно не хватает для объяснения измеренного
темпа расширения Вселенной . Причем сильно не хватает: «недостача» составляла около 2/3 (по современным оценкам — около 70%) . Возможных объяснений
этому факту было два: либо трехмерное пространство
искривлено, и недостающий вклад в параметр Хаббла
связан с его «упругостью», либо во Вселенной присутствует новая форма энергии, которую впоследствии
и стали называть «темной энергией» .
с теоретической точки зрения обе эти возможности — и неевклидовость пространства, и темная энергия — выглядели крайне неправдоподобными .
Начнем с кривизны трехмерного пространства .
В процессе расширения Вселенной пространство разглаживается, его кривизна уменьшается . Если кривизна
отличается от нуля сейчас, то в прошлом она была
больше, чем сегодня . однако плотность энергии (массы)
36


материи убывает при расширении Вселенной еще
быстрее . Это означает, что в прошлом относительный
вклад кривизны в параметр Хаббла был очень мал,
а главным — с большим запасом — был вклад материи .
Для того чтобы сегодня расширение Вселенной на 70%
обеспечивалось кривизной, необходимо «подогнать»
значение радиуса кривизны пространства в прошлом
с фантастической точностью — через секунду после
Большого взрыва он должен был быть равен миллиарду
радиусов наблюдаемой тогда части Вселенной,
не больше и не меньше! Без такой подгонки кривизна
сегодня была бы либо на много порядков больше, либо
на много порядков меньше, чем необходимо для объяснения наблюдений .
Эта проблема была одним из главных соображений,
приведших к представлению об инфляционной стадии
эволюции Вселенной . согласно инфляционной теории,
предложенной алексеем старобинским и независимо
аланом гутом и сформировавшейся благодаря работам
андрея линде, андреаса албрехта и Пола стейнхардта,
Вселенная на самом раннем этапе своей эволюции прошла через стадию чрезвычайно быстрого, экспоненциального расширения (раздувания, инфляции) . По окончании этой стадии Вселенная разогрелась до очень
высокой температуры, и наступила эпоха горячего Большого взрыва .
Хотя инфляционная стадия длилась, скорее всего,
малую долю секунды, за это время Вселенная растянулась на десятки или сотни порядков величины (или
гораздо больше), и кривизна пространства упала практически до нулевого значения . таким образом, инфляционная теория приводит к предсказанию о том, что
пространство современной Вселенной с высочайшей
степенью точности евклидово . Это, конечно, идет вразрез с той гипотезой, что Вселенная расширяется сегодня
на 70% благодаря кривизне .
37


Действие темной энергии подобно космологической
инфляции первых мгновений Вселенной, только совсем
других масштабов — ничтожная плотность энергии,
медленное ускорение . Этот малый масштаб — большая
загадка, совершенно непонятно, как темная энергия
может быть связана с известной нам физикой частиц
и полей . К этой загадке мы еще вернемся .
В дилемме, что отвечает за недостающие 70% плотности Вселенной, — темная энергия или кривизна —
последняя долгое время была более популярной . Переворот произошел в 1998—1999 годах, когда две группы
из сШа, одна под руководством адама Райсса и Брайана Шмидта, а другая — сола Перлмуттера, сообщили
о результатах наблюдений удаленных сверхновых типа
Iа . из этих наблюдений следовало, что наша Вселенная
расширяется с ускорением . такое свойство вполне
согласуется с представлением о темной энергии, в то
время как кривизна пространства к ускоренному расширению не приводит .
Несколько слов о сверхновых типа Iа . Это белые
карлики, которые, подпитываясь веществом от звездыкомпаньона, достигли так называемого чандрасекаровского предела, после чего потеряли устойчивость,
взорвались и коллапсировали в нейтронные звезды .
Предел Чандрасекара для всех белых карликов один,
сами белые карлики похожи друг на друга, поэтому
и взрывы в определенном смысле одинаковы . иными
словами, сверхновые типа Iа представляют собой
«стандартные свечи»: зная абсолютную светимость
и измеряя видимую яркость (поток энергии, приходящий на Землю), можно определить расстояние до
каждой из них . одновременно можно установить
и скорость удаления от нас каждой из сверхновых
(используя эффект Доплера) .
сверхновые — очень яркие объекты, их видно на огромных расстояниях . иначе говоря, удаленные сверхновые,
38


которые мы наблюдаем сейчас, взорвались давным-давно,
и поэтому скорость их убегания определялась темпом
расширения Вселенной тогда, в далеком прошлом . тем
самым наблюдения сверхновых типа Iа позволяют определить темп расширения на сравнительно ранних этапах
эволюции Вселенной (8 млрд лет назад и даже несколько
раньше) и проследить зависимость этого темпа от времени . именно это и дало возможность установить, что
Вселенная расширяется с ускорением .
окончательное доказательство того, что кривизна
трехмерного пространства Вселенной мала, было получено путем изучения карты реликтового излучения .
В эпоху излучения реликтовых фотонов Вселенная
не была в точности однородной . имевшиеся тогда неоднородности были зародышами структур — первых звезд,
галактик, скоплений галактик . В то время неоднородности плазмы представляли собой звуковые волны . Важно,
что в ту эпоху во Вселенной имелся характерный масштаб расстояний . Звуковые волны с большой длиной и,
соответственно, большим периодом, еще не успели развиться к эпохе излучения реликтовых фотонов, а волны
с «правильной» длиной как раз успели попасть в фазу
максимальной амплитуды . Эта «правильная» длина
волны представляет собой «стандартную линейку»
эпохи излучения реликтовых фотонов; ее размер
надежно вычисляется в теории горячего Большого
взрыва и проявляется на карте реликтового излучения .
На рубеже XX–XXI веков
в экспериментах BOOMERanG
и MAXIMA впервые был изме- окончательное доказательрен угол, под которым видна ство того, что кривизна трехобсуждавшаяся только что мерного пространства все«стандартная линейка» . ясно, ленной мала, было получено
что этот угол зависит от гео- путем изучения карты реликметрии пространства: если тового излучения.
сумма углов треугольника пре39


вышает 180°, то и этот угол больше . В результате было
выяснено, что наше трехмерное пространство с хорошей степенью точности евклидово . Последующие измерения подтвердили этот вывод . с точки зрения расширения Вселенной существующие результаты означают,
что кривизна пространства вносит пренебрежимо
малый вклад (менее 1%) в параметр Хаббла . темп расширения Вселенной сейчас на 70% обусловлен именно
темной энергией .

Больше не знают
о ней ниЧего
Какие же свойства темной энергии известны на настоящее время? таких свойств немного, всего три . Но то, что
известно, может по справедливости вызвать изумление .
Первое — это тот факт, что в отличие от «нормальной»
материи темная энергия не скучивается, не собирается
в объекты типа галактик или их скоплений — она «разлита» по Вселенной равномерно . Это утверждение, как
и любое, основанное на наблюдениях или экспериментах,
справедливо с определенной точностью . однако из
наблюдений следует, что отклонения от однородности,
если они и есть, должны быть весьма малы по величине .
о втором свойстве мы уже говорили: темная энергия
заставляет Вселенную расширяться с ускорением . Этим
темная энергия тоже разительно отличается от нормальной материи, которая тормозит расширение . Два
описанных свойства свидетельствуют о том, что темная
энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию, для нее имеется гравитационное отталкивание
вместо гравитационного притяжения . области с повышенной плотностью нормальной материи за счет гра40


витационного притяжения собирают вещество из окружающего пространства, сами эти области сжимаются
и образуют плотные сгустки . Для антигравитирующей
субстанции всё наоборот: области с повышенной плотностью (если они есть) растягиваются из-за гравитационного отталкивания, неоднородности разглаживаются,
и никаких сгустков не образуется .
третье свойство темной энергии состоит в том, что
ее плотность не зависит от времени . тоже удивительно:
Вселенная расширяется, объем растет, а плотность энергии остается постоянной . Кажется, что здесь есть противоречие с законом сохранения энергии . За последние
8 млрд лет Вселенная расширилась вдвое . область пространства, которая тогда имела, скажем, размер 1 м,
сегодня имеет размер 2 м, ее объем увеличился в 8 раз,
во столько же раз увеличилась энергия в этом объеме .
Несохранение энергии налицо .
На самом деле рост энергии при расширении Вселенной не противоречит законам физики . темная энергия устроена так, что расширяющееся пространство
совершает над ней работу, что и приводит к увеличению энергии этой субстанции в расширяющемся объеме пространства . Правда, расширение пространства
само обусловлено темной энергией, так что ситуация
напоминает барона мюнхгаузена, вытаскивающего себя
за волосы из болота . и тем не менее противоречия нет:
в космологическом контексте невозможно ввести понятие полной энергии, включающей в себя энергию самого
гравитационного поля . так что и закона сохранения
энергии, запрещающего рост или убывание энергии
какой-нибудь формы материи, тоже нет .
Утверждение о постоянстве плотности темной энергии тоже основано на астрономических наблюдениях,
а потому тоже справедливо с определенной точностью .
Чтобы охарактеризовать эту точность, укажем, что за
последние 8 млрд лет плотность темной энергии изме41


нилась не более чем в 1,1 раза . Это мы сегодня можем
сказать с уверенностью .
отметим, что второе и третье свойство темной энергии — способность приводить к ускоренному расширению Вселенной и ее постоянство во времени (или, более
обще, очень медленная зависимость от времени) —
на самом деле тесно связаны между собой . такая связь
следует из уравнений общей теории относительности .
В рамках этой теории ускоренное расширение Вселенной происходит именно тогда, когда плотность энергии
в ней или совсем не меняется, или меняется весьма
медленно . таким образом, антигравитация темной энергии и ее сложные отношения с законом сохранения
энергии — две стороны одной медали .
Этим надежные сведения о темной энергии по существу и исчерпываются . Дальше начинается область
гипотез . Прежде, чем говорить о них, обсудим вкратце
один общий вопрос .

ПоЧему сейЧас?
Если в современной Вселенной темная энергия дает
наибольший вклад в полную плотность энергии, то
в прошлом это было далеко не так . скажем, 8 млрд лет
назад нормальная материя была в 8 раз более плотной,
а плотность темной энергии была такой же (или почти
такой же), как сейчас . отсюда несложно заключить, что
тогда соотношение между энергией покоя нормальной
материи и темной энергией было в пользу первой: темная энергия составляла около 13%, а не 70%, как сегодня .
из-за того, что в то время главную роль играла нормальная материя, расширение Вселенной происходило
с замедлением. Еще раньше влияние темной энергии
на расширение было совсем слабым .
42


итак, влияние темной энергии и вызванное им ускорение расширения Вселенной — явления по космологическим меркам совсем недавние: ускорение началось
«всего» 6,5 млрд лет назад . с другой стороны, поскольку
плотность нормальной материи убывает со временем,
а плотность темной энергии — нет, темная энергия вскоре
(опять-таки по космологическим меркам) будет полностью доминировать . Значит, современный этап космологической эволюции — это переходный период, когда темная энергия уже играет заметную роль, но расширение
Вселенной определяется не только ей, но и нормальной
материей . является ли эта «выделенность» нашего времени случайным совпадением или за ней стоит какое-то
глубокое свойство нашей Вселенной? Этот вопрос —
«почему сейчас?» — остается пока открытым .

кандидаты
Если бы не было гравитации, абсолютное значение
энергии не имело бы физического смысла . Во всех теориях, описывающих природу, за исключением теории
гравитационных
взаимодействий,
смысл
имеет
лишь разность энергий тех или иных состояний . так,
говоря об энергии связи атома водорода, мы имеем
в виду разность двух величин: суммарной энергии
покоя свободных протона и электрона, с одной стороны, и энергии покоя атома — с другой . именно эта
разность энергий выделяется (передается рожденному
фотону), когда электрон и протон соединяются в атом .
Если бы не гравитационное взаимодействие, говорить
об энергии вакуума было бы бессмысленно, ее просто
не с чем было бы сравнивать .
Дело в том, что энергия вакуума, как и любая другая
энергия, «весит», гравитирует. Вакуум — это состоя43


ние с наинизшей энергией (поэтому, кстати, энергию
от него отобрать нельзя), однако эта энергия совершенно не обязана быть равной нулю; с теоретической
точки зрения она может быть как положительной, так
и отрицательной . можно ли ее вычислить «из первых
принципов» — большой вопрос . Но в любом случае
энергия вакуума, если она положительна, имеет как раз
те свойства, которыми должна обладать темная энергия: однородность в пространстве и постоянство во
времени .
Как мы говорили выше, в общей теории относительности последнее свойство автоматически означает, что
энергия вакуума приводит к ускоренному расширению
Вселенной .
Подчеркнем, что однородность в пространстве
и постоянство во времени — это точные, а не приближенные свойства вакуума . Плотность энергии вакуума —
это мировая константа (по крайней мере, в той части
Вселенной, которую мы наблюдаем) . Надо сказать, что
эту константу — космологическую постоянную, Λ-член —
вводил в свои уравнения еще Эйнштейн . он, правда,
не отождествлял ее с энергией вакуума, но это — вопрос
терминологии, по крайней мере, при современном
понимании существа дела . Позже Эйнштейн от своей
идеи отказался, возможно, напрасно .
Почему же представление о темной энергии как
энергии вакуума не удовлетворяет многих физиков?
В первую очередь это связано с несуразно малым значением плотности энергии вакуума, которое необходимо для согласия теории и наблюдений .
В вакууме всё время рождаются и умирают виртуальные частицы, в нем имеются конденсаты полей —
вакуум похож скорее на сложную среду, чем на абсолютную пустоту . Это не просто домыслы: особенности
вакуума находят свое проявление в свойствах элементарных частиц и их взаимодействий и в конечном
44


итоге определяются, хотя и косвенно, из многочисленных эксв общей теории относительпериментов . Энергия вакуума,
ности
последнее свойство
в принципе, должна была бы
«знать» о том, как он устроен, автоматически означает, что
какова его структура и каковы энергия вакуума приводит
значения характеризующих его к ускоренному расширению
параметров (например, кон- вселенной.
денсатов полей) .
теперь представим себе
ангела-теоретика, который изучил физику элементарных частиц, но ничего не слышал о нашей Вселенной .
Попросим этого теоретика предсказать плотность энергии вакуума . исходя из масштабов энергий, характерных для фундаментальных взаимодействий, и соответствующих масштабов длин, он сделает свою оценку —
и ошибется в невообразимое число раз — на десятки
порядков величины . Наш теоретик предсказал бы такую
большую энергию вакуума и такой вызванный ей темп
расширения Вселенной, что дома на соседней улице
должны были бы разлетаться от нас со скоростями,
близкими к скорости света!
Проблема энергии вакуума ставила в тупик физиковтеоретиков задолго до открытия темной энергии . так
в 1920–1930-х годах эта проблема волновала Вольфганга Паули, который в 1933 году писал: «Эта энергия [вакуума; тогда использовали термин „энергия
нулевой точки“, Nullpunktsenergie] должна быть
не наблюдаемой в принципе, поскольку она не излучается,
не
поглощается,
не
рассеивается…
и поскольку, как очевидно из опыта, она не создает
гравитационного поля». Почему так происходит?
одна из возможностей состоит в том, что энергия
пустого пространства каким-то образом всё же изменяется со временем и в конце концов становится
близкой к нулю . Конкретные теоретические модели,
45


иллюстрирующие эту возможность, построить чрезвычайно трудно, но можно; еще труднее вписать их
в космологический контекст .
Если темная энергия — это энергия вакуума, то
попытаться понять, почему она имеет столь малую
величину, можно, следуя совсем другой логике . Представим себе, что Вселенная чрезвычайно велика, что
она во много раз больше, чем наблюдаемая нами часть .
Допустим далее, что в разных весьма обширных частях
Вселенной могут реализовываться самые разные вакуумные состояния с самой разной плотностью энергии .
такая возможность, к слову, теоретически не исключена; более того, именно так, судя по всему, обстоит
дело в теории суперструн, особенно если Вселенная
проходила инфляционную стадию . области Вселенной,
где плотность энергии вакуума слишком велика
по абсолютной величине, выглядят совершенно непохоже на нашу область: там, где энергия вакуума велика
и положительна, пространство расширяется настолько
быстро, что звезды и галактики просто не успевают
образоваться; в областях с большой отрицательной
энергией вакуума расширение пространства быстро
сменяется сжатием, и эти области коллапсируют
задолго до образования звезд . В обоих случаях космологическая эволюция несовместима с существованием
наблюдателей, подобных нам . и, наоборот, мы могли
появиться только там, где плотность энергии вакуума
очень близка к нулю, — мы там и появились .
такой, как говорят, антропный взгляд на проблему
энергии вакуума высказывался более 20 лет назад
в работах андрея линде и стивена Вайнберга . сейчас
он популярен среди заметной части физиков-теоретиков .
Другая часть воспринимает его как способ уйти от проблемы . Наиболее взвешенный подход, наверное, состоит
в том, чтобы не исключать антропного объяснения как
возможного конечного ответа, но попытаться всё же
46


найти альтернативное решение проблем энергии вакуума и темной энергии .
Альтернативой вакууму как носителю темной
энергии может служить какое-то новое поле, «разлитое» во Вселенной . В этом варианте энергия нового
поля и является темной энергией . Новым это поле
должно быть потому, что присутствие всюду во Вселенной известных полей (например, электромагнитного)
слишком сильно влияло бы на поведение вещества
и приводило бы к эффектам, которые давно были бы
обнаружены . Кроме того, известные поля таковы, что
их энергия не обладает перечисленными выше свойствами темной энергии .
гипотетическое новое поле должно характеризоваться энергетическим масштабом порядка 0,002 эВ .
Хотя это очень малый масштаб с точки зрения известных взаимодействий, он не выглядит совершенно
неправдоподобным . Действительно, мы уже знаем, что
масштабы разных взаимодействий сильно различаются
между собой . так, упоминавшийся масштаб сильных
взаимодействий (200 мэВ) в 1019 раз меньше масштаба
гравитационных сил . такое гигантское различие,
конечно, само по себе требует объяснения, но это
отдельный вопрос . В любом случае существование
в природе разных энергетических масштабов — это
факт, и введение нового малого масштаба непреодолимым препятствием не выглядит .
Новое поле, вообще говоря, изменяется в процессе
эволюции Вселенной . изменяется и его плотность энергии . Чтобы это изменение было не слишком быстрым,
кванты нового поля — новые частицы — должны иметь
чрезвычайно малую массу; говорят, что это поле должно
быть легким .
Наконец, новое поле — это новая сила (так же, как
гравитационное поле соответствует гравитационным,
а электромагнитное — электрическим и магнитным
47


силам) . легкое поле с чрезвычайно малой массой —
сила с большим радиусом действия, подобная гравитации . Чтобы не было противоречия с экспериментами
по проверке общей теории относительности, взаимодействие этого поля с обычным веществом должно
быть очень слабым, слабее гравитационного .
Все эти свойства не выглядят для теоретика привлекательными, но с ними можно смириться . Важно, что
гипотеза о новом поле хотя бы в принципе допускает
экспериментальную проверку — с помощью наблюдений можно выявить изменение плотности энергии поля
со временем . Это однозначно отметет гипотезу о вакуумной природе темной энергии и, наоборот, послужит
указанием на существование во Вселенной нового легкого поля . К тому же в перспективе можно надеяться
обнаружить неоднородность распределения темной
энергии в пространстве . Это стало бы окончательным
доказательством того, что темная энергия — энергия
нового поля, а не что-нибудь еще .
с другой стороны, сегодня не видно способов зарегистрировать новое легкое поле в лабораторных экспериментах, на ускорителях и т . д . Причина — чрезвычайно слабое взаимодействие этого поля с веществом .
Впрочем, мы еще слишком мало знаем, и, как говорится,
никогда не говори «никогда» .
физики обсуждают разные типы гипотетических легких полей, энергия которых могла бы выступать в качестве темной энергии . В наиболее простом с теоретической точки зрения варианте плотность энергии нового
поля убывает со временем . Для поля такого типа употребляют термин «квинтэссенция» . Не исключена,
однако, и обратная возможность, когда плотность энергии растет со временем; поле такого типа называют
«фантомом» . фантом был бы весьма экзотическим
полем; ничего подобного до сих пор в природе не встречалось . Различие между квинтэссенцией и фантомом,
48


как мы обсудим ниже, важно с точки зрения удаленного будущего Вселенной .
Наконец, еще одно возможное объяснение темной
энергии состоит в том, что никакой темной энергии на самом деле нет. Если общая теория относительности неприменима на современных космологических
масштабах длин и времен, то и в темной энергии нет
необходимости .
Разумеется, при таком взгляде на темную энергию
нельзя не учитывать тот факт, что общая теория относительности хорошо проверена на меньших масштабах
расстояний . Поэтому нужно создать новую теорию гравитации, которая переходила бы в общую теорию относительности на этих расстояниях, но иначе описывала
бы эволюцию Вселенной на сравнительно поздних,
близких к нашей, стадиях . Это трудная задача, особенно
если учесть требование самосогласованности, внутренней непротиворечивости теории . тем не менее такие
попытки делаются, и некоторые из них выглядят
довольно перспективными .
одна из возможностей состоит в том, чтобы разрешить ньютоновской постоянной всемирного тяготения
меняться в пространстве и во времени, подчиняясь
определенным уравнениям . К сожалению, наиболее красивые версии теории, реализующие эту возможность,
отвергнуты экспериментами по проверке общей теории
относительности . Если же за красотой не гнаться, то
модели, объясняющие ускоренное расширение Вселенной и согласующиеся со всем, что известно про гравитацию, построить на этом пути можно . такие модели,
как правило, предсказывают отклонения от общей теории относительности, которые хотя и малы, но в перспективе экспериментально обнаружимы .
отметим еще идею о том, что наше пространство
может иметь больше трех измерений . При этом дополнительные измерения на обычных расстояниях ничем
49


себя не проявляют, а на космологических расстояниях в милеще одно возможное объяслиарды световых лет силовые
нение темной энергии состоит линии гравитационного поля
в том, что никакой темной
могут «расползаться» в дополнительные измерения, отчего
энергии на самом деле нет.
гравитация не будет больше
описываться обычным законом
Ньютона . Вполне удовлетворительной теории, объясняющей таким образом ускоренное расширение Вселенной, до сих пор не построено; в предложенных к настоящему времени моделях эта идея реализована лишь
отчасти . Замечательно, тем не менее, что эти модели
приводят к своим предсказаниям для эксперимента .
среди них — возможность изменения гравитационного
закона Ньютона на малых расстояниях; малые, но обнаружимые поправки к общей теории относительности
в солнечной системе и т . д .
итак, открытые недавно особенности расширения
Вселенной поставили новый вопрос: вызваны ли они
энергией вакуума, энергией нового легкого поля или
новой гравитацией на сверхбольших расстояниях? теоретическое изучение этих возможностей в самом разгаре, а ответ, как обычно в физике, в конечном итоге
должны дать новые эксперименты .

темная энергия
и Будущее вселенной
с открытием темной энергии сильно изменились
представления о том, каким может быть отдаленное
будущее нашей Вселенной . До этого открытия вопрос
о будущем однозначно связывался с вопросом о кри50


визне трехмерного пространства . Если бы, как многие
раньше считали, кривизна пространства на 70% определяла современный темп расширения Вселенной,
а темная энергия отсутствовала, то Вселенная расширялась бы неограниченно, постепенно замедляясь .
теперь же понятно, что будущее определяется свойствами темной энергии .
Поскольку мы эти свойства знаем сейчас плохо, предсказать будущее мы пока не можем . можно только рассмотреть разные варианты . Про то, что происходит
в теориях с новой гравитацией, сказать трудно, но другие сценарии есть возможность обсудить уже сейчас .
Если темная энергия постоянна во времени, как
в случае энергии вакуума, то Вселенная будет всегда
испытывать ускоренное расширение . Большинство
галактик в конце концов удалится от нашей на громадное расстояние, и наша галактика вместе с немногими
соседями окажется островком в пустоте . Если темная
энергия — квинтэссенция, то в далеком будущем ускоренное расширение может прекратиться и даже смениться сжатием . В последнем случае Вселенная вернется в состояние с горячей и плотной материей, произойдет «Большой взрыв наоборот», назад во времени .
Еще более драматическая судьба ожидает Вселенную,
если темная энергия — фантом, причем такой, что его
плотность энергии возрастает неограниченно . Расширение Вселенной будет всё более и более быстрым, оно
настолько ускорится, что галактики будут вырваны из
скоплений, звезды из галактик, планеты из солнечной
системы . Дело дойдет до того, что электроны оторвутся
от атомов, а атомные ядра разделятся на протоны и нейтроны . Произойдет, как говорят, Большой разрыв .
такой сценарий, однако, представляется не очень
вероятным . скорее всего, плотность энергии фантома
будет оставаться ограниченной . Но и тогда Вселенную
может ожидать необычное будущее . Дело в том, что во
51


многих теориях фантомное поведение — рост плотности энергии со временем — сопровождается неустойчивостями фантомного поля . В таком случае фантомное
поле во Вселенной будет становиться сильно неоднородным, плотность его энергии в разных частях Вселенной будет разной, какие-то части будут быстро расширяться, а какие-то, возможно, испытают коллапс . судьба
нашей галактики будет зависеть от того, в какую область
она попадет .
Всё это, впрочем, относится к будущему, отдаленному
даже по космологическим меркам . В ближайшие 20 млрд
лет Вселенная будет оставаться почти такой же, как сейчас . У нас есть время для того, чтобы разобраться в свойствах темной энергии и тем самым более определенно
предсказать будущее, а может быть, и повлиять на него .
Валерий Рубаков
17.07.2018


4.

анТроПный
ПринциП

В этой статье речь пойдет о хорошо известном
мировоззренческом понятии, связанном с самим фактом нашего существования. Термин «антропный принцип» фигурирует довольно часто, но столь же часто
он трактуется некорректно и путается с антропоцентризмом. Начнем с того, что существуют как
минимум два антропных принципа — сильный и слабый. Это написано в любой «Википедии», хотя подавляющее большинство, произнося «антропный принцип», имеет в виду его слабый вариант. Поэтому мы
сначала «разделаемся» с сильным антропным принципом, чтобы больше к нему не возвращаться.

Человек —
творец и вершитель?
К его формулировке приложил руку замечательный
физик Джон Уилер (John Wheeler), создатель многих
прекрасных метафорических терминов, в том числе
таких популярных, как «черная дыра», «квантовая пена»,
53


«кротовая нора» (в оригинале — “wormhole” — «червоточина») . Вот фраза, приписываемая Уилеру: «Наблюдатели
необходимы
для
обретения
Вселенной
бытия» (1983) . то есть, чтобы Вселенная реализовалась,
в ней должен появиться разумный наблюдатель . следовательно, возможны только такие вселенные, которые
подходят для возникновения жизни и разума . Что,
по крайней мере, с первого взгляда выглядит чепухой .
По мнению авторов данной статьи, это и есть чепуха .
таково наше консолидированное мнение, невзирая
на то, что статус выдающегося физика Уилером честно
заслужен . Причем понятно, откуда у этой концепции
растут ноги — из интерпретации квантовой механики,
включающей наблюдателя как вершителя исхода взаимодействий в микромире .
Этой проблеме посвящен знаменитый парадокс про
кота Шрёдингера . сам Шрёдингер выдвинул его, чтобы
показать: существующая интерпретация квантовой
механики неадекватна . Если ее строго придерживаться,
то возникает подобная чушь — суперпозиция живого
и мертвого котов, разрушаемая лишь наблюдением
того, кто откроет ящик .
откуда взялась эта зловредная роль наблюдателя?
Видимо, это связано с проблемой коллапса (редукции)
волновой функции — действительно сложного и плохо
понимаемого явления . Для ознакомления с проблемой
можно порекомендовать статью а . и . липкина1 и его
же статью в УфН2 . Наиболее сильное высказывание
липкина по поводу роли наблюдателя:
«Что такое сознание — никто толком не знает,
но именно поэтому на него можно свалить всё».
1
mipt .ru/education/chair/philosophy/publications/works/lipkin/philsci/a_3vzyrl .php
2
липкин а . и ., Успехи физических наук, т . 171, № 4, 2001,
с . 437−444 .

54


мы явно переоцениваем свое значение, когда берем
на себя роль вершителя что судьбы кота, что судьбы
Вселенной . Кстати, а кто был первым наблюдателем,
реализовавшим Вселенную? галилей? Древние греки?
Некий Homo erectus или волк, воющий на луну 1 млн
лет назад? У него ведь тоже есть сознание, не такое уж
и примитивное .
Над сильным антропным принципом можно издеваться долго и смачно, но лучше мы сэкономим место
для слабого антропного принципа — серьезной
и в каком-то смысле плодотворной концепции . Дальше
мы опускаем эпитет «слабый» и говорим просто об
антропном принципе .

наше хруПкое
БлагоПолуЧие
Начнем с хорошо известных доводов в пользу того,
что наша Вселенная будто специально подогнана под
наше существование и вообще под существование
сложных систем и процессов .
Наш мир сформирован значениями физических констант . Константы электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, гравитационная постоянная,
массы частиц, которые, в свою очередь, определяются
константами взаимодействий с полем Хиггса . они
не выводятся (пока?) из каких-либо более общих принципов . их значения выглядят совершенно произвольными: мы знаем их из измерений, но не из формул . от
них зависит всё .
Например, возможны ли в природе большие молекулы? Для этого должен существовать легкий электрон
(много легче протона), а константа электромагнитного
55


взаимодействия должна быть
достаточно мала . масса пронаш мир сформирован знатона напрямую зависит от кончениями физических константы сильных взаимодейстант. Константы электромагствий; разница в массе протона
и нейтрона — от масс кварков .
нитного, слабого и сильного
от соотношения масс элеквзаимодействий, гравитацитрона,
протона и нейтрона
онная постоянная, массы
вместе с электромагнитной
частиц, которые, в свою очепостоянной зависят плотности
редь, определяются констанвсех веществ, возможность
тами взаимодействий с полем сложной химии, существоваХиггса.
ние жидких и твердых тел,
планет и гор на них, размеры
живых существ и так далее . Эти зависимости прекрасно разобраны в книге “The Anthropic Cosmological
Principle”1, к сожалению, не переведенной на русский .
Ниже приведены некоторые примеры, заимствованные
из этой книги .
стоит хоть немного «пошевелить» константы взаимодействий, как мир меняется . Причем, как правило, он
меняется настолько, что получатся не просто иная среда
обитания и виды живых существ, — вся Вселенная становится непригодной для любой формы жизни .
согласимся, что если нет химических элементов
и атомов или если таблица менделеева сводится всего
лишь к четырем-пяти заполненным клеткам, если
не горят звезды и не конденсируются небесные тела,
если Вселенная представляет собой однородный разреженный газ, то невозможна любая жизнь .
Проблема в том, что диапазон констант (точнее, объем
в многомерном пространстве констант), в котором возможны сложные системы и жизнь, удручающе мал .
Barrow J . D ., Tippler F . J . The Anthropic Cosmological Principle,
Clarendon Press, Oxford, Oxford University Press, New York, 1986 .
1

56


1 . Если бы нейтрон был чуть легче или протон чуть
тяжелей, то во Вселенной после Большого взрыва протоны бы распались и остались бы одни нейтроны . Не было
бы ни сложных структур, ни атомов вообще . Пустыня!
2 . Если бы нейтрон был немного тяжелее, чем на самом
деле, то нейтроны в атомных ядрах распадались бы, т . е .
ядер бы попросту не было . Никакой таблицы менделеева,
никакой химии, один водород был бы стабилен .
3 . Хрестоматийный пример, фигурирующий в “The
Anthropic Cosmological Principle”: если немного увеличить константу сильных взаимодействий, появляется
стабильный дипротон (2He) . существование дипротона
ужасно тем, что он очень легко добирает барионы до
гелия-4, который очень крепко связан . Весь водород Вселенной перешел бы в гелий, и мир остался бы без основного термоядерного горючего . До подобной катастрофы
в потенциале взаимодействия двух протонов не хватает
всего 92 кэВ .
На самом деле пример не совсем верный . Дело в том,
что, как сейчас известно, мы не можем произвольно изменить потенциал взаимодействия протонов — он зависит
от константы квантовой хромодинамики, от которой также
зависят массы барионов . Если Стоит хоть немного «пошевеее изменить — «поплывет» всё . лить» константы взаимодейтем не менее, пример демон- ствий, как мир меняется.
стрирует, насколько хрупко Причем, как правило, он
наше благополучие . он же покаменяется настолько, что полузывает, насколько аккуратным
и осторожным надо быть даже чатся не просто иная среда
обитания и виды живых
в мысленных экспериментах .
существ, — вся вселенная
4 . Довольно удивительный становится непригодной для
факт: у ядра углерода есть резо- любой формы жизни.
нанс, предсказанный фредом
57


Хойлом (Fred Hoyle), который на порядки повышает
вероятность синтеза ядра углерода из трех ядер гелия .
Энергия резонанса складывается из комбинации сильной и электромагнитной констант, а также зависит от
массы кварков . Если немного изменить эту энергию, то
цепочка синтеза элементов обрывается . Во Вселенной
почти исчезнет углерод, кислород и прочие элементы,
на которых основана жизнь, которые составляют космическую пыль, из которой, в свою очередь, конденсируются планеты земного типа .
5 . идем в самую раннюю Вселенную . После Большого взрыва остались неоднородности от предшествующей стадии ее эволюции, будь то стадия космологической инфляции или что-либо еще . исходная величина
этих неоднородностей в момент образования горячей
Вселенной ~ 10–5 (относительно средней плотности) .
Если бы амплитуда неоднородностей была в несколько
раз меньше, галактики не успели бы образоваться . Если
бы она была в несколько раз больше, галактики оказались бы слишком массивными и плотными, что тоже
фатально — частые взрывы сверхновых, большая вероятность отрыва планет от родительских звезд . При этом
амплитуда неоднородностей ниоткуда не следует . В рамках теории космологической инфляции неоднородности
возникают как квантовые флуктуации «тяжелого» вакуума и зависят от природы последнего — от его плотности, от формы потенциала . Эти параметры тоже не вытекают из каких-либо известных принципов .
Видимо, этих хрестоматийных примеров достаточно, чтобы убедить читателя, что нам удивительно
повезло . Возможно, это натолкнет кого-то на мысль,
что константы взаимодействий устанавливал некий
заботливый творец . однако существует гораздо более
прозаичное объяснение . оно и называется «антропный принцип» .
58


БесконеЧное множество
вселенных
Представим себе, что существует огромное (даже
бесконечное) множество вселенных . тут есть некая
терминологическая неоднозначность . можно понимать
под словом «Вселенная» всё сущее, и тогда мы должны
говорить о разных частях Вселенной . однако эти разные части Вселенной, скорей всего, при рождении
«окуклились» в замкнутые, причинно не связанные друг
с другом пространства, к которым тоже применяют
термин «вселенные» (только с маленькой буквы) . Ниже
мы будем следовать второму варианту терминологии,
понимая под «Вселенной» наше связное замкнутое пространство 3+1 измерений, а под «вселенными» понимать аналогичные образования не обязательно той же
размерности .
Далее представим себе, что во множестве вселенных — разные константы взаимодействий, разные
наборы частиц . В том числе где-то, включая нашу Вселенную, набор констант оказался благоприятным для
появления жизни . В одной из таких вселенных появился разумный наблюдатель, разобравшийся в местной физике, и удивляется, как всё хорошо настроено .
а там, где всё настроено плохо, никто и не появился .
Значит, любой наблюдатель будет видеть набор физических констант, благоприятных для своего появления,
сколь бы ни был мал благоприятный объем в пространстве параметров .
Это очень похоже на историю нашего появления
в солнечной системе на Земле . Здесь тоже немало удачных совпадений: нужное расстояние до звезды, нужное
количество воды, глобальная тектоника, крупный спутник, планета-гигант на нужной орбите — всё это благоприятные условия . Но в данном случае мы точно знаем,
59


что существует великое множество разных планетных
систем с разными планетами, и не удивляемся благоприятным совпадениям .
Значит ли это, что антропный принцип сам по себе
намекает на существование огромного множества разных вселенных? Конечно! Не доказывает в строго математическом смысле, но служит сильным доводом .
а есть ли в современной физике другие указания
на множественность вселенных? Да, существует концепция вечной космологической инфляции, которая как
раз описывает механизм рождения неограниченного
числа вселенных . Что такое космологическая инфляция? Ей посвящена целая книга под названием «Прорыв
за край мира»1 одного из авторов данной статьи под
научной редакцией другого автора .
Если коротко, это механизм образования огромной
однородной и изотропной вселенной из микроскопического зародыша . и этот самый механизм в большинстве
вариантов теории плодит бесконечное множество вселенных, будучи не в силах остановиться . Это становится
ясным, если к уравнениям общей теории относительности добавить квантовые эффекты . Это будет еще
не то, что называется «квантовой гравитацией», здесь
всё гораздо проще, так как квантовые эффекты относительно слабы .
На вечную инфляцию натолкнулся Пол стейнхардт
(Paul Steinhardt) в начале 1980-х, когда теория космологической инфляции еще только формировалась . он
обратил внимание на то, что космологическая инфляция в том варианте, который был популярен в то время,
не может благополучно закончиться образованием вселенной . мешают квантовые флуктуации вакуума: инфляция продолжается раздуванием новых и новых облаШтерн Б . Е ., «Прорыв за край мира», м .: троицкий вариант,
2014 .
1

60


стей пространства . стейнхардт решил, что это фатальный недостаток теории .
В 1986 году андрей линде обнаружил, что тот же
самый эффект происходит и в более реалистичном
варианте теории под названием «хаотическая инфляция» . Но в отличие от стейнхардта он осознал, что это
важнейшее явление, объясняющее фундаментальную
мировоззренческую проблему .
итак, если верна теория космологической инфляции
(а в ее пользу говорят несколько фактов, обнаруженных
с помощью космических микроволновых телескопов
WMAP и «Планк»), то в качестве неизбежного приложения к этой теории мы имеем вечную инфляцию — процесс рождения бесконечного числа вселенных .
В этой статье, посвященной антропному принципу,
мы не можем детально объяснить, как работает космологическая инфляция в обычном и вечном вариантах .
об этом достаточно много написано, в частности,
в упомянутой книге «Прорыв за край мира» . Рекомендуем прочитать интервью с андреем линде, где он
среди прочего рассказывает, как натолкнулся на вечную инфляцию; оно опубликовано в той же книге
и еще в трВ-Наука1 .

где Бог играет в кости?
итак, в физике есть прямые указания на бесконечное
множество вселенных . Но еще нужно, чтобы они имели
разные наборы физических констант: вселенные-клоны,
скорее всего, будут одинаково непригодны для жизни .
где-то на каком-то этапе «сотворения» вселенных Бог
должен играть в кости . где именно?
1

линде а ., Штерн Б . Как за полчаса изменился мир .

61


Здесь просматривается две возможности . Первая —
фазовые переходы в ранних вселенных . они меняют
физику, как изменил ее фазовый переход с полем Хиггса: многие частицы приобрели массы, и мир стал сложен и интересен . то был фазовый переход с предопределенным концом, но в самой ранней Вселенной есть
место для других фазовых переходов, основанных
на новой, еще не известной нам физике . и у них может
быть непредсказуемый исход, как непредсказуем ледяной узор на стекле .
Вторая, более популярная возможность связана с теорией струн . струны «живут» как минимум в одиннадцатимерном пространстве . иначе теория страдает неустранимыми противоречиями . Чтобы получить из
11 измерений наши 3+1, надо свернуть лишние измерения в трубочки микроскопического радиуса, например
планковского ~ 10–33 см (это сворачивание называется
«компактификацией») . Это можно сделать гигантским
числом способов, причем каждый способ дает свой
вариант вакуума, в котором возникает своя физика со
своими константами взаимодействий . оценка числа
альтернатив — 10500! Кстати, если вы встречаете в сми
утверждения типа «британские ученые доказали, что
число вселенных равно 10500», не удивляйтесь, это просто в одном из звеньев испорченного телефона по недосмотру технического редактора степень съехала
в строку .
Но как встроить в вечную инфляцию это случайное
бросание костей, как устроить перестройку теоретикострунного вакуума? Вроде бы теория струн дает такой
механизм . Вечная инфляция возможна потому, что квантовые флуктуации могут увеличивать плотность вакуума .
Когда она приближается к планковской (1095 г/см3),
квантовые флуктуации могут быть столь сильными, что
меняется топология пространства, меняется вариант
компактификации, а с ним и физика в некой микроско62


пической области пространства, которая потом разовьется в большую вселенную . Это как раз то самое
«бросание костей», необходимое для претворения
антропного принципа в жизнь .
На теорию струн возлагаются очень большие
надежды, но она до сих пор остается висеть в воздухе:
из нее нельзя вывести ни одного проверяемого предсказания . Беда заключается именно в неимоверном
числе 10500 . мы не знаем, в каком именно варианте из
10500 вакуумов мы живем, и нет никаких инструкций,
как найти этот вариант . и все-таки эта теория так или
иначе намекает на богатство и разнообразие бытия .

когда антроПный ПринциП
оказывается каПитуляцией
В приведенных выше примерах с тонкой подстройкой физических констант последние принимают ничем
не примечательные значения . Что такое константа электромагнитного взаимодействия 1/137? Это число ничем
не выделяется, кроме того, что в сочетании с другими
константами благоприятно для жизни . а если какая-то
величина принимает какое-то выделенное значение?
Например, оказывается удивительно близка к нулю или
к единице (что-то равно чему-то) . Казалось бы, надо
искать какой-то закон, объясняющий, почему это произошло . а если такой закон не удается найти?
Плотность энергии вакуума (темной энергии) в нашей
Вселенной очень мала — 10–8 эрг/см3 . именно от этой
плотности зависит ускоренное расширение Вселенной .
а какой она должна быть из теоретических соображений? любой, вплоть до планковской плотности —
на 120 порядков больше, чем она есть . Каким образом
63


она оказалась столь малой? Непонятно . и здесь возникает соблазн…
Если бы плотность энергии вакуума (космологическая постоянная) была близкой к своему естественному теоретико-струнному значению, то нас бы
не существовало . Вселенная либо продолжала бы вечно
расширяться с огромным ускорением, либо бы мгновенно схлопнулась . Допустимое значение плотности
темной энергии всего на порядок выше, чем она есть
на самом деле .
а не привлечь ли антропный принцип для объяснения этой малости? Пусть где-то в ходе вечной инфляции случайным образам выпадает космологическая
постоянная будущей вселенной — равномерно от
10120 до –10120 от ее нынешнего значения . тогда в одной
из 10120 вселенных она окажется достаточно малой,
чтобы в ней мог появиться наблюдатель . Расточительно?
Да, но у нас есть 10500 вариантов, скинем 120 порядков,
всё равно остается гигантское число! многих космологов этот аргумент вполне удовлетворяет .
Возразить нечего . Впрочем, недавно такой же загадкой казалась близость плотности Вселенной к критической . Это требовало тонкой настройки в ранней Вселенной с точностью 10-60 . Почему бы и здесь не воспользоваться антропным принципом? Ведь если сбить эту
настройку, Вселенная бы уже сколлапсировала или разлетелась на отдельные атомы . Но решение было найдено — космологическая инфляция автоматически дает
плотность, равную критической .
Здесь нет твердых аргументов, есть только некоторые стратегические соображения . По нашему убеждению, пока не все возможности отвергнуты, пока остается надежда найти ответ — надо искать, не полагаясь
на антропный принцип . свалить 120 порядков величины на антропный принцип — это своего рода капитуляция! Упование на антропный принцип с отказом от
64


поисков конкретного объяснения в некотором смысле противоречит духу науки .
если бы плотность энергии
Наконец, совсем свежий вакуума (космологическая
пример . Почему масса бозона постоянная) была близкой
Хиггса оказалась столь «чело- к своему естественному
веческой», что ее удалось изметеоретико-струнному значерить? тут дело даже не в массе
бозона, а в энергетическом нию, то нас бы не существомасштабе нарушения электро- вало. вселенная либо прослабой симметрии, в массах должала бы вечно
W- и Z-бозонов . По идее, если расширяться с огромным
нет
каких-то
специальных ускорением, либо бы мгномеханизмов,
энергетический венно схлопнулась.
масштаб поля Хиггса должен
быть порядка планковского .
такой механизм понижения масштаба изобрели, он
называется «суперсимметрия» и предполагает существование новых элементарных частиц — суперсимметричных партнеров для известных частиц со спином,
измененным наполовину . фотино со спином Λ — для
фотона, скварки со спином 0 — для кварков и т . д . Чтобы
суперсимметрия правильно работала, массы этих неизвестных пока частиц тоже должны быть «человеческими»: большими, но достижимыми для Большого
адронного коллайдера .
открытие суперсимметричных партнеров было второй после бозона Хиггса большой надеждой, возлагаемой на БаК . Но она пока не оправдалась и, похоже,
уже не оправдается . Почему же тогда бозон такой легкий? и тут опять возникает соблазн применения
антропного принципа . Действительно, если увеличить
массу бозона Хиггса, все массы элементарных частиц
увеличатся, а это, как мы уже знаем, опасно для жизни .
Вселенная станет либо необитаемой, либо вовсе несуществующей . так почему бы не положиться на старый
65


добрый принцип?! Здесь ведь надо принести ему
в жертву всего 17 порядков величины, а не 120, как
в случае с космологической постоянной .
Дальше, видимо, не обязательно продолжать,
поскольку читатель и так уже должен был догадаться,
как мы относимся к подобному подходу .
и всё же антропный принцип имеет полное право
на существование — мы же присутствуем в этой Вселенной, данный экспериментальный факт учитывать
необходимо . Вопрос, по-видимому, в том, какие именно
свойства природы определяются из антропных соображений, а какие имеют другое, более «рациональное»
объяснение . Просто не надо антропным принципом
злоупотреблять и использовать его как повод для прекращения поиска .
Валерий Рубаков, Борис Штерн
11.09.2018


5.

СаХаров
и КоСмология.
Барионная
аСиммеТрия
вСеленной

Многие знают Андрея Дмитриевича Сахарова
как «отца» водородной бомбы и как общественного деятеля. О его вкладе в фундаментальную
науку знает гораздо меньше людей. Нельзя сказать, что этот вклад огромен в количественном плане — он написал на порядок меньше научных статей, чем, например, Я. Б. Зельдович.
Однако в ряде своих статей он сильно опередил
время, поставил вопросы и дал ответы, которые спустя многие годы определили направления, куда хлынули массы исследователей. В этой
главе мы рассказываем об одной из двух пионерских статей, повлиявших на развитие космологии. Интересная их особенность: правильный
подход и правильные выводы были сделаны с привлечением предположений, которые в природе
на самом деле не реализуются, что было понято
позже. Начнем с более поздней статьи о барион67


ной
асимметрии
Вселенной:
«Нарушение
СР-инвариантности. С-асимметрия и барионная
асимметрия Вселенной», А. Д. Сахаров, ЖЭТФ,
Письма в редакцию, 1967, т. 5, вып. 1.

ПоЧему наш мир состоит
только из вещества
(Без антивещества),
и ПоЧему вещества так мало?
В нашей галактике антивещества в заметных количествах нет . иначе, оно бы дало о себе знать, аннигилируя
с веществом . Его также нет в местной группе галактик .
Вообще можно сказать, что антивещество в той форме,
в которой находится вещество, в наблюдаемой Вселенной
практически отсутствует . В любом случае, теоретически
невозможно объяснить разделение вещества и антивещества на «острова» во Вселенной . Поэтому существует консенсус по поводу того, что Вселенная содержит только
вещество (за исключением небольшой части космических лучей, рождающейся при взаимодействиях частиц
высокой энергии) . таким образом, наша Вселенная зарядово несимметрична, чему мы должны быть благодарны:
нам не грозит встреча и аннигиляция с антиматерией .
Есть другой примечательный и в каком-то смысле
поразительный факт . На каждый барион во Вселенной
приходится более миллиарда фотонов реликтового
излучения . Почему этот факт поразителен? Чтобы ответить на этот вопрос, нужен краткий экскурс в термодинамику на уровне первого курса института .
Барионы — частицы, состоящие из трех кварков. Стабильных барионов только два — протон
68


и нейтрон в ядре (свободный нейтрон нестабилен).
Антибарионы — частицы, состоящие из трех
антикварков. Их свойства, включая стабильность,
аналогичны, только заряд антипротона противоположен. При огромной температуре и плотности среды барионы исчезают, превращаясь в газ
кварков, что имело место в первые доли секунды
существования Вселенной.
В первые мгновения существования Вселенной температура была настолько велика, что кинетическая
энергия барионов и других частиц космической среды
была гораздо больше их массы покоя . В столкновениях
энергичных частиц интенсивно рождались барионантибарионные (на современном языке правильнее сказать кварк-антикварковые) пары . В этом плане барионы
мало чем отличались от фотонов, и, согласно законам
термодинамики, их число в единице объема было почти
равно числу фотонов . Вселенная остывала, барионы
стали нерелятивистскими и проаннигилировали с антибарионами; их число в единице сопутствующего (расширяющегося вместе со Вселенной) объема «заморозилось» . Но и число фотонов в единице сопутствующего
объема тоже мало изменилось, несмотря на то, что
фотоны еще долго поглощались и излучались . Дело
в адиабатичности: в сравнительно медленно расширяющейся Вселенной энтропия в сопутствующем объеме
сохраняется, а по порядку величины энтропия равна
числу фотонов . Конечно, адиабатичность и сохранение
числа фотонов выполнялись неточно: в процессе расширения Вселенной массивные частицы (например,
электроны и позитроны) аннигилировали, энтропия,
заключенная в фотонах, росла, но лишь в несколько раз,
а не на много порядков .
Все это означает, что от барионов после их аннигиляции с антибарионами осталась лишь одна милли69


Рис. 5.1. я .Б . Зельдович, а .Д . сахаров и Д .а . франк-Каменецкий .
Начало 1950-х гг . снимок из архива музея сахарова .

ардная часть, хотя изначально во Вселенной была
почти равная смесь барионов и антибарионов . Но
в том то и дело, что не совсем равная — барионов
на одну миллиардную было больше . собственно, благодаря этой одной миллиардной мы и существуем:
иначе вещество во Вселенной было бы представлено
однородным чрезвычайно разреженным протонантипротонным газом .
избыток в одну миллиардную — вызов для ученых .
Если бы барионов и антибарионов было точно одинаково — это можно было бы объяснить симметрией
законов природы (объяснять, правда, было бы некому) .
Если бы изначально были только барионы — можно
было бы списать это на начальные условия или некий
принцип запрета . а одна миллиардная — это явно слегка
нарушенная симметрия . Каким образом?
сахаров в своей статье первым адекватно поставил
вопрос и дал на него правильные общие ответы, став70


шие классическими . Вот эти ответы, выраженные в виде
необходимых условий:
1. Должна быть асимметрия между миром и антимиром, выражаемая на научном языке как нарушение
С- и СР-симметрии.
2. Должен нарушаться закон сохранения барионного заряда, иными словами, числа барионов за вычетом числа антибарионов.
3. На начальной стадии расширения Вселенной
должно быть нарушено термодинамическое равновесие.

Рис. 5.2. галилей на Пизанской
башне . Рисунок сахарова для
доклада «Барионная асимметрия Вселенной» на конференции, посвященной 100-летию
а . а . фридмана . ленинград,
22–26 июня 1988 г .
(www .sakharov-center .ru) .

Прокомментируем эти условия .
Условие 1. Нарушение СР
Допустим, физики двух удаленных миров во Вселенной связались друг с другом по некоему мгновенному
каналу связи (в рамках этого мысленного эксперимента
махнем рукой на специальную теорию относительности) и научились понимать друг друга . одни спрашивают: что такое левая резьба в вашей документации?
тут нельзя обойтись фотографией, поскольку все равно
встанет вопрос, как разворачивать изображение — слева
71


направо, но как объяснить что такое левое и правое?
оказывается, физикам объяснить можно:
Возьмите обмотку с током и такой-то радиоактивный изотоп. Ядра в магнитном поле, создаваемом
обмоткой, будут поляризованы. Смотрите, в какую
сторону полетит больше электронов от бетараспада ядер. Направьте отвертку в этом направлении и вращайте ее в сторону, куда текут электроны
в вашей обмотке. При этом отвертка будет завинчивать болт с левой резьбой.
такое объяснение удалось сделать потому, что
в мире на уровне законов физики нарушена симметрия между правым и левым . Это нарушение невелико,
поэтому для объяснения пришлось привлекать
довольно тонкие эффекты . такая симметрия называется
Р-инвариантностью . На таком же уровне нарушена
симметрия между миром и антимиром, которая называется зарядовой, или с-инвариантностью . В антимире
позитроны полетят в противоположном направлении,
и отвертка антифизиков в такой постановке будет
закручивать правый болт . Поэтому, если физики двух
миров сомневаются, что они не в антимирах по отношению друг к другу, то вышеизложенная инструкция
не работает .
такая асимметрия между миром и антимиром достаточно тривиальна и компенсируется заменой правого
на левое . Понятно, что если отличие только в этом, то
никакого перекоса между барионами и антибарионами
в ранней Вселенной не получить . Если мир и антимир
одинаковы при замене правого на левое, это называется
сР-инвариантностью . Было время, когда считалось, что
сР-инвариантность выполняется точно . Но в первой
половине 60-х было экспериментально обнаружено
нарушение сР-симметрии . а это уже более существенное различие между миром и антимиром, хотя и выраженное очень слабо .
72


В свете нарушения сР-инвариантности физики разных миров уже могут понять, одинаковы или противоположны их миры в зарядовом отношении . соответствующая инструкция может выглядеть следующим
образом:
Возьмите нейтральные долгоживущие К-мезоны.
Они могут распадаться на три частицы, одна из
которых — либо электрон, либо позитрон (а две другие — заряженный пи-мезон и антинейтрино или нейтрино). Мы, земляне, называем позитроном такую
частицу, которая чаще рождается в этих распадах.
Если ваши атомы содержат позитроны, то вы сделаны из антивещества. Встреча с вами нам противопоказана!
Эффект, отличающий мир от антимира, еще слабей
эффекта, отличающего правое от левого . Но и начальный перекос между барионами ничтожен — одна миллиардная . В середине 60-х годов, когда а .Д . сахаров
работал над статьей, нарушение сР-инвариантности
было доказано . Правда, асимметрии между частицами
и античастицами в распадах нейтральных К-мезонов
еще не было обнаружено, нарушение сР проявлялось
довольно опосредованным образом . однако автор ссылается на так называемый эффект окубо — тогда еще
теоретическое заключение о том, что нарушение сР
должно приводить к маленькой зарядовой асимметрии
в каналах распада частиц — так, как описано в инструкции . В целом, к моменту написания статьи для первого
условия была достаточно твердая почва под ногами .
Этого не скажешь об остальных двух условиях .
Условие 2. Нестабильность протона
Если вначале число барионов и антибарионов было
равным, а потом барионов стало чуть больше, значит
барионное число не сохраняется . Это противоречит
нашему опыту: никто не наблюдал распада протона,
73


экспериментальное ограничение снизу на его время
жизни — 1032 лет, что на 22 порядка больше времени
жизни Вселенной . Протон — легчайшая частица, несущая барионное число, и именно практически точное
сохранение барионного числа запрещает ему распадаться на более легкие частицы . с другой стороны, нет
никаких фундаментальных принципов, требующих
абсолютно точного сохранения барионного числа
(в отличие от электрического заряда, для которого
такой принцип есть) . сахаров предположил, что протон может распадаться на три мюона (именно на три,
чтобы сохранялось число фермионов — протон состоит
из трех кварков) . Чтобы объяснить стабильность протонов в нынешней Вселенной, он сделал следующее
предположение:
Взаимодействие, переводящее кварки в мюоны, осуществляется неким промежуточным бозоном, при
этом оно принципиально трехчастичное: в одной
точке пространства-времени должны провзаимодействовать три бозона.
Это требование подавляет распад протона в наши
дни, но в первые мгновения Большого взрыва, когда
плотность энергии и плотность частиц огромна, трехчастичная реакция осуществлялась легко, и барионное
число нарушалось сильно .
В своей философии рецепт оказался абсолютно верным, в конкретном наполнении — нет . с развитием теории элементарных частиц были найдены другие механизмы, реализующие именно этот сценарий: сильное
нарушение барионного числа в ранней Вселенной при
большой плотности и температуре и практически точное его сохранение в наши дни . Ключевым фактором
оказалась большая масса промежуточного бозона, а не
трехчастичность реакции . Эффект тот же самый,
но такой вариант гораздо лучше вписывается в картину,
которая прояснилась гораздо позже . В современной
74


картине число фермионов не сохраняется, поэтому распад протона, состоящего из трех кварков, на три мюона
вовсе не обязателен, протон может распадаться, например, на позитрон и гамма-квант .
Условие 3. Неравновесность в ранней Вселенной
В вышеприведенном мысленном эксперименте мы
не могли призывать инопланетных физиков измерять
разные соотношения между массами частиц или анализировать атомные спектры, чтобы определить живут ли
они в мире или антимире, — это, скорее всего, бесполезно . Есть достаточно глубокий принцип, гласящий,
что массы частиц, атомные уровни, и вообще все характеристики явлений, явно не зависящие от времени, одинаковы в мире и антимире . Этот принцип носит название сРт теоремы, утверждающей, что если сохраняется
лоренц-инвариантность (принцип, лежащий в основе
специальной теории относительности), и теория взаимодействия частиц подчиняется неким простым и разумным физическим принципам, то физический мир
не меняется при переходе к антимиру, замене правого
на левое и обращении времени . Если нарушается
сР-инвариантность, то это нарушение компенсируется
обращением времени .
таким образом, все величины, характеризующие стационарные (не зависящие от направления стрелы времени) процессы в мире и антимире, одинаковы, а нестационарные могут быть разными, например, распады
частиц могут отличаться .
система, находящаяся в термодинамическом равновесии, в этом смысле стационарна, даже если она адиабатически медленно расширяется и остывает . При адиабатичности прямые и обратные реакции между частицами, распады частиц и их рождение уравновешены,
медленное изменение системы обратимо и работает
сРт теорема, запрещающая перекос между частицами
75


и античастицами . Другими словами, при стремлении
к тепловому равновесию система становится всё более
и более симметричной; если в ней возможны процессы
с нарушением барионного числа, то барионная асимметрия вымывается, а не образуется .
стационарность должна быть нарушена, и это может
сделать, например, распад очень тяжелых частиц на ранней стадии расширения Вселенной, если время обратной реакции их рождения велико по сравнению с темпом остывания .
В середине 60-х единственной обсуждавшейся теоретиками частицей, подходящей на эту роль, был максимон, предложенный м .а . марковым . По замыслу он
имел громадную по меркам физики частиц массу (10-5 г)
и выпадал из термодинамического равновесия практически сразу после начала расширения Вселенной от
максимально возможной (планковской) температуры
и плотности . именно это а . Д . сахаров и предположил
в своей работе .
Примерно через 10 лет в теории появились новые
интересные возможности для нарушения стационарности — об этом ниже . максимоны уже не требуются, есть
другие частицы, хорошо вписывающиеся в современную картину .

Последующее развитие
следующей заметной работой по барионной асимметрии Вселенной была статья В .а . Кузьмина 1970 г .
В ней была предложена модель взаимодействий между
элементарными частицами, в которой барионная асимметрия образуется при температурах, гораздо ниже
планковской . механизм остался тот же — распады
новых тяжелых частиц . Но появляется то, чего нет при
76


планковских масштабах: твердая почва под ногами теоретиков . Дело в том, что при предельных температурах
и плотностях сильны эффекты квантовой гравитации —
это то, что современной науке пока не по зубам . а при
температурах ниже планковской о свойствах Вселенной
можно говорить более-менее уверенно, поэтому появилась возможность связать величину асимметрии с параметрами, закладываемыми в модель, и проверить, что
наблюдаемое значение — одна миллиардная — действительно может быть получено .
Замечательно, что модель Кузьмина предсказывала
новый тип процессов с нарушением барионного числа —
переходы (осцилляции) между нейтроном и антинейтроном . Этот процесс экспериментаторы до сих пор
ищут, но пока безуспешно .
Важный этап развития исследований по проблеме
барионной асимметрии был открыт работой а .Ю . игнатьева, Н .В . Красникова, В .а . Кузьмина и а .Н . тавхелидзе
и независимой работой м . Йошимуры в 1978 году . Этот
этап связан с построением в середине 70-х годов теорий Большого объединения, в рамках которых все
известные силы, за исключением гравитационных, происходят из единого взаимодействия .
Правда, наблюдаемые ныне взаимодействия были
по настоящему едины лишь в первые мгновения после
Большого взрыва при колоссальной температуре .
В принципе, объединение взаимодействий можно было
бы «прощупать» и в наши дни, но реально оно происходит при сверхвысоких энергиях, недоступных
ни современным, ни будущим ускорителям . однако
в теориях Большого объединения барионное число
не сохраняется автоматически, поэтому сильным аргументом в их пользу послужило бы обнаружение распада протона . Большое время жизни протона, кстати,
как раз и связано с большим масштабом энергий Большого объединения .
77


Если раньше нарушение барионного числа приходилось вводить в рассмотрение исключительно для объяснения барионной асимметрии, то в рамках теорий
Большого объединения можно воспользоваться тем,
что оно в них и так имеется . В таком сценарии асимметрия образуется при температурах, соответствующих
кинетической энергии частиц порядка 1015 гэВ . Это
на четыре порядка ниже планковского масштаба, но всё
равно очень много . тяжелые частицы, в распадах которых проявляется асимметрия, в этих теориях есть,
источники сР-нарушения — тоже, поэтому, казалось бы,
всё встает на свои места . и действительно, многочисленные работы конца 70-х — начала 80-х годов показали, что объяснить наблюдаемую барионную асимметрию с помощью теорий Большого объединения можно .
трудностей две . Во-первых, приходится предполагать,
что Вселенная когда-то была разогрета до чрезвычайно

Рис. 5.3. На форуме «За безъядерный мир» . москва, 14–16 февраля
1987 г . фото с сайта www .sakharov-archive .ru .

78


высоких температур, а это не очень увязывается с теорией раздувающейся Вселенной (космологической
инфляции) . Эта теория, в которой Вселенная за первые
мгновения своего существования раздулась на много
порядков величины, естественным образом отвечает
на целый ряд трудных вопросов, поэтому является
почти общепринятой . Во-вторых, открытия распада
протона, подтверждающего гипотезу о Большом объединении, до сих пор не произошло, несмотря на все
усилия экспериментаторов .
Новый поворот произошел в 1985 г ., когда В .а . Кузьмин, В .а . Рубаков и м .Е . Шапошников выяснили, что
в ранней Вселенной интенсивное несохранение барионного числа происходит в результате уже известных,
слабых и электромагнитных взаимодействий . При этом
процессы с нарушением барионного числа идут при
температурах вплоть до 100 гэВ (в энергетических единицах), что, конечно, гораздо ниже температуры Большого объединения 1015 гэВ . такой результат открыл
несколько новых возможностей для объяснения барионной асимметрии . одна из них — предложенный
в 1986 г . м . фукугитой и т . янагидой лептогенезис —
увязывает барионную асимметрию со свойствами нейтрино . Другая, пожалуй, наиболее интригующая возможность — образование барионной асимметрии
в результате фазового перехода первого рода, происходившего во Вселенной при температурах около
100 гэВ (при сравнительно низких температурах именно
в процессе фазового перехода первого рода может быть
выполнено третье условие сахарова — отклонение от
теплового равновесия) . Эта область энергий как раз
и изучается в экспериментах на Большом адронном
коллайдере, так что результаты его работы позволят
выяснить, был ли такой фазовый переход . Если ответ
положителен, то перспектива однозначного ответа
на вопрос о происхождении асимметрии между веще79


ством и антивеществом на основе будущих экспериментов в физике высоких энергий станет вполне реальной . именно это направление и конкурирующий с ним
лептогенезис стали современным мейнстримом в теме
барионной асимметрии .
с высоты времени ряд положений статьи а .Д . сахарова может показаться наивным . Действительно, трудно
поставить себя на место человека, пытавшегося осмыслить явление раньше, чем наука дозрела до этого . Но
если вдуматься, становится ясно, насколько провидческой для своего времени была данная статья .
Валерий Рубаков, Борис Штерн
24.05.2011


6.

СаХаров
и КоСмология.
маСШТаБная
линейКа
вСеленной

В предыдущей статье, посвященной вкладу
Андрея Дмитриевича Сахарова в космологию, речь
шла о барионной асимметрии Вселенной и его
работе на эту тему. Сейчас мы рассказываем
о более ранней работе, в которой был теоретически предсказан эффект, получивший впоследствии
название «Сахаровские осцилляции».
Распределение материи в современной Вселенной
неоднородно на масштабах примерно до 100 мегапарсек (300 миллионов световых лет) . она выглядит как
гигантская застывшая пена, типа монтажной, используемой для установки окон: почти пустые пузыри (так
называемые войды) и стенки . откуда взялась эта структура? ясно, что она — результат гравитационной неустойчивости, той же самой, что заставляет облака космического газа и пыли сгущаться в звезды . Задолго до
открытия этой структуры я .Б . Зельдович теоретически
81


показал, что гравитационная неустойчивость в ранней
Вселенной должна дать именно такую пену (пересекающиеся «блины» в терминологии Зельдовича) в результате роста первоначальных возмущений плотности,
неясен был только ее масштаб . Реальная картина проявилась только к концу 80-х, когда «пена» прорисовалась на трехмерных картах скоплений галактик по данным обзоров (см . цветную вкладку рис .4) . Но главный
вопрос оставался: из каких начальных возмущений
сконденсировалась «пена» крупномасштабной структуры Вселенной?
Работа а .Д . сахарова, о которой идет речь, делалась
в первой половине 60-х годов и была опубликована
в 1965 г . тогда про крупномасштабную структуру ничего
не знали . Но все равно стоял вопрос: как возникли скопления галактик и сами галактики, откуда взялись
начальные возмущения, из которых они сгустились?
В то время не знали многих других вещей: еще не была
сформирована концепция раздувающейся Вселенной,
еще не было открыто реликтовое излучение . Последнее
обстоятельство делало теорию горячей Вселенной недоказанной гипотезой, что позволяло предполагать, что
Вселенная родилась плотной, но холодной . модель горячей Вселенной была популярной, но я .Б . Зельдович, чей
авторитет в космологии был бесспорен, в то время пропагандировал модель холодной Вселенной .
исходные предположения сахарова в данной работе
таковы:
1. Первоначальные возмущения плотности в ранней
Вселенной имеют природу квантовых флуктуаций.
Это предположение и поныне лежит в фундаменте
космологии .
2. Возмущения возникли в самом начале Большого
взрыва, при планковской плотности, когда сильны
эффекты квантовой гравитации, и дальше эволюцио82


нировали в соответствии с расширением Вселенной.
По наиболее популярным современным представлениям это не так: возмущения, определившие «лицо»
Вселенной, возникли позже, на стадии экспоненциального раздувания (инфляции) Вселенной .
Здесь важно то, что независимо от механизма образования, первичные возмущения появились во Вселенной очень рано . В этом смысле предположение
а .Д . сахарова суть ухватывало .
3. Изначально температура Вселенной равна нулю.
Это ошибочное предположение, которое, по признанию самого а .Д ., сильно снизило ценность работы . оно
сделано под влиянием я .Б . Зельдовича, на которого а .Д .
ссылается в своей статье по этому поводу . однако эта
ошибка не стала фатальной, поскольку уравнения состояния (связь между плотностью энергии и давлением)
в горячей и холодной моделях совпадают до некоторого момента .

из физики Первых мгновений
Что происходит с первичными возмущениями при
расширении Вселенной? они становятся акустическими
волнами, двигающимися со скоростью звука, участвуя
в общем расширении . Хорошо известно, чему равна
скорость звука в самой ранней Вселенной: с/3, где с —
скорость света . Это результат так называемого ультрарелятивистского уравнения состояния, когда давление
в среде равно одной трети плотности энергии, p = e/3 .
Последняя включает энергию покоя частиц, поэтому
в разреженном газе из холодных, а значит медленных,
частиц давление много меньше плотности энергии,
а скорость звука много меньше скорости света . Наобо83


рот, ультрарелятивистское уравнение состояния возникает, когда в среде частицы двигаются со скоростью
близкой к скорости света .
В горячей Вселенной ультрарелятивистское уравнение состояния держится довольно долго — около
300 тыс . лет . Первые доли секунды оно поддерживается
за счет того, что все частицы двигаются почти со скоростью света из-за высокой температуры . Потом температура падает настолько, что протоны становятся нерелятивистскими (движущимися существенно медленней
скорости света) . однако они выгорают, проаннигилировав с антипротонами, их число уменьшается на девять
порядков величины (см . предыдущую главу) . Дальше
в течение секунд во Вселенной доминируют безмассовые фотоны и легкие электроны с позитронами . Последние тоже аннигилируют друг с другом, когда становятся
нерелятивистскими, при этом электронов тоже остается
одна миллиардная от их прежнего числа . Далее в плотности энергии Вселенной доминируют фотоны . Протоны хоть и тяжелые, но их в миллиард раз меньше —
многочисленные фотоны поддерживают ультрарелятивистское состояние еще около 300 тыс . лет . тогда же,
через 380 тыс . лет после Большого взрыва, происходит
еще одно важное событие, но об этом — ниже .
В холодной Вселенной работает совсем другая
физика, которая тоже обеспечивает ультрарелятивистское уравнение состояния, но только первые доли
секунды . Это чисто квантомеханический эффект, в его
основе лежит принцип Паули, запрещающий двум протонам или двум электронам находиться в одном квантомеханическом состоянии .
тот же самый принцип не дает всем электронам
в атоме сесть на низший энергетический уровень .
В плотном газе принцип Паули тоже заставляет электроны распределяться по разным энергиям (точнее,
по импульсам, где направление тоже имеет значение) .
84


Если температура равна нулю, частицы равномерно
заполняют объем сферы в пространстве импульсов .
такой газ частиц называют вырожденным ферми-газом,
а максимальную энергию частиц, ниже которой весь
фазовый объем заполнен,— энергией ферми . Чем
больше плотность, тем выше энергия ферми . Если энергия ферми много больше энергии покоя частицы, имеем
p = e/3 даже при нулевой температуре .
Через доли секунды после начала расширения холодной Вселенной энергия ферми становится меньше
массы протона, и скорость звука падает практически до
нуля .
В общем, с точки зрения акустики, начальные этапы
расширения в холодной и горячей Вселенной качественно похожи: уравнение состояния то же самое, скорость звука та же самая, и там и там происходит переход к нерелятивистскому уравнению состояния, только
в очень разное время .

стояЧие волны
итак, вначале были квантовые первичные возмущения плотности . они стали распространяться по Вселенной, как звуковые волны, со скоростью, сравнимой со
скоростью света .
любые колебания, подчиняющиеся линейным дифференциальным уравнениям, будь то звук или свет, можно
смело раскладывать на волны разных длин и смотреть
по отдельности, что происходит с каждой из них .
Для начала, допустим, что некая вселенная внезапно
возникла, будучи в целом однородной, но с локальными
возмущениями плотности и не расширяется (это внутренне противоречивая картина, но мы ее используем
лишь для иллюстрации) . Начальные неоднородности,
85


если они были хаотическими (случайными), превратятся в волны разных длин, складывающиеся в хаотическую картину . спектр этих волн в произвольный момент
времени примерно повторяет спектр начальных возмущений, хаос остается хаосом . Но может быть более
интересная ситуация: волны могут оказаться стоячими .
Пример стоячей волны — колебания струны на гитаре .
Вся струна в один момент выпрямляется, через четверть периода максимально изгибается, потом снова
целиком выпрямляется и т .п . В случае со струной «стоячесть» колебаний обеспечивается закрепленными концами . Другой пример: стоячие волны около бетонной
стены причала в порту . точно так же на одном и том
же месте то возникают высокие волны, то поверхность
воды разглаживается . там нет закрепленных концов,
но есть отраженная волна, которая, суммируясь с набегающей, дает стоячие волны .
Любую карту начальных возмущений можно разложить в ряд Фурье, члены которого будут иметь вид
плоских волн: C cos(xk + ϕ), где x — координата, k —
волновой вектор ϕ — фаза. Решение волнового уравнения для звуковых колебаний хорошо известно: каждому члену разложения будут соответствовать плоские волны: С cos(xk — tν + ϕ.). Здесь v — частота
колебаний волны, которая связана с волновым вектором через скорость звука v: v = k v.
Если скорость вещества вначале равна нулю, то
начальные возмущения статичны, т.е. они не зависят от времени. В этом случае волны можно сгруппировать по симметричным парам с противоположно направленными волновыми векторами:
0.5 C cos (xk — tv+ ϕ) + 0.5 C cos (–xk — tv –ϕ)
(т.е. k → –k, ϕ → –ϕ).
Действительно, положив t = 0, получаем исходное
разложение, а продифференцировав по времени, полу86


чаем нуль при t = 0. Наконец, разложив косинус суммы
двух углов, получаем стоячие волны вида C cos(xk + ϕk)
cos (tv), т.е. амплитуда волн с данной частотой
будет синхронно и периодически меняться во всем
пространстве.

Рис. 6.1. фото из
музея сахарова .

оказывается, и в целой вселенной можно получить
стоячие звуковые волны . самая простая возможность
(хотя и не единственная) — потребовать, чтобы все
начальные возмущения во вселенной были статичными, т .е . начальные скорости вещества в них были
равны нулю . тогда все возникшие волны можно будет
разбить на противоположно направленные симметричные пары плоских волн — как волны у стены причала,
и их сумма даст именно стоячие волны, синхронно
исчезающие и вырастающие во всем пространстве .
Чтобы проверить это самому, достаточно знаний курса
общей физики и умения разлагать косинус суммы двух
углов (см . выше) .
87


Какой будет картина звуковых колебаний плотности
во вселенной в случае стоячих волн? На глаз она
по-прежнему будет казаться хаотичной, но если построить спектр флуктуаций плотности в пространстве (для
этого надо карту плотности среды во вселенной подвергнуть преобразованию фурье), то выявится удивительная вещь: он периодичен!
спектр неоднородностей в зависимости от их размера L будет пропорционален cos2 (2π p T v/L), где т —
возраст вселенной (считаем, что скорость звука v
не зависит от времени) . из этой зависимости можно
оценить возраст своей вселенной! однако наше требование о том, чтобы все начальные возмущения плотности были статичными в придуманной нами статичной
вселенной, ниоткуда не следует .
Как обстоит дело в расширяющейся вселенной?
основные отличия таковы:
1. Каждая волна будет участвовать в расширении,
и ее длина и частота будут меняться.
2. Условие статичности начальных возмущений
выполнится автоматически!
Дело в том, что вначале вселенная расширяется столь
быстро, что начальные скорости вещества быстро забываются, тогда как амплитуды волн остаются прежними .
Это значит, что все звуковые колебания плотности
в ранней вселенной будут иметь вид стоячих волн, при
одинаковой частоте синхронно во всем пространстве
достигать максимума и обращаться в ноль . Это утверждение прямо следует из работы а .Д . сахарова . Зависимость амплитуды волн от времени получается несколько
более сложной, чем косинус, она выражается через
функции Бесселя, которые тоже осциллируют в зависимости от длины волны .

88


волны застывают
Давление среды во Вселенной рано или поздно
в некое время T становится много меньше плотности
энергии, и скорость звука сравнительно быстро падает
на порядки . акустические волны становятся застывшими неоднородностями плотности, причем они застывают практически одновременно, независимо от длины
волны . и эту картину застывших волн можно попытаться увидеть, если как-то суметь снять карту неоднородностей и разложить ее в ряд фурье .
Что мы должны увидеть? «Застывание» всё-таки
происходит не мгновенно, поэтому короткие волны
успевают усредниться, пока скорость звука падает . Значит, коротковолновая часть спектра будет невыразительной, лишенной каких-то особенностей . а более
длинные волны, которые успели совершить ровно
одно-два-три-четыре колебания с рождения Вселенной,
проявятся в спектре в виде четких максимумов, разделенных провалами . Еще более длинные волны, которые не успели совершить ни одного колебания, опять
дадут плавную часть спектра, лишенную особенностей .
именно такая картина получила название «сахаровские
осцилляции» . Правда, именной термин используется
далеко не всеми, в настоящее время чаще используется его синоним «акустические осцилляции» .
Когда происходит застывание, и на каких масштабах
оно должно проявиться? В варианте холодной Вселенной, как уже было сказано, скорость звука падает через
доли секунды . При этом самый длинноволновый максимум в спектре неоднородностей охватывает массу
вещества порядка массы небольших звезд .
В том же 1965 году, когда была опубликована данная работа а .Д . сахарова, было открыто реликтовое
излучение, однозначно свидетельствующее о том, что
89


Вселенная родилась горячей . В связи с этим потребовался новый анализ акустических осцилляций . Это сделали независимо я .Б . Зельдович с Р .а . сюняевым1
и J . Peebles с J .T .Yu2 . Как уже сказано выше, в горячей
Вселенной скорость звука падает примерно через
380 тыс . лет . При этом в самый длинноволновый пик,
соответствующий одному колебанию, оказываются
вовлечены массы порядка 1018 масс солнца: десятки
миллионов галактик .
горячая модель дает еще один сюрприз — фотографию Вселенной возраста 380 тыс . лет, как раз той эпохи,
когда уравнение состояния Вселенной менялось, и скорость звука падала . Дело в том, что в это время температура Вселенной упала настолько, что электроны
с протонами рекомбинировали в атомы водорода и Вселенная стала прозрачна для света . Этот свет из-за расширения Вселенной превратился в радиоволны — знаменитое реликтовое микроволновое излучение .

улыБка мироздания
Если бы а .Д . сахаров увидел спектр мощности угловых гармоник реликтового излучения (см . цветную
вкладку рис . 3)! я .Б . Зельдовичу тоже не довелось его
увидеть, зато многие, принимавшие непосредственное
участие в развитии теории, дожили .
мощь науки ярче всего проявляется не тогда, когда
удается объяснить ранее непонятный эффект, а когда
кто-то предсказывает нечто неординарное и потом это
находят воочию . Крупных примеров подобного рода
R . Sunyaev, Ya . Zeldovich . Astrophysics and Space Science
vol . 7 (1970), p .3
2
P .J .E . Peebles, J .T . Yu . Astrophysical Journal vol . 7 (1970), p .815
1

90


в истории не так уж много . Хрестоматийный пример —
открытие Нептуна «на кончике пера» .
сахаровские осцилляции в некотором плане куда
«круче», прежде всего своей запредельностью масштабов, как непредставимо маленьких, так и непредставимо
больших . сидит человек и пишет формулы с невероятными цифрами: возраст Вселенной — 10-43 секунды,
плотность —1098 грамм на см3, что-то из них пытается
вывести . откуда убеждение, что на таких масштабах
вообще работает наша логика, что к ним применимы
законы, выведенные человеком? с точки зрения постороннего, ученый в данном случае занимается полными
абстракциями, фантазиями на деньги налогоплательщиков . В результате значительных усилий человек выводит на бумаге, что распределение неких флуктуаций
плотности во Вселенной должно описываться некой
осциллирующей функцией Бесселя .
Через десятилетия люди запускают космический
аппарат с прецизионным приемником микроволнового
радиоизлучения, испущенного миллиарды лет назад .
и видят из карты этого излучения ту самую осциллирующую функцию Бесселя!
Наблюдение самого факта акустических осцилляций — только начало . оказывается, они лучше, чем чтонибудь другое, помогают измерить целый ряд параметров нашей Вселенной, включая ее возраст и геометрию . Это примерно то же самое, как если бы на карте
ранней Вселенной увидели бы масштабную линейку
с делениями в мегапарсеках, да и не только линейку —
часы и целую «метеостанцию» с различимыми показаниями на циферблатах .
Например, высота главного пика над подложкой дает
оценку плотности вещества во Вселенной, а положения
пиков «чувствуют» геометрию пространства . Последнее
свойство нетрудно понять: длина акустической волны,
попавшей в максимум через 380 тыс . лет после Боль91


шого взрыва, фиксирована, а угол, под которым она
сегодня видна, зависит от того, евклидово наше трехмерное пространство или нет . именно из измерений
положений пиков следует, что пространство на самом
деле евклидово: сумма углов треугольника составляет
в нем 180°, даже если речь идет о треугольниках со сторонами в десятки миллиардов световых лет .
сахаровские осцилляции — не единственная зацепка
для космологов — есть еще далекие сверхновые, скопления галактик, гравитационное линзирование . Но это,
безусловно, самая надежная опора .
мы рассказали всего о двух научных работах андрея
Дмитриевича сахарова . Это лишь небольшая часть из
того, что он сделал за свою жизнь . однако даже по двум
работам можно судить о мощи этого человека: в них
не просто решены какие-то проблемы . В этих работах
поставлены и решены проблемы, которые еще никто
не видел в то время .
Валерий Рубаков, Борис Штерн
19.07.2011


7.

WMAP: ТриУмф
девяТилеТней
СлУжБы

В декабре 2012 года вышло два препринта коллаборации WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe)1, подводящие итоги 9-летней работы космической станции по «картографированию» реликтового микроволнового излучения, испущенного
рекомбинирующей плазмой, когда Вселенной было
380 тыс. лет.
Карта (аналогичная
изображенной на цветной
вкладке рис . 1, но с несколько худшим разрешением)
совершенно хаотична, и, кажется, что из нее нельзя
извлечь ничего интересного . На самом деле, в ней
зашифрована важнейшая информация о Вселенной,
карта говорит о ней, как о целом, больше, чем наблюдения далеких галактик и квазаров . Причем эта информаBennett, C . L .; et al . (2013) . “Nine-Year Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results” . Astrophysical Journal Supplement . 208 (2): 20 . arXiv:1212 .5225
G . Hinshaw et al . “Nine-Year Wilkinson Microwave Anisotropy
Probe (WMAP) Observations: Cosmological Parameter Results”,
arXiv:1212 .5226
1

93


ция касается не только параметров Вселенной,
но и самого процесса ее «сотворения», который называется «космологическая инфляция» . По мнению автора,
суммарное научное значение результатов WMAP превосходит значение открытия бозона Хиггса . Просто эти
результаты растянуты во времени . Но для начала полезен небольшой экскурс в прошлое .

Предсказание
Бывают удивительные истории, когда некий вывод,
найденный кабинетным ученым на бумаге вне всякой
связи с реальностью, вдруг через много лет обретает
плоть и мощь, становясь одной из несущих конструкций
науки . такая история произошла с работой а . Д . сахарова, сделанной в 1963 году . В этой работе исследована
эволюция акустических колебаний вещества в ранней
Вселенной и получен очень интересный красивый
результат . мы с Валерием Рубаковым писали об этой
работе в предыдущей главе . сейчас кое-что стоит повторить вкратце .
В ранней Вселенной изначально возникли неоднородности плотности материи . По современным представлениям, неоднородности возникают как квантовые
флуктуации во время космологической инфляции (раздувания), в первые 10-35 секунды . Через доли секунды
эти неоднородности оживают и начинают колебаться
как звуковые волны . сейчас мы знаем, что среда во Вселенной (как в ранней, так и в современной) состоит из
преобладающей темной материи и обычного вещества,
которые взаимодействуют только через гравитацию
и во многих отношениях ведут себя независимо друг от
друга . акустическим колебаниям подвержено только
обычное вещество .
94


Важная вещь: у всех волн на старте оказывается одинаковая фаза . Это — стоячие волны, подобные волнам
на гитарной струне . их можно наблюдать, например,
в порту, у бетонной стены причала . там «стоячесть» обеспечивается интерференцией набегающих и отраженных
волн . В результате амплитуда волн синхронно меняется:
поверхность то вспучивается высокими буграми, то разглаживается . В ранней Вселенной волны оказываются стоячими из-за быстрого расширения пространства .
Поскольку все волны определенной длины имеют
общую фазу, через четверть периода (π/2) они проходят через ноль, а через полпериода (π) вновь достигают максимума (частота волны в процессе расширения вселенной уменьшается, поэтому фаза — функция
времени, деленного на масштабный фактор) . Значит,
в любой момент времени волны, у которых набралась
фаза π, 2π,…, будут иметь максимальную амплитуду, а Λ
π, 3/2 π, … — нулевую . и благодаря акустическим волнам в любой момент, в том числе и во время испускания реликтового излучения, неоднородности барионной материи на одних размерах будут выделены,
на других подавлены . Если разложить карту застывших
неоднородностей по угловым гармоникам (мультиполям), получится осциллирующая кривая . Эффект получил название «сахаровские осцилляции», хотя в настоящее время в научной литературе чаще используется
термин «акустические осцилляции» .
сахаров работал в предположении, что Вселенная
холодная, что было опровергнуто в тот же год, когда
статья сахарова вышла из печати . Но само явление
осталось применимым и к горячей Вселенной . Причем
оно оказалось реально наблюдаемым, чего не мог предвидеть сахаров .
то, что сахаровские осцилляции в принципе можно
наблюдать, стало ясно после открытия реликтового
излучения в 1965 году . Перспективу давало само релик95


товое излучение: ведь его карта и есть карта ранней
Вселенной, где должны быть запечатлены все неоднородности, еще не успевшие исказиться из-за гравитационной неустойчивости . Эффект осцилляций был проанализирован заново для случая горячей Вселенной
Р .а . сюняевым и я .Б . Зельдовичем1, а также независимо
Дж . Пиблзом и Ж .Ю2 — обе работы опубликованы
в 1970 году . Прошло четверть века, и сахаровские осцилляции увидели воочию .

«Показания стрелок» на карте
основная картинка, демонстрирующая результат
работы космической станции WMAP, представлена
на рис . 7 .1 . Это расшифровка карты, которая аналогична
показанной на рис . 1 в цветной вкладке . основная часть
точек — результаты WMAP . точки справа на падающем
«хвосте» спектра получены аппаратурой с меньшим
охватом неба, но с лучшим угловым разрешением . точки
с наименьшими ошибками получены на микроволновом
телескопе, расположенном на Южном полюсе (тарелка
диаметром 10 м) .
Высокий пик (соответствует «пятнистости» размером
около градуса) — акустические волны, пришедшие
к моменту рекомбинации с фазой π . За одно колебание
они успели подрасти из-за гравитационного взаимодействия с темной материей, которая за это время «скомковалась» почти в сотню раз сильней барионного вещества . Правее — следующие пики, соответствующие фазе
2π и 3π и т .д . они ниже, в частности, потому, что оказаR . Sunyaev, Ya . Zeldovich . Astrophysics and Space Science
vol . 7 (1970), p .3
2
PJ .E . Peebles, J .T . Yu . Astrophysical Journal vol . 7 (1970), p .815
1

96


l(l + 1)Cl/2π(mK2)

90о

2о

10

100

0,5о

Угловой масштаб
0,2о

0,1о

4000

1000
500

1000

2000

мультипольный момент, l
Рис. 7.1. Разложение карты реликтового излучения по мультипольным моментам, или, что то же самое, по угловым гармоникам
(спектр мощности) . Высокий пик слева означает, что карта имеет
самую контрастную пятнистость при размере пятна около градуса .
сплошная кривая — результат подгонки теории тольКо к данным
WMAP, данные при мультипольных моментах больше 1000 не использовались! Рисунок взят из статьи .1

лись частично замыты: рекомбинация происходит
не мгновенно, и «фотография» чуть растянута во времени — мелкомасштабные неоднородности успевают
разгладиться (так называемый эффект силка) .1
осциллирующая кривая на рис . 7 .1 поразительно
информативна . Это примерно то же самое, если бы мы
Bennett, C . L .; et al . (2013) . “Nine-Year Wilkinson Microwave
Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Final Maps and Results” . Astrophysical Journal Supplement . 208 (2): 20 . arXiv:1212 .5225
1

97


увидели на карте ранней Вселенной показания разнообразных измерительных приборов . Причем эти показания точнее, чем можно извлечь из измерений параметров современной Вселенной . В частности, положение
пиков весьма чувствительно к кривизне нашего трехмерного пространства Ωk, — этот параметр примерно
равен относительному отклонению суммы углов треугольника от 180о для треугольника размером с видимую часть Вселенной . оказывается, наша Вселенная
с хорошей точностью плоская на масштабе горизонта
(Ωk = -0,037±0,043, если брать только данные WMAP,
и Ωk = 0,001±0,012, если привлечь также данные наземных микроволновых телескопов) . Высота главного пика
чувствительна к относительному вкладу барионов
в содержимое Вселенной . соотношение между вторым
и третьим пиками зависит от вклада темной материи .
и так далее .
Конечно, эффекты от всех этих и других параметров
запутаны, и их извлекают не по отдельности, а все вместе посредством процедуры, называемой «подгонкой
методом максимального правдоподобия» . Для подгонки
кроме данных нужна теоретическая модель, которая
предназначена описать данные . Здесь она слишком
сложна, чтобы ее можно было выразить формулой .
модель включает в себя множество процессов . Прежде всего, это генерация начального спектра неоднородностей, предположительно, механизмом космологической инфляции .
В первом приближении спектр — плоский (амплитуды неоднородностей любых размеров одинаковы),
но небольшое отличие от плоского может иметь место
и представляет большой интерес . Поэтому наклон спектра (степенной индекс ns) входит в число подгоночных
(свободных) параметров . амплитуда неоднородностей — второй параметр . Далее, концентрация обычного
(барионного) вещества влияет на процесс рекомбина98


ции и определяет, с какой «глубины истории» к нам приходят фотоны реликтового излучения . Это третий свободный параметр . темная материя дает неоднородный
гравитационный потенциал, влияющий на акустические
волны . Ее концентрация — четвертый свободный параметр . В минимальной модели кривизну Вселенной Ωk
считают равной нулю, тогда остается эффект темной
энергии, от нее зависит время распространения фотонов
после рекомбинации и, соответственно, расстояние,
которое они пролетели . так что плотность темной энергии — это еще один параметр . Правда, не все эти параметры независимы: полная плотность энергии во Вселенной должна давать критическую плотность . Эта
критическая плотность (иными словами, современное
значение параметра Хаббла) служит пятым параметром .
так что пока свободных параметров пять.
Это еще не всё . оказывается, состояние Вселенной
после рекомбинации тоже влияет на карту реликта .
свободные электроны рассеивают излучение, что слегка
замывает картину и требует учета . Электроны связываются в атомы в эпоху рекомбинации, но через сотни
миллионов лет межгалактический газ снова меняет свое
состояние — под действием ультрафиолетового излучения квазаров и звезд происходит вторичная ионизация .
Когда точно она произошла — мы не видим . Поэтому
это шестой свободный параметр .
теперь осталось все вычислить в зависимости от
параметров — как развивались неоднородности темной
материи в расширяющейся Вселенной, как колебались
волны барионной материи и как они взаимодействовали через гравитацию с темной материей, как проходила рекомбинация вещества, как излучались фотоны
реликтового излучения и как они взаимодействовали
по дороге . и многое другое . и подобрать такую шестерку
параметров, которая наилучшим образом опишет данные, показанные на рис . 7 .1 .
99


Вот наиболее важные из этих и других (вычисляемых) параметров:
• Плотность барионов в единицах критической
плотности Ωb = 0,0463±0,0024
• Плотность темной материи в тех же единицах
Ωc = 0,233±0,023
• Плотность темной энергии в тех же единицах
Ωλ = 0,721±0,025
• Возраст Вселенной 13,74±0,11 млрд лет (точность
лучше процента!) .
Это результаты всех 9 лет работы WMAP . Дальше
начинается дополнительная игра: данные WMAP дополняются информацией, полученной другими методами,
в частности из обзоров неба обычными телескопами .
точность возрастает .
одна из самых интересных вещей, которые при этом
обнаруживаются: отклонение спектра первичных возмущений от чисто плоского становится статистически
значимым: ns = 0,9608±0,0080 (пять стандартных отклонений от плоского, соответствующего ns=1) . Это уже
кое-что говорит о самом процессе инфляции .

вклад в фундаментальную
физику
Космологическая инфляция работает как исполинский конвейер . Все возмущения плотности рождаются
с определенным размером: 10-27 см или около того .
Потом каждое возмущение растягивается в e-раз за
каждые 10-37 с, за это время генерируются новые, еще
не растянутые . и когда «конвейер» останавливается,
проработав, скажем, 10-34 с, имеем плоский спектр,
100


простирающийся от 10-27 до 10300 см (последнее число
очень условно) . Нас интересуют те возмущения, которые при остановке составляли от долей микрона до
долей мм — именно они растянулись уже после
инфляции в те неоднородности, которые видит WMAP .
Когда они генерировались, «колесам конвейера» предстояло сделать еще около 50–60 «оборотов», т .е . растяжений в е раз . и из измеренного значения ns прямо
следует, что «конвейер» к тому моменту уже притормаживал — движущее скалярное поле ослабевало .
и скорость торможения (характеризуемая отличием
ns от 1) зависит от характеристик этого поля . Не
исключено, что вскоре будет написана формула зависимости потенциала поля от его величины . Некоторые варианты уже можно отбросить . так люди дотянулись до физики явлений, на десять с лишним
порядков выходящих за пределы возможностей Большого адронного коллайдера .
и это еще не всё! объединенные данные WMAP
и других обзоров диктуют, что число типов частиц,
слабо взаимодействующих с веществом и имеющих
малую массу, равно 3,26±0,35 . таковые частицы — три
типа нейтрино . Если бы их число было другим, изменился бы темп расширения Вселенной в эпоху рекомбинации и перед этой эпохой, и наблюдаемая картина
была бы немного другой . Значит, все частицы подобные нейтрино нам уже известны .
В эпоху рекомбинации нейтрино имеют энергию
примерно в 0,2 эВ . Если бы у нейтрино была масса,
сравнимая с этой энергией, то они двигались бы заметно
медленнее света, что опять сказалось бы на карте реликтового излучения . Если привлечь все данные, то получается, что сумма масс всех нейтрино меньше 0,44 эВ .
такого уровня уже очень непросто достичь в лабораторных условиях .

101


ПоЧему это
так хорошо ПолуЧается
согласие между теоретической кривой с подогнанными шестью параметрами и данными на рис . 7 .1
можно назвать поразительным, фантастическим . Шесть
подгоночных параметров для сложной кривой со многими максимумами с неочевидными соотношениями
высоты — это очень экономно, примерно как убить
шестью выстрелами тридцать зайцев . Причем полученные значения параметров близки к тем, которые были
найдены раньше, хотя и с меньшей точностью, из данных о современной Вселенной .
Как вообще людям удается так хорошо описать то, что
происходило в интервале истории от долей секунды до
сотен миллионов лет? с одной стороны, есть облегчающее обстоятельство: все неоднородности плотности относительно малы, поэтому работает теория возмущений
в первом порядке . с другой стороны, процессов много,
и все они не столь просты . Плюс к тем эффектам, которые
перечислены выше, есть, например, всякие переходные
процессы: когда неоднородность входит под горизонт (от
секунд до тысяч лет), когда меняется уравнение состояния Вселенной (80 тыс . лет) — они усиливают контраст
распределения темной материи . Дальше, надо точно
знать, как протекала во времени рекомбинация водорода
и даже гелия, от этого зависит, насколько замыт контраст
неоднородностей малых масштабов . Есть еще целый ряд
эффектов, влияющих на картину, мы опустим их, чтобы
не перегружать читателя подробностями .
и это всё тщательно учтено . Конечно, над теорией
ранней Вселенной работает много людей, разные независимые группы — все перепроверено много раз,
и достигнут консенсус . и обработкой данных WMAP
занимается много людей .
102


Здесь стоит выразить признательность NASA, которая уже десятилетиями выкладывает все данные разных
экспериментов в открытый доступ . их может скачать
любой исследователь вместе со всей сопутствующей
информацией, необходимой для обработки . Это полезно
сразу в нескольких отношениях .
Во-первых, если в данных есть «косяки», их обязательно обнаружит «народный контроль» из независимых исследователей разных стран . В частности, на раннем этапе накопления данных Павел Насельский, олег
Верходанов, андрей Дорошкевич и игорь Новиков
обнаружили, что карта реликтового излучения, представленная командой WMAP как вариант, полностью
очищенный от фона, на самом деле коррелирует
с фоном по фазам гармоник, т .е . очищена плохо . стали
чистить лучше . Вообще, сама возможность контроля со
стороны заставляет команду «вылизывать» инструмент
и подготовку данных до предела возможного .
Во-вторых, открытость данных мобилизует добровольцев в данную область исследований . и наконец,
команда эксперимента, как правило, снимает сливки,
но не может выкопать из данных всё, что там содержится . Это делают многочисленные волонтеры по собственной инициативе .
В результате, теория с небольшим числом подгоночных параметров великолепно описывает наблюдения .
Более того, взгляните снова на рис . 7 .1 . Параметры Вселенной, приведенные выше, найдены только по точкам
WMAP, которые идут лишь до мультипольного момента
~1000 (разрешение 0,2о) . однако теоретическая кривая
с этими параметрами, проведенная дальше, до мультиполей ~2000, великолепно описывает точки, полученные в других экспериментах, хотя они не учитывались
при подгонке!
Успех означает, что космологи действительно хорошо
понимают и умеют количественно описывать то, что
103


происходило в ранней Вселенной . На детальном
уровне — всё, что происходило после первых долей
секунды . На более качественном — ощущают эпоху
10-35 секунды, когда формировался спектр неоднородностей Вселенной и создавалась сама Вселенная . Это —
твердая почва под ногами ученых, которые залезли
в такие масштабы мироздания, о возможности исследования которых еще недавно никто не догадывался .
Борис Штерн
12.02.2013


8.

оБЪявлены
КоСмологиЧеСКие
реЗУльТаТы «ПланКа»
они замеЧательные,
но сливки уже сЪел WMAP

Недавно в ТрВ-Наука была опубликована статья
про заключительные результаты миссии NASA,
WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)
по измерению реликтового излучения ранней Вселенной (см. главу 7). Этот эксперимент без преувеличений сделал эпоху: космология превратилась в «прецизионную космологию». А 21 марта 2013 года, произошло еще одно событие, которого долго ждали: объявлены космологические результаты миссии ESA
«Планк» (Planck) — более современного и чувствительного микроволнового космического телескопа.
Европейский «Планк» был запущен в мае 2009 года,
совершил плановый обзор неба к ноябрю 2010 года .
миссия была продолжена до исчерпания жидкого гелия,
охлаждающего детекторы . гелий-3, охлаждающий высокочастотный приемник, закончился в январе 2012 года,
а гелий-4, охлаждающий низкочастотный инструмент,
105


должен закончиться в ближайшее время . инструмент
превосходит
американский
WMAP,
запущенный
в 2001 году, лучшим угловым разрешением, более высокой чувствительностью, более широким диапазоном
частот . Естественно, исследователи с большим интересом ждали объявления космологических результатов
«Планка» . астрофизические результаты уже были опубликованы, и там была масса интересных вещей, например гигантские перемычки горячего газа, соединяющие
скопления галактик . главный космологический релиз
результатов был заранее объявлен на 21 марта 2013 года .
и вот он у нас перед глазами .
Качество данных действительно великолепное . Карта
реликтового излучения (см . цветную вкладку рис . 5)
заметно четче, чем у WMAP . Разложение этой карты
по угловым гармоникам (рис . 8 .1) идет гораздо дальше —

температурные колебания (mК2)

мультипольный момент, l
2

10

90о

18о

50

500

1000

1500

2000

2500

6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1о

0,2о

0,1о

0,07о

Угловой масштаб
Рис. 8.1. спектр разложения карты по угловым гармоникам . Пики
спектра — акустические (сахаровские) осцилляции . сплошная кривая
на верхней панели — результат подгонки спектра стандартной космологической моделью . изображение из Е-ПРиНта arXiv 1303 .5076 .

106


в более высокие мультиполи, до l = 2500, тогда как аналогичная кривая WMAP тянулась только до l = 1000 .
Кривая «Планка» перекрывает совместную картинку
WMAP и наземных микроволновых телескопов — это
важно, так как гарантирует однородность данных .
спектр угловых гармоник прекрасно подгоняется стандартной космологической моделью Вселенной (примерно так, как подгонялись данные WMAP) .
итак, прецизионная (высокоточная) космология стала
еще более прецизионной . Большинство результатов
не содержат принципиально нового по сравнению
с WMAP (есть по крайней мере одно исключение, которое
будет рассмотрено ниже), однако большая точность еще
сыграет свою роль . интервалы ошибок нескольких важных величин, полученных подгонкой данных WMAP
и «Планка», показаны на рис . 6 в цветной вкладке . По
новым результатам — чуть меньше темной энергии, чуть
больше темной материи (26% содержимого Вселенной
вместо 24%, по последним данным WMAP), причем разница лишь немного выходит за пределы статистической
ошибки 1 сигма . они даны в двух вариантах: если брать
только данные миссии и если дополнить их данными других наблюдений, в том числе касающихся современной
Вселенной (они обозначены как WMAP + и Планк +) .
Вопреки прозвучавшим в ряде сми заявлениям, возраст Вселенной не «повышен» относительно результата
WMAP, а лишь уточнен — 13,8 миллиардов лет плюсминус 30 миллионов .
Что существенно для физиков — снижена оценка
эффективного числа типов «нейтрино» . слово «нейтрино» взято в кавычки потому, что любая легкая слабовзаимодействующая частица подошла бы на эту роль .
Раньше число типов нейтрино тяготело к четырем,
теперь — к трем, которые уже известны . искать четвертую легкую, слабовзаимодействующую частицу нет
резона . Почти вдвое уменьшен верхний предел на сумму
107


масс трех типов нейтрино: если привлечь все силы, то
натягивается предел 0,24 эВ .
Хорошо и важно то, что «Планк» подтверждает
результат WMAP по наклону спектра первичных возмущений плотности Вселенной . Показатель наклона спектра отличается от плоского на 0,04 как по данным
WMAP +, так и по результатам Планк +, но «Планк» поднял статистическую значимость этого отклонения до
6 сигма . Важность результата заключается в том, что он
относится к самому акту сотворения Вселенной — космологической инфляции, и подтверждает, что это, скорее всего, была именно она, и кое-что говорит о ее конкретном варианте .
отсутствие общепонятных сенсаций в релизе
«Планка» пытаются возместить заявлениями об аномалиях в данных . Холодное (синее) пятно снизу справа
на рис . 1 цв . вкладки холоднее, чем надо, и спектр гармоник в интервале мультиполей 20–30 (рис . 8 .1) идет
ниже, чем надо . Эти страшилки об аномалиях Вселенной (там есть еще «ось зла») с радостью подхватывают
журналисты . На самом деле, все эти «аномалии» имеют
маргинальную статистическую значимость, а в любом
большом массиве данных всегда найдутся маргинально
значимые отклонения .
Но это еще не всё . обработаны данные только за
2/5 срока работы «Планка» . точность еще вырастет,
и, возможно, появится что-то действительно новое .
самое выдающееся, что могло бы появиться — указание
на реликтовые гравитационные волны в карте поляризации реликтового излучения . Правда, надежда на это
невелика .
Напоследок о принципиально новом, что принесли
данные «Планка» .1 может быть, это не слишком сенсаP .A .R . Ade et al . Planck 2013 results XXIV . Astronomy & Astrophysics 571, A24 (2014)
1

108


ционный результат, но очень важный, так как повлиял
на «экологию» научного сообщества, занимающегося
самой ранней Вселенной . Речь идет о так называемой
гауссовости реликтового излучения . Это свойство, гауссовость, в переводе с математического на обывательский язык, говорит о том, что карта реликтового излучения — нагромождение пятен разного размера, которые никак не связаны друг с другом, которые набросаны совершенно случайно, как капли дождя . Если «пятнистость» реликтового излучения возникла до большого
взрыва во время космологической инфляции, то гауссовость почти неизбежна . Пятна возникают как квантовые
флуктуации «тяжелого вакуума» в растягивающемся
пространстве, они дают возмущения плотности, которые потом переводятся в пятна реликтового излучения .
Эти возмущения растягиваются вместе с расширяющимся пространством: чем раньше возникло возмущение, тем больше получается наблюдаемое пятно на карте
реликтового излучения . Квантовая механика говорит,
что возмущения плотности совершенно независимы .
Но есть хитрые и довольно надуманные модели космологической инфляции, где гауссовость нарушается . Данных WMAP не хватало, чтобы закрыть или подтвердить
эти хитрые модели, которые стали весьма модной экологической нишей для космологов . Более точные данные «Планка» были вполне достаточны для принципиального вердикта . Приведем цитату андрея линде:
«Что касается данных «Планка» — с ними связана
довольно драматическая история. Простые и наиболее естественные модели инфляции говорят, что
реликтовое излучение должно быть с хорошей точностью гауссовым. Тем не менее, существуют модели
инфляции с несколькими взаимодействующими друг
с другом полями, где гауссовость нарушается. Людей,
занимающихся такими моделями, много — это достаточно широкая социальная ниша.
109


В какой-то момент пошли слухи, что команда
WMAP намерила отклонение от гауссовости. Народ
из вышеупомянутой ниши взбодрился. Я позвонил
одному из членов команды, он сказал, что слышит
такое впервые, — никаких отклонений они не видят.
Мы, затаив дыхание, ждали результатов «Планка».
Жили, как на вокзале, — пока не было ответа наблюдателей, рот был заткнут. Наконец в марте прошлого года космологические результаты «Планка»
были опубликованы. Практически никаких отклонений от гауссовости, предсказания простейших моделей инфляции подтверждены.
Люди, занимающиеся сложными моделями инфляции, были несчастны. А для нас — как будто плотину
прорвало! Значит, можно ничего не бояться и продолжать заниматься тем, что представляется наиболее красивым и естественным».
Борис Штерн
26.03.2013


9.

Премия
За СоТворение
вСеленной

Вячеслав Муханов и Алексей Старобинский
получили престижную премию Грубера по космологии за 2013 год, составляющую 500 тысяч долларов на двоих. Если перевести формулировку премии
на простой язык, получится следующее: «За радикальный вклад в понимание того, откуда взялась
Вселенная и ее структура» .
общеизвестно, что наш мир появился в результате
Большого взрыва . Это блестяще подтвердилось в середине 1960-х годов, когда удалось зарегистрировать
реликтовое микроволновое излучение . Под Большим
взрывом обычно понимается ранняя стадия эволюции
Вселенной — расширение из сверхплотного состояния
по закону фридмана . теория Большого взрыва была
прекрасно подтверждена, но оставалось несколько
убийственных вопросов, на которые не было ответа .
Вот некоторые из них:
1 . Вселенная удивительно велика и динамически сбалансирована . Чтобы она не «схлопнулась» в первые
секунды своего существования или не разлетелась так,
111


чтобы расстояния между атомами измерялись многими
световыми годами, скорость расширения и плотность
в первые мгновения должны быть выверены с невероятной точностью, типа 10-50  . Что дало такую точность?
2 . Вселенная всюду одинакова на миллиардах световых лет . между тем, в первые мгновения Вселенной
разные области, которые мы сейчас наблюдаем, «ничего
не знали» друг о друге — не были причинно связаны .
иными словами, не хватало времени, чтобы со скоростью света передать сигнал от одной области наблюдаемого пространства к другой . Что же так согласовало
параметры Большого взрыва в причинно не связанных
областях пространства?
3 . Вселенная однородна на больших масштабах . Но,
чтобы смогли образоваться галактики и их скопления, должны существовать первичные неоднородности .
откуда они взялись?
Все эти вопросы с точки зрения теории Большого
взрыва сводятся к начальным условиям: что так филигранно точно задало начальные условия Большого
взрыва, что получилась огромная однородная Вселенная с галактиками?
Первые проблески появились еще в конце 1960-х
годов . Уравнения общей теории относительности устроены так, что если плотность энергии вакуума не равна
нулю (например из-за заполняющего его однородного
физического поля), то гравитационный эффект от такого
вакуума будет не тяготение, а расталкивание — растяжение, раздувание самого пространства . Первым эту идею
на уровне общих соображений высказал российский
космолог Эраст глинер в 1969 году . Но тогда ее не восприняли всерьез . триумф этой идеи, которая получила
название «космологической инфляции» и позволила
ответить на перечисленные выше вопросы, наступил
в начале 1980-х . Приход новой космологической парадигмы традиционно ассоциируется с именем алана гута,
112


который опубликовал подробный сценарий инфляции,
оказавшийся неправильным, но зато весьма наглядным
и пришедшийся по душе физикам частиц, которые ринулись в эту область исследований . Народ понял, что хоть
в модели гута есть очевидные противоречия, но это
«горячо» — правильный ответ лежит где-то рядом .
теория космологической инфляции выглядит очень
впечатляюще . Всё происходит за 10-34 секунды, или даже
меньше . Зародыш Вселенной размером около 10-29 см за
это время успевает раздуться на многие десятки или
сотни порядков величины . однородность будущей Вселенной и точный баланс между плотностью и скоростью
расширения, т .е . правильные начальные условия для
Большого взрыва, обеспечиваются автоматически
с огромной точностью . теория настолько проста и объясняет так много, что она быстро получила почти всеобщее признание . В 2012 году алан гут и андрей линде за
вклад в теорию инфляции получили только что учрежденную премию Юрия мильнера по фундаментальной
физике . Эта премия хоть и не успела сравняться с Нобелевской в отношении престижа, но превосходит ее
финансово: каждый получил по 3 000 000$ .
Но алан гут c андреем линде не единственные отцы
теории инфляции . Незадолго до работы гута была опубликована модель космологической инфляции, проработанная гораздо лучше и изящно 1. вселенная удивительно
справившаяся с той проблевелика и динамически
мой, о которую спотыкался
сбалансирована.
сценарий гута: переход от ста2. вселенная всюду одинадии инфляции к Большому
кова на миллиардах световзрыву, к горячей Вселенной,
вых лет.
заполненной частицами . авто3.
вселенная однородна
ром этой модели был алексей
старобинский . модель старона больших масштабах.
бинского, как потом стало
113


понятно, опередила время, она оказалась эквивалентной
более поздним моделям инфляции, считающимся теперь
самыми реалистичными .
тогда же, в начале 1980-х, работа старобинского прошла почти незамеченной . может быть потому, что она
была в основном технической и не содержала прямых
тезисов о значении этого механизма, о том, что он
решает основные проблемы космологии . По словам
алексея, он считал эти тезисы общим местом и полагал, что важнее подчеркнуть наблюдаемые последствия:
то, что его механизм дает правильный (плоский) спектр
затравочных неоднородностей плотности Вселенной .
Другая проблема была в том, что алексей вставил свой
механизм в неправильный сценарий — так называемый
«отскок», т .е . переход от сжимающейся к расширяющейся Вселенной . там механизм рушится из-за неустойчивостей . Зато впоследствии механизм старобинского
прекрасно встроился в более реалистичный сценарий,
разработанный андреем линде . В то же время алан гут
написал очень ясную, прозрачную и хорошо мотивированную статью и потратил много сил и времени на пропаганду теории инфляции . В результате со своей неправильной моделью «пробил стену» в менталитете научного сообщества . так что необходимо не только делать
пионерские работы, нужно еще тратить массу сил
на убеждение и вдалбливание новых идей в широкие
научные массы .
Работа старобинского требовала очевидного продолжения: механизм космологической инфляции генерировал неоднородности пространства . Это чисто квантовомеханический эффект: будущие галактики и их скопления появляются благодаря росту микроскопических
квантовых флуктуаций, возникающих во время инфляции . алексей продолжил работу, чтобы точно рассчитать спектр этих неоднородностей . тем же самым, опираясь на только что опубликованную модель старобин114


ского, занялись Вячеслав муханов и геннадий Чибисов .
Эта работа содержала серьезные технические сложности и муханов с Чибисовым справились с ней быстрее .
они продемонстрировали, что спектр возмущений
не абсолютно плоский, и показали, как и насколько он
отклоняется от плоского в тех или иных условиях . оказалось, что большие по размеру возмущения имеют
чуть большую амплитуду, чуть больший контраст .
Прошло тридцать лет . Космические эксперименты
WMAP и «Планк» с высочайшей точностью измерили
спектр неоднородностей реликтового излучения, который отражал те самые квантовые флуктуации плотности, растянутые на десятки порядков величины . из данных этих экспериментов были получены и ограничения
на реликтовые гравитационные волны, также связанные
с механизмом инфляции . оказалось, что большинство
вариантов теории инфляции не вписывается в совокупность этих данных . а модель старобинского вписывается прекрасно . с другой стороны был неплохо измерен
спектр неоднородностей реликтового излучения . он
оказался ровно таким, как предсказали муханов с Чибисовым . так пришел звездный час работ, выполненных
более четверти века назад .
Борис Штерн
16.07.2013


10.

релиКТовые
гравиТационные
волны

Последний штрих
в картине
Происхождения
вселенной?
17 марта 2014 года появилась сенсационная
новость: открыты гравитационные волны! Те
СМИ, что посерьезней, уточнили, что речь идет
об открытии реликтовых, или первичных, гравитационных волн, а подтверждение их существования получено не прямым, а косвенным путем,
через микроволновое реликтовое излучение.
Самые продвинутые добавили, что открытие
подтверждает теорию космологической инфляции, объясняющей происхождение Вселенной. Что
же произошло и каково значение возможного открытия?

116


воПросы,
Поставленные
Первой космологиЧеской
революцией
тот факт, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва, был прекрасным образом подтвержден
в 1964 году, когда зарегистрировали реликтовое излучение . собственно, и до этого мало кто сомневался,
но вот это открытие поставило жирную точку . так
закончилась первая космологическая революция, начавшаяся в 1915 году построением общей теории относительности .
любая научная революция решает одни вопросы
и ставит другие . Новые вопросы были очень простыми
и одновременно обескураживающими:
• Почему Вселенная со всех сторон одинаковая?
Ведь разные части Вселенной какое-то время после
Большого взрыва ничего «не знали» друг о друге — они
не могли обменяться никакими сигналами из-за конечности скорости света, иными словами, не были причинно связаны . Почему же они начали расширяться
одновременно и оказались столь похожими?
• Почему параметры Большого взрыва оказались так
точно подогнаны, что Вселенная не схлопнулась в первые мгновения или не разлетелась вдребезги, а мягко
«притормозила» через миллиарды лет? Чуть более
строго вопрос звучит так: почему Вселенная оказалась
настолько «плоской»?
• Что послужило первичным толчком для Большого взрыва?

117


вторая космологиЧеская
революция
В начале 1980-х годов был найден правдоподобный
ответ на перечисленные выше вопросы . За мгновение
до Большого взрыва произошло раздувание некоего
микроскопического зародыша Вселенной на десятки
порядков величины . механизм такого раздувания заложен в уравнениях общей теории относительности . он
работает, когда пространство заполнено однородным
скалярным полем с огромной плотностью энергии . или,
что почти то же самое, когда плотность энергии вакуума огромна . При этом расширение Вселенной происходит по экспоненциальному закону: в каждый определенный промежуток времени расстояние между
любыми двумя точками удваивается . Причем время
удвоения выражается немыслимо малой величиной
типа 10-37 с . Этот процесс называется космологической
инфляцией (английское слово «inflation», известное нам
из экономики, переводится как «раздувание») .
Чтобы инфляция сделала свою работу по сотворению большой однородной Вселенной, достаточно 10-35 с .
После этого скалярное поле, или «тяжелый вакуум»,
выгорает, превращаясь в частицы, — это и есть Большой взрыв — образование горячей Вселенной, которая
продолжает расширяться по инерции и остывать . однородность и «плоская» геометрия (а значит, и долгое
будущее Вселенной) при этом обеспечиваются автоматически . Это и есть «первичный толчок», причем именно
такой, что отвечает на поставленные вопросы .
героями второй космологической революции стали:
алексей старобинский, разработавший исторически
первую жизнеспособную модель инфляции, алан гут
(Alan Guth), разработавший и очень хорошо мотивировавший сценарий инфляции, который «пошел в народ»
118


и фактически сменил космологическую
парадигму
(хоть
и был неправильным в кон- За мгновение до Большого
кретной реализации), и андрей взрыва произошло раздувалинде, который довел теорию ние некоего микроскопичеинфляции до ума и сделал сле- ского зародыша вселенной
дующий шаг .
на десятки порядков велиЭтот шаг заключался в от- чины. механизм такого разкрытии довольно очевидного
дувания заложен в уравнефакта:
процесс
инфляции
ниях общей теории
не заканчивается формированием Вселенной, а продолжа- относительности.
ется вечно, рождая бесконечное число вселенных, похожих и совершенно
не похожих друг на друга . Есть и другие герои истории, но здесь как всегда возникает проблема, где подводить черту .

ряБь вселенной
Реликтовое излучение, обнаруженное в 1964 году,
не что иное, как свет, испущенный плазмой, заполнявшей Вселенную, когда ей было 380 тыс . лет от роду .
В тот момент плазма превратилась в нейтральный газ,
прозрачный для фотонов . говоря по-научному, произошла рекомбинация . Плазма на отметке 380 тыс . лет
закрывает всё, что дальше от нас по времени и по расстоянию, она непрозрачна для электромагнитных волн,
а другие мы регистрировать не можем . Эта плазма как
экран, и у нас есть снимок этого экрана — карта реликтового излучения . Что мы видим на этой карте? Почти
тридцать лет на ней не видели ничего .
Вселенная однородна только на очень больших масштабах — 300 млн световых лет и больше . а на мень119


ших мы видим скопления и сверхскопления галактик,
«стены» и «войды» . откуда взялась эта структура? Если
бы Вселенная была изначально совершенно однородной, то она бы не смогла образоваться . Должны быть
затравочные неоднородности, которые впоследствии
сгустились в галактики и их скопления . и эти неоднородности должны быть видны на карте реликтового
излучения . Но долгое время, вплоть до начала 1990-х,
карта представала совершенно однородной, лишенной
каких-либо деталей . В какой-то момент казалось, что
космология зашла в тупик . В начале 1990-х, наконец,
увидели «пятнистость» карты . Ее контраст был очень
маленьким, всего 10-5, но вполне достаточным для объяснения структуры Вселенной . Как возникли эти неоднородности?
оказывается, это тоже сделала инфляция . Неоднородности, из которых сгустились галактики и их скопления, — результат квантового эффекта . гигантские
скопления галактик — результат квантовых флуктуаций,
имевших место во время инфляции! Звучит невероятно,
и когда-то многие космологи отказывались признавать
то, что сейчас считается общепринятой вещью . Действительно, все неоднородности Вселенной возникли
как квантовые флуктуации размером 10-27 см, которые
затем были растянуты инфляцией на много порядков
величины . Потом они выросли в размере еще почти
на 30 порядков вместе с расширяющейся Вселенной,
некоторые — до мегапарсеков, стали более контрастными за счет гравитационной неустойчивости и сконденсировались в галактики и их скопления .
Предсказания теории инфляции в точности подтвердились, когда карта реликтового излучения была снята
с высочайшим качеством аппаратами WMAP и «Планк» .
Это произошло недавно: итоговые результаты WMAP
опубликованы в конце 2012 года, а первые результаты
«Планка» — в начале 2013-го . согласие теории и наблю120


дений оказалось триумфальным . На рис . 8 .1 показан так
называемый спектр мощности Предсказания теории инфлянеоднородностей реликтового ции в точности подтвердиизлучения, который получается лись, когда карта реликтопри разложении карты релик- вого излучения была снята
тового излучения по угловым с высочайшим качеством
гармоникам . Волны на этом аппаратами WMAP
спектре — результат интереси «Планк».
ного эффекта под названием
«сахаровские осцилляции», или
«акустические осцилляции» (см . главу 6) . согласие
между теорией (непрерывная кривая) всего с шестью
подгоночными параметрами со столь сложной наблюдаемой картиной просто поразительно . оно означает,
что космологи очень хорошо понимают: что и как происходило в ранней Вселенной . и часть теории, описывающей данные, завязана как раз на космологическую
инфляцию . Эта часть — спектр первичных неоднородностей, генерируемых инфляцией, который был впервые
вычислен Вячеславом мухановым и геннадием Чибисовым в 1981 году . так что триумфальное согласие теории
и эксперимента на рис . 3 в цветной вкладке и рис . 8 .1
является также и триумфом теории инфляции .
Но картина осталась незаконченной: подтвердилось
лишь то, что касалось так называемых скалярных возмущений . Дело в том, что теория предсказывала коечто еще .

недостающая деталь
Квантовые флуктуации, имевшие место на стадии
инфляции, дали не только неоднородности плотности:
они также породили реликтовые гравитационные
121


волны . Еще до возникновения теории инфляции леонид
грищук показал, что в расширяющейся Вселенной генерируются гравитационные волны . Впоследствии алексей старобинский количественно описал этот процесс
для случая космологической инфляции . гравитационные волны, как и скалярные возмущения плотности,
тоже растягивались инфляционным «конвейером» от
длин 10-27 см до широкого диапазона масштабов . Эти
волны живут и поныне . В отличие от микроволнового
излучения (реликта эпохи рекомбинации, имевшей
место через 380 тыс . лет после Большого взрыва), гравитационные волны — это прямой реликт эпохи космологической инфляции, развернувшейся за 10-35 с до
Большого взрыва .
теория инфляции подкреплена множеством фактов
и доводов, но еще остается зазор для альтернативных
возможностей объяснить происхождение Вселенной .
Детектирование реликтовых гравитационных волн,
пожалуй, должно окончательно расставить точки над i .
После такого открытия за теорию космологической
инфляции можно точно давать Нобелевскую премию .
и еще одну за само открытие .
амплитуда реликтовых гравитационных волн слишком мала, чтобы их можно было зарегистрировать
рукотворными детекторами . Но тут на помощь опять
приходит тот самый «экран», который закрывает от нас
раннюю Вселенную, — плазма эпохи рекомбинации . она
и играет роль детектора, «записывая» результат в том
же реликтовом излучении, которое принесло нам
остальную информацию . говоря конкретно, гравитационные волны можно увидеть двумя способами: в поляризации реликтового излучения и через спектр его
неоднородностей . Первый способ более прямой, с него
и начнем .
Поляризация реликтового излучения — довольно
тривиальная вещь . она возникает при последнем ком122


птоновском рассеянии фотонов на электронах: у фотона
появляется линейная поляризация, перпендикулярная
плоскости рассеяния . Если среда однородна и не движется, никакой поляризации нет — всё замывается, нет
выделенного направления . Но среда, как мы видим
по карте реликтового излучения, неоднородна и участвует в сложных движениях . и поляризация, как выясняется, тоже есть: WMAP и «Планк» ее прекрасно чувствуют . Но причем здесь гравитационные волны?
оказывается, гравитационные волны дают другую
картину поляризации, нежели обыкновенные неоднородности . их вклад можно отличить и выделить . В том,
как это сделать разобрался александр Полнарев еще
в 80-х . В то время это казалось скорее чисто академической задачей — о том, что когда-то появится возможность это реально измерить, еще никто не помышлял .
грубо говоря, картинка поляризации на небе выражается полем векторов, имеющих направление и длину .
такое поле может выглядеть как электрическое, представленное как результат статического распределения
зарядов . а может выглядеть как магнитное, наведенное
статическим распределением токов . Эти поля четко
различаются на языке дифференциальной геометрии .
Первый тип поля называется Е-модой, второй —
В-модой . любое произвольное поле поляризации
можно разложить на Е и В составляющие . оказывается, что В-моду могут дать только гравитационные
волны, но никак не неоднородности плазмы и их акустические колебания .
Вторую возможность почувствовать первичные гравитационные волны дает так называемый эффект
сакса — Вольфа . фотон, проходя через возмущения гравитационного поля, меняет частоту, испытывая красное
или фиолетовое смещение, — это меняет температуру
реликтового излучения . Причем эффект сильнее выражен для крупномасштабных возмущений . Поэтому
123


оказывается, гравитационные
волны дают другую картину
поляризации, нежели обыкновенные неоднородности.

эффект сакса — Вольфа должен
«приподнимать» спектр мощности неоднородностей на рис .
3 цв . вкладки — слева от главного пика (l = 50 . . .150) . Это
было показано а . Веряскиным,
В . Рубаковым и м . сажиным .1

Предыдущие данные
До сих пор следов реликтовых гравитационных волн
не видели ни одним из двух перечисленных методов . фиксировались только верхние пределы . Вклад реликтовых
гравитационных волн традиционно определяется как
отношение спектров мощностей, так называемых тензорных возмущений (именно их и дают гравитационные
волны), и скалярных (обычных) неоднородностей и обозначается, как r . лучший верхний предел следует из данных WMAP и «Планка»: r < 0,12 (на уровне достоверности
95%) — практически одинаковый для обоих аппаратов . Это
ограничение получено из анализа спектра мощности (см .
цв . вкладку рис . 3) . Больший вклад гравитационных волн
привел бы к задиранию экспериментальных точек в левой
части графика относительно теоретической кривой .
Этот предел уже поставил под сомнение некоторые конкретные модели инфляции, причем самые простые . Пока
наилучшим образом под него укладывается модель старобинского, правда, не она одна . Эта модель предсказывает
величину r ~ 0,005 . Если это предсказание верно, то до
открытия реликтовых гравитационных волн должно пройти
еще несколько лет — как ни мала величина эффекта, наблюдатели доберутся и до этого уровня, но всему свое время .
1

124

Phys .Lett .B 115 (1982) 189–192


лучшее ограничение на гравитационные волны через
измерение B-моды, полученное наземными микроволновыми телескопами: r < 0,78 (на уровне достоверность
95%) . Это данные эксперимента BICEP, развернутого
на Южном полюсе . следующая очередь этого же эксперимента, BICEP2, и произвела нынешнюю сенсацию .

есть в-мода?
BICEP2 — довольно маленький по размеру микроволновый телескоп . Угловое разрешение — всего полградуса, зато очень низкие шумы и высокая чувствительность . Это, в частности, достигается за счет охлаждения
жидким гелием основных элементов телескопа . измерения, результаты которых только что опубликованы1,
проводились три сезона с 2010 по 2012 год .
В цветной вкладке на рис . 7 показаны снятые карты
поляризации, разложенные на Е-моду (слева вверху)
и В-моду (слева внизу) . Длина черточек пропорциональна степени линейной поляризации, направление
указывает направление поляризации . справа — результат численного моделирование Е- и В-моды для случая, когда гравитационные волны отсутствуют (В-мода
в этом случае появляется за счет гравитационного
линзирования) .
Невооруженным глазом видно, что В-мода заметно превышает фон от гравитационного линзирования . По отношению к скалярным возмущениям результат по гравитационным волнам выражается как r = 0,2+0,07
-0,05 , что неожиданно
много . Научная общественность уже настроилась на то,
что результат окажется существенно ниже .
P . A . R . Ade et al . Physical Review Letters . 112 (24): 241101 .
arXiv:1403 .3985
1

125


звон Бокалов и сомнения
В комментариях по поводу открытия преобладает
торжествующий тон . Действительно, детектирование
реликтовых гравитационных волн — важнейший результат, ставящий точку в космологической революции,
связанной с теорией инфляции . с виду результат выглядит надежным . Но в отличие от триумфа теории и эксперимента, состоявшегося в результате экспериментов
WMAP и «Планк», в данном случае остаются вопросы .
главный из них: не противоречит ли результат данным
вышеупомянутых экспериментов? иными словами, сигнал от гравитационных волн оказался подозрительно
большим .
В принципе, величина r ~ 0,2 вполне вписывается
в простейшие варианты теории инфляции . Но она
на три стандартных отклонения противоречит верхнему пределу «Планка», поставленному с опорой
на эффект сакса — Вольфа . Вероятность случайного
отскока результата на три стандартных отклонения —
два шанса из тысячи . маловато . Правда, ограничение
r < 0,12 справедливо только в предположении, что распределение неоднородностей реликтового излучения
по угловому размеру (спектр мощности) описывается
чисто степенным законом . Если отказаться от этого
предположения, можно сильно смягчить противоречие .
В препринте BICEP2 приведена картинка из статьи
по результатам «Планка» именно в той версии, где предположение о чисто степенном спектре снято . Поэтому
возникает впечатление согласия .
автор проконсультировался по этому поводу со специалистами . складывается следующая картина . Для
согласия между BICEP2 и «Планком» требуется так изогнуть спектр мощности, что это требует изрядного
насилия над теорией . а если не делать этого насилия,
126


то эффект сакса — Вольфа «задерет» спектр, показанный на рис .
детектирование реликтовых
3 цв . вкладки слева (l < 150)
гравитационных
волн — важпримерно на 10%, что при данной точности будет явно про- нейший результат, ставящий
точку в космологической
тиворечить данным .
где возможна ошибка экспе- революции, связанной с теоримента, завышающая резуль- рией инфляции.
тат? Первое, что приходит
в голову: недооценили фон, способный имитировать В-моду . авторы статьи рассматривают, что возможный источник фона, имитирующего
эффект — поляризованная пыль в галактике, частицы
которой ориентируются в космическом магнитном поле .
Рассеяние фотонов на этой пыли дает поляризацию, способную имитировать любую моду . BICEP2 не может
выделить ее вклад, поскольку принимает только одну
частоту . Это может сделать «Планк» . авторы е-принта
признают, что карты распределения пыли для исследованного участка неба нет, но она вскоре появится —
в следующем релизе «Планка» . Пока они используют
модели распределения пыли и получают успокоительный вывод о том, что этот фон относительно безопасен
для главного результата . однако приходится слышать
высказывания квалифицированных людей о том, что
с поляризованной пылью не всё так просто, и что именно
здесь, может быть, «зарыта собака» .
Но не будем гадать и забегать вперед: вряд ли вопрос
о подозрительно большом вкладе реликтовых гравитационных волн зависнет на долгие годы . Во-первых,
вскоре «Планк» должен прояснить ситуацию с фоном
поляризованной пыли . Во-вторых, параллельно идут
аналогичные эксперименты, в том числе и на Южном
полюсе . Будут исследованы другие участки неба, появятся независимые результаты . Наверняка большие
силы мобилизуются на изучение всевозможных эффек127


тов, влияющих на результаты измерений . Вряд ли
ответы заставят себя долго ждать .
Попробуем подытожить . сделана серьезная заявка
на важнейшее открытие, возможно ставящее точку
в космологической эпопее, начавшейся более 30 лет
назад . Уже раздается звон бокалов, но с окончательным
празднованием победы революции в космологии,
по-моему, следует немного повременить . Еще не все
концы сведены с концами и не все подозрения развеяны . Впрочем, даже если результат не подтвердится, он
всё равно окажется полезной встряской, мобилизующей людей на прорыв в этой важнейшей области . такое
уже случалось в космологии .

Послесловие
Практически сразу после публикации статьи автор
получил «агентурные данные» от одного из членов
команды «Планка»: В-мода вся целиком объясняется
галактической пылью . тогда это были «секретные» сведения: данные «Планка» по поляризации к тому времени
не были опубликованы .
Вскоре сомнения в правомерности заявления об
открытии стали появляться в таких респектабельных
изданиях, как Nature (и даже в Washington Post) . Наиболее подозрительной казалась слишком большая величина эффекта — серьезно превышающая верхний предел, поставленный космическими экспериментами
WMAP и «Планк» . основные подозрения сразу пали
на космическую пыль нашей галактики . Пыль, содержащая железо (а таковой в космосе благодаря сверхновым огромное количество), ориентируется в магнитном
поле галактики подобно железным опилкам на листе
бумаги, под которым находится магнит . и эта ориен128


тированная (поляризованная)
пыль излучает поляризованные
Сделана серьезная заявка
микроволны, причем их карта
как раз складывается в В-моду . на важнейшее открытие, возавторы эксперимента знали об можно ставящее точку в косэтой проблеме, но положились мологической эпопее, начавна свои модели распределения шейся более 30 лет назад.
пыли . В эксперименте наблю- но еще не все концы сведены
дались высокие галактические с концами и не все подозрешироты — там пыли вроде бы
ния развеяны. впрочем, даже
должно быть меньше, чем
нужно, чтобы имитировать если результат не подтвервклад реликтовых гравитаци- дится, он всё равно окажется
онных волн . Увы, по части полезной встряской, мобилиполяризованной пыли авторам зующей людей на прорыв
BICEP2 было не на что поло- в этой важнейшей области.
житься: дело в специфике Такое уже случалось в космоназемных экспериментов .
логии.
При всем своем удобстве
наземные наблюдения микроволнового космического излучения имеют общую неустранимую проблему: ограниченное окно прозрачности . К счастью, атмосфера более-менее прозрачна для
реликтового излучения . Но через нее не проходят более
высокие частоты, которые как раз нужны для того,
чтобы идентифицировать пыль — у нее совсем другой
спектр, максимум ее излучения приходится на гораздо
более высокие частоты . WMAP и «Планк» видят широкий диапазон частот и могут легко отделить излучение
пыли от реликтового излучения . Команда BICEP2 такой
возможности не имеет и вынуждена полагаться на существующие данные . главные данные — карта поляризации «Планка» на разных частотах . Эти данные уже
существуют, но еще недоступны — обрабатываются . Но
есть и другие данные, которыми команде BICEP2 стоило
бы воспользоваться для оценки фона вместо того, чтобы
129


прибегать к моделям, дающим успокоительную оценку .
Это поляризационные данные WMAP . (см . цветную
вкладку рис . 8 .)
Бурная дискуссия с сомнениями вокруг результатов
BICEP2 идет примерно с середины мая 2014 г . Но первая критическая публикация появилась в архиве
е-принтов еще 7 апреля того года . авторы, используя
данные длинноволновых радиообзоров и данные
WMAP, показывают, что как раз в том направлении,
куда смотрел BICEP2, находится край «пузыря» от близкого взрыва сверхновой . В таких пузырях хватает
всего — ферромагнитной пыли, турбулентного магнитного поля и электронов высоких энергий, дающих синхротронное излучение .
Причем больше всего излучения идет с границы
пузырей — там всё еще движется ударная волна от
древнего взрыва, ускоряются частицы, генерируются
магнитные поля, сжимается межзвездная среда . граница — сферическая, но ее видимая яркость растет
к краю по чисто геометрическим причинам — с краю
больше видимая толща . Поэтому мы видим пузыри от
старых взрывов как излучающие дуги и кольца . Рис . 9
в цветной вкладке демонстрирует весь драматизм ситуации с результатом BICEP2 . такого они в свою модель
фона не закладывали .
спустя месяцы после сенсационной публикации,
авторы заявления об открытии гравитационных волн
пытались держать удар и сохранить лицо . Естественно,
они умерили пафос, но настаивают на том, что результат, вероятно, правилен . В принципе, нет ничего криминального в публикации результата, интерпретация которого будет оспорена (в достоверности В-моды никто
не сомневается) — в науке таких примеров огромное
количество . Проблема скорее в пропагандистском вале,
поднятом явно преждевременно . очередной урок исследователям: когда вырисовывается открытие, главное —
130


не поддаваться внезапно нахлынувшему чувству торжества и немного остыть .
На конференции, посвященной 100-летию Зельдовича, которая происходила в момент написания заметки,
представитель команды «Планка» четко сказал, что
согласно их данным по поляризации, результат BICEP2
прекрасно объясняется галактической пылью . Вскоре,
осенью того же года эти данные были опубликованы,
и все точки над i расставлены . Чуть позже вышла
совместная статья команды BICEP2 и коллаборации
«Планка» с анализом поляризационных данных обоих
экспериментов1 . Достигнуто согласие в том, что В-мода,
измеренная BICEP2, имитируется излучением галактической пыли .
Борис Штерн
25.03.2014

P . A . R . Ade et al . (BICEP2/Keck and Planck Collaborations), “Joint Analysis of BICEP2/Keck ArrayBICEP2/Keck Array
and PlanckData,” Phys . Rev . Lett . 114, 101301 (2015)
1


11.

СТолКновение
КоСмологов:
ТридцаТь Три
БогаТыря ПроТив
Банды ТреХ

В февральском номере Scientific American (2017)
вышла статья Anna Ijjas, Paul J. Steinhardt, Abraham
Loeb1 с критикой теории космологической инфляции. Первый автор мало кому известен; последний, Абрахам Лёб, наоборот, весьма известен.
Он занимался довольно разнообразными, зачастую
весьма рискованными, задачами в разных областях. Основной же вдохновитель статьи, судя
по всему, Пол Стейнхардт: критика теории
инфляции — его конек.
Как известно, космологическая инфляция — механизм, способный за ничтожные доли секунды из
микроскопического зародыша создать огромную расA . Ijjas, P . J . Steinhardt, A . Loeb, www .scientificamerican .com/
article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/, www .cfa .harvard .
edu/~loeb/sciam3 .pdf
1

132


ширяющуюся Вселенную . о ней написано достаточно
много популярных статей и книг, в том числе и автором данной статьи .
Пол стейнхардт участвовал в разработке теории
инфляции на ее начальной стадии . с моей точки зрения,
самое важное, что он сделал, — заметил, что в одной из
ранних моделей из-за квантовых флуктуаций инфляция
не может закончиться и будет продолжаться вечно . он
расценил это как фатальный недостаток теории, и лишь
позже андрей линде понял, что вечная инфляция,
во-первых, весьма универсальна: работает в разных
предположениях; во-вторых, снимает ряд проблем теории и производит грандиозный эффект в виде бесконечного множества Вселенных, а также дает ключ к решению парадокса под названием «антропный принцип» .
со временем Пол стейнхардт превратился из сторонника теории инфляции в яростного ее противника .
он разработал альтернативный сценарий под названием «экпиротическая Вселенная» (в переводе с греческого «вышедшая из огня») . В первом варианте сценария предполагалось, что наша Вселенная — трехмерная
пленка (брана), вложенная в пространство большего
числа измерений . Большой взрыв — это столкновение
двух бран, отчего происходит разогрев . андрей линде
с Ренатой Каллош и львом Кофманом размазали эту
теорию по стенке в статье, озаглавленной «Пиротехническая Вселенная»1 . они нашли кучу несообразностей,
например, сталкивающиеся браны должны быть параллельны с точностью 10-60 на расстоянии на 30 порядков больше, чем зазор между ними .
Пол не сдался и разработал новый экпиротический
сценарий, который в основном повторял хорошо
известный издавна сценарий отскока: сжатие протовR . Kallosh, L . Kofman, A .Linde,
th/0104073 .pdf
1

https://arxiv .org/pdf/hep-

133


селенной, переходящее в расширение новой вселенной
без инфляции . там требовалось довольно дикое уравнение состояния материи, но всё равно оставались
проблемы с устойчивостью . Экпиротическая Вселенная
так и осталась в подвешенном состоянии, но Пол
стейнхардт упрям…
Данные WMAP и «Планка» по реликтовому излучению
дали, как ему кажется, новый аргумент против теории
инфляции . На самом деле как раз, наоборот, эти данные
с блеском подтвердили предсказания теории . Кроме
одного пункта: реликтовые гравитационные волны .
Что исследовали микроволновые телескопы WMAP
и «Планк», снимая карту реликтового излучения? фактически — неоднородности пространства, возникшие
в самой ранней Вселенной, как квантовые флуктуации .
исследовали их не напрямую: непосредственно виден
довольно сложный результат эволюции этих неоднородностей в ходе метаморфоз Вселенной .
Здесь есть тонкости . любое искажение пространства
можно разложить на скалярные и тензорные составляющие (моды) . скалярные — меняют плотность энергии .
оказывается, при переходе от инфляционной к фридмановской стадии расширения (что, собственно, и есть
Большой взрыв) скалярные возмущения усиливаются .
Насколько — зависит от конкретного механизма инфляции (инфлатона) . именно скалярные возмущения мы
и видим в первую очередь, исследуя карту реликтового излучения . тензорные моды не меняют плотности: это, по сути, реликтовые гравитационные волны,
и они не усиливаются при окончании инфляции . интересно, что в моделях, альтернативных теории инфляции, скалярные моды тоже возникают и усиливаются,
но тензорных в них вообще нет . гравитационные
волны можно обнаружить по реликтовому излучению,
по его поляризации, но сделать это не так просто .
мы
видим
усиленные
скалярные
возмущения,
134


но не знаем коэффициента усиления и потому не знаем
Со временем Пол Стейнхардт
амплитуды неусиленных реликпревратился из сторонника
товых гравитационных волн .
Простейший вариант инфла- теории инфляции в яростного
тона — скалярное поле с ква- ее противника. он разрабодратичной зависимостью потен- тал альтернативный сценарий
циала от напряженности — под названием «экпиротичеуже отбракован результатами ская вселенная».
«Планка» . Это вариант с наименьшим усилением, где амплитуда гравитационных волн должна быть порядка 20%
от амплитуды возмущений плотности . Данные уже
запрещают такую амплитуду .
я посвятил проблеме реликтовых гравитационных
волн длинный абзац, поскольку она и есть самый драматичный узел в теории инфляции на сегодняшний
день . и конечно, Пол стейнхардт был вдохновлен: раз
самый простой вариант инфляции отвергнут, значит,
теория теряет почву под ногами . На самом деле отвергнут хоть и самый простой, но далеко не самый естественный вариант . так, в модели алексея старобинского, где инфляция получается из первых принципов
(как влияние кривизны пространства на физические
поля в нем, где не требуется никаких дополнительных
сущностей), гравитационные волны довольно слабы
и смогут быть обнаружены не раньше чем через десяток лет . Есть еще несколько более-менее естественных
вариантов теории, предсказывающих слабые гравитационные волны .
Как бы там ни было, стейнхардт с теми же соавторами на эту тему опубликовал е-принт1, где упоминает,
что подвергся критике алана гута с соавторами
и андрея линде, но продолжает стоять на своем .
1

Anna Ijjas, Paul J . Steinhardt, Abraham Loeb . arXiv:1402 .6980

135


аПелляция к народу
и вот спустя три года после той полемики, которая
шла на научном языке, стейнхардт с теми же соавторами обращается к широким массам на страницах Scientific American с критикой теории инфляции уже
на уровне популярных метафор1 . Это считается не очень
хорошим приемом: не убедив профессионалов, апеллировать к публике . Пару слов об аргументации .
Конечно, там идет тот же мотив, что упомянут выше, —
простейшая модель инфляции отвергнута, что означает
мощный удар по теории . Но это не единственный довод .
Вот довольно близкое к тексту сжатое изложение
фрагмента статьи:
Представим себя оракулом, владеющим теорией
инфляции, но ничего не знающим о нашей Вселенной.
Можем ли мы предсказать число и распределение
галактик в пространстве? Нет!
Можем ли мы предсказать кривизну пространства? Нет!
Предсказать количество материи или других форм
энергии, что составляют Вселенную? Нет!
Можем ли мы объяснить, как образовался тот
зародыш Вселенной, с которого началась инфляция?
Нет!
Это типичный пример демагогии с передергиванием .
Число и распределение галактик в пространстве удается правдоподобно воспроизвести из первых принципов, хотя такой параметр, как начальная амплитуда
возмущений, вытаскивается из наблюдений — это свободный параметр .
A . Ijjas, P . J . Steinhardt, A . Loeb, www .scientificamerican .com/
article/cosmic-inflation-theory-faces-challenges/, www .cfa .harvard .
edu/~loeb/sciam3 .pdf
1

136


Кривизну пространства теория инфляции замечательно предсказывает: она неотличима от нуля .
Предсказание соотношения разных форм материи
и энергии лежит вне рамок теории инфляции, это другая область науки . теория не обязана предсказывать всё
на свете . Хотя сумму разных форм материи и энергии
она предсказывает правильно .
Как образовался зародыш Вселенной? Это тоже
вопрос вне рамок теории инфляции . Хуже того, это
вопрос вне рамок современной науки, поскольку должен опираться на квантовую гравитацию — науку, которой еще нет . Достижение теории инфляции как раз
в том, что она отодвинула сферу нашего непонимания
от мистических начальных условий Большого взрыва до
микроскопического зародыша пространства .
В статье также используется вывернутая логика: космологическая инфляция может генерировать разные
вселенные с разными свойствами, особенно в варианте
вечной инфляции . там есть свободные параметры
и даже возможны разные варианты физики . то есть
теория не обладает предсказательной силой .
Это примерно то же самое,
как обвинить современную теорию образования планетных
систем в том, что она предска- Предсказание соотношения
зывает не только нашу солнеч- разных форм материи
ную систему, но и множество и энергии лежит вне рамок
других, непохожих на нее теории инфляции, это другая
систем . Разница лишь в том, область науки. Теория
что другие планетные системы не обязана предсказывать
мы видим, а другие вселенвсё на свете. Хотя сумму разные — нет . тем не менее есть
пять достаточно общих пред- ных форм материи и энергии
сказаний; четыре из них пре- она предсказывает пракрасно выполнились в нашей вильно.
вселенной, пятое — на очереди .
137


Еще один довод стейнхардта с соавторами: есть
такие (витиеватые) варианты теории, где и эти четыре
подтвердившихся предсказания могут быть несправедливы . и что с того? Если есть способ испортить теорию,
добавляя в нее лишние сущности, это не аргумент против исходной теории . общую теорию относительности
сколько раз пытались испортить .

коллективное Письмо
ответить «банде трех» было довольно просто —
на языке аргументов, понятных достаточно широкому
слою образованных читателей . Эти аргументы есть,
они высказывались много раз тем же андреем линде
или Вячеславом мухановым и в общих чертах приведены выше . Но отцы-основатели теории инфляции
пошли другим путем: собрали компанию гораздо большего размера и веса — 33 знаменитых физика-теоретика,
включая четырех нобелевских лауреатов, стивена
Хокинга, Эдварда Виттена и прочих знаменитостей, —
и опубликовали ответную статью в том же Scientific
American1 .
Публикация конечно правильная, хотя и слабей, чем
могла бы быть: некоторые аргументы смазаны . Но
гораздо хуже то, что подобная статья — плохой жанр .
По сути, это коллективное письмо . там, где хорошо
работают аргументы, используется массовость и вес
подписантов . Это допустимо, например, когда требуется
повлиять на власть, но никак не в научном споре .
Есть и другое соображение: «тяжесть» авторского
коллектива работает как реклама, дескать, раз против
blogs .scientificamerican .com/observations/a-cosmiccontroversy/#reply
1

138


этих ребят ополчились такие силы, значит, они далеко
не столь просты . Насколько мне известно, основной
автор и инициатор — алан гут . андрей линде поддержал его . алексей старобинский тоже подписал письмо .
а Вячеслав муханов, один из основателей теории
инфляции, не подписал примерно по тем же причинам,
что сформулированы выше .
то есть на неадекватную апелляцию к публике последовала, на мой взгляд, неадекватная реакция в виде коллективного письма .

о ПуБлиЧных дискуссиях
В данном случае сыграла роль застарелая проблема — недостаток культуры взаимодействия ученых
с широкой публикой . тут явно были нарушены некие
правила «хорошего тона», которые, увы, недостаточно
ясно «прописаны» в сознании научной общественности . Значит ли это, что публичных дискуссий ученых
по спорным вопросам надо избегать? Ни в коей мере!
Есть исторические примеры замечательных публичных
дискуссий профессионалов, которые происходили
в реальном времени лицом к лицу, таких как дискуссия Дона лэмба и Богдана Пачинского о происхождении гамма-всплесков . Это было в середине 1990-х
годов — тогда появились первые указания на то, что
источники гамма-всплесков лежат на огромных космологических расстояниях . Дон лэмб защищал галактическую гипотезу, Богдан Пачинский — космологическую .
оба выступали с блеском . Широкая публика внимала
с огромным интересом . Есть и другие яркие примеры
публичных дискуссий . тут главное условие — честность
участников, их способность избегать демагогии и принимать аргументы оппонента .
139


между прочим, публичная дискуссия между сторонником теории инфляции и скептиком уже имела место,
хотя и не стала столь известной . Это был диспут
в Политехническом музее между игорем ткачёвым (за
теорию инфляции) и Валерием Рубаковым (умеренный
скептицизм, за поиск альтернативных вариантов),
состоявшийся 31 марта 2010 года1 . с моей точки зрения, идеальная пара для подобной дискуссии — андрей
линде и Валерий Рубаков . Кстати, почему бы и не организовать ее?
Борис Штерн
23.05.2017

Видеозапись дебатов см . www .infox .ru/science/
enlightenment/2010/03/25/Tayna_rozhdyeniya_Vs .phtml
1


12.

Конец ТемныХ
веКов

В начале марта 2018 года в Nature опубликована
статья про результат астрономических наблюдений, который интерпретируется как свидетельство массового рождения первых звезд во Вселенной возрастом около 180 млн лет. Статья вызвала
заметный отклик в СМИ. Для того чтобы представить результат широкому кругу читателей,
требуется экскурс в историю молодой Вселенной.

темные века и Первые звезды
самый ранний снимок Вселенной — карта реликтового излучения (см . рис . 1 цветной вкладки) . На этом
великолепном снимке ей 380 тыс . лет . Это тот момент,
когда ионизованный водород стал нейтральным и прозрачным, — момент рекомбинации . то, что было до
того, не видно, но хорошо восстанавливается из анализа
карты . то, что было в последующие примерно 500 млн
лет, мы тоже не видим, это так называемые темные
века . Первое, что выплывает из темных веков, — ранние
галактики, квазары, гамма-всплески с красным смеще141


нием, приближающимся к десяти или даже больше .
можем ли мы достоверно выяснить то, что происходило в течение темных веков?
В возрасте 380 тыс . лет Вселенная была чуть-чуть неоднородна: контраст плотности, создаваемый сгустками
темной материи, составлял примерно одну тысячную,
при этом неоднородности были всех размеров — от
метров до гигапарсеков . Потом контраст плотности стал
расти за счет гравитационной неустойчивости, но — неодинаково и неодновременно для сгустков разного размера . маленькие сгустки не могли сжиматься из-за давления газа, заполнившего потенциальные ямы . существует
критерий Джинса: сгусток газа способен сжиматься под
действием собственного тяготения, если его масса превышает определенный предел . Этот предел, масса Джинса,
пропорционален температуре сгустка в степени 3/2
и обратно пропорционален корню из давления . В ранней
Вселенной, в ее темные века, минимальная масса Джинса
составляет 105-106 солнечных масс . именно такие облака
могли образовать первые гравитационно связанные объекты во Вселенной . Что это за объекты?
Доминирующая точка зрения: из таких облаков могли
образоваться первые гигантские звезды, не входящие
в состав галактик, которых тогда еще не было . Возмущения плотности меньших размеров развиваются раньше,
поэтому сначала появились звезды, а потом уже галактики . однако масса Джинса в молодой Вселенной слишком велика для звезд . считается, что в первые звезды
сконденсировалась лишь небольшая часть каждого из
облаков, первых преодолевших предел Джинса . Численное моделирование сжатия облаков дает разные результаты: возможно, образуется одна гигантская звезда, возможно, несколько — гигант и вокруг него несколько
поменьше . остается и большое облако газа, не способное
сконденсироваться из-за углового момента облака или
лучевого давления новорожденной звезды . По современ142


ным представлениям, рождение первых звезд стартовало
во вторую-третью сотню миллионов лет от рождения
Вселенной . (см . цветную вкладку рис . 10 .)
Нынешние звезды делятся на два населения . солнце
и большинство звезд, которые мы видим на небе, относятся к молодому населению I . они сделаны из вещества,
уже побывавшего в более старых звездах, поэтому в них
довольно много тяжелых элементов (в астрофизике
«тяжелыми элементами» называется всё, что тяжелее
гелия) . На астрофизическом жаргоне это называется
«высокой металличностью» . Более старые звезды, образовавшиеся в эпоху зарождения галактик (0,5-3 млрд лет от
рождения Вселенной), относят к старому населению II .
В них мало тяжелых элементов, такие звезды редки
в окрестностях солнца, они доминируют в галактическом
гало и в шаровых скоплениях . Это поколение звезд долгое время считалось первым .
Но с развитием космологии появилась потребность
в еще одном поколении — до образования галактик
должны были появиться самые первые звезды, не похожие ни на какие из современных . специально для них
ввели наименование «население III» — звезды, которые
еще никто не видел . они давно взорвались, превратившись в массивные черные дыры, возможно, те, чьи слияния недавно обнаружены в виде гравитационных волн .
В этих звездах совсем нет тяжелых элементов, если
не считать микроскопических количеств лития, синтезированного при Большом взрыве . Эти звезды могли достигать огромных масс — сотен или даже тысяч масс
солнца — именно из-за своей нулевой металличности .
В отсутствии тяжелых элементов термоядерные реакции
превращения водорода в гелий идут медленней (углерод,
например, играет роль катализатора в «горении» водорода) . Кроме того, у таких звезд выше теплопроводность:
нет тяжелых элементов, эффективно поглощающих жесткое излучение . Поэтому в процессе роста такие звезды
143


позже достигают критической (эддингтоновской) светимости, после чего они давлением своего излучения разгоняют окружающее вещество и перестают расти .
Повторим, звезд населения III никто пока не видел,
но они должны быть . Видимо, именно они положили
конец темным векам гораздо раньше, чем мы можем
заключить из прямых наблюдений . Впрочем, глубину
прямых наблюдений должен увеличить новый космический телескоп «Джеймс Вебб», который, надеемся, наконец, запустят в 2019 году .

эПоха вториЧной
ионизации
сначала весь газ во Вселенной был ионизован из-за
высокой температуры . Но спустя 380 тыс . лет после Большого взрыва температура упала настолько, что электроны связались с ядрами водорода и гелия, газ стал нейтральным, а Вселенная — почти прозрачной для
излучения . сейчас большая часть межгалактического газа
также ионизована (при этом она остается прозрачной,
поскольку сильно расширилась, и ее плотность сильно
упала) . Когда она снова стала ионизованной? где-то
в конце темных веков, когда зажглись звезды и квазары,
ионизовав межгалактический газ своим ультрафиолетом .
Когда именно это произошло? Прямые измерения показывают, что вторичная ионизация уже имела место при
красном смещении 7-10, что соответствует возрасту
0,6-1 млрд лет . Это выяснили с помощью далеких квазаров,
заслуженно называемых «маяками Вселенной» . (см . цветную вкладку рис . 11 .) они светят в широком спектральном
диапазоне, но в спектре далеких квазаров есть провалы,
и каждый провал свидетельствует о наличии облака
144


нейтрального водорода на луче
зрения . облако «выедает» щель
Звезд населения III никто
на длине волны 121,5 нм
пока
не видел, но они
(в системе отсчета облака), что
соответствует линии лайман- должны быть. видимо, именно
альфа атома водорода (пере- они положили конец темным
ходу с первого возбужденного векам гораздо раньше,
на основной уровень) с огром- чем мы можем заключить
ным сечением поглощения . так из прямых наблюдений.
как эта длина волны в системе
отсчета облака, то из-за расширения Вселенной провал переезжает в красную область,
а для далеких облаков — в инфракрасную . облака нейтрального газа идут чем дальше, тем чаще, вместо одиночных провалов получается гребенка, называемая лесом
лайман-альфа . Если квазар очень далеко, «деревья леса»
сливаются и поглощают весь свет квазара на длинах волн
короче 121,5 нм x (1 + z), где z — красное смещение квазара . Пробиваются только отдельные пики, соответствующие ионизованным облакам (так называемый эффект
ганна — Петерсона) . Дальше исчезают и они . Это происходит на красном смещении чуть меньше 10, но какая-то
неполная ионизация простирается и дальше, за красное
смещение 10, но квазары здесь уже «не помогут» . Возможно, они есть и при z > 10, возможно, их обнаружит
«Джеймс Вебб», но весь их свет с длиной волны короче
лайман-альфа будет поглощен . Здесь может помочь
совсем другой диапазон электромагнитного спектра .

знаменитая линия 21 см
Кроме квазаров в астрофизике есть еще замечательное явление, способное просветить темные века, —
радиолиния сверхтонкого расщепления нейтрального
145


водорода длиной 21 см (см . цветную вкладку рис . 12) .
Это результат взаимодействия магнитных моментов
электрона и ядра . она настолько распространена и завязана на многих явлениях, что иосиф Шкловский предложил искать сигнал внеземных цивилизаций именно
на этой волне: она выделена самой природой, и разумные существа могут независимо догадаться попробовать ее для связи . могут ли первые звезды как-то проявиться в этом диапазоне?
Прежде всего, нужен «маяк» на длине волны 21 см
(из-за расширения Вселенной для нас это будет уже
метровый диапазон) . такой «маяк» (точнее, фон) есть —
это реликтовое излучение, покрывающее широкий диапазон частот . максимум реликтового излучения приходится на микроволны, но и в метровом диапазоне оно
еще вполне сильно, это так называемая область Рэлея —
Джинса . Нельзя ли обнаружить какую-то особенность,
например провал в спектре, если измерять фон неба
в метровых волнах? тогда эту особенность можно было
бы интерпретировать как поглощение на частоте 21 см
нейтральным водородом в ранней Вселенной .
исследования на эту тему идут достаточно давно .
оказывается, первые звезды вполне могут дать измеримый сигнал в поглощении линии 21 см . Пока первых
звезд не было, водород находится в термодинамическом
равновесии с реликтовым излучением, и никакого поглощения на сверхтонком расщеплении нет — Вселенная
прозрачна на данной волне . Но когда зажигаются яркие
горячие первые звезды и освещают пространство ультрафиолетом, состояние нейтрального водорода (так
называемая спиновая температура) немного меняется
(появляется неравновесная заселенность сверхтонких
подуровней водорода), и водород начинает поглощать
21-сантиметровые радиоволны . Это квантовомеханический эффект, требующий довольно громоздких разъяснений, которые выходят за рамки данной статьи . Позд146


нее, когда завершается вторичная ионизация, поглощение
пропадает: нет нейтральных атомов — нет сверхтонкого
расщепления . таким образом, в спектре реликтового
излучения надо искать провал в метровом диапазоне,
соответствующий линии 21 см, подвергнутой красному
смещению 10…20, соответствующему предполагаемому
концу темных веков .
В недавней работе Cohen et al .1 этот провал был численно просчитан для разных вариаций параметров ранней
Вселенной . Для наиболее правдоподобных параметров он
должен начинаться на частоте около 70 мгц (красное смещение чуть больше 20, возраст — около 170 млн лет), достигать дна при 90–100 мгц (z ~ 15) и плавно исчезать по мере
вторичной ионизации при z ~ 12…9 .

след Первых звезд
оБнаружен?
информационным поводом для этой статьи стала
публикация J . D . Bowman et al .2, где приводятся свидетельства поглощения реликтового излучения в полосе
60–100 мгц . измерялся фон радиоизлучения на частотах
меньше 200 мгц, усредненный по небу . Большую часть
сигнала составляет галактический фон, но если почистить
данные от галактического фона (в основном синхротронное излучение электронов в межзвездном магнитном
поле), то в наблюдаемом радиоспектре вырисовывается
характерная яма, напоминающая предсказания Cohen et
al . Заметим, что найденный эффект составляет менее
Aviad Cohen et al . arxiv .org/pdf/1609 .02312 .pdf
Bowman Judd et al . Nature, Volume 555, Issue 7694, pp . 67–70
(2018), arxiv .org/abs/1810 .05912
1
2

147


одной двухтысячной от сырого сигнала, и результат вычитания фона зависит от его модели . Кроме того, возможны
аппаратурные и атмосферные эффекты, имитирующие
результат, что признается в статье .
Чтобы подвергать результат сомнению, надо разбираться во множестве технических деталей, однако есть
одно подозрительное обстоятельство: сигнал слишком
велик . глубина ямы в два с лишним раза превышает
теоретические оценки Cohen et al . Это еще не фатально,
но, чтобы примирить результат с численными оценками, приходится выкручиваться и делать слишком
вызывающие предположения . а именно: либо космологи ошиблись с данными WMAP и «Планка» и недооценили контраст неоднородностей ранней Вселенной,
либо темная материя на самом деле не такая уж темная
и заметно взаимодействует с обычной материей при
малых скоростях частиц (скорей всего, подобное предположение чревато катастрофой в центральных областях современных галактик) . то есть это явно чрезвычайные предположения, требующие, согласно Карлу
сагану, «чрезвычайных свидетельств» .
Данный результат, опирающийся на модели достаточно сложных эффектов, трудно отнести к чрезвычайным свидетельствам, но и отвергать его полностью нет
достаточных оснований . Видимо, в ближайшее время
появятся работы с «разбором полета», и не так далек
запуск «Джеймса Вебба», который сможет заглянуть
гораздо глубже в направлении темных веков, чем это
могут сделать существующие телескопы . В конце концов,
темные века сократятся до пары сотен миллионов лет…
Борис Штерн
13.03.2018
Автор благодарен Константину Постнову
за ряд уточнений.


13.

ПУТь
в неБеСа

Умер самый знаменитый физик современности
с яркой и тяжелой судьбой. Человек, сумевший обратить свой недуг во благо. Под благом я понимаю
прежде всего его просветительскую миссию. Многие хорошие физики занимались просветительством, но никого не воспринимали с таким вниманием, как Стивена Хокинга. Поражал сам факт
того, что статьи, книги и выступления исходят
от человека, не способного пошевелиться.
Если брать чисто научную составляющую его деятельности, то Хокинг — выдающийся физик, но не гений,
каким его представляют широкой публике с экранов
телевизоров и страниц книг . скорее герой, чем гений .
собственно, яркий и по-настоящему знаменитый результат у него один — излучение Хокинга: черные дыры потихоньку «испаряются», излучая фотоны, и в конце концов
взрываются . Конечно, у него много других важных работ,
которые сделали бы честь любому физику: десять из его
статей цитировались более тысячи раз каждая, но самая
знаменитая, про излучение Хокинга — больше 6 тыс . раз .
Вторая по цитируемости статья, тоже связанная
с излучением черных дыр, о бурном взрывообразном
149


их испарении в финале — две с лишним тысячи цитирований . Еще бы, это красивейший и потенциально наблюдаемый эффект . Черные дыры массой 1015 г испаряются
как раз за время жизни Вселенной . темп их испарения
растет по мере убывания массы . Если они родились
вместе с Вселенной (первичные черные дыры), то сейчас взрываются, выделяя в последнюю десятую секунды
энергию взрыва миллиона мегатонных бомб, испуская
частицы высоких энергий . Конечно, такие взрывы ищут,
но пока безуспешно .
Эффект очень красивый . На самом деле он прост
и очевиден (впрочем, это теперь так кажется) . Здесь
вовсю задействована квантовая механика, которая гласит, что вакуум состоит из нулевых колебаний всех
полей . В некоторых случаях нулевые колебания могут
превращаться в реальные . такие ситуации возникают
в сильных полях, способных вложить энергию в пару
виртуальных частиц, чтобы перевести их в реальные
(это ужасно вульгарная, но общепринятая форма изложения) . В данном случае работает гравитационное поле
черной дыры . Если взять пару частиц (фотонов) — одну
снаружи горизонта событий, другую внутри, то с точки
зрения внешнего наблюдателя первая обладает положительной энергией, вторая — отрицательной . так они
и рождаются на границе: первая — уходит на бесконечность, вторая — остается в черной дыре, ее отрицательная энергия суммируется с массой черной дыры, которая в результате немного уменьшается . Для астрофизических черных дыр это излучение очень слабое, оно
имеет вид длинных радиоволн, причем длины волн
сравнимы с размерами самих черных дыр . Время испарения черной дыры звездного происхождения — 1060 лет .
однако энергия излучаемых частиц обратно пропорциональна массе черной дыры, а интенсивность обратно
пропорциональна четвертой степени массы . именно
поэтому испарение заканчивается взрывом, где уча150


ствует уже не только электромагнитное излучение,
но и все существующие частицы .
Хокинг не разменивался на мелочи и занимался
самыми глубокими вопросами: как возникла Вселенная,
что это такое, можно ли ее описывать квантовомеханической волновой функцией, исчезает ли информация
в черных дырах, ведут ли черные дыры в другие вселенные, что такое «стрела времени»? можно ли с помощью гравитации сделать машину времени в виде кротовой норы, нарушающей причинность? Пытался подступиться к квантовой гравитации, сформулировал связь
между черными дырами и термодинамикой .
очень важные события в космологии произошли
в начале 1980-х — своего рода революция . В течение
пары лет был разработан механизм (точнее, сценарий)
космологической инфляции, в общих чертах объясняющий происхождение Вселенной с ее галактиками . Это
был коллективный штурм, и Хокинг в нем активно участвовал . он «держал руку на пульсе», ездил на все значимые конференции, сам их организовывал, быстро
откликался на происходящее своими статьями . Конечно,
он внес существенный вклад в теорию космологической инфляции . Как определить этот вклад относительно других исследователей? место в тройке потенциальных номинантов на Нобелевскую премию (которую, по моему мнению, уже заслужила теория инфляции) ему не принадлежало бы, но где-то в шестерку
лидеров этого прорыва он точно входит .
В 1970-е и 1980-е годы он довольно часто приезжал
в москву: космологическая школа Зельдовича была
одной из сильнейших в мире . Выступал на конференциях
и семинарах, общался с народом . андрей линде вспоминает забавный эпизод . Хокинг делал доклад в одном из
институтов . Каждую его фразу «переводил» на английский аспирант, потом андрей переводил фразу на русский . и вот Хокинг начал объяснять, почему механизм,
151


предложенный андреем линде
в последней статье, работать
Хокинг не разменивался
не будет . а андрей всё перевона мелочи и занимался
дил — в зале сидел Зельдович
самыми глубокими вопрои другие классики, а он был
вынужден громить свою работу .
сами: как возникла вселенПосле семинара Хокинг и линде
ная, что это такое, можно ли
исчезли . Это был настоящий
ее описывать квантовомехапереполох! В конце концов их
нической волновой функнашли в одной из аудиторий,
цией, исчезает ли информагде андрей объяснял стивену,
ция в черных дырах, ведут ли что все-таки прав . и вроде
черные дыры в другие всеобъяснил .
ленные, что такое «стрела
Коллеги рассказывают, что
на одной из конференций,
времени».
организованной Зельдовичем
в москве, Хокинг взял и станцевал вальс в своем кресле,
управляя им двумя пальцами, которые его еще слушались . он не только мыслил в своем кресле, но и жил,
и веселился! У него было всё в порядке с чувством
юмора, с потенцией (трое детей, две жены) . он много
путешествовал в своем кресле и по конференциям,
и как турист . испытывал минутную невесомость в самолете на «горке» . Был очень общительным, несмотря
на проблемы с коммуникацией . Вышеописанный эпизод с андреем линде закончился тем, что Хокинг пригласил его в гостиницу, где они продолжили спор,
а потом допоздна рассказывал про себя и свою семью,
показывал снимки1 .
Хокинг писал статьи почти до конца жизни . три статьи с соавторами опубликованы в 2017-м . Последние
статьи без соавторов — в 2014 и 2015 годах . они посвящены информационному парадоксу черных дыр: теряандрей линде, Борис Штерн . «Как за полчаса изменился
мир», трВ-Наука, № 152 от 22 апреля 2014 года .
1

152


ется ли информация о том, что в них упало . Улетает ли
информация в другую вселенную или возвращается
в виде излучения Хокинга? Возможно, наибольшее
количество его статей посвящены этому вопросу, который вроде бы не имеет никакой связи с реальностью,
но ответ нужен для понимания основ мироустройства .
Большинство его работ поисковые . В них нет четкого
общепризнанного результата «на века», как в его же
работе по излучению черных дыр, скорее есть постановка важных вопросов . масс-медиа ставят его в один
ряд с Эйнштейном, что, конечно, неверно . Хокинг
не «физический гений» . Это герой другого типа . и, пожалуй, его главный результат в публичной деятельности .
Будь он просто физиком, да еще здоровым, стоял бы
в общем ряду выдающихся физиков последней трети
XX века . Но на беду (его собственную) и к счастью
(общества), ему досталась куда более яркая роль . Благодаря поразительной силе духа Хокинг стал мировой
знаменитостью . он очень хорошо распорядился своей
славой . то, что он сделал по части просветительства,
по-моему, перевешивает его вклад в науку . Хокинг написал отличные книги, самая знаменитая из которых —
«Краткая история времени» . Наверное, из нее наибольшее число людей узнало о современной космологии
и других фундаментальных вещах . Пожалуй, если сравнивать с другими книгами, эта окажется чемпионом
по количеству молодежи, рекрутированной в науку .
стивен Хокинг стал настоящим явлением культуры .
Человек-мем, человек-бренд . Нелегко подсчитать,
в скольких фильмах и популярных передачах он фигурирует — то в исполнении актера, то в исполнении
самого себя . Например, в одной из серий Star Trek Ньютон, Эйнштейн и Хокинг играют в карты . Первых двух,
естественно, играют актеры, а Хокинга, сидящего
в своем кресле и двигающего карты с помощью механической руки, играет он сам .
153


многие задумались о будущем
человеческого
рода,
Стивен Хокинг стал настояо войне и мире, о месте челощим явлением культуры.
века во Вселенной именно блаЧеловек-мем, человек-бренд.
годаря его широковещательным
высказываниям .
Его
нелегко подсчитать, в скольпредостережениям люди верят
ких фильмах и популярных
больше, чем заявлениям полипередачах он фигурирует —
тиков . лично мне очень близко
то в исполнении актера, то
высказывание Хокинга о роли
в исполнении самого себя.
космоса — его освоение нужно
в первую очередь для того,
чтобы устранить реальный риск полного исчезновения
человека, а то и всей жизни на Земле .
Большая слава имеет свои издержки, ею часто злоупотребляют . мне много раз казалось, что славой Хокинга
злоупотребляют другие люди . то его изображали в качестве престижной мебели в какой-нибудь второсортной
научно-популярной передаче, то журналисты перевирали его слова ради броского заголовка . Например, идет
мощный вал заголовков: «Хокинг заявил, что черных
дыр не существует» . изумленно раскапываешь первоисточник, убеждаешься, что он ничего подобного не говорил, а сказал совсем другое, успокаиваешься и разъясняешь людям . Конечно, ему было очень тяжело контролировать всё, что происходит вокруг его имени . Впрочем, это мелочи, которые не могут испортить некролог
о человеке такого масштаба .
Борис Штерн
27.03.2018


Часть II

аСТрофиЗиКа


14.

оТКрыТые
данные

Современные крупные эксперименты или наблюдения стоят сотни миллионов, а то и миллиарды долларов. В них участвуют многие десятки, сотни, а то
и тысячи соавторов. Их списки в публикациях (как правило, в алфавитном порядке) называются в народе
«братскими могилами», и поделом — из них совершенно
непонятно кто реально получал результат и делал
статью, а кто просто имел какое-то отношение
(зачастую весьма формальное) к созданию установки.
Таким образом, теряются индивидуальность и свобода исследователя. Происходит «индустриализация»
некоторых областей науки со всеми ее «прелестями»,
типа административной иерархии и доминирования
корпоративной политики над наукой. Это реальная
проблема некоторых направлений, чреватая деградацией и тупиком. Наиболее перспективный рецепт против деградации — принцип открытых данных, уже
зарекомендовавший себя в астрофизике и биологии.
Открытые данные не только противоядие от обезличивания научных исследований. Это еще и новый путь
людей в большую науку, отменяющий «научную провинцию», дающий шанс совершить научное открытие
любому человеку в любом конце мира.
156


Что Понимается
Под открытыми
данными?
любой научный результат должен быть опубликован в открытой печати, иначе это не результат . он
может иметь справочный характер, например, быть
каталогом каких-нибудь объектов . В этом случае
результат научной работы сам по себе не дает какихлибо новых выводов, но он необходим для дальнейшего продвижения и будет использован многими
исследователями . однако имеющиеся в литературе
и в открытом доступе в сети объемные данные справочного характера — еще не то, о чем идет речь . она
идет о гигантских массивах сырой (или прошедшей
лишь очевидную первичную обработку) информации,
непосредственно выдаваемой аппаратурой . Как правило, эта информация остается в распоряжении авторов эксперимента . иногда данными делятся, типа «мы
вам — данные, вы нас — в соавторы» . иногда ими
не делятся вообще . а бывает и так, что данные выкладываются в сеть, в открытый доступ: берите, кто хочет,
и ройтесь в них, сколько заблагорассудится .
Это и есть открытые данные . Конечно, сами массивы информации — еще полдела, они должны сопровождаться полной информацией о свойствах и погрешностях аппаратуры, описанием структуры данных и т .п .
смысл в открытых данных появляется там, где их
объем велик, а содержащаяся в них информация столь
разнообразна, что ее хватит на многих «копателей»
(«dataminers» — термин, вошедший в обиход) . Перейдем к примерам .
самая масштабная инициатива по открытым данным принадлежит американской Национальной аэро157


Расчет с–1/1000

3,5

TJD 8620

3

2,5
с

Ю

2
52

53

54

55

53

Расчет с–1/1000

3,5

TJD 8652

3

2,5
Ю

с

2
78

79

80

81
Время

82

83

Рис. 14.1. Два маленьких фрагмента из открытых данных эксперимента BATSE на космической гамма-обсерватории «Комптон», наблюдавшего небо в мягких гама-лучах на протяжении 9 лет . Приведены
кривые счета двух детекторов из восьми за время одной орбиты
(около 1час . 45 мин .) . На кривых видны следующие события . сверху —
до 51800 с — сильный шум от источника лебедь Х-1 (черная дыра
в двойной системе), далее зашедшего за горизонт Земли . 54050 с —
лебедь Х-1 вновь показывается над горизонтом, 54560 с — высыпание
частиц в магнитосфере Земли, 55000 с — солнечная вспышка, 56300с —
восход Крабовидной туманности (остаток взрыва сверхновой) .
снизу — 78500 с — высыпание частиц, 79550 с — закат лебедя Х-1,
80250 с — нетриггерный гамма-всплеск, пропущенный авторами эксперимента . 81700 — восход лебедя Х-1, 83030 — еще один нетриггерный гамма-всплеск . синусоподобные изменения в темпе счета —
широтные вариации фона частиц, фон выше, когда станция залетает
в высокие широты . график построен Б . Штерном по исходным данным гамма-обсерватории «Комптон» .

158


космической администрации (NASA) . В свое время они
приняли принципиальное решение: все данные с аппаратов NASA, будучи оплачены налогоплательщиками,
должны быть открытыми для всех . и этот принцип
в целом соблюдается .
Например, снимки «Хаббла» или марсианских орбитальных аппаратов являются открытыми в исходном
виде: не как обработанные jpeg-и, а как попиксельные
данные в разных спектральных диапазонах . а другой
известный аппарат, гамма-обсерватория «Комптон»,
оставила среди прочего массивы отсчетов детекторов
гамма-квантов со всей Вселенной за 9 лет непрерывных наблюдений, и чего там только нет! Наконец,
в сентябре 2009 г . открыты данные гамма-телескопа
«ферми» .

Рис. 14.2 Карта неба «ферми» . Каждая точка — гамма-квант, энергии
выше 6 гэВ . изображение создано Б . Штерном на основе исходных
данных гамма-обсерватории «ферми» .

Еще один пример больших массивов данных, открытых для всеобщего изучения, — разнообразные геномы .
Но это уже предмет для других авторов .
159


коллизия интересов?
с какой стати авторы эксперимента должны выкладывать для всеобщего пользования свои драгоценные
данные, добытые в результате многолетних трудов?
В них вложена часть души в расчете на урожай в виде
приоритетных научных результатов! Это с одной стороны . с другой стороны, откуда у авторов огромные
средства на эксперимент? от налогоплательщиков!
и последние вправе сказать: данные — на бочку! — они
получены на деньги общества и должны быть общественным достоянием . а некоторые авторы могут возразить: зачем обществу сами данные? За государственные деньги заказан результат — научные факты, и мы
эти факты излагаем в открытых научных статьях . и вот
в этом месте воображаемые авторы совершенно
неправы .
Зачем общество оплачивает удовлетворение любопытства ученых? Ради научных фактов? Как правило,
в наименьшей степени ради них самих . оно оплачивает саму систему выработки и организации знаний,
методологию научного поиска и развития вкуса людей
к поиску, наконец, налогоплательщики оплачивают
воспроизводство носителей и добытчиков знаний .
Рядовой налогоплательщик вряд ли понимает это,
но интуитивно чувствует, что, платя за науку, в накладе
не останется . и действительно не остается . и вот
именно ради этих целей данные должны быть открытыми . обществу важно, чтобы с ними работало как
можно больше людей, чтобы исследователи конкурировали друг с другом и учились выжимать из данных
все, что можно, оттачивали мастерство и придумывали новые приемы и методы .
Есть и еще один аспект: посторонние исследователи,
взгляд которых свеж и не замылен, обычно легко обна160


руживают в данных всякий брак, систематические
погрешности, пропущенные авторами, и т .п . и к тому
же открытость требует досконального документирования всего эксперимента и описания всех погрешностей .
таким образом, открытые данные — это еще и способ
контроля за качеством эксперимента .
итак, принцип открытости данных нужен обществу,
но не лишит ли он исследовательские коллективы мотивации к разработке и созданию сложных установок?
Ведь кто-то другой может увести из-под носа результаты, да еще и свой нос будет совать в самую кухню, где
еще водятся всякие жучки (в просторечии «баги») и тараканы . В целом, чем сильней команда эксперимента, тем
меньше ее должна беспокоить открытость данных .
Впрочем, есть достаточно простой компромисс —
временное эмбарго на данные . то есть они выкладываются в сеть с задержкой, например, на полгода, что
позволяет команде выловить всех жучков и тараканов
и успеть снять сливки . Если это «богатые» данные, со
сложной универсальной установки — «молока» там хватит на многих .

а тем временем в евроПе...
В то время как NASA последовательно придерживается принципа открытых данных, в старом свете
с этим сложней . Впрочем, Европейское космическое
агентство ESA, по крайней мере, в крупных экспериментах следует если не принципу полной открытости,
то хотя бы принципу конкурсности и прозрачности
в вопросе доступа к данным . Возьмем для примера миссию «интеграл» — большой аппарат, наблюдающий
в рентгеновском и мягком гамма-диапазонах . В отличие
от орбитальных обсерваторий «Комптон» и «ферми»,
161


у него сравнительно узкое поле зрения, и встает вопрос,
что наблюдать . изначально был запланирован ряд очевидных приоритетных наблюдений, например скан
плоскости галактики . На оставшееся время проводится
открытый конкурс заявок любых исследователей из
стран-участниц (Россия входит в их число) на наблюдения разных объектов . Заявки рассматриваются экспертным комитетом, куда входят люди из разных
стран, в том числе и из России . Победившие заявки
утрясаются по срокам и включаются в программу
наблюдений . Победители наделяются правами на данные (data rights), т .е . они, и только они, получают данные именно на то, что запрашивали в заявке . Но в поле
зрения кроме заявленных объектов попадает много
чего еще . и тут проводится второй тур заявок — на бесхозные объекты в запланированных полях наблюдения .
Победители, и только они, получают данные по запрошенным объектам . Конкурс, как правило, невелик,
и зачастую права на данные получают вопреки ужасающе низкому научному уровню обоснования .
По-моему, это более-менее разумная схема, во всяком случае, первый тур . Будь моя воля, я бы отменил
второй тур и открыл бы все данные . Правда, они и так
открываются со временем .
с национальными европейскими проектами все
не так . Для примера возьмем итальянский (с российским участием) эксперимент PAMELA — магнитный
спектрометр в космосе . основное предназначение —
измерение потока античастиц и (вдруг!) антиядер . тут
не то что речи нет об открытых данных, тут ощущается
дух свирепого собственника . мой знакомый, русскофинский профессор, обратился к команде «Памелы»
с запросом по поводу данных о низкоэнергетических
частицах, которые не относятся к основной цели эксперимента . Это в большинстве частицы солнечного
происхождения, несущие информацию об активности
162


солнца и земной магнитосфере . он спросил, на каких
условиях может получить эти данные . и получил ответ:
ни на каких .
с «Памелой» также связан довольно известный скандал . они показали на конференции предварительные
данные, кто-то сфотографировал их из зала и опубликовал (со ссылкой) в теоретической работе . авторы эксперимента разразились гневными реляциями, расценивая это как нарушение авторского права . теоретик
поступил не очень солидно, но реакция команды
«Памелы», по-моему, куда больше противоречит духу
науки и, если честно, вызывает у меня полное неприятие . либо не демонстрируйте результаты, либо не запрещайте их воспроизводить и цитировать . Доклад на конференции — это запуск результатов в открытый научный оборот, и понятие копирайта на картинку с результатами — чистый абсурд .

а как насЧет Большого
адронного коллайдера?
Экспериментальная физика высоких энергий производит огромные массивы разнообразных данных, которых тоже хватает на многих исследователей . Подходит
ли принцип открытых данных для физики высоких
энергий? Думаю, что большинство экспериментаторов
ответят — нет . Подозреваю также, что они при этом
будут неправы . тут, конечно, есть техническая проблема — гигантский объем данных . Но она не фатальна:
пусть данные будут открыты хотя бы для профессионалов, имеющих к ним доступ по специальным каналам
с быстрым трафиком . гораздо большая проблема —
в психологии, традициях и организационных принци163


пах, сложившихся в физике высоких энергий . сейчас
данные не являются открытыми даже в пределах огромных коллективов, за них торгуются, их распределяют,
а публикуют результаты все равно в «братских могилах» . индивидуальность исследователя проявляется
разве что в докладах на конференциях . сложившиеся
традиции отталкивает от данной области науки людей,
для которых самостоятельность и свободный поиск
являются важнейшими ценностями .
Это — в общем, теперь пару слов о Большом адронном коллайдере, который стоит несколько миллиардов евро . Поток информации с его установок будет
беспрецедентным: чтобы его переварить, потребуются
распределенные вычисления огромного числа массивов компьютеров в разных концах мира (система
«grid») . Уметь управляться с таким потоком информации — уже большое достижение и ценнейший опыт .
Далее, количество информации сжимается: сигналы
с детекторов превращаются в события с параметрами
вылетевших лептонов и адронных струй . и с этой
сжатой информацией (ее поток только с установки
CMS составит порядка 30 мегабайт в секунду) уже
можно делать физику .
Будь я большим начальником, представляющим
интересы налогоплательщиков, я бы сказал:
— так и быть, в течение года (условного) после физического пуска обрабатывайте данные, как привыкли,
открывайте или закрывайте бозон Хиггса и суперсимметричные частицы, публикуйтесь «братскими могилами», а по истечении года — данные на бочку (в открытый доступ), вместе с детальной документацией!
я не являюсь никаким начальником, поэтому меня
никто не послушает, да и нет такого начальника, который мог бы на этом настоять (может, и к лучшему, а то
бог знает, что еще может прийти в голову начальнику) .
Поэтому остается только пропагандировать эту идею
164


и искать сторонников . Это путь не быстрый, поэтому
вряд ли данные БаК будут открыты, пока они еще
теплые . а жаль, поскольку открытый доступ к ним
существенно повысил бы суммарную квалификацию
физиков, уровень развития методов обработки и интерес к науке . Да и вытрясли бы из БаКа больше .

Just do It
Этот фрагмент — только для очень любопытных
и компьютерно-грамотных людей, особенно для тех,
в ком бьется горячее сердце хакера . Последним не надо
огорчаться, что все описанное ниже легально разрешено . итак, для примера, учимся доставать и читать
свежие данные «ферми» .
Все архивы данных NASA лежат на мощных серверах, где не бывает проблем с трафиком, и достаются
либо через анонимный доступ по протоколу ftp, либо
через обычный веб-браузер . Пойдем вторым путем,
сюда:
http://fermi .gsfc .
nasa .gov/cgi-bin/ssc/LAT/
WeeklyFiles . cgi и скачиваем файлы с названием типа
LAT_allsky_239557417 .000_ V01 .fits — их там больше
полусотни, каждый — недельный улов ферми, их вес —
от 300 до 400 мегабайт, так что связь на вашем конце
должна быть хорошей .
Данные оформлены в стандарте fits, распространенном в астрономии и астрофизике . На том же сайте есть
весь необходимый софт, чтобы читать данные и работать с ними . я бы не рекомендовал целиком полагаться
на этот софт — тогда вы становитесь его рабом и мало
чему научитесь . лучший путь — воспользоваться читалкой fits-файлов Fv (http://heasarc .gsfc . nasa .gov/ftools/fv),
которая может конвертировать данные в обычный
ASCII-файл и потом работать с ним своими средствами .
165


В результате вы получаете 200 млн гамма-квантов
с направлениями и временами прихода, с их энергией
и рядом технических данных, нужных для более профессионального анализа . На этом этапе вы как бы получаете хороший, но любительский телескоп, в который
вы можете любоваться Вселенной в гамма-лучах за год
с лишним наблюдений, изучать переменность объектов
и имеете некий шанс открыть нечто ускользнувшее от
внимания предшественников .
Если же вам захотелось сделать нечто более серьезное, например, изучить спектры каких-либо объектов,
вам нужно еще разобраться, как устроена функция
отклика детектора, скачать соответствующие файлы
и освоить метод «forward folding», позволяющий грамотно работать с данными в условиях реальной жизни,
где все перекошено и смещено . Это уже кухня настоящего исследователя, которой, увы, владеют далеко
не все из считающих себя таковыми .
«ферми» — это только для примера . Есть и другие,
еще более богатые архивы . Например, архив эксперимента BATSE, наблюдавшего все небо в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах на протяжении 9 лет (см . рис . 14 .1) . Вероятно, самый
захватывающий по своей неисчерпаемости — слоановский цифровой обзор неба (www .sdss .org) . Это
детальное картографирование Вселенной, причем
трехмерное, поскольку снимаются спектры галактик
и определяется красное смещение . Данные, конечно,
открыты, и в исследовании Вселенной, по данным
SDSS, участвуют сотни волонтеров, среди которых
есть и профессионалы, и любители . Временами они
находят что-то совершенно новое, например какиенибудь экзотические, ранее неизвестные типы галактик . Ничто не мешает любому читателю взять да
и присоединиться к ним .


Послесловие
Упомянутый в статье гамма-телескоп «ферми» проработал уже 10 лет . На основе открытых данных
«ферми» сделано множество научных работ, в том
числе три автором данной статьи . Популярный обзор
данных за 10 лет опубликован ниже (глава 20) . со времени написания этой статьи к общедоступному массиву
научных данных добавились результаты космических
телескопов NASA WMAP и Европейского космического
агентства «Планк», а также различные обзоры неба
в разных спектральных диапазонах, как с наземных, так
и с космических телескопов . Более того, в цЕРНе ищут
подходы к размещению данных Большого адронного
коллайдера в открытом доступе . там много проблем
технического характера: данные низкого уровня совершенно неподъемны по своему объему, данные высокого
уровня не очень интересны и уже высосаны . Но это
именно технические, а не политические проблемы .
Когда цЕРН откроет свои данные, держать под замком
результаты других экспериментов (например, наземных
детекторов космических частиц высоких энергий), станет совсем неприлично .
Борис Штерн
13.10.2009


15.

Первый СвеТ
«радиоаСТрона»
в Темное время

Многие статьи и посты в блогах последних
недель начинаются со слов «даже в прошедшем
году было что-то хорошее»1. Я бы добавил: было
что-то хорошее даже в науке. Например, реакция
ученых на ликвидацию Академии наук породила
новые сообщества, новую систему авторитетов,
новых лидеров. Но ушедший год оставил коекакие хорошие новости, касающиеся непосредственно российских научных исследований. Пожалуй, самая крупная из них — успех проекта
«Радиоастрон». Это первый крупный российский
эксперимент в космосе со времен СССР, который
удался. Основное утверждение этой статьи —
«Радиоастрон» уже можно считать успешным,
состоявшимся, притом есть основания ожидать
новых нетривиальных результатов.

1

168

статья написана 14 .01 .2014 г . — Прим . ред .


история Проекта
Эксперимент вполне можно назвать «авторским»,
поскольку у него есть идейный вдохновитель, подвижник, энтузиаст, руководитель — Николай семенович Кардашев . он вместе с л .и . матвеенко и г .Б . Шоломицким
выступил с идеей космического интерферометра еще
в 60-х . Эта идея проста и логична: угловое разрешение интерферометра (как и разрешение оптического
объектива) описывается формулой l/D, где l — длина
волны, D — расстояние между антеннами, база интерферометра . Для наземных интерферометров база ограничена диаметром Земли, следовательно, ограничено
и разрешение . Поэтому надо выйти за пределы Земли,
запустив одну из антенн в космос, и ограничение
будет снято .
Несмотря на очевидность идеи, научное сообщество
относилось к проекту с некоторым скептицизмом .
Во-первых, он крайне сложен технически, и возможность получения интерференционного сигнала между
наземной и космической антеннами была далеко
не очевидна . Во-вторых, существуют природные ограничения на возможности космического радиоинтерферометра . Дело в том, что чувствительность космической антенны неизбежно намного ниже, чем у огромных
наземных антенн . следовательно, предметом исследований наземно-космического радиоинтерферометра
остаются довольно яркие объекты . Но самые интересные места в этих ярких объектах — квазарах, активных
ядрах галактик — частично непрозрачны для радиоизлучения . Дело в так называемом синхротронном самопоглощении: электроны высоких энергий при больших
значениях магнитного поля поглощают собственное
радиоизлучение . Поэтому самые вожделенные цели —
горизонты черных дыр, внутренние области аккреци169


онных дисков вокруг этих черных дыр — могут оказаться скрытыми в зоне непрозрачности .
Дополнительные основания для скептицизма давала
трудная судьба проекта . он был начат еще в советские
времена, но наступил кризис 90-х, и «Радиоастрон» сел
на мель вместе с другими проектами серии «спектр» .
Примерно с 2005 года финансирование стало увеличиваться, но дело двигалось медленно, запуск многократно
отодвигался . Если люди, начинавшие проект, успевают
вместе с ним состариться, возникает угроза потери
мотивации, энтузиазма — многие, включая автора данной статьи, относились к проекту скептически еще и по
этой причине .
однако дело хоть и неспешно, но двигалось . Члены
команды достигали пенсионного возраста, но сохраняли
работоспособность . Появлялась и молодежь, в основном
на время, но кое-кто остался и сейчас тянет существенную часть дела . По мнению участников эксперимента,
проволочки с запуском даже пошли на пользу: было
время как следует «вылизать» эксперимент .

Первый свет
Наконец, 18 июля 2011 года «Радиоастрон» был запущен . На самом деле запущенный аппарат называется
«спектр-Р», а название «Радиоастрон» относится ко
всему проекту, включающему наземные антенны . Но
для простоты будем пользоваться одним именем . Запуск
на высокую орбиту (апогей 340 тыс . км) прошел
успешно, но впереди оставался целый ряд напряженных моментов .
В эти дни мне довелось участвовать в разговоре за
чаепитием в астрокосмическом центре фиаН, где
присутствовали члены команды и близкие к проекту
170


теоретики . я, повторив аргументы скептиков, высказался
18 июля 2011 года «радиоав том духе, что теперь всё
зависит от везения — позволит строн» был запущен. на
ли Природа увидеть с помо- самом деле запущенный
щью «Радиоастрона» что-либо аппарат называется
новое, неожиданное . На что «Спектр-р», а название
игорь Дмитриевич Новиков «радиоастрон» относится ко
(членкор РаН, зам . директора всему проекту, включающему
аКц фиаН) ответил, что Карназемные антенны.
дашев просто необыкновенно,
фантастически везучий человек . Когда в давние времена где-то в командировке
не было денег, он их находил под ногами . Когда летели
в Штаты без единого цента измененным рейсом, без
надежды, что кто-либо встретит, подворачивался
дипломат в соседнем кресле, который всё устраивал .
и так далее . Поэтому, настаивал Новиков, и «Радиоастрону» должно повезти .
Успешный запуск — только начало . Впереди —
несколько напряженных моментов . Первый — раскрытие антенны . она пришла в рабочее состояние не сразу,
заставив команду немного понервничать . следующий
этап — «первый свет»: в конце сентября 2011 года космическая антенна заработала в автономном режиме
и приняла радиоизлучение от остатка сверхновой .
Но самое важное — заработает ли «Радиоастрон»
в режиме интерферометра? интерференционный сигнал в данном случае найти очень непросто, поскольку
задержка фронта волны и, главное, скорость изменения
этой задержки между движущимися наземной и космической антеннами, известны лишь приблизительно .
В декабре 2011 года интерференционный сигнал от
одного из блазаров (см . ниже) был найден, причем
с первой попытки . Далее последовали методические
достижения и рекорды .
171


Первые результаты
с лета 2012 года пошли физические результаты, которые становились всё более впечатляющими . Первая
статья опубликована в «астрономическом журнале»
(Кардашев и др ., 2013, аЖ, 90, 179–264), следующие
отправлены в печать и дожидаются публикации .
сложность в том, что статьи отправлены или планируются в Nature, где действует запрет на публикацию результатов до выхода статьи . По-моему, зря:
если бы послали в нормальный журнал, можно было
бы одновременно публиковать в архиве е-принтов,
и мы бы уже знали детальные результаты . Но для
общения с чиновниками желательны Nature и Science .
Всё, что изложено ниже, имеет источником сообщение координатора научной программы проекта Юрия
Ковалева, а политика упомянутых журналов накладывает ограничение на подробность сообщаемой ниже
информации .
Первая группа интересных результатов связана
с блазарами . Что такое блазар? Все слышали о квазарах — гигантских черных дырах в центрах галактик,
светящихся из-за падения в них окружающего вещества во много раз ярче родительских галактик . многие
квазары испускают струи (джеты) замагниченной
плазмы, простирающиеся иногда на сотни тысяч световых лет (см . цветную вкладку рис . 13) . Если струя
направлена прямо на нас, мы попадаем в ее направленное излучение, как в луч прожектора, и видим объект, очень яркий во всех диапазонах — от радио до
гамма . Это и есть блазар .
«Радиоастрон» со своим рекордным разрешением
(в 10–30 раз выше, чем у наземных интерферометров)
видит, что области самой высокой радиояркости в блазарах компактней и ярче, чем считалось раньше . В ради172


оастрономии поверхностную яркость обычно выражают через яркостную температуру . она равна температуре черного тела, при которой последнее будет
излучать на данной длине волны с данной поверхностной яркостью . В современной Вселенной не существует
столь высоких температур, как яркостные температуры
блазаров или пульсаров — их излучение не имеет никакого отношения к тепловому, там излучают электроны
высоких энергий .
В случае блазаров есть некая «красная черта» для
яркостной температуры, выше которой простые сценарии излучения не должны работать . Эта черта — около
1011 градусов Кельвина (в сопутствующей системе
отсчета излучающей среды) . При большей яркостной
температуре при равном распределении энергии между
ускоренными частицами и магнитным полем (что является наиболее естественным случаем) электроны начинают слишком быстро охлаждаться на собственном
синхротронном излучении .
свести концы с концами, объясняя наблюдения, при
этом не так просто . и теперь, поскольку «Радиоастрон»
показал, что типичные излучающие области компактней, оценка яркостной температуры выросла, причем
на порядок . В предшествующих измерениях рекордная
яркостная температура была 1013 К . По данным «Радиоастрона» эта величина оказывается типичной, а рекорд
поднялся до 1014 К . Причем, судя по всему, это еще
не предел . Чтобы сопоставить наблюдения с упомянутым выше пределом, надо помножить последний
на доплер-фактор джета блазара . типичный доплерфактор джетов-10–20, рекордный — 70 .
таким образом, в простейших сценариях яркостная
температура должна находиться в пределах 1012 К, в редчайших случаях достигать 1013 К . так и наблюдалось
наземными интерферометрами . теперь этот предел
явным образом нарушен, а предыдущие «земные»
173


результаты отнесены на счет наблюдательной селекции,
связанной с размерами нашей планеты . Значит, сценарии излучения джетов пора пересматривать .
Вторая группа важных результатов связана с наблюдениями пульсаров, но относится скорей к межзвездной среде . Эта среда содержит свободные электроны,
из-за чего у нее возникает отличный от единицы показатель преломления для радиоволн . Преломление
очень маленькое, но достаточное для того, чтобы вместо точечного источника наблюдался круг рассеяния .
Причем, поскольку и Земля, и пульсар движутся относительно межзвездной среды, пульсар мерцает
подобно звездам на земном небе . и там, и там мерцание и рассеяние изображения происходит из-за турбулентности среды .
считалось, что «Радиоастрон» не должен увидеть
ничего нового — тот же самый круг рассеяния, хоть и с
лучшим разрешением, но без каких-либо деталей . Более
того, стандартная теория рассеяния предсказывала, что
на больших наземно-космических базах величина рассеянного сигнала будет значительно ниже, чем порог
детектирования системы . а «Радиоастрон» увидел узкие
яркие интерференционные пики! Попробуем пояснить
эффект на простом явлении .
Допустим, мы с высокой горы наблюдаем отражение яркой звезды на поверхности озера . мы видим
овал, на который дробится изображение из-за волн .
Поскольку волны достаточно маленькие, овал кажется
однородным . Предположим, мы взяли мощный бинокль .
Что мы в него увидим? Это зависит от поверхности
озера . Если кроме плавных волн оно морщинится
очень мелкой рябью, мы будем наблюдать тот же
самый однородный круг рассеяния . а если волны
более-менее гладкие — отражение звезды, вспыхивающее в разных местах, причем некоторые вспышки
будут ярче самой звезды .
174


яркие вспышки получаются
из-за эффекта фокусировки
плавно изогнутой поверхностью или плавно меняющимся
показателем преломления —
эффект называется каустикой .
Вероятно, явление, обнаруженное «Радиоастроном», формулируется на языке спектра
турбулентности межзвездной
среды (выделенный масштаб,
обеспечивающий «гладкость»?),
но подождем вердикта специалистов .

С лета 2012 года пошли
физические результаты, которые становились всё более
впечатляющими. Первая
группа интересных результатов связана с блазарами. вторая группа важных результатов связана с наблюдениями
пульсаров, но относится скорей к межзвездной среде.

Планы и конкурсы
В планах наблюдений — 4 февраля 2014 года — ядро
галактики м87 . Это самый захватывающий объект — черная дыра в 6 млрд масс солнца . Угловой размер, под
которым виден ее диаметр — 12 микросекунд дуги, размер тени предсказывается еще больше . теоретическое
угловое разрешение «Радиоастрона» — 8 микросекунд
(сейчас реально достигнуто 27 микросекунд на длине
волны 1,3 см — уже мировой рекорд, но это не предел) .
Значит, теоретически можно рассмотреть ближайшие окрестности черной дыры и даже ее саму . Это вряд
ли удастся из-за упомянутого выше явления синхротронного самопоглощения: ближайшие окрестности,
скорее всего, непрозрачны для радиоволн . Но и в этом
случае очень интересно прощупать эту самую зону
непрозрачности . Кроме того, есть все основания ожидать, что и там найдется нечто неожиданное . До сих
пор находилось!
175


теперь о другой стороне успеха — признании научным сообществом, выражающемся в вале заявок
на наблюдения, и участии в наблюдениях практически
всех крупнейших радиотелескопов мира . В 2012 году
был объявлен открытый конкурс заявок на наблюдения
в 2013/2014 годах . Это очень важный шаг . До сих пор
российские ученые подавали заявки на американские
или европейские инструменты, и вот наконец-то произошло обратное . В таких масштабах, пожалуй, впервые .
В результате конкурса (пять заявок на вакансию) отобраны 7 ключевых проектов на первый год открытой
программы . их команды международные, в трех лидируют российские ученые, в трех — иностранные,
в одной — паритет . Всего в отобранных проектах участвуют 250 ученых из 20 стран . На днях будет проведен
конкурс заявок на 2014/2015 годы .
По мнению Юрия Ковалева, проект уже оправдал
себя . Но пока «Радиоастрон» ломаться не собирается —
аппарат находится в хорошем состоянии, рабочее
время наблюдений растет, подключаются новые наземные антенны по всему миру, методика совершенствуется .
Борис Штерн
14.01.2014


16.

ЧТо Увидели
деТеКТоры LIGO

Коллаборация
LIGO
(Laser
Interferometer
Gravitational-Wave Observatory) объявила о первой
прямой регистрации1 гравитационных волн, сто
лет назад предсказанных Альбертом Эйнштейном.
Об открытии стало известно в ходе трансляции
пресс-конференции. Зарегистрированные гравитационные волны испущены двумя сливающимися черными дырами (общей массой около 60 солнц) 1,3 млрд
лет назад. Событие зарегестрировано14 сентября
2015 года. Слухи о возможном открытии уже давно
циркулировали в научном сообществе.

Что увидели детекторы LIGo?
Увидели сигнал, выглядящий именно так, как предсказывалось для слияния пары черных дыр (см . цветную
вкладку рис . 14) . изображено относительное растяжение
B . P . Abbott et al . Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger, Phys . Rev . Lett . http://dx .doi .org/10 .1103/
PhysRevLett .116 .061102
1

177


интерферометра под действием гравитационной волны .
масштаб по вертикали 10–21, что значит растяжение четырехкилометрового плеча интерферометра на 2,5 x 10–15 см
(умеют мерить растяжения до 10–17 см, какой бы фантастикой это ни казалось) . На рисунке — растяжения и сжатия двух детекторов (показано разными цветами), находящихся на расстоянии 3000 км . сначала идет шум,
в котором начинают проявляться явные волны, которые
идут всё чаще, а потом резко заканчиваются . Каждая
волна — пол-оборота системы двух черных дыр . они
быстро сближаются, поэтому время между пиками уменьшается . Последняя волна — это уже практически одна черная дыра, хотя и сильно деформированная .
Как определили массу сливающихся объектов? грубо
говоря, по конечной частоте колебаний (чем больше
масса, тем ниже частота — близко к обратно пропорциональной зависимости) . она оказалась весьма низкой —
350 герц . Значит, массы велики — в сумме больше 60 масс
солнца . из асимметрии пиков можно вытащить индивидуальные массы черных дыр — 36+5
и 28 ± 4 масс солнца,
–4
масса конечной дыры — 62 ± 4 солнечных . около трех
масс солнца ушло на излучение гравитационных волн .
столь мощного излучения (1056 эрг/с) никто никогда
не регистрировал . Выше я писал «грубо говоря», а если
говорить точнее, то все эти параметры были определены
подгонкой теоретической кривой, которая получается
численным моделированием процесса слияния к реально
наблюдаемой .

как оПределили расстояние?
тот же самый теоретический расчет, который дает
правильную частоту и форму кривой, дает и амплитуду
искажения пространства на месте происшествия . Зная,
178


что амплитуда убывает обратно пропорционально расстоянию, видя конечную амплитуду, зная начальную
и размер «излучателя», определяем расстояние . Получается около 400 мегапарсек, правда, с большой ошибкой .
Как определили положение события на небе? Для
того, чтобы картинки с двух детекторов совместились,
одну из них пришлось сдвинуть на 7 миллисекунд —
разница во времени прибытия фронта волны . так определили угол между направлением на источник и линией,
соединяющей детекторы . Но знание этого угла дает
лишь кольцо на небе . Дополнительную информацию
можно вытащить из разницы амплитуд в двух детекторах . Которые по-разному ориентированы . гравитационная волна поперечна, поэтому плечо интерферометра
направленное поперек волны дает больший сигнал .
таким образом, удалось вырезать часть кольца; область,
откуда мог прийти сигнал, приняла форму полумесяца
площадью около 600 квадратных градусов — что-то
найти на такой площади с помощью телескопов весьма
проблематично .
Как, глядя на рис.14 во вкладке, самому прикинуть
массу слившихся черных дыр и расстояние до них?
Надо оценить период вращения сливающихся объектов в последний момент. Смотрим на рисунок
и видим, что расстояние между последними пиками
примерно в десять раз меньше, чем между рисками,
то есть где-то 5 миллисекунд. Это полпериода вращения еще сильно деформированной черной дыры.
С какой линейной скоростью вращается ее поверхность? С той, которая сравнима со скоростью света,
но меньше — примерно треть (предельная керровская дыра) — независимо от размера.
Тогда полуокружность вращения будет примерно
500 км, делим на π, получаем радиус 170 км. Радиус
черной дыры солнечной массы — 3 км, значит, масса
системы — около 60 солнечных. На самом деле — 62.
179


Поразительная точность, особенно если учесть, что
время между пиками мы прикидывали на глазок.
Теперь попробуем оценить расстояние. Это чуть
сложней. Амплитуда гравитационной волны (относительная деформация пространства) обратно пропорциональна расстоянию до источника. В источнике деформация огромна, ну не единица, конечно,
но 0,1 вполне реально (расчеты дают именно такой
порядок величины). Мы имеем у себя 10–21 (см. единицы по вертикальной оси), значит, мы находимся
примерно в 1020 раз дальше от источника, чем его
размер — 170 км (см. выше). Получаем 1,7 x 107 см x
1020 — 1,7 x 1027 см — 0,6 гигапарсека (на самом деле
0,4 гигапарсека). Опять замечательное попадание
при том, что есть еще неопределенность в ориентации экваториальной плоскости системы относительно луча зрения.

Что еще увидела LIGo?
Еще три подобных события, но меньшей амплитуды
и потому менее достоверных . Видимо, о них будет
сообщено позже .

Что увидели детекторы
«ферми»?
Команда космического гамма-телескопа «ферми»,
естественно, проверила данные за 14 сентября 2015 г .
К сожалению, сам гамма-телескоп в нужный момент
смотрел в другую сторону . Но «ферми» имеет еще
180


и детекторы жесткого рентгена, которые видят большую
Как определили положение
часть неба . они предназначены
для
регистрации
гамма- события на небе? для того,
всплесков и называются «мони- чтобы картинки с двух детектор гамма-всплесков», сокра- торов совместились, одну
щенно GBM .
из них пришлось сдвинуть
Через 0,4 секунды после на 7 миллисекунд — разница
гравитационных волн детек- во времени прибытия фронта
торы GBM зарегистрировали
волны.
секундный всплеск жесткого
рентгеновского излучения . он
не вызвал триггера на гамма-всплеск, будучи для этого
слишком слабым . Его статистическая значимость —
3 сигма, что соответствует вероятности случайного
выброса 0,002 . В целом такая значимость считается
низкой, но всё зависит от контекста . Если искали непонятно что в произвольном месте и нашли выброс
на 3 сигма — это низкая значимость . а если смотрели
в заданном месте и нашли именно то, что искали, —
это серьезно . К тому же, хоть у GBM плохое угловое
разрешение (градусов 20-30 для столь слабого всплеска), направление согласуется с направлением на источник гравитационных волн, что добавляет уверенности .
Команда «ферми» проверила другие возможные источники этого всплеска (солнечные, атмосферные, магнитосферные) и отвергла их . событие очень похоже
на слабый гамма-всплеск короткого класса, которые
предположительно тоже испускаются при слиянии,
но не черных дыр, а нейтронных звезд . Похоже как
продолжительностью, так и спектром .
Энергия всплеска, если он действительно был связан
с GB 150914, около 1049 эрг — в несколько сот тысяч раз
меньше энергии, излученной в виде гравитационных
волн . В принципе, разумное соотношение . Конечно, если
черные дыры слились в стерильном пространстве, ника181


кой рентгеновской вспышки бы не было . Но если вокруг
обеих или вокруг одной из них болталось какое-то количество вещества, то рентгеновское излучение с небольшой задержкой через формирование ударных волн
вполне вероятно . Как именно это могло произойти, сейчас вряд ли кто-нибудь скажет (толком неизвестен даже
механизм излучения гамма-всплесков), но наверняка
появится большое количество статей на эту тему .

Что нам это дает?
Регистрация гравитационных волн ничего не даст
народному хозяйству — никаких гравицап и новых способов перемещения . Это также ничего не добавляет
к триумфу Эйнштейна — все теории гравитации, которые «дружат» со специальной теорией относительности, предсказывают гравитационные волны . Причем все
вменяемые теории после 1913 года говорят, что эти
волны должны быть поперечными . Все современные
теории гравитации, кроме, быть может, каких-то совсем
маргинальных, описывают происходящее при слиянии
двух астрофизических черных дыр одинаковым образом . Во всяком случае, я спросил Валерия Рубакова,
который следит за ситуацией, не отвергает ли результат
каких-то рабочих версий теории гравитации . он ответил, что ему ничего такого в голову не приходит . Есть
теории, отличающиеся от эйнштейновской на каких-то
масштабах (в частности, так называемые теории f ( R ),
которыми у нас занимается, например, алексей старобинский), но все отличия проявляются вдалеке от того,
что имеет место в данном случае . то есть для фундаментальной физики, как ее воспринимают профессиональные физики, результат ничего не дает — все и так
были уверены в том, что получилось .
182


и все-таки значение эксперимента огромно, но оно
лежит в другой плоскости — во взаимоотношении науки
и общества . обнаружение гравитационных волн лишний раз демонстрирует мощь науки: предсказывали
и открыли . Вычисляли сложнейший процесс, проистекающий при огромном искривлении пространства —
всё оказалось правильно . так наука и утверждается
в головах широких масс .

какие возможности
для астрономии открывают
гравитационные волны?
Регистрация слияния двух черных дыр массой около
30 солнечных — уже вызов для астрофизиков . Дело в том,
что такие тяжелые черные дыры в современной Вселенной в обычных галактиках не образуются . мешает обилие
тяжелых элементов, которые уменьшают теплопроводность звезды . Звезда с низкой
теплопроводностью, не имея
возможности сбросить тепло, регистрация гравитационных
сбрасывает свои внешние слои, волн ничего не даст народтак что у них есть предел ному хозяйству — никаких
на массу (десятки масс солнца) гравицап и новых способов
и предел на массу черной дыры, перемещения. Это также
которая останется после колничего не добавляет к трилапса такой звезды — 20–25 масс
умфу Эйнштейна. и все-таки
солнца . Все известные черные
дыры в двойных системах значение эксперимента
имеют массы 10–15 масс солнца . огромно, но оно лежит в другой плоскости — во взаимоота тут сразу две по тридцать!
Это говорит о том, что эти ношении науки и общества.
черные дыры либо от очень
183


старых звезд, образовавшихся в те времена, когда тяжелые элементы еще не наработались в звездах, либо
в одной из маленьких галактик современной Вселенной,
задержавшихся в своем развитии, там тяжелых элементов меньше .

как оБразуются Пары
Черных дыр?
исторически первый сценарий таков: образуется
пара тяжелых звезд . такие пары наблюдаются, их много,
понятно, как они образуются . Потом по очереди эти
звезды коллапсируют и становятся парой черных дыр .
По дороге происходит еще много чего интересного:
перетекание вещества с одного объекта на другой, образование общей оболочки, в которой кружатся черная
дыра и звезда, теряя угловой момент . Если в результате
образуются две черные дыры ближе, чем 0,2 астрономических единицы (радиус земной орбиты), то за время
существования Вселенной они успевают потерять энергию за счет излучения гравитационных волн и слиться .
Приятно отметить, что в разработке этого сценария
лидирующую роль сыграли наши астрофизики (в алфавитном порядке): Владимир липунов, Константин Постнов, михаил Прохоров, александр тутуков и лев
Юнгельсон . Но всё равно, там остается масса неопределенностей, и оценки темпа слияния черных дыр разбросаны на два порядка величины .
итак, событие GW 150914 может быть объяснено
эволюцией тесной пары массивных звезд, образовавшихся в среде с малым количеством тяжелых элементов . и все-таки пара удивительна: звезды и остающиеся
от них черные дыры имеют падающие распределения
по массе . сразу две рекордные черные дыры дают
184


малую вероятность в квадрате . Не получится ли вероятность обнаружения такого события исчезающе малой?
Возможно, хотя это весьма сложно оценить . Но есть
еще и другой путь .
В плотных звездных скоплениях (скорее всего шаровых) самое тяжелое тело за счет многократных взаимодействий садится в центр скопления . Второе по величине прибудет туда же, но чуть позже . там они продолжают терять энергию и, в конце концов, образуют гравитационно связанную пару . Через какое-то время,
которое вполне может укладываться в срок жизни Вселенной, пара сливается . По мнению автора данной статьи, второй механизм куда больше подходит для данного конкретного случая: здесь нет никакой квадратичной малости для тяжелой пары, наоборот, есть механизм, работающий в пользу самых тяжелых черных
дыр . с низким содержанием тяжелых элементов в древних шаровых скоплениях тоже всё в порядке .
итак, единичное событие уже ставит множество
вопросов и заставляет теоретиков напрячься . а когда
появится приличная статистика? сразу прояснится множество вопросов, связанных с эволюцией массивных
звезд — парных и одиночных, сразу исчезнут неопределенности в два порядка величины и появятся новые
вопросы, о которых мы еще не догадываемся . Короче,
произойдет очередное прозрение . особенно когда вступит в строй третий детектор (VIRGO), который позволит хорошо определять направление прихода сигнала
и возрастет чувствительность всех трех .
Борис Штерн
12.02.2016


17.

гравиТационноволновая
аСТрофиЗиКа
на марШе

Детекторы гравитационных волн LIGO зарегистрировали еще одно (третье по счету) статистически значимое событие слияния черных дыр (есть
еще одно маргинально значимое событие). Дата
регистрации — 4 января 2017 года1. (См. цветную
вкладку рис. 15.)
Вероятность случайной имитации подобного шума
оценивается как раз в 70 000 лет, что в более привычных единицах выражается примерно как статистическая значимость 4,5 σ . оценка масс слившихся черных
+5,3
дыр: 31,2 +8,4
и 19,4 –5,9
солнечной массы (на уровне
–1,6
достоверности 90%) . то есть одна из черных дыр
настолько массивна, что могла образоваться только из
очень большой звезды с малой металличностью (специфический астрофизический термин, означающий обилие элементов тяжелее гелия) . Это звезды первого покоB . P . Abbott et al. (LIGO Scientific and Virgo Collaboration)
Phys . Rev . Lett . 118, 221101
1

186


ления, образовавшиеся либо в молодой Вселенной, либо
в галактиках с заторможенным темпом звездообразования . современные звезды не могут быть столь большими из-за низкой теплопроводности — они сбрасывают лишнее вещество .
Еще один существенный факт: моменты вращения
черных дыр не совпадали по направлению с орбитальным моментом . оба факта (очень большая масса и разнобой моментов вращения) указывают на то, что
система двух черных дыр образовалась динамически
в плотном шаровом скоплении: каждая образовалась
отдельно, затем они «утонули» в центр скопления и там
объединились в гравитационно связанную систему .
Другой сценарий — образование двойной черной дыры
из двойной системы массивных звезд — менее вероятен, но не исключен .
Напомним, что в первом зарегистрированном событии тоже слились две очень тяжелые дыры массами
около 30 солнечных . Это не значит, что именно тяжелые черные дыры сливаются чаще, чем более легкие .
Просто в их пользу работает эффект селекции: амплитуда гравитационных волн растет с массой . ограничение на темп слияния черных дыр во Вселенной сужается, но всё еще составляет фактор в несколько раз —
мы видим только слияния самых тяжелых, а полный
темп зависит от плохо оцениваемого распределения
систем черных дыр по массе .
Будем надеяться, что средства массовой информации
перестанут обращать внимание на каждое событие
детектирования гравитационных волн и появится болееменее информативная статистика слияния черных дыр,
а потом и нейтронных звезд .
Борис Штерн
06.06.2017


18.

ноБелевСКая
гравиТация

Кому должна достаться Нобелевская премия
по физике, было очевидно заранее: регистрация гравитационных волн настолько превосходит по значению остальные номинированные достижения,
что большинство прогнозов сходилось на этом. Но,
конечно, всегда существует неопределенность, кому
же именно вручат данную премию, поскольку причастных обычно много. Я думаю, судачить по поводу
того, кому стоило бы дать вместо того-то, — занятие популярное, но неплодотворное. Так или иначе,
премию получили три человека:
• Райнер Вайс — главный человек по лазерному
интерферометру, составляющему основу эксперимента
LIGO (половина премии) .
Вторую половину поделили два члена коллаборации:
• Барри Бариш — директор LIGO;
• Кип Торн — «придворный теоретик» LIGO (полушутливый термин «придворный теоретик» часто
используется экспериментаторами) . торн, кроме всего
прочего, сыграл огромную роль в пропаганде эксперимента, а также имеет достижения, не связанные с гравитационными волнами .
188


в Чем заклюЧается
основное знаЧение
эксПеримента?
1 . он сильно добавил надежности фундаменту
физики . Большинство ученых и так было уверено
в справедливости общей теории относительности . Но
она была выведена из явлений, связанных со слабой
гравитацией . теперь мы увидели результат работы
очень сильной гравитации, искажающей пространство
до неузнаваемости . В существовании черных дыр тоже
мало кто сомневался, но тут мы их фактически видим —
картина гравитационных волн соответствует расчетам
слияния черных дыр в рамках ото и ничему более . Это,
конечно, триумф, причем из тех триумфов, которые
укрепляют позиции науки перед обществом .
2 . Эксперимент открыл новую ветвь астрономии
и уже дал важную информацию, касающуюся образования черных дыр и их тесных пар . Пока эта информация весьма предварительна, но кое-что уже просматривается: среди слившихся пар преобладают очень
массивные черные дыры . такие, которые, скорее всего,
могли образоваться только из гигантских звезд самого
первого поколения . такие, которые образовались поодиночке в шаровых скоплениях, «утонули» в центр скопления как самые массивные тела, за счет динамики
множественных взаимодействий объединились в пары
и слились .
Нобелевская премия — хороший информационный
повод для краткого обзора состояния дел . мы
уже писали про регистрацию гравитационных волн,
но повторить всегда не лишне, тем более что незадолго
до присуждения Нобелевской премии было зарегистри189


ровано четвертое событие слияния черных дыр, причем уже не двумя, а тремя детекторами — третий,
VIRGO, находится в италии . Вот сводная таблица официально объявленных событий:
Дата

m1

m2

mf

R

14 .08 .2017

30,5+5,7–3,0

25,3+2,8–4,2

53,2+3,2–2,5

540+130–210

04 .01 .2017

31,2+8,4–6,0

19,4+5,3–5,9

48,7+5,7–4,6

880+450–390

26 .12 .2015

14,2+8,3–3,7

7,5+2,3–2,3

20,8+6,1–1,7

440+180–190

14 .09 .2015

36+5–4

29+4–4

62+4–4

410+160–160

Здесь m1, m2 — массы черных дыр в единицах массы
солнца, mf — масса образовавшейся черной дыры (она
меньше суммы масс, поскольку часть массы ушла
на излучение гравитационных волн), R — расстояние
до события в мегапарсеках, вычисленное по амплитуде
зарегистрированных гравитационных волн и расчетной «мощности» события . Есть еще пятое событие,
но его статистическая значимость невелика . Значимость первых трех событий — 4,5–5 σ, значимость
последнего не обнародована, но она огромна, так как
событие зарегистрировано не двумя, а уже тремя
детекторами .
Еще пару слов по поводу образования пар черных
дыр . Для последних двух событий в статьях приводится еще один важный параметр — сумма проекций
спинов двух черных дыр на направление орбитального
момента . Если бы эти слившиеся пары образовались
из двойной системы тяжелых звезд (этот сценарий
рассматривался как основной), то эта сумма была бы
большой . Вращательные моменты звезд в тесной
системе, из которой потом получается пара черных
дыр, коррелируют друг с другом и с орбитальным
моментом .
190


Какова роль российских ученых в этом эксперименте? Вполне заметна . Во-первых, сама методика регистрации гравитационных волн лазерным интерферометром предложена нашими соотечественниками еще
в 1962 году (Владиславом Пустовойтом и михаилом герценштейном) . Во-вторых, прямое участие в эксперименте
принимают две российские группы — из иПф, возглавляемого свежеизбранным президентом РаН александром
сергеевым, и группа, созданная скончавшимся в прошлом
году Владимиром Брагинским с физфака мгУ, занимающаяся проблемой подавления фазового шума .
Каково практическое значение эксперимента?
Вообще говоря, микроскопом можно заколачивать
гвозди . В этом, безусловно, одно из его практических
значений . Детектор LIGO можно использовать как великолепный сейсмограф . Кроме того, в процессе его создания наверняка изобрели много полезного . Но вообще
сама постановка вопроса подразумевает, что практическая польза — это мера вещей . Надо понемногу отучать
журналистов от этого вопроса .

Послесловие
Вскоре после написания этой заметки, 16 октября
2017 г ., было официально объявлено о первой регистрации гравитационных волн от слияния двух нейтронных звезд, произошедшего 17 августа 2017 г . событие увидели все три существовавших на тот момент
установки: два детектора LIGO и итальянский детектор
VIRGO . Причем через пару секунд после слияния детекторы гамма-обсерватории «ферми» зарегистрировали
всплеск жесткого рентгеновского излучения с того же
направления . Вскоре оптические телескопы обнару191


жили в том же направлении новый объект в галактике
NGC 4993 в 140 миллионах световых лет . По своей светимости (~ 108 солнечных светимостей) объект классифицирован как «килоновая» — промежуточная между
новой (105 солнечных) и сверхновой (109 — 1010 солнечных) . объект, о котором идет речь — расширяющаяся горячая оболочка, выброшенная при слиянии . судя
по спектру в этой оболочке огромное количество тяжелых элементов (тяжелей железа), то есть в подобных
катастрофах работает примерно тот же механизм синтеза тяжелых элементов, что и при взрыве сверхновых . Что стало с основной массой двух нейтронных
звезд — доподлинно неизвестно . могла образоваться
новая нейтронная звезда, могла — черная дыра . Все
зависит от того превысила ли масса рожденного объекта предел оппенгеймера-Волкова . скорее всего, превысила, поскольку не было характерного излучения
новорожденной нейтронной звезды с замедляющимся
вращением .
гравитационные волны от слияния нейтронных звезд
слабей, чем от слияния черных дыр, но такие события
происходят гораздо чаще, поэтому их ждали . Возможно,
их видели раньше в виде гамма-всплесков . По крайней
мере два из них дали послесвечение очень похожее
на килоновую .
Борис Штерн
10.10.2017


19.

Первый КриК
нейТринной
аСТрономии
выСоКиХ Энергий

В июле 2018 г. было объявлено, что детектор Ice
Cube зарегистрировал одно нейтрино очень высокой энергии (минимум 180 ТэВ) с направления,
совпадающего с точностью полградуса с одним из
блазаров (TXS 0506, здесь и далее используем сокращенное название). Есть также дополнительные
соображения, подтверждающие, что данный блазар — источник нейтрино1.

Что такое ICE CuBE
Это большой детектор мюонов в антарктиде, его
рабочее тело — кубический километр льда . В лед вморожены 86 струн с фотоумножителями по 60 штук на каждой, на глубине 1,5–2,5 км . Нейтрино, взаимодействуя со
IceCube Collaboration, Science 13 Jul 2018: Vol . 361, Issue
6398, pp . 147–151
1

193


льдом, рождают либо каскады частиц, либо одиночные
мюоны . Нам интересны именно мюоны, поскольку
направление их движения почти совпадает с направлением движения нейтрино . мюоны и продукты их взаимодействия с веществом излучают черенковский свет,
который распространяется во льду на десятки метров
и попадает в фотоумножители . точность восстановления направления мюона — 0,5–0,3° в зависимости от
энергии . точность восстановления энергии довольно
плохая, так детектор видит лишь часть трека, потери
мюона при взаимодействии с веществом стохастические, и их зависимость от энергии — логарифмическая .
Надежно определяется лишь низший предел по энергии .
Подавляющее большинство нейтрино, регистрируемых «ледяным кубом», — атмосферные: прилетает протон
очень большой энергии, рождает в воздухе каскад частиц,
среди которых есть и нейтрино . однако поток атмосферных нейтрино быстро убывает с энергией . Чтобы породить нейтрино, частица должна распасться, а с ростом
энергии растет распадная база, и ее уже не хватает —
частица вместо распада взаимодействует с веществом .
Поэтому нейтрино с очень большой энергией (больше
100 тэВ), скорее всего, прилетели из далекого космоса .
Ice Cube зарегистрировал в два с лишним раза больше
нейтрино (54 против 20 ± 6 на начало 2017 года) очень
высоких энергий (больше 30 тэВ), чем могут дать атмосферные ливни . Этот избыток называется «астрофизические нейтрино» .

Что такое «Блазар»
Блазар — одно из проявлений сверхмассивных черных дыр, сидящих в центрах галактик . самое общее
название этих объектов — «активные галактические
194


ядра» . светят эти ядра за счет
излучения вещества, стягиваюПодавляющее большинство
щегося в черную дыру . Это
вещество образует так называе- нейтрино, регистрируемых
мый аккреционный диск, кото- «ледяным кубом», — атмосрый светит в ультрафиолете ферные: прилетает протон
и рентгене . Если активное очень большой энергии, рожгалактическое ядро очень мощ- дает в воздухе каскад частиц,
ное, оно называется «квазар» . среди которых есть и нейаккреционные диски некототрино.
рых квазаров светят в 10 тыс .
раз ярче всей нашей галактики,
хотя такие объекты очень редки . Квазары гораздо чаще
встречались в молодой Вселенной — при красном смещении больше 1, пик их распространенности приходится на первые 1–4 млрд лет существования Вселенной .
мы их прекрасно видим с расстояния несколько миллиардов световых лет . сейчас их очень мало, зато остались
активные галактические ядра умеренной мощности .
аккреционный диск — не единственная примечательная деталь активного галактического ядра . Еще есть
джеты — струи замагниченной плазмы, истекающие перпендикулярно аккреционным дискам, вдоль оси вращения черной дыры . они движутся почти со скоростью
света, так называемый лоренц-фактор джета обычно
составляет 15–20, иногда выше 50 . лоренц-фактор показывает, во сколько раз замедляется время в движущейся
системе отсчета, или на сколько надо умножить энергию
массы покоя частицы, чтобы получить ее полную энергию . из-за большого лоренц-фактора всё, что излучают
частицы джета, направлено вперед в конусе с раствором
1/(лоренц-фактор) — получается своего рода прожектор .
Если мы попадаем в луч этого прожектора, называем то,
что видим, блазаром . (см . цветную вкладку рис .16 .)
а видим мы довольно удивительные вещи . основной
поток энергии от объекта приходится на жесткий
195


гамма-диапазон . гэВы, десятки гэВ даже сотни гэВ,
поток до миллионов светимостей галактики во всем
диапазоне, если не знать, что это луч прожектора,
и пересчитывать на весь телесный угол . излучение блазаров перекрывает весь электромагнитный спектр и затмевает родительскую галактику .
Блазары условно делятся на два класса . Более мощные
называются Flat Specrtum Radio Quasaras (FSRQ) . Русского
термина нет . Это редкие монстры, но и видны они издалека с красных смещений 3–4, поэтому составляют половину всех объектов, видимых в гамма-лучах . менее мощные называются BL Lacerta (BL ящерицы), сокращенно
BL Lac . Русскоязычный термин существует — «лацертиды», но используется редко . они отличаются не только
меньшей мощностью, но и большей жесткостью излучения . там почти отсутствует радио и оптика, зато идет
мощный поток гамма-квантов энергии в десятки и сотни
гэВ . BL Lac© ов намного больше, но и видны они с меньших
расстояний, с красных смещений в пределах 0,5 .
физически BL Lac и FSRQ отличаются в первую очередь режимом аккреции . Вторые — квазары в период
бурного роста . Первые — истощенные квазары — гигантская черная дыра на месте, но вещества поступает мало,
аккреционный диск светит слабо, основная энергия,
по-видимому, берется из запасенной ранее энергии вращения черной дыры . В джетах FSRQ частицы высоких
энергий «вязнут» в очень сильном излучении аккреционного диска и его окрестностей . В лацертидах ничто
не мешает частицам ускоряться до сверхвысоких энергий, поэтому они издавна считались наиболее вероятными кандидатами в источники частиц сверхвысоких
энергий, включая нейтрино . Если сравнивать блазары
с ускорителями, то FSRQ — очень мощный сильноточный ускоритель на умеренные энергии, BL Lac — ускоритель на огромные энергии с малой интенсивностью .
Блазар TXS 0506 — типичный BL Lac, по наблюдаемой
196


яркости входит в первые полсотни BL Lac© ов, но находится довольно далеко для этого класса объектов . Его
красное смещение 0,33, так что абсолютная яркость
довольно велика .

Что именно
зарегистрировали
22 сентября 2017 года Ice Cube зарегистрировал мюон
от нейтрино энергии по меньшей мере 180 тэВ (наиболее
вероятное значение — 290 тэВ), совпадающий по направлению прихода с TXS 0506 с точностью плюс-минус полградуса . Вероятность, что данный фотон совпадет с такой
точностью с данным объектом,
~10–5 . однако таких блазаров,
совпадение с которыми при- Блазары условно делятся
влекло бы внимание, не меньше
на два класса. Более мощные
сотни, и нейтрино подобных
энергий — порядка десяти . Поэ- называются Flat Specrtum
тому вероятность, что какое-то Radio Quasaras (FSRQ). русвысокоэнергетичное нейтрино ского термина нет. Это редсовпадет с каким-то достаточно кие монстры, но и видны они
ярким блазаром, — около 1/100 . издалека с красных смещеЭтого явно недостаточно, чтобы ний 3–4, поэтому составляют
претендовать на открытие .
половину всех объектов,
(см . цветную вкладку рис . 17 .)
видимых в гамма-лучах.
Косвенным подтверждением,
что TXS 0506 имеет отношение менее мощные называются
к делу, стало то, что это ней- BL Lacerta (BL ящерицы),
трино совпало по времени со сокращенно BL Lac. русскоявспышкой этого объекта, наблю- зычный термин существует —
давшейся в гамма-квантах высо- «лацертиды».
кой энергии . Но более сильное
197


свидетельство дали архивные раскопки . авторы открытия проверили все нейтрино, которые приходили с данного направления (кружок размером градус вокруг TXS
0506) . В основном там оказались нейтрино умеренных
энергий до 10 тэВ, среди которых преобладают атмосферные . Но в конце 2014-го — начале 2015 года с исследованного пятачка пришла целая пачка нейтрино энергии выше средней . Вероятность случайного появления
такой пачки — примерно 1/3000 (3,5 ς). Вместе с нейтрино 2017 года это становится уже достаточно сильным свидетельством, чтобы заявлять об открытии
нейтринного излучения от данного объекта .

Послесловие
Ice Cube не единственный из детекторов, способных
регистрировать астрофизические нейтрино . В России
давно существует Байкальский глубоководный нейтринный телескоп, изначально развиваемый институтом
ядерных исследований РаН . В настоящий момент его
рабочий объем — около 20% от объема Ice Cube . Недавно
у проекта открылось второе дыхание — новые участники
(в частности, оияи, Дубна) и, главное, приличное финансирование . Предполагается через несколько лет довести
рабочий объем телескопа до кубического километра,
тогда он сможет конкурировать с Ice Cube . Подобная
конкуренция довольно полезна, в частности, в этих
детекторах по-разному распространяется черенковский
свет, и появляется некая дополнительность .
Еще существует аналогичный проект ANTARES —
нейтринный телескоп в средиземном море . Пока он
не в состоянии конкурировать с Ice Cube .
Борис Штерн
17.07.2018


20.

ЮБилей «ферми».
неБо
в гамма-КванТаХ

11 июня 2008 года был запущен космический
гамма-телескоп «Ферми». Тогда он назывался
иначе — GLAST (Gamma-ray Large Area Space
Telescope), имя Энрико Ферми инструмент получил
в августе того же года. Для меня лично юбилей
«Ферми» наступает 4 августа — именно 4 августа
2008 года в 15:43 прилетел первый гамма-квант,
который фигурирует в общедоступной базе данных (до этого инструмент тоже регистрировал
гамма-кванты в режиме отладки и калибровки).
Первый гамма-квант из более миллиарда фотонов
больших энергий, с информацией о которых может ознакомиться любой человек в почти любой населенной точке
земного шара, где есть интернет . автор этой статьи скачивает данные «ферми» к себе на ноутбук из профессионального интереса, но то же самое может сделать любой
студент или школьник из любопытства — разве не интересно как следует рассмотреть Вселенную в гамма-лучах?
Под гамма-квантами, вообще говоря, понимаются
фотоны с энергией выше сотни кэВ — области, харак199


терной для ядерных реакций и выше . В этой заметке
речь пойдет о фотонах энергии выше 100 мэВ, даже
скорее выше 1 гэВ, где можно достаточно хорошо измерить направление прилета гамма-кванта . именно эти
энергии наиболее удобны для гамма-астрономии .

Что такое
гамма-оБсерватория
«ферми»
Первый космический гамма-детектор был установлен на спутнике Explorer-11, вышедшем на орбиту
Земли в апреле 1961 года1 . он зарегистрировал
22 гамма-кванта . Первые космические гамма-телескопы
SAS-2 и COS B были запущены в 1972 и 1975 годах
соответственно . Кроме того, небольшие гаммадетекторы запускались на советских разведывательных
спутниках серии «Космос» . Это были небольшие детекторы (максимальная эффективная площадь COS B была
около 50 см2), но они увидели много интересного —
галактику в гамма-лучах, Крабовидную туманность,
первые гамма-пульсары, внегалактические объекты,
впоследствии названные блазарами . Дольше (более
6 лет) и успешнее других из гамма-телескопов первого
поколения проработал COS B .
следующим шагом стал инструмент EGRET на борту
гамма-обсерватории «Комптон», запущенной в 1991 году .
Этот детектор имел эффективную площадь около
1000 см2 — на порядок больше, чем у предшественников . соответственно, он выдал на порядок больше
результатов . Его каталог включает 271 источник, боль1

200

heasarc .nasa .gov/docs/heasarc/missions/explorer11 .html


шинство из которых — блазары, в том числе не отождествленные к тому времени с какими-либо оптическими объектами . Проработал EGRET около 6 лет, потом
начались проблемы с газом для искровых камер .
гамма-телескоп на борту «ферми» шагнул еще
на порядок величины . Его эффективная площадь около
квадратного метра . В каталоге «ферми» уже больше
3000 источников .
собственно телескоп называется LAT — Large Area
Telescope, на борту «ферми» есть и другой, существенно
меньший инструмент — GBM, он служит для регистрации гамма-всплесков в диапазоне десятков-сотен кэВ .
Если предыдущие гамма-телескопы были сделаны
на основе проволочных искровых камер, то детектор
«ферми» — полупроводниковый . Это, кроме лучшего
пространственного разрешения, повышает срок службы:
по времени службы LAT уже на несколько лет превзошел EGRET . (см . цветную вкладку рис .18 .)
LAT — типичный детектор гамма-квантов, в экспериментах на ускорителях используются инструменты, сделанные по той же идеологии . Детектор решает три следующие задачи .
1. Конверсия гамма-кванта в электрон-позитронную
пару. Здесь нужен материал с большим зарядом ядра
(вероятность конверсии пропорциональна Z2), в данном
случае используются вольфрамовые пластины .
2. Измерение
направления
прилета
гаммакванта. Рожденная пара е+ е- сохраняет направление
движения гамма-кванта с точностью me/Eγ, что для
энергии 1 гэВ составляет 0,03 градуса . Но всё портит
многократное рассеяние в вольфрамовых пластинах .
Чтобы точнее восстановить направление, во-первых,
нужны многослойные трековые детекторы, во-вторых,
пластины вольфрама должны быть как можно тоньше,
а слоев трековых детекторов, перемежающихся с пластинами, — как можно больше . В качестве трековых
201


детекторов используются полоски кремния, уложенные
крест-накрест в смежных слоях .
3. Измерение полной энергии гамма-кванта. из-за
тормозного излучения электронов и позитронов возникает электромагнитный каскад, который «распушается»
по мере развития . Чтобы измерить энергию начального
гамма-кванта, надо «собрать» большую часть частиц
каскада . сэндвичем из вольфрамовых пластин и трековых
детекторов этого не сделать . тут используется другая технология — сцинтилляционный калориметр . В данном случае это набор пластин из популярного в физике высоких
энергий сцинтиллятора (монокристалл йодида цезия) .
Конечно, детектор окружен антисовпадательной
защитой для того, чтобы отличать гамма-квант от заряженной частицы . общий вес LAT составил 2,7 тонны .
Кроме того, чтобы сделать детектор, надо его откалибровать, то есть научиться переводить отклик множества элементов в характеристики исходного гаммакванта . Это очень трудно сделать экспериментально
на ускорителях — нужна сложная технология меченых
фотонов, и не факт, что она существует в нужном объеме . Поэтому детектор калибровался с помощью моделирования методом монте-Карло: в огромном количестве моделировались электромагнитные каскады разных энергий вместе с откликом установки . Эта методика достаточно хорошо разработана, но не идеальна,
что впоследствии вылилось в некоторые проблемы,
о которых будет сказано ниже .
Калибровка инструмента продолжалась в полете .
При этом использовались объекты с более-менее известными свойствами . Благодаря открытости данных в процессе калибровки участвовали исследователи, не входящие в коллаборацию «ферми», об одном из таких примеров будет рассказано в следующей статье .
Декларированный
энергетический
диапазон
«ферми» — от 20 мэВ до сотен гэВ . На самом деле
202


гамма-кванты ниже 100 мэВ
детектируются плохо и полезны
только в случае регистрации
гамма-всплесков . При энергии
ниже 300 мэВ очень сложно
восстановить спектр дискретных источников — трудно
выделить сигнал из диффузного фона . При энергии выше
300 гэВ начинаются проблемы
с определением энергии гаммакванта . Но в целом инструмент
замечательный, и его открытая
база данных еще долго будет
служить источником новых
интересных результатов .

LAT — типичный детектор
гамма-квантов, в экспериментах на ускорителях используются инструменты, сделанные
по той же идеологии. детектор
решает три следующие задачи.
1. Конверсия гамма-кванта
в электрон-позитронную
пару.
2. измерение направления
прилета гамма-кванта.
3. измерение полной энергии гамма-кванта.

неБо глазами «ферми»
На рис . 19 в цветной вкладке — карта неба в гаммалучах энергии выше 1 гэВ, накопленных «ферми» за 5
первых лет работы . Карта построена в галактических
координатах, поэтому по центру рисунка идет яркий
галактический диск . основной вклад в яркую полосу
дает излучение космических лучей — протонов высоких
энергий, которые, сталкиваясь с частицами межзвездной среды, рождают новые частицы, включая гаммакванты . там есть и компактные источники — в основном гамма-пульсары и молодые остатки сверхновых .
самые яркие из них — Крабовидная туманность (там
светит и туманность, и пульсар в ней) и гамма-пульсар
Vela-X с окружающей его туманностью . «ферми» видит
около полутора сотен гамма-пульсаров и несколько
десятков туманностей — остатков сверхновых . Кроме
203


того, светят скопления крупных звезд, есть и неизвестные источники . Дуги, отходящие от галактической плоскости, — близкие оболочки сверхновых, взорвавшихся
порядка миллиона лет назад . Диффузное гаммаизлучение галактики простирается далеко за пределы
галактического диска, какая-то его доля летит и из галактического антицентра .
Кроме галактического диффузного излучения есть
и внегалактическое, изотропное . относительно того, из
чего и в какой пропорции оно складывается, до сих пор
идут споры . мы вернемся к этому вопросу ниже .
Наконец, самое интересное с точки зрения автора
данной статьи — яркие пятнышки, разбросанные
по всему небу . Большинство этих пятнышек — блазары,
находящиеся в сотнях миллионов и миллиардах световых лет от нас . о блазарах речь шла в предыдущей главе .
Недавно от одного из блазаров зарегистрировали поток
нейтрино, всего несколько штук, но лиха беда начало .
На рис . 19 цв . вкладки показана обработанная карта
неба — цвет отражает количество гамма-квантов, пришедших из данного участка . На самом деле любая обработка, хоть и облегчает восприятие, но скрывает часть
информации . интересно показать исходные картинки,
где каждый гамма-квант изображен точкой . общая
карта будет «засвеченной», если показывать фотоны
с энергией выше 1 гэВ (их слишком много), поэтому
даем карту фотонов с энергией выше 6 гэВ (рис . 20 .1) .
На ней видна та же галактическая плоскость, те же
блазары, но более четко вырисовываются «столбы»,
идущие от центра галактики вверх и вниз . Это знаменитые «пузыри „ферми“» — следы активности ядра нашей
галактики, где находится черная дыра массой 4,7 млн
солнечных масс .
Порядка 10 млн лет назад ядро нашей галактики
работало, испускало джеты . Протоны, ускоренные
в этих джетах, до сих пор живут в пузырях и излучают
204


Рис. 20.1. Необработанная карта неба в гамма-квантах энергии выше
6 гэВ . Видны «пузыри ферми» — свидетельство былой активности
ядра галактики . изображение создано Б . Штерном на основе исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .

гамма-кванты при взаимодействии с частицами межзвездной среды .
интересно взглянуть на самый центр галактики . На
рис . 20 .2 центральный район ±10 градусов по галактической широте . В самом центре, помеченном крестиком,
находится небольшой компактный источник . Это и есть
наш «спящий квазар», радиоисточник стрелец а: какая-то
активность там есть, возможно существует и разреженный аккреционный диск .
Небо в гамма-лучах непостоянно: блазары вспыхивают
и гаснут, иногда настолько, что становятся вообще невидимыми . На рис . 20 .3 крестиками отмечены блазары из
каталога EGRET’а, проработавшего с 1991 по 1996 год .
Будь они постоянными, они были бы яркими источниками на этой карте, но половины нет вообще: за прошедшие годы они потускнели, уйдя за порог видимости . Наоборот, есть яркие блазары, которые должен был бы видеть
EGRET, но их нет в его каталоге . Более подробно о переменности блазаров будет сказано в следующей главе .
205


6
Центр Галактики
4
2
0

–2

–4
–6
–10

–5

0

5

10

Рис. 20.2. центр галактики в гамма-квантах . По осям — галактическая долгота и широта в градусах . изображение создано Б . Штерном на основе исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .
–10
–15
–20
–25
–30
–35
–40
–45
–50
70

80

90

100

110

120

130

Рис. 20.3. источники из каталога EGRET, наложенные на карту «ферми»
фотонов энергии выше 1 гэВ . изображение создано Б . Штерном
206 на основе исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .


зооПарк «ферми»
источники гамма-квантов, которые видит «ферми»,
собраны в каталоге, составленном по данным четырехлетних наблюдений . сейчас наверняка готовится более
свежий каталог, возможно, он будет «юбилейным» .
Всего в опубликованном каталоге1 три с небольшим
тысячи объектов двадцати одного типа (arxiv .org/
pdf/1501 .02003 .pdf) . В каталоге отсутствуют солнце
и луна, которые тоже прекрасно видны в гамма-лучах,
но не имеют фиксированных координат . гамма-всплески
собраны в отдельном каталоге .
Большинство объектов — «высокоширотные», то есть
лежат далеко от галактической плоскости и в большинстве своем находятся очень далеко — в миллиардах световых лет . Это блазары разных типов, их 1667, включая
те, чей тип не удается определить .
Блазар — одно из проявлений сверхмассивных черных дыр, сидящих в центрах галактик (активные галактические ядра) . Черная дыра становится активной,
когда на нее стягивается окрестное вещество . Классическая схема подобных объектов: аккреционный диск
и струи (джеты) замагниченной плазмы вдоль оси вращения аккреционного диска и черной дыры (эти оси
совпадают) .
Джет излучает гамма-кванты в довольно узком
конусе, как луч прожектора . Если мы попадаем в этот
луч, то видим блазар: очень яркий источник всего электромагнитного спектра, где гамма-излучение, как правило, доминирует по мощности . Вероятность попасть
в луч квазара меньше одной тысячной, из чего можно
заключить, что в наблюдаемой части Вселенной миллионы активных галактических ядер с достаточно мощ1

Fermi LAT Collaboration, arXiv:1501 .02003

207


ными джетами . Более подробно о блазарах будет расскаБлазар — одно из проявлезано в следующей статье .
ний сверхмассивных черных
активных ядер, не являюдыр, сидящих в центрах
щихся блазарами, «ферми»
видит всего два десятка . Хотя
галактик (активные галактиих концентрация на три порядка
ческие ядра).
выше, светимость настолько
меньше, что видны только ближайшие объекты . Еще есть около тысячи неклассифицированных источников, большинство из которых, скорее
всего, тоже блазары .
обычных (неактивных) галактик «ферми» видит всего
несколько штук . Это магеллановы облака и м31 —
туманность андромеды, плюс еще несколько, отличающихся бурным образованием звезд .
среди низкоширотных (в основном галактических)
объектов доминируют пульсары . У 143 пульсаров видны
импульсы в гамма-диапазоне . Еще несколько объектов
так или иначе связаны с пульсарами — это оболочки
сверхновых, при взрыве которых родились пульсары
и ударные волны, образовавшиеся от взаимодействия
пульсарного ветра с окружающей средой . Некоторые,
например Крабовидная туманность, представляют собой
суперпозиции всех трех компонент . Пульсар выделяется довольно просто: по таймингу прилета фотонов,
поэтому спектры туманности и пульсара можно строить отдельно, хоть они и не разрешаются по углу .
Более редкие галактические объекты: шаровые скопления (15 штук), двойные системы из звезды и компактного объекта (5 штук) и районы интенсивного звездообразования .
Наконец, в зоопарк «ферми» входят не только объекты, но и события . главные из них — гамма-всплески .
гамма-всплеск — это нечто вроде маленького блазара,
живущего секунды, десятки секунд, изредка — сотни
208


секунд . Короткоживущий блазар образуется внутри
коллапсирующей звезды: в центре сформировалась черная дыра, сверхплотный аккреционный диск вокруг нее
и джеты: уменьшенная в пространстве (но не по мощности) версия активного галактического ядра . Внешние
слои звезды поначалу ничего «не знают» об этом,
но джеты за секунды прожигают толщу в миллион
километров и вырываются наружу . Если джеты ориентированы в нашем направлении, через миллиарды лет
мы видим гамма-всплеск .
изначально их видели в мягком гамма-диапазоне —
сотни кэВ . Впоследствии EGRET и другие детекторы
зарегистрировали «хвост» спектра, тянущийся в гэВную
область . Этот хвост есть далеко не у всех всплесков,
но так или иначе «ферми» поставил детектирование
фотонов большой энергии от гамма-всплесков на поток:
в последнем каталоге гамма-всплесков содержится 130
таких событий .
из других событий «ферми» видит солнечные
вспышки и геофизические явления, связанные с гаммаизлучением в верхних слоях земной атмосферы . К сожалению, у нас недостаточно места, чтобы уделить им
должное внимание .
В следующей статье речь пойдет о данных по блазарам и об их физической интерпретации .
Борис Штерн
31.07.2018


21.

ЮБилей «ферми».
БлаЗары

Во второй статье, посвященной юбилею проекта «Ферми», основное внимание мы уделим самым
ярким из долговечных объектов во Вселенной —
блазарам разного типа. В данной статье приводятся рисунки, отображающие данные «Ферми» за
10 лет без пяти дней. Они обработаны автором,
последние данные (по 30 июля 2018 года) помог скачать Григорий Рубцов (ИЯИ РАН). Нескольких дней
вполне достаточно, чтобы нарисовать простейшие предварительные распределения, иллюстрирующие феноменологию блазаров. Публикации же
в научных реферируемых журналах, основанные
на юбилейном наборе данных, появятся минимум
через несколько месяцев.

Что такое Блазар
грубая схема активного галактического ядра изображена на рис . 20 в цветной вкладке . тяготеющий центр,
аккреционный диск и джеты . Эта схема распространена
по всей Вселенной в разных масштабах: протопланет210


ные диски, нейтронные звезды и черные дыры в двойных системах (микроквазары), недра звезд при коллапсе
(гамма-всплески) .
механизм тоже одинаков: аккреционный диск почти
обязательно образуется при стягивании вещества к тяготеющему центру . Если частицы неупруго взаимодействуют друг с другом и имеют какой-то суммарный
момент инерции, им не остается ничего другого, кроме
как собраться в диск . межзвездная среда, стягиваясь
в диск, увлекает с собой магнитное поле .
Поле и вещество прочно связаны между собой (поле
«вморожено» в вещество) из-за огромной проводимости
космической плазмы, которая проявляется благодаря
огромным размерам «проводника» и, соответственно,
гигантской магнитной индукции . В некотором смысле
межзвездную среду можно назвать сверхпроводящей .
магнитное поле со своей энергией не может исчезнуть в космосе, как в медной обмотке, перейдя в тепло .
При этом веществу, прежде чем упасть в черную дыру
или на формирующуюся звезду, надо как-то избавиться
от магнитного поля, иначе оно своей упругостью будет
сопротивляться гравитации . Есть два основных способа
сделать это . Первый — пересоединение петель магнитного поля . именно это происходит с турбулентным
магнитным полем солнца, в результате чего мы любуемся таким результатом солнечных вспышек, как полярное сияние . Второй путь избавиться от магнитного
поля — выбросить его подальше вместе с вмороженной
плазмой .
В активных галактических ядрах, судя по всему, работают оба механизма . Пересоединение магнитного поля,
по всей вероятности, дает жесткое рентгеновское излучение — оно хоть и не изотропно, но светит в широкий
телесный угол порядка 2π . а выбросить поле можно
вдоль оси вращения диска в две противоположные стороны . так и появляются джеты .
211


В принципе механизм запуска джета понятен,
но только в принципе . При ряде упрощающих предположений запуск не только моделируется на суперкомпьютерах, но и описывается аналитически . главное — вращать силовые линии магнитного поля . Это
может делать вращающийся аккреционный диск, что,
скорее всего, имеет место при рождении планетных
систем . В активных галактических ядрах добавляется
более экзотический механизм: эффект Блэндфорда —
Знаека . Вращающаяся черная дыра крутит пространство вокруг себя . Если она погружена во внешнее
магнитное поле, то она крутит поле вместе с пространством . силовые линии закручиваются, как показано на схеме . Частицы плазмы скользят вдоль силовых линий поля, ускоряясь из-за эффекта пращи . Поле
не жесткое: под нагрузкой ускоряемой плазмы оно
загибается назад в спираль, а сам джет давлением
закрученного поля ускоряется вперед до ультрарелятивистских скоростей . Это очень вульгарное объяснение на пальцах . математика этого явления сложней,
чем математика торнадо . Здесь еще играет роль внешняя среда, помогая коллимировать джет, т . е . превращать его в узкую струю . Как уже упоминалось в предыдущей статье, блазар — это активное галактическое
ядро, джет которого направлен на нас .

рекордсмен
самый яркий блазар на небе — 3с 454 .3 . он относится к типу FSRQ (Flat Spectrum Radio Quasar) — квазары большой мощности, направленные своим джетом
на нас . Это действительно монстр! Во время вспышек
он намного ярче любого другого источника гаммаквантов . Его аккреционный диск излучает 1047 эрг/с —
212


примерно в 10 тыс . раз больше, чем вся наша галактика
во всем диапазоне . Прямых измерений массы черной
дыры 3с 454 .4 нет, косвенные оценки указывают
на порядок величины миллиард солнечных масс .
Красное смещение этого блазара — 0,859, что соответствует расстоянию 7,7 млрд световых лет . Для своего
типа это довольно близкий объект . К тому времени
яркие квазары стали потихоньку вымирать, «золотое
время» квазаров — где-то между красным смещением
1 и 2 — больше 10 млрд лет назад .
На рис . 21 .1 — кривая блеска 3с 454 .3 за десять лет
работы «ферми» . Поправка на неравномерность экспо-

700
600
500
400
300
200
100
0
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Рис. 21.1. Кривая блеска ярчайшего блазара 3с 454 .3 за 10 лет работы
«ферми» . По горизонтали — дни, отсчитываемые от начала набора
данных (04 .08 .2008), по вертикали — число гамма-квантов энергии
выше 300 мэВ за два дня . На врезке — самый высокий пик в более
крупном масштабе по времени . Ширина бина — 2,4 часа . график
построен Б . Штерном на основе исходных данных гаммаобсерватории «ферми» .

213


зиции сильно меняется за часы, но на больших промежутках времени довольно слабо .
Первое, что бросается в глаза, блазар — вспыхивающий источник (это относится не только к данному
объекту) . В паузах между эпизодами активности (интервал 1200–1600 дней) источник практически исчез . На
глаз видны по меньшей мере три масштаба переменности: два-три года — периоды активности и затишья,
один-два месяца — максимумы активности и дни —
высокие узкие пики . годы вполне можно объяснить
нестабильностью режима аккреции . месяцы — тоже
скорее какими-то неустойчивостями в аккреционном
диске . а с переменностью в дни, даже в день — время
фронта нарастания самой яркой короткой вспышки —
всё сложнее .
При массе черной дыры в миллиард солнечных, ее
гравитационный радиус — 3 млрд км . Радиус последней
внутренней стабильной орбиты аккреционного диска —
10 млрд км (8 световых часов), а время обращения
по ней — несколько дней . Нестабильности аккреции
вряд ли может давать переменность быстрей, чем время
обращения по кратчайшей орбите .
скорее всего, дневная переменность связана
с какими-то явлениями в джете — ударными волнами
или пересоединением магнитного поля . В этом случае
с быстрой переменностью всё в порядке благодаря релятивистскому сокращению времени: всё, что происходит
в джете, сжимается по времени при переходе в систему
наблюдателя в г2 раз, где г — лоренц-фактор джета .
Внутри гигантского всплеска, возможно, тоже есть
какая-то более быстрая переменность, но ее не так просто выявить из-за переменной экспозиции — поле зрения «ферми» вращается, аппарат периодически попадает
в Южно-атлантическую магнитную аномалию, где фон
столь велик, что детектор приходится выключать . так
возникает суточная модуляция результатов, осложняю214


щая анализ переменности на самых коротких временах .
именно она доминирует на врезке к рис . 21 .1 .
тип переменности 3с 454 .3, в общем, типичен для
блазаров . Вице-чемпион по пиковой яркости 4с +21 .38
(тоже монстр — FSQR со светимостью аккреционного
диска 1047 эрг/с) имеет аналогичную кривую блеска .

Блазары на голодном
Пайке
Перейдем к другому типу блазаров — BL Lac, или
«лацертиды» . свое название они получили по имени
своего исторически первого представителя, BL Lacerta .
Если FSRQ — квазар в период бурного роста, то лацертиды, скорее всего, — успокоившиеся квазары, выевшие
легкодоступное вещество и севшие на голодный паек .
их гораздо больше на единицу объема, чем FSRQ,
по крайней мере, в современной Вселенной, но видны
они только с небольших красных смещений .
ярчайшие из них — маркарян-421 и маркарян-501,
обозначаемые ниже как Mrk 421 и Mrk 501 . они же —
одни из самых близких блазаров . Кривая блеска одного
из них показана на рис . 21 .2 . объект тоже вспыхивает,
но, в отличие от представленных выше ярчайших FSRQ,
не гаснет до нуля . По данным «ферми» нельзя увидеть
переменность этих объектов короче дня — здесь к проблеме неравномерной экспозиции добавляется недостаточная статистика фотонов . Эта проблема решается
с помощью черенковских телескопов . Это детекторы
совсем другого типа — наземные телескопы, просматривающие небо на предмет вспышек черенковского
света от атмосферных ливней частиц, вызванных
гамма-квантом большой энергии . их диапазон — от
215


100
90
80

Mrk 421

70
60
50
40
30
20
10
0
–10
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Рис. 21.2. Кривая блеска одного из ярчайших BL Lac’ов — Mrk 421 за
10 лет работы «ферми» . график построен Б . Штерном на основе
исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .

сотни гэВ и выше (нижний порог постепенно снижается) . У этих установок очень узкое поле зрения — надо
наводить телескопы на объект наблюдения . Зато эффективная площадь у них на пять порядков больше, чем
у «ферми», и статистика гамма-квантов высоких энергий существенно выше .
По данным черенковских телескопов (MAGIC, HESS),
кратчайший масштаб переменности данных блазаров —
десятки минут . Это при том, что масса черных дыр
этих блазаров того же порядка: 109 солнечных масс,
и переменность, связанная с аккрецией, не может быть
короче нескольких дней . Значит, мы имеем дело
с какими-то очень быстрыми процессами в ультрарелятивистском джете (движущемся со скоростью очень
близкой к скорости света) .
216


–0,2

3с 454,3

E*dN/dlogE, (отн . единицы)

–0,4
–0,6
–0,8

маркарян 421

–1
–1,2
–1,4
–1,6

TXS 0506+56

–1,8
–2
–2,2
–2,4
3

3,5

4

4,5
5
Log (мэВ)

5,5

6

6,5

Рис. 21.3. спектры трех блазаров: ярчайшего из класса FSRQ 3с 454 .3;
ярчайшего из класса BL Lac Mrk 421; блазара TXS 0506+, от которого
обнаружен поток нейтрино . график построен Б . Штерном на основе
исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .

однако главное отличие BL Lac’ов от мощных FSRQ —
в спектрах гамма-квантов . У первых они гораздо жестче .
На рис . 21 .3 показаны спектры ярчайших представителей своих классов .
спектры построены автором на скорую руку, с учетом зависимости эффективности детектора от энергии,
но без учета энергетической зависимости углового разброса . Последний дает небольшое занижение точек
при энергиях в районе и ниже 1 гэВ . По горизонтали —
десятичный логарифм энергии, по вертикали — логарифм числа частиц в бине, умноженного на их энергию (в произвольных единицах, общих для всех
спектров) . такое представление спектров (SED, Spectral
Energy Distribution) общепринято в астрофизике высо217


ких энергий — оно показывает распределение мощности по разным энергетическим диапазонам .
Квазар 3с 454 .3 по абсолютной светимости в гаммаквантах более чем на три порядка мощней, чем Mrk 421,
просто он гораздо дальше . Разница в светимости аккреционного диска еще больше . отсюда и разница в жесткости спектра . яркий свет для ускоряемых частиц как
вязкая среда, особенно если это электроны (и позитроны) . Причем основу светимости такого мощного
квазара должны давать именно электроны и позитроны .
Если их там изначально не было, они рождаются парами
в таком количестве, что по числу на порядки превосходят число протонов в джете .
Более того, в спектрах блазаров видны признаки
поглощения гамма-квантов энергии 3–20 гэВ рассеянным и переработанным светом аккреционного диска .1
Это поглощение вызвано процессом γ1 + γ2 → e+ e— ,
где γ1 — гамма-квант большой энергии, γ2 — фотон лайман-альфа линии водорода .
из-за этого процесса в спектре ярких FSRQ возникают характерные изломы, которые особенно хорошо
видны в суммарном спектре многих блазаров . Это
значит, что излучение гамма-квантов идет из «центрального парсека», где хватает ультрафиолетового
излучения, чтобы поглотить часть гамма-квантов . Это,
в свою очередь, указывает на то, что джет ускоряется
достаточно быстро, что можно обеспечить только
процессом Блэндфорда — Знаека: черной дырой в магнитном поле .
с другой стороны, на одной из карт «Радиоастрона»
виден джет, широкий прямо у основания, что соответствует запуску от аккреционного диска .2
1
B .Stern, J .Poutanen, The Astrophysical Journal, Volume 794,
Issue 1, (2014), arXiv:1408 .0793v1
2
Giovannini, G ., et al . Nature Astronomy, 2018 . Vol . 2 . P . 472–
477

218


В принципе, никто не запрещает испускать сразу два
джета, вложенных один в другой: узкий и быстрый
по центру и широкий, более медленный по периферии .

истоЧник нейтрино
спектры BL Lac’ов гораздо жестче: энергия, излучаемая гамма-квантами не убывает в сотнях гэВ и даже
в тэВах (это видят черенковские телескопы) . Дальше
гамма-кванты поглощаются по дороге из-за взаимодей6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Рис. 21.4. гамма-кванты, зарегистрированные «ферми» от блазара TXS
0506 +38 . Каждому фотону соответствует крестик; по горизонтали —
время прибытия, по вертикали — логарифм энергии (мэВ) . Черная
горизонтальная полоса показывает время регистрации избытка нейтрино энергии 10–40 тэВ с направления TXS 0506 +056 (конец 2014 —
начало 2015 года) . Вертикальная стрелка — время регистрации одиночного нейтрино энергии выше 200 тэВ . график построен Б . Штерном
на основе исходных данных гамма-обсерватории «ферми» .

219


ствия с инфракрасным фоном, которым галактики
заполнили Вселенную . Поэтому мы не можем сказать,
как далеко тянется спектр гамма-квантов BL Lac’ов . Зато
недавно было зарегистрировано нейтрино с энергией
выше 200 тэВ от «рядового» блазара TXS 0506 +056 —
тоже BL Lac (см . главу 19) . Его спектр, усредненный
по 10 годам, показан на рис . 21 .4 . он мягче, чем спектр
близкого Mrk 421, что естественно . Последний находится в трехстах с лишним миллионов световых лет,
второй — в четырех миллиардах, поэтому жесткая часть
его спектра сильно поглощена .
На рис . 21 .4 показан график прибытия фотонов от
TXS 0506 +056 . Видно, что «пачка» нейтрино, пришедшая в конце 2014 — начале 2015 года, соответствует
парному всплеску излучения гамма-квантов . Вспышка,
соответствующая одиночному нейтрино, здесь не видна,
но она хорошо выражена в данных черенковского телескопа MAGIC .1
Возникает естественный вопрос: почему нейтрино
увидели от более далекого и слабого блазара? В абсолютной светимости TXS 0506 на порядок ярче, но тут
важна наблюдаемая светимость, по которой Mrk 421
ярче на порядок . Возможны разные объяснения,
например:
• На энергии 200 ТэВ существенно поглощение нейтрино Землей . Mrk 421 находится на севере, TXS 0506 —
на юге . Поток нейтрино такой энергии ослабевает примерно в три раза, пройдя через Землю . такое
объяснение приводится в статье коллаборации Ice Cube
(arxiv .org/abs/1807 .08794) .
• Для излучения нейтрино важны не только ускоренные протоны, еще нужна мишень для них . мишенью
для излучения гамма-квантов может быть свет . мишеThe IceCube Collaboration, et al ., Science 361, eaat1378 (2018)
arxiv .org/abs/1807 .08816
1

220


нью для излучения нейтрино, скорее всего, служат
частицы межзвездной среды . соотношение плотности
того и другого может сильно различаться .
В заключение список основных вопросов относительно джетов квазаров, вне зависимости от того, куда
они направлены .
— откуда запускается джет: из внутренних областей
аккреционного диска или из близкой окрестности черной дыры? Поглощение в спектрах FSRQ говорит скорее о втором, хотя наблюдение «Радиоастрона» свидетельствует в пользу первого . Вполне возможно, что распространен комбинированный вариант .
— Какие ускоряемые частицы ответственны за основное излучение джета? В случае FSRQ это явно электронпозитронные пары . В случае BL Lac c радикально более
жесткими спектрами это, скорее всего, протоны .
Во-первых, протоны легче ускорить, их потери меньше
в миллион раз . Во-вторых, спектры BL Lac’ов похожи
на каскадные спектры (когда начальная частица имеет
очень высокую энергию, а ее потомки равномерно
заполняют логарифмическую шкалу энергии) . Ну и свежий аргумент в пользу протонов — нейтрино .
— Каков механизм ускорения частиц в джете? Внутренние ударные волны? Плазменные неустойчивости?
турбулентность? граница джета? Консенсуса здесь
не существует, и дискуссия на эту тему выходит за
рамки данной статьи .
обычно при запуске нового большого инструмента
сливки снимаются за два-три года . Но потом продолжается отладка, накопление статистики, регистрация новых
событий, уточнение картины и качественно новые
результаты . Поэтому остается пожелать членам команды
«ферми», чтобы их детище благополучно проработало
до следующего юбилея .
Борис Штерн
14.08.2018


22.

ХреБеТ
галаКТиКи
Памяти Михаила Ревнивцева

Рентгеновский хребет Галактики (Galactic Ridge
X-ray Emission) наблюдали еще 30 с лишним лет
назад, однако не могли тогда объяснить его происхождения. Как известно, Галактика — это диск,
утолщающийся и сгущающийся к центру (речь
о так называемом балдже). На Галактику мы смотрим с плоскости диска. От самого центра Солнечную систему отделяет более половины его радиуса.
Этот диск мы наблюдаем в небе как Млечный
Путь — рассеянное диффузное свечение. В телескоп
оно разрешается на миллиарды звезд, хотя большая их часть (в частности, те, что находятся
в центре) закрыта космической пылью. К счастью,
в инфракрасном и не слишком мягком рентгеновском диапазонах пыль мешает значительно меньше.
Кроме отдельных ярких источников, рентгеновские
телескопы видят тот же самый диск, утолщающийся к центру. Вот это диффузное свечение диска
и получило наименование Галактического хребта.
свыше 30 лет происхождение данного свечения оставалось загадкой . Его спектр был не совсем тепловым
(не чернотельным), но указывал на тепловое происхо222


ждение (типа излучения оптически тонкой плазмы
с температурой 5–10 кэВ) . однако плазма с такой температурой не может «лежать блином» в галактической
плоскости, поскольку гравитации диска заведомо недостаточно, чтобы противостоять тепловому давлению
плазмы . Была выдвинута гипотеза, согласно которой
это диффузное свечение на самом деле представляет
собой совокупность слабых источников звездного происхождения, не разрешаемых по отдельности . михаил
Ревнивцев и его коллеги получили качественные карты
рентгеновского излучения с помощью аппаратов RXTE
и «интеграл» и убедились в том, что эти карты очень
хорошо накладываются на карту инфракрасного излучения галактики . Это стало хорошим доводом в пользу
вышеозначенной теории .
однако для ее окончательного подтверждения требовалось увидеть отдельные источники, т .е . разрешить их .
Этого удалось достичь только с помощью мощнейшего
американского рентгеновского телескопа «Чандра», причем потребовалась весьма длительная экспозиция, так
как источники довольно слабые . Ревнивцев вместе с коллегами обработал результаты двух экспозиций «Чандры»: одна в направлении галактического центра, а другая — на 30 градусов в сторону . В обоих случаях удалось
выявить тысячи слабых источников, позволивших
в своей совокупности объяснить почти половину излучения «хребта» . оставшаяся половина объяснялась вкладом еще более слабых источников (ниже 1031 эрг/с),
благо эти более слабые источники видны в наших окрестностях, а с учетом их распределения по яркости все
концы с концами сходятся .
Что же это за рентгеновские источники? Как выяснилось, основной вклад дают так называемые «катаклизмические переменные» — компактные белые карлики в двойных системах, на которые падает
(аккрецирует) вещество от звезды-компаньона . При этом
223


происходит разогрев до сотен миллионов градусов
и возникает излучение (в частности, в рентгене) . таких
объектов в хребте галактики около сотни тысяч . и есть
еще более слабые, но и более многочисленные объекты,
дающие вклад в излучение «хребта», — это звезды с очень
активными коронами . Вспомним, что во время вспышек
наше солнце порождает потоки рентгеновских лучей .
так вот, встречаются звезды с гораздо более сильным
магнитным полем, которые в рентгеновском диапазоне
излучают на несколько порядков больше солнца . и таких
звезд в галактике — великое множество .
михаил Ревнивцев был лидером в серии работ
на данную тему, однако существенный вклад внесли
и его соавторы: сергей сазонов, алексей Вихлинин,
марат гильфанов, Евгений Чуразов, Рашид сюняев,
Роман Кривонос, сергей гребенев .
Борис Штерн
17.02.2009

Послесловие
Публикуем эту старую заметку в память о михаиле
Ревнивцеве, умершем 23 ноября 2016 года . Ему было
42 года . Это тот случай, когда «конь на скаку и птица
влет» . Доктор наук, профессор РаН, реальный кандидат
в член-корреспонденты РаН . Невероятно талантливый
и работоспособный астрофизик . Казалось очевидным,
что его ждет большое будущее . Для большинства людей,
знавших михаила, его смерть стала шоком и полной
неожиданностью . Будем помнить!


23.

гоСУдарСТвенная
Премия ЧереЗ 44 года
наШла героев

Государственная премия 2016 года в области
науки и технологий присуждена астрофизикам
Николаю Шакуре и Рашиду Сюняеву за работу, опубликованную в 1973 году. Ее вручение состоялось
12 июня 2017 года в Кремле.1 В преамбуле премии
отмечается, что она присуждена «за создание теории дисковой аккреции вещества на черные дыры».
Главная статья опубликована в журнале Astronomy
and Astrophysics, она называется «Черные дыры
в двойных системах. Наблюдаемые проявления».2
Пилотный номер нашей газеты мы посвятили как раз
этой статье3 — самой цитируемой публикации российских
авторов за всё время существования российской науки .
http://kremlin .ru/events/president/news/54763
Shakura N . I ., Syunyaev R . A ., Black Holes in Binary Systems .
Observational appearance // Astronomy and Astrophysics, 1973 .
Vol . 24 . P . 337–355 .
3
Попов с ., «Крутятся диски», http://trv-science .ru/2008/04/01/
krutyatsya-diski/ //«троицкий вариант-Наука», №1 (1), 1 апреля
2008 года .
1
2

225


Это вторая в мире по цитируемости статья по астрофизике (первое место занимает статья справочного характера) . Число цитирований этой статьи перевалило за 8
тыс . по данным NASA ADS . так что до присуждения этой
премии лауреаты отнюдь не пребывали в безвестности .
Это далеко не первая их награда за эту работу .

Предыстория
Долгое время черные дыры воспринимались как
экзотический курьез общей теории относительности .
Наконец постепенно поняли, что большие звезды, когда
прогорают, должны заканчивать свою жизнь как черные дыры: они не могут остаться белыми карликами
из-за так называемого предела Чандрасекара .
а самые тяжелые, массой более 30–40 солнечных
масс, коллапсируя и даже теряя при этом большую часть
массы, не могут застрять на стадии нейтронной звезды
из-за предела оппенгеймера — Волкова . В первом случае
тяготение преодолевает давление вырожденного газа
электронов, во втором случае — нейтронов . то есть никакие физические силы не в состоянии предотвратить коллапс очень массивных звезд, значит, они обязательно
должны стать черными дырами . где же они? Негативной
аргументации мало, требуется подтверждение .
изолированная черная дыра, на которую ничего
не падает, не излучает ничего (излучение Хокинга
ничтожно) . Единственный шанс обнаружить черную дыру
дает случай, когда на нее падает вещество . откуда? Например, в двойной системе — с нормальной звезды, обращающейся вокруг общего центра тяжести с черной дырой .
В 1964 году с помощью запусков суборбитальных ракет
со счетчиками гейгера, сканирующими небо, были обнаружены несколько рентгеновских источников . среди них
226


лебедь Х-1 . В 1970 году была
запущена первая рентгеновская
долгое время черные дыры
обсерватория «Ухуру», нашедшая более трехсот источников . воспринимались как экзотиПо данным «Ухуру» казалось, что ческий курьез общей теории
лебедь Х-1 — быстроперемен- относительности. наконец
ный объект, способный менять постепенно поняли, что больсветимость за миллисекунды . шие звезды, когда прогоЗначит, он очень компактный .
рают, должны заканчивать
В 1971 году обнаружили
свою жизнь как черные дыры.
радиоисточник, совпадающий
по положению с лебедем Х-1,
причем точность локализации в радио намного лучше,
чем в рентгене . Это помогло отождествить звезду, находящуюся на месте источника, — голубой гигант HDE
226868 . Вскоре обнаружили периодическое смещение
спектральных линий звезды .
из периода вытекает, что у нее есть компактный компаньон с массой заведомо больше 10 солнечных масс —
намного больше, чем верхний предел массы нейтронных звезд . так был открыт первый кандидат в черные
дыры звездной массы . сейчас слово «кандидат» пропало — известно огромное количество таких объектов,
количество данных о них тоже огромно, никто не сомневается, что это именно черные дыры . точка поставлена
в 2016 году регистрацией гравитационных волн от сливающихся черных дыр — рассеялись последние смутные
сомнения в существовании черных дыр звездной массы .

всюду диски…
Как вещество может падать на черную дыру (падение вещества на астрономический объект, за счет которого он растет, называют аккрецией)? Если это просто
227


межзвездный газ — то, скорее всего, как изотропный
поток со всех сторон . такой режим сферически симметричной аккреции изучен теоретически, он наверняка
бывает в жизни . Но если вещества много и есть некий
преобладающий вращательный момент, поток обязательно соберется в диск .
Диски в астрофизике образуются везде — от колец
сатурна до галактик . механизм образования у них общий:
вещество летает вокруг тяготеющего центра по кеплеровским орбитам . Если эти кеплеровские орбиты хаотичны,
то частицы вещества неупруго сталкиваются друг с другом так, что орбиты постепенно сближаются . Это происходит до тех пор, пока все орбиты не станут круговыми
в одной плоскости, — тогда столкновения прекратятся .
Пример почти идеального диска — кольца сатурна, где
глыбы и булыжники из грязного льда летят параллельно
друг другу десятиметровым слоем .
Но в таком идеальном кольце нет движения внутрь .
глыбы не падают на сатурн . Этому мешает закон сохранения момента импульса — кольца сатурна не могут
его сбросить . В случае аккрецирующих черных дыр
диск должен вести себя как-то иначе . Как именно —
этому и посвящена знаменитая работа .
На самом деле ключевая идея была опубликована
годом раньше Николаем Шакурой в «астрономическом
журнале» . она достаточно проста . Поведение диска при
заданном темпе поступления вещества извне зависит от
одного параметра — вязкости . Если есть вязкость, то
между смежными орбитами появляется трение . Вещество на любой орбите передает угловой момент веществу более медленной внешней орбиты . так происходит
транспорт момента импульса изнутри наружу, за счет
чего вещество диска, избавляясь от момента, по спирали стягивается к центральному телу .
откуда берется вязкость? Во-первых, из-за турбулентности в диске — вещество смежных орбит перемешива228


ется . Во вторых, из-за магнитного поля, пронизывающего диск, — оно вморожено в вещество и ведет себя
как упругий материал .
В работе Николая Шакуры впервые был введен
удобный безразмерный параметр a, величина которого
представляет собой отношение квадрата турбулентных
скоростей к квадрату скорости звука . В совместной
работе с Рашидом сюняевым в определение этого
параметра было добавлено магнитное поле . Эти величины очень привычны и естественны для астрофизиков . они взаимосвязаны — турбулентность работает
как магнитное динамо, усиливая поле . Эти величины
нельзя измерить, но есть довольно общие соображения, как их примерно оценить .

основоПолагающая статья
Эта первая работа Н . и . Шакуры осталась не столь
известной, как вторая работа 1973 года, опубликованная
в соавторстве с Рашидом сюняевым . Во-первых, она
опубликована в международном журнале . Во-вторых,
она лучше написана и гораздо полнее .
Кроме динамики диска описывается его термодинамика, излучение в разных режимах аккреции, его переменность во времени и влияние излучения диска
на звезду-компаньона . статья стала основополагающей .
любая более поздняя работа по дисковой аккреции
в той или иной степени, прямо или косвенно использует результаты, изложенные в статье Николая Шакуры
и Рашида сюняева . отсюда и гигантское число ссылок .
область захватывающе интересная, там осталось еще
много загадок . Например, режим аккреции меняется скачками — то излучается жесткий рентген меньшей интенсивности, то мягкий с большей светимостью . Это хоть
229


и смутно, но понято . или, например, автор этой статьи, работая
в работе николая Шакуры
с данными инструмента BATSE
впервые был введен удобный
гамма-обсерватории «Комптон»,
безразмерный параметр a,
неожиданно обнаружил гигантские рентгеновские всплески
величина которого представвышеупомянутого лебедя Х-1,
ляет собой отношение кваих
почему-то не заметили члены
драта турбулентных скоростей
команды BATSE . откуда всплек квадрату скорости звука.
ски? Что за явление? Никто
не знает .
Да там целый кладезь эффектов: корона диска, квазипериодические осцилляции, наконец, самое потрясающее явление — джеты (струи замагниченной плазмы,
бьющие вдоль оси вращения дисков) . и ведь всё это
относится не только к черным дырам звездной массы .
Знаменитые квазары — это те же аккреционные диски,
только у сверхмассивных черных дыр в центрах галактик . Даже протопланетные диски на ранней стадии,
вероятно, могут описываться в терминах модели
Шакуры — сюняева . они, кстати, тоже испускают великолепные джеты . Дисковая аккреция неисчерпаема
(в отличие от электрона) .
Рост числа цитирований статьи Шакуры — сюняева
ускоряется . основным методом исследования, как и во
многих других областях науки, становится численное
моделирование с привлечением больших вычислительных ресурсов . а куда деваться? тем более можно
поздравить тех, кому когда-то удалось найти общее
описание явления с помощью ручки и бумаги . Вне зависимости от числа полученных премий .
Борис Штерн
20.06.2017


24.

УвидеТь
ЧернУЮ дырУ!

Возможно, еще никогда размытая и невразумительная на первый взгляд картинка не вызывала
такого воодушевления, как 10 апреля 2019 года. Это
изображение обошло все уважающие себя СМИ, заполонило социальные сети, стало героем фотошопа,
попало на футболки и успело поднадоесть. На картинке — первое в истории изображение реальной
черной дыры — сверхмассивной дыры в центре галактики М 87. Изображение плохое, но настоящее.

астрофизиЧеский контекст
сверхмассивная черная дыра в м 87 издавна знаменита своим оптическим (наблюдаемым в видимом свете)
джетом — релятивистской струей замагниченной плазмы .
обычно джеты видны лишь в радиодиапазоне, иногда
в рентгене; оптические джеты — довольно редкое явление . снимок на рис . 21 в цветной вкладке сделан космическим телескопом «Хаббл», но джет виден и в гораздо
менее мощные наземные телескопы . Длина джета, точнее
его проекции на небе, больше килопарсека . Джет направ231


лен к нам, его отклонение всего
17°, то есть его настоящая
Сверхмассивная черная
длина — несколько килопарседыра в м 87 издавна знаме- ков . именно из-за того, что джет
нита своим оптическим
направлен
почти
на
нас,
мы видим лишь один джет,
(наблюдаемым в видимом
поскольку второй направлен
свете) джетом.
на 163° от нас, притом что оба
они релятивистские с сильнейшей релятивистской аберрацией . исходя из эффекта,
который джет оказывает на межзвездную среду, оценивается его мощность: она составляет от 1044 до 1045 эрг/с .
Первое из этих значений совпадает с полной светимостью нашей галактики . (Здесь используются традиционные в астрофизике единицы системы сгс; для ориентации: светимость солнца — 4×1033 эрг/с .)
Зато светимость диска (аккреционный диск — вещество, стягивающееся в черную дыру и разогревающееся
до огромных температур) относительно невелика . среди
квазаров есть монстры, чей диск излучает 1047 эрг/с . Этот
светит не более 1042 эрг/с, на порядки уступая джету
в мощности . Дело в том, что этот диск очень неэффективно высвечивается: большая часть его энергии прямиком уносится в черную дыру . такой режим аккреции
называется ADAF (Advection dominated accretion flow) —
это квазар на голодном пайке . Потока стягивающегося
к дыре вещества не хватает, чтобы диск стал плотным
и пришел в термодинамическое равновесие . аккреционный диск получается оптически тонким, зато геометрически толстым из-за больших хаотических скоростей
протонов и ядер . В ADAF частицы сталкиваются редко;
ионы летают сами по себе с кеплеровскими скоростями,
электроны — сами по себе, причем температура электронов в десятки раз ниже, чем у ионов . светят именно электроны, мы видим их синхротронное излучение . а основная энергия уносится ионами внутрь черной дыры .
232


Что можно рассмотреть
у Черной дыры
Черные дыры, оставшиеся от одиночных звезд,
имеют максимальный угловой размер около 10-15 радиана . Под таким углом видна самая мелкая земная бактерия с луны . К счастью, размер черной дыры пропорционален массе (а не корню кубическому из нее, как
для обычных тел), поэтому гигантские черные дыры,
сидящие в центрах галактик и всосавшие массу миллионов и миллиардов звезд, гораздо перспективней .
Рекордсмены по угловому размеру — сверхмассивная
черная дыра (около 6 млрд солнечных масс) в сравнительно близкой к нам галактике м 87 (55 млн световых лет) и черная дыра в центре нашей галактики —
в тысячу с лишним раз меньше (4 млн солнечных
масс), но и в две тысячи раз ближе . Угловой размер
этих дыр намного больше — приблизительно 10-10: под
таким углом будет виден шарик для пинг-понга на луне
или человеческий волос в толщину с расстояния
500 км . В астрофизике принято измерять угловой размер в угловых секундах — это 1/3600 градуса, или
0,5×10-5 радиана . В данном случае более адекватными
единицами будут угловые микросекунды . Расстояние
до м 87 — 16,4 мегапарсек, или 5×1025 см . Вот ключевые параметры черной дыры (даем основные размеры
в угловых микросекундах) .
1. Гравитационный радиус черной дыры в М 87
(Rg) приблизительно равен 1015см (в три с лишним
раза больше радиуса орбиты Нептуна). Он определяется через массу М, гравитационную постоянную
G и скорость света как Rg = GM/c2. Угловой размер —
4 микросекунды.
2. Шварцшильдовский радиус невращающейся черной дыры (радиус горизонта событий, из которого
233


наружу не доходит никакой сигнал), вдвое больше:
Rs = 2Rg (8 микросекунд).
3. Последняя стабильная орбита радиуса: Ro =
6Rg (24 микросекунды).
4. Радиус фотонной сферы: Rph = 3Rg. Фотон, пролетающий мимо черной дыры по касательной ближе,
чем Rph, попадет в черную дыру; пролетающий
дальше — улетит по кривой на бесконечность; летящий точно на расстоянии Rph — будет циркулировать вокруг дыры по круговой орбите.
Радиус тени черной дыры: Ra = 5,2 Rg. Тень — не что
иное, как линзированная фотонная сфера (см. рис. 22
в цветной вкладке). Угловой размер — 20 микросекунд.
Что из вышеперечисленного мы можем увидеть?
Прежде всего мы должны видеть аккреционный диск .
В случае м 87 мы наблюдаем этот диск почти плашмя .
Но как при этом проявится сама черная дыра? она
наверняка вращается . Значит, ее горизонт меньше
шварцшильдовского и ближе к Rg . Размер слишком
мал, и, главное, горизонт никак не обозначается фотонами, покинувшими окрестность черной дыры . те, что
родились около него, за малым исключением, заглатываются дырой . Последняя стабильная орбита для вращающейся черной дыры приближается к горизонту
и сливается с ним для случая предельного вращения .
В этом случае практически все фотоны, испущенные
с последней стабильной орбиты, попадают в черную
дыру, и мы их не видим .
Зато мы можем увидеть контур тени черной дыры —
яркое кольцо по ее окружности . Это, конечно, не фотоны,
летающие вокруг дыры, — такие орбиты неустойчивы .
яркое кольцо — каустика, нечто вроде светлых полос
на дне при небольшом волнении . траектории многих
фотонов, в том числе с обратной стороны аккреционного диска, с точки зрения удаленного наблюдателя,
234


собираются в узкое кольцо (см . рис . 22 в цв . вкладке) .
а внутри этого кольца должно быть относительно темно .
относительно, потому что внутри фотонной сферы
мы можем видеть фотоны, испущенные веществом
в сторону от черной дыры, их траектории изгибаются
и попадают к наблюдателю . При этом яркость излучения, испущенного внутри фотонной сферы, сильно подавлена . итак, имеем яркое кольцо с темной областью внутри и плавно спадающей наружу яркостью, поскольку
светимость диска падает при удалении от черной дыры .

техника наБлюдений
существует так называемый дифракционный предел
углового разрешения λ/D, где λ — длина волны, D —
апертура: диаметр зеркала телескопа или база интерферометра . Для крупнейших оптических телескопов дифракционный предел — около 10 миллисекунд . Для традиционных радиоинтерферометров со сверхдлинной
базой, работающих на длине волны несколько сантиметров, дифракционный предел — около миллисекунды:
ограничение дает диаметр Земли . У «Радиоастрона»,
одна из антенн которого находится в космосе, разрешение примерно в 30 раз лучше, но большая длина волны
не позволяет увидеть происходящее вблизи черной
дыры: пространство вокруг нее заполнено электронами
больших энергий, поглощающих радиоволны (синхротронное самопоглощение) . с помощью «Радиоастрона»
провели исследование ядра м 87 и ровно это и увидели:
непрозрачную фотосферу, скрывающую черную дыру
и внутренние части аккреционного диска . Зато на длине
волны около миллиметра синхротронное поглощение
падает на порядки величины — электроны излучают,
но почти не поглощают .
235


Проект EHT (Event Horizon
Telescope) — интерферометр
С помощью «радиоастрона»
из нескольких радиотелескопровели исследование ядра
пов, находящихся в разных
м 87 и увидели непрозраччастях земного шара . они все
работают в миллиметровом
ную фотосферу, скрываюдиапазоне, исследование ядра
щую черную дыру и внутренм 87 велось на длине волны
ние части аккреционного
1,3 мм . Дифракционный предел
диска.
при такой длине волны и базе
размером с диаметр Земли —
около 20 угловых микросекунд . такой же, как радиус
тени черной дыры в м 87 .
При таком соотношении разрешения и размеров
объекта в радиоинтерферометрии удается получать
вполне вразумительные изображения . В случае простой геометрии объекта — даже лучше: например,
положение точечного объекта фиксируется с точностью в 20−30 раз выше дифракционного предела .
Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой
радикально отличается от обычной интерферометрии
тем, что она цифровая, а не аналоговая . грубо говоря,
записывается временной профиль сигнала со всех
антенн с частотой, равной удвоенной ширине полосы
принимаемого сигнала . Это, конечно, много меньше,
чем 230 гигагерц, но всё равно очень большая частота,
поэтому первичные данные составляют около двух
петабайт . Потом ищутся задержки, при которых профили сигналов с разных антенн коррелируют друг
с другом . По задержкам, исходя из пространственного
положения антенн, определяется направление прихода
фронта волны . По совокупности задержек строится
карта объекта .
На словах это выглядит просто, но на самом деле
задержки между любой парой антенн всё время меняются: причиной тому вращение Земли, тепловая дефор236


мация, приливы и т . п . самое неприятное — непредсказуемая турбулентность атмосферы, из-за которой фаза
принимаемого сигнала «гуляет» . Все предсказуемые
факторы входят в модель задержки, которую легко
учесть, но случайные факторы ломают когерентное
накопление сигнала менее чем за 20 секунд, после чего
надо искать корреляцию по новой и «эмпирически»
сшивать фазу . Процедура, конечно, непростая: требуемый объем данных огромен, сам поиск корреляций
потребляет
огромные
вычислительные
ресурсы,
к тому же восстановление карты по корреляциям —
некорректно определенная задача . тем не менее в большинстве случаев эта задача корректно решается,
к тому же карта при большом отношении сигнал/шум
получается четче полуширины диаграммы направленности . Все эти сложности увеличиваются с уменьшением длины волны . В частности, на длине волны 6 см
время когерентного накопления сигнала составляет
не 20 секунд, а 10 минут . соответственно, на большей
длине волны требуется меньшая скорость накопления
данных . именно поэтому интерферометрия на миллиметровой длине волны стала возможной лишь в этом
столетии .
Кстати, еще до объединения антенн миллиметрового
диапазона в сеть EHT главный узел этой сети — интерферометр ALMA, состоящий из десятков антенн, получил потрясающие снимки протопланетных дисков
(см . рис . 23 в цветной вкладке) .

результаты и их интерПретация
измерения ядра м 87 с помощью EHT проводились
четыре ночи: 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года . Результаты
представлены в шести объемных статьях, опубликован237


ных в Astrophysical Journal Letters и собранных вместе .1
основную картинку, представленную в цветной вкладке
на рис . 24, наверняка все уже видели, приводим отдельные снимки по дням (рис . 25 в цв . вкладке) .
Заметны небольшие изменения в распределении
яркости вдоль по светлому кольцу . Это естественно:
постоянная времени изменений на радиусе фотонного
кольца (около световых суток) — дни . мы видим, как
дышат некие неоднородности в аккреционном диске .
Бросается в глаза разная яркость верхней и нижней
части кольца . Это объясняется тем, что мы наблюдаем
аккреционный диск не точно плашмя, а под небольшим
наклоном . Диск перпендикулярен джету . В координатах
картинки джет направлен вправо . Диск вращается
по часовой стрелке, поэтому нижняя часть кольца приближается к нам, а верхняя удаляется . Этого достаточно,
чтобы релятивистская аберрация давала заметную разницу в яркости .
Значительная часть опубликованных статей посвящена моделированию аккреции на черную дыру
с высвечиванием вещества и прослеживанием испущенных фотонов . Это довольно сложная задача, поскольку
требуется трехмерная магнитогидродинамика в релятивистской метрике . тем не менее, решают и смотрят,
похоже на наблюдаемую картину или нет . Пример сравнения модели с реальностью показан на рис . 26 в цв .
вкладке . Конечно, не все модели дают результат, похожий на правду . Поэтому удается отбросить некоторые
варианты физики аккреционного диска . Например,
не проходит предположение об одинаковой температуре ионов и электронов . Не проходит предположение
о невращающейся черной дыре, хотя измерить пара1
The Event Horizon Telescope Collaboration (2019) . “First
M87 Event Horizon Telescope Results . IV . Imaging the Central Supermassive Black Hole” . Astrophysical Journal Letters . 87 (1): L4 .
arXiv:1906 .11241 .

238


метр вращения не удается: проходит как значение а —
0,94, так и значение а — 0,5 . Удалось исключить неоднозначность в оценке массы черной дыры . До сих пор
существовали две противоречащие друг другу оценки:
6 млрд солнечных масс — по разбросу скоростей звезд
и 3,5 млрд солнечных масс — по движению газа . из размера «бублика» и сравнения его с результатами моделирования получается оценка 6,5 млрд солнечных масс,
согласующаяся с первой из приведенных выше .

знаЧение результата
и ПерсПективы
многие рассматривают основной результат EHT как
прямое подтверждение существования черных дыр . Это
так, но это не первое и не самое сильное подтверждение . гравитационные волны от слияния черных дыр
сильней . Но снимок тени черной дыры наглядней
и понятней для широких масс . Это очень важно,
поскольку деньги на исследования в конечном счете
дают именно широкие массы . с моей точки зрения,
интересней данные об аккреционном диске . Это совершенно фантастическое явление, гораздо более сложное,
чем черная дыра .
то, что сделали, еще не предел . методику можно
вылизывать, набирать статистику . Будут более четкие
изображения, будут видны изменения аккреционного
диска со временем — там масса интересной астрофизической информации .
и еще одна очень важная перспектива — черная дыра
в центре нашей галактики радиоисточник стрелец а .
Ее угловой размер немного больше; ориентация,
по-видимому, другая, менее благоприятная для наблю239


дения тени, но более интересная с точки зрения эффектов линзирования и физики аккреционного диска .
Дополнительная проблема — быстрая переменность
источника в центре галактики .
Наконец, более далекая перспектива — радикальное
увеличение базы интерферометра за счет космического
миллиметрового телескопа . именно этой задаче посвящен проект «миллиметрон», разрабатываемый в астрокосмическом центре фиаНа, — наследник «Радиоастрона» .
Борис Штерн
23.04.2019


Часть III

ЧаСТицы


25.

КлаССиЧеСКие
ЭКСПерименТы
лоБаШЁва

Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что
Владимир Михайлович Лобашёв был в России самым
талантливым экспериментатором в области
физики частиц. Его основные эксперименты стоят
того, чтобы рассказать о них достаточно подробно и по возможности для широкой аудитории.
Условно можно выделить три классических осуществленных эксперимента, в каждом из которых содержалась изюминка — яркая запоминающаяся идея . Перечислим эти эксперименты (точнее, серии экспериментов) в хронологическом порядке:
— обнаружение примеси слабых взаимодействий
в ядерных реакциях (циркулярная поляризация γ-квантов);
— измерение электрического дипольного момента
нейтрона;
— измерение массы нейтрино .
На самом деле, экспериментов и идей намного больше;
например, стоит упомянуть вращение плоскости линейной поляризации γ-квантов, прошедших через намагниченный ферромагнетик (этот результат генетически при242


мыкает к первому из перечисленных экспериментов) . Но
надо где-то подвести черту, поэтому сосредоточимся на
двух самых ярких работах Владимира михайловича .

истоЧник и маятник
Циркулярная поляризация γ-квантов от ядерных
реакций
Нам известно четыре вида фундаментальных взаимодействий: электромагнитные, слабые, сильные и гравитационные (на самом деле первые два — точно, первые
три — скорей всего, а возможно, и все четыре — проявления одного и того же взаимодействия, ставшие разными «исторически», из-за физических свойств нашей
Вселенной) . слабое взаимодействие нетривиально тем,
что нарушает пространственную четность . иными словами, физические процессы выглядят по-разному, если
смотреть на них прямо и в зеркальном отражении .
Процессы, нарушающие пространственную четность,

источник

фотодиод

Детектор
Поляриметр

Кварц
таймер

маятник

Коллиматор

Электромагниты

фильтр
Усилитель
и т .п .

Коррекция фазы

Рис. 25.1 Упрощенная схема эксперимента .

243


теоретически позволяют объяснить по радио далекому
инопланетянину, где право, где лево, при условии, что
он умеет ставить эксперименты по слабым взаимодействиям .
слабые взаимодействия в чистом виде происходят,
когда они связаны с нейтрино, эта частица не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях . именно в таких взаимодействиях нарушение пространственной четности велико — порядка
единицы . Нарушение пространственной четности
в слабых взаимодействиях с участием нейтрино было
теоретически предсказано (ли, янг) и обнаружено
(мадам Ву) в 1950-х годах, за что была присуждена
Нобелевская премия (ли, янг, 1957) .
а есть ли примесь слабого взаимодействия в электромагнитных и сильных процессах, где, например, взаимодействуют друг с другом только протоны и нейтроны? Это вопрос об универсальности слабого
взаимодействия . В 60-х годах прошлого века начались
поиски примеси слабых взаимодействий в ядерных
реакциях, где доминируют сильные, а также участвуют
электромагнитные взаимодействия . изначально понятно,
что примесь должна была быть очень маленькой: слабые взаимодействия есть слабые, сильные есть сильные .
Как ее поймать? слабые взаимодействия нарушают пространственную четность, и есть все основания предполагать, что только они . Нельзя ли воспользоваться этим
нарушением как индикатором?
из теоретических соображений было понятно, что
лучше всего искать нарушение пространственной четности при излучении γ-квантов ядрами . Как оно при
этом может выглядеть?
Есть два варианта: первый — взять поляризованные
ядра и смотреть, куда летит больше γ-квантов, по направлению спина или против него . либо взять неполяризованные ядра и проверить не поляризованы ли фотоны
244


(важна циркулярная поляризация, по сути, спин фотона) .
Вспомнив про далекого инопланетянина, мы смогли бы
объяснить ему, что такое правая и левая резьба, на примере таких корреляций направления и спина .
В первой половине 60-х годов в данном направлении
среди физиков уже развернулась конкуренция . В первом
методе (куда летят фотоны от поляризованных ядер)
лидировали Ю .г абов с П .а . Крупчицким из института
теоретической и экспериментальной физики . В 1965 г .
они опубликовали результат, где эффект был обнаружен .
Во втором методе лидером стал В .м .лобашёв с командой . циркулярную поляризацию измерять заметно сложнее, поэтому потребовалась новаторская постановка эксперимента, заслуживающая обстоятельного рассказа .
Эксперимент был поставлен в гатчинском филиале
ленинградского физико-технического института . Приблизительная схема показана на рисунке . она начинается с мощного радиоактивного источника, излучающего γ-кванты . Для определенности, ниже все числа
даны для одного из первых подопытных ядер — тантала . ядра тантала в источнике
появлялись от бета-распада владимир михайлович лобарадиоактивного изотопа гаф- шёв был в россии самым
ния . При возникновении они талантливым экспериментатооказывались возбужденными, ром в области физики частиц.
возбуждение снималось излу- его основные эксперименты
чением γ-квантов, циркуляр- стоят того, чтобы рассказать
ную поляризацию которых о них широкой аудитории.
предстояло найти . γ-кванты от
Условно можно выделить три
источника не могут попасть
прямо в детектор — на пути эксперимента, в каждом из
стоит свинцовый коллиматор . которых содержалась изюони могут дать сигнал, только минка — яркая запоминаюотразившись от поляриметра щаяся идея.
через комптоновское рассея245


ние на поляризованных электронах ферромагнетика .
а вероятность рассеяния при этом чувствительна к циркулярной поляризации фотона . Значит, циркулярную
поляризацию можно измерить, сравнив числа γ-квантов,
попавших в детектор при противоположных направлениях намагниченности поляриметра . однако вся беда
в том, что разница в этих числах ничтожна .
Простейшие оценки давали величину циркулярной
поляризации где-то между 10-5 и 10-6 . При этом эффективность поляриметра составляет всего несколько процентов, значит надо искать относительную разницу
в потоке γ-квантов где-то в районе 10-7 . Вспомнив, что
относительная статистическая ошибка обратно пропорциональна квадратному корню из числа событий, заключаем, что надо пересчитать больше 1014 квантов, а чтобы
хоть как-то измерить эффект — больше 1016 . Это исключительно трудно сделать в наше время, а в те дни было
абсолютно невозможно .
гамма-кванты сравнительно небольшой энергии
обычно регистрируются сцинтиллятором: электрон
отдачи (или фотоэлектрон) возбуждает молекулы, возбуждение снимается высвечиванием, свет попадает
в фотоумножитель, который преобразует вспышку света
в импульс тока . Но если нам надо пересчитать 1016 квантов, на это уйдут тысячи лет, быстрее электроника не переварит . Если попробовать быстрее — вместо импульсов
будет каша, шум, который невозможно распутать .
лобашёв предложил не пересчитывать фотоны,
а просто измерять суммарный ток, выдаваемый фотоумножителем или фотодиодом, — эта идея получила
название «интегральный метод» . Пусть будет каша!
Давайте ее интегрировать, не пытаясь распутать . Но
средние значения тока при разных поляризациях отличаются всего на 10-7 . Как обнаружить эту разницу? Электроники, способной измерить такую разницу, в те времена не существовало .
246


Решение было поразительным по своей красоте:
использовать явление резонанса . из ничтожной разницы можно сделать периодический сигнал, перемагничивая поляриметр через строго фиксированное время .
а как известно из радиофизики, слабый периодический
сигнал, тонущий в шумах, можно очень хорошо выделять и накапливать, подавая его на колебательную
систему с хорошей добротностью (т .е . с малыми относительными потерями энергии), настроенную в резонанс . В качестве такой колебательной системы был
выбран физический маятник! обычный маятник от
астрономических часов в вакуумной камере . оказывается, в то время это был лучший по добротности технически реализуемый вариант .
итак, поток γ-квантов, отраженных от поляриметра,
попадал в сцинтиллятор, вызывая свечение в виде
постоянного шума, чуть-чуть зависящего от направления намагниченности поляриметра . Частота перемагничивания поляриметра строго соответствовала собственной частоте маятника . фотодиод превращал световой
сигнал в электрический . Далее сигнал усиливался, фильтровался и подавался на отклоняющие электромагниты .
и маятник потихоньку раскачивался!
Конечно, всё намного сложней, чем в этом схематическом описании . Надо было исключить возможность
наводок, надо было провести контрольные измерения
(с заведомо нулевой циркулярной поляризацией)
и калибровочные измерения (с известной циркулярной
поляризацией) . Кроме того, как и в любом уникальном
эксперименте, дьявол кроется во множестве деталей,
на отладку которых уходят годы .
Эффект, выражаемый как относительная разность
сигналов при перемагничивании поляриметра, оказался
равным 3 × 10-7 . соответствующее значение поляризации: Рγ = (6±1) 10-6 . Этот результат был опубликован
в 1967 г . в Physics Letters.
247


Потом проверялись другие ядра, тоже давшие значимую поляризацию испущенных γ-квантов . Вершиной
серии экспериментов стало измерение самой «чистой»
ядерной реакции: np — Dγ . так обозначается реакция
соединения протона с нейтроном в дейтрон — ядро
тяжелого водорода . При этом испускается γ-квант фиксированной энергии 2200 кэВ . Чистой реакцию можно
назвать по той причине, что в ней участвует всего две
частицы, и результат по циркулярной поляризации
довольно легко теоретически связывается со свойствами слабого взаимодействия в двухнуклонной
системе . К сожалению, при всей своей чистоте ожидаемый эффект в этой реакции мал . Дело в том, что для
тяжелых ядер в некоторых случаях есть механизмы
усиления пространственно-нечетных эффектов —
именно такие случаи отбирались для эксперимента .
а при соединении протона с нейтроном никакого усиления нет . Но В .м . лобашёв был не из тех, кого смущает
сложность задачи . скорее она его воодушевляла .
В эксперименте по циркулярной поляризации от np —
Cg нужен уже источник нейтронов, причем «нормальными» источниками нейтронов не обойтись . Есть только
одно место, где существует нужный по величине поток
нейтронов, — активная зона реактора . Эксперимент ставился на реакторе ленинградского института ядерной
физики . В центре активной зоны реактора была сформирована водная полость, окруженная свинцовой защитой,
которая и служила источником γ-квантов . гамма-кванты
выводились 5-метровым каналом-коллиматором через
биологическую защиту реактора к поляриметру, после
прохождения которого регистрировались сцинтилляционным детектором . скорость счета на детекторе составляла 3 × 1010 γ-квантов в секунду .
Как уже сказано, теоретические ожидания для величины эффекта в данной реакции малы . В какой-то момент
эффект вроде бы проклюнулся, причем намного выше
248


теоретической оценки, но его статистическая достоверность была невелика — 3 ς . очень часто такие эффекты
«рассасываются», что произошло и здесь . В результате
эффекта не нашли, но поставили уникально низкий предел на циркулярную поляризацию: Рγ < 5 × 10-7 .
серия экспериментов поставила логическую точку
в вопросе слабого взаимодействия нуклонов и, что
может быть более важно, дала ряд блестящих методических идей . За обнаружение пространственно нечетных эффектов в ядерных реакциях лобашёв вместе
с абовым и Крупчицким получил ленинскую премию .
В серии были интересные «ответвления», давшие
результаты, не связанные с нарушением пространственной четности . Это уже упоминавшееся вращение плоскости поляризации γ-квантов, проходящих через
намагниченный ферромагнетик (аналог эффекта фарадея в оптике) . Этому результату был присвоен статус
открытия . также был измерен эффект циркулярной
поляризации γ-квантов в реакции np — Dγ с поляризованными нейтронами . Этот эффект не нарушает пространственной четности, но дает интересную информацию о взаимодействии нуклонов .

нейтринная БоЧка
Большую часть последних 30 лет жизни Владимир
михайлович посвятил эксперименту по измерению
массы нейтрино, который был поставлен в институте
ядерных исследований РаН в троицке . сразу надо заметить, что это был рискованный эксперимент . Никаких
теоретических соображений относительно массы нейтрино в тот момент не существовало — она могла быть
как несколько электронвольт (измеримо), так и малые
доли электронвольта (безнадежно) . однако в 70-х сотруд249


никами итЭф был проведен эксперимент по измерению
массы нейтрино (лидеры эксперимента В .а . любимов
и Е .ф . третьяков), который дал обнадеживающий результат: масса нейтрино лежит в интервале 14–46 электронвольт . Еще одна надежда была связана с тем, что нейтрино могут составлять темную материю (тогда их масса
должна быть несколько электронвольт) . Поэтому в конце
70-х, начале 80-х многие физики относились к задаче
измерения массы нейтрино с явным энтузиазмом .
Ни одна из этих надежд не оправдалась . Результат
любимова-третьякова не подтвердился . Еще в 80-х
стало ясно, что нейтрино не подходят на роль темной
материи — ее частицы должны быть гораздо тяжелей
(см . ниже) . теперь с большой вероятностью речь могла
идти лишь об установлении рекордного верхнего предела . Это тоже важно, но за верхние пределы Нобелевскую премию не дают . и все же, кто-то должен ставить
подобные эксперименты, иначе грош нам цена .
Еще в 30-х прошлого века Энрико ферми предложил
наиболее точный метод измерения массы нейтрино .
Это — бета распад трития . ядро трития превращается
в ядро гелия-3, испуская электрон и электронное антинейтрино . Выделяемая энергия 18 .59 кэВ делится между
этими двумя частицами . спектр электрона зависит от
массы нейтрино, точнее, самый конец спектра, где электрон уносит почти всю энергию распада . таких электронов мало, поэтому требуется достаточно интенсивный
тритиевый источник .
В эксперименте итЭф-овцев использовался магнитный спектрометр — энергия электрона определялась
по треку электрона в магнитном поле . точность упирается в геометрию, и далеко продвинуться с такой методикой очень тяжело . альтернативная методика — электростатический спектрометр: перед электроном от
бета-распада ставится электростатический барьер,
высота которого может регулироваться с высокой точ250


ностью . Это теоретически, а в реальности было крайне
тяжело придумать такую конфигурацию эксперимента,
где идея бы работала в полную силу .
Решение, ставшее классическим, было найдено Владимиром михайловичем и Петром Ефимовичем спиваком .
Это нечто вроде магнитной бутылки в одной пробке
которой — тритиевый источник, в другой — детектор
электронов, посередине — электростатический барьер .
главная проблема в том, что траектория всех распадных
электронов должна быть перпендикулярна барьеру .
иначе одни электроны, летящие перпендикулярно
барьеру, проскочат его, а другие при той же энергии,
но под углом — отразятся . магнитная бутылка выпрямляет траектории, но только если она достаточно велика .
Электрон движется по спирали вдоль силовой линии
магнитного поля . Если поле однородно, то угол θ между
направлениями движения электрона и магнитного поля
постоянен . Если поле медленно меняется, то меняется
и угол, так что сохраняется величина Ee sin2 θ / Β, где Ee —
энергия электрона, она постоянна . Это так называемый
«адиабатический инвариант» . Если поле ослабевает, то
и угол уменьшается — траектория выпрямляется вдоль
магнитного поля, поперек которого в центре бутылки
установлен электростатический барьер . Поэтому, если
отношение напряженностей поля в источнике и в центре бутылки велико, то электроны от распада трития
с хорошей точностью прилетают к электростатическому
барьеру перпендикулярно . Значит и энергетическое разрешение будет хорошим .
Но это еще не все . Важно, чтобы адиабатический
инвариант сохранялся . Для этого необходимо, чтобы
градиент магнитного поля был мал . точнее, требуется,
чтобы поле мало менялось на расстоянии, равном ларморовскому радиусу электрона . Добиваться этого условия можно двумя способами: увеличивая магнитное
поле (тогда уменьшается ларморовский радиус), либо
251


увеличивая размер установки .
магнитное поле можно увелирешение, ставшее классичечить максимум до 10 тесла
ским, было найдено владими- (в пробках), до критического знаром михайловичем и Петром чения в существующих сверхпроводниках . Поэтому спекефимовичем Спиваком. Это
трометр неизбежно должен
нечто вроде магнитной
бутылки в одной пробке кото- быть большим — чем больше,
тем лучше разрешение .
рой — тритиевый источник,
так и получилась «нейтринв другой — детектор электроная бочка» из нержавейки длинов, посередине — электроной 6 метров и внутренним
статический барьер.
рабочим диаметром 1,2 м .
При подготовке эксперимента лобашев принял смелое решение: тритиевый
источник должен быть не твердотельным, а газовым .
Это спасает от всяких эффектов взаимодействия электронов распада с веществом источника, но привносит
массу другой головной боли . Надо не выпускать атомы
трития из объема источника, для этого предназначена
еще одна магнитная бутылка, маленькая . а для удаления нейтральных атомов служит целая серия диффузионных и криогенных насосов .
Экспериментальная установка сооружалась и отлаживалась в тяжелые годы — вторая половина 80-х и 90-е .
Проблем с оборудованием и заказами было огромное
количество, но и пробивная сила Владимира михайловича и других членов команды соответствовала масштабу проблем . объем и сложность экспериментальных проблем с точки зрения внешнего наблюдателя
представлялась неподъемной . автор этой статьи тоже
в каком-то смысле участвовал в эксперименте, но не как
член команды, а на «аутсорсинге» — вычислял методом
монте-Карло всякие вредные эффекты, типа вылета
электрона назад из детектора, потери энергии электроном, «застрявшим» в источнике . там есть множество
252


других подводных камней: объемные заряды, тлеющий
разряд, фон космических частиц, наложения импульсов
в детекторе . «Вылизывание» методики уже после того,
как установка заработала, заняло годы .
Но установка заработала (в 1993 году), вредные
эффекты были устранены или учтены, и в начале 2000-х
опубликован верхний предел на массу нейтрино
mν < 2 .05 эВ на уровне достоверности 95% .
Примерно в то же время проводился точно такой же
эксперимент в майнце (германия) . схема спектрометра
полностью соответствовала проекту лобашева-спивака,
главное отличие состояло в твердотельной мишени .
обе группы тесно сотрудничали, члены троицкой
команды регулярно ездили в майнц, бывало, что и наоборот . их результат очень близок: mν < 2 .2 эВ на уровне
достоверности 95% .
Уже в 90-х годах в вопросе о верхнем пределе
на массу нейтрино стала доминировать космология .
Когда выяснилось, что угловые неоднородности температуры реликтового излучения имеют порядок величины 10-5, стало ясно, что нейтрино не годятся на роль
темной материи: для образования галактик требуются
достаточно тяжелые и холодные частицы («холодная
темная материя»), иначе первичные возмущения не смогут вырасти до нужной величины . с другой стороны,
нейтрино с массой порядка электронвольта повлияли
бы на угловой спектр неоднородностей реликтового
излучения и формирование структур во Вселенной, так
что это вошло бы в противоречие с экспериментом .
Космологическое ограничение на массу нейтрино оказалось жестче, чем дают лабораторные измерения —
меньше половины электронвольта . Это, конечно, косвенные ограничения, опирающиеся на некоторые предположения, которые, впрочем, весьма естественны .
тем не менее, экспериментаторы бросили вызов космологии, поставив новый эксперимент KATRIN . В нем
253


используется точно такая же схема, что и в троицком
эксперименте, только спектрометр на порядок больше —
его внутренний диаметр — 10 метров .
сейчас KATRIN находится в стадии отладки . В эксперименте активно участвуют команды из майнца и троицка . Декларированная чувствительность по массе нейтрино 0 .2 электронвольта .
а на троицкой установке, уже модернизированной,
продолжаются измерения бета спектра нейтрино,
но уже с другой целью: найти стерильное нейтрино,
которое может иногда появляться среди продуктов
бета-распада вместо обычного нейтрино .
Борис Штерн
16.08.2011


26.

оПера о СКороСТи
нейТрино

В сентябре коллаборация OPERA, ставящая эксперимент по осцилляциям нейтрино, опубликовала
электронный препринт, который стал крупнейшей
сенсацией года в научном мире, причем волны от
сенсации пошли в широкие массы. Речь идет ни много
ни мало о превышении скорости света нейтрино,
летящими из ЦЕРНа в подземную лабораторию
в Гран-Сассо близ Рима. ТрВ-Наука вкратце писал об
этом в №88 за 2011 г. С тех пор вышла новая версия
е-принта OPERA1 и десятки е-принтов разных авторов, как с теоретическими интерпретациями, так
и с поисками методических погрешностей, имитирующих полученный результат. Пора осветить
историю более полно. Она этого заслуживает вне
зависимости от того, чем закончится.
мы часто наблюдаем сенсации, ставшие результатом научной или журналистской недобросовестности .
Здесь не тот случай . с одной стороны, делается утверждение, противоречащее не только установившейся картине мира, но и ряду известных фактов . с другой сто1

The OPERA Collaboration, arXiv:1109 .4897

255


роны, авторы эксперимента вполне квалифицированные
люди, анализ данных и возможных методических
погрешностей делается тщательно и выглядит добросовестным . и пока никто не может указать на явную
ошибку . столь драматичной ситуации в современной
физике, пожалуй, не было .
Для начала скажем пару слов о самом эксперименте
и о том, что именно в нем обнаружено .

Чудо на 730-м километре
Для получения пучка нейтрино используется ускоритель SPS (Super Proton Synchrotron), который был
построен в 70-х, а сейчас служит предускорителем для
Большого адронного коллайдера . схема традиционна:
протоны (400 гэВ) падают на мишень, в которой рождаются пионы и каоны . Вторичные частицы фокусируются и направляются в вакуумный распадный канал
километровой длины, где пионы с каонами дают мюонные нейтрино и мюоны . Канал направлен на подземную
лабораторию в гран-сассо, которая находится в 730 км
(соответственно, канал идет с небольшим уклоном
вниз) . В гран-сассо нейтрино регистрирует детектор
массой 625 тонн — «слоеный пирог» из свинцовых пластин, сцинтиллятора и фотоэмульсии . с 2009 г . в эксперименте зарегистрировано более 15 тысяч нейтрино .
скорость отдельно взятого нейтрино в такой постановке эксперимента определить невозможно: неизвестно,
когда оно вылетело . известны лишь моменты детектирования . однако сброс протонов неравномерен по времени:
он производится импульсами по 10,5 микросекунды, причем каждый импульс имеет повторяющуюся внутреннюю временную структуру . можно посмотреть, с какой
задержкой нейтрино лучше всего статистически повто256


ряют временной профиль сброса протонов . Для этого
вычисляется функция корреляции в зависимости от
задержки . Задержка, дающая пиковую корреляцию, сравнивается с теоретической: время пролета света плюс всевозможные задержки сигналов в кабелях, задержки электроники и т .п . Расстояние с помощью GPS измеряется
с точностью 20 сантиметров, время синхронизируется
с помощью атомных часов, все задержки электрических
сигналов тщательно измеряются . Погрешности не превышают нескольких наносекунд .
Результат: задержка, дающая лучшую корреляцию,
меньше расчетной световой примерно на 60 наносекунд .
Это 18 метров светового пути . относительное опережение света составляет 2,5*10-5, а это огромная величина .
статистическая значимость результата — 6 сигма, что
весьма серьезно .
Кстати, слабое указание на сверхсветовую скорость
нейтрино уже было обнаружено в эксперименте MINOS
(сШа, Fermilab) . Но там статистическая значимость
была меньше 2 сигма — от такого «указания» можно
справедливо отмахнуться . от результата OPERA отмахнуться уже нельзя .
статья была опубликована в архиве е-принтов 22 сентября 2011г . Чтобы исключить возможные «инсинуации» по поводу проблем, связанных с большой длительностью сброса протонов, OPERA успела модифицировать эксперимент . сброс на сей раз производился в виде
коротких импульсов длительностью 3 наносекунды, разделенных 524-наносекундными интервалами . цена за
такую модификацию — 60-кратное снижение интенсивности, поэтому было зарегистрировано всего 34 нейтрино, из которых для анализа отобрано 20 . Все 20 опережают свет не меньше чем на 40 наносекунд! среднее
опережение — 62 наносекунды, статистическая ошибка —
3,7 нс (рис . 27 .1) . таким образом, эти 20 нейтрино выглядят гораздо убедительней предыдущих 15 тысяч . Вер257


сия статьи с этим результатом выложена 23 ноября
2011г .1 Движение нейтрино со сверхсветовой скоростью
настолько противоречит современным научным фактам
и принципам, что заслуживает эпитета «чудо», которого, как известно, не бывает .

ни в какие ворота!
Чему именно противоречит сверхсветовая скорость
нейтрино? Начнем с фактов .
Во-первых, результат противоречит великолепному
эксперименту, поставленному Природой: взрыву сверхновой 1987а . тогда нейтрино от взрыва, пройдя
168 тысяч световых лет, попали в земные детекторы
в интервале нескольких секунд (24 штуки во всех детекторах) . Это значит, что их скорость отличалась от скорости света не более чем на 10-12, иначе, время их прихода
расползлось бы на более широкий интервал, ведь пришедшие нейтрино имели разную энергию (10–20 мэВ) .
Это были другие нейтрино, электронные, но известно,
что нейтрино на лету меняют тип (так называемые
осцилляции), поэтому значительную часть пути они
прошли в виде мюонных нейтрино, тех самых, что летят
из цЕРНа в гран-сассо . Энергия нейтрино в этих двух
экспериментах различается в тысячу раз . однако принцип относительности (лоренц-инвариантность) требует,
чтобы нейтрино меньшей энергии двигались еще
быстрее, в случае нейтрино от сверхновой — в разы
быстрее света . так что разница в энергии только усугубляет противоречие .
следующая нестыковка: сверхсветовые нейтрино,
двигаясь в толще Земли, должны вызывать хорошо
1

258

The OPERA Collaboration, arXiv:1109 .4897


3

Entries
Mean
RMS

20
62,10
16,38

2,5

Events/bin

2

1,5

1

0,5

0
–20

0

20

40

60

80

100
ns

Рис. 26.1. Распределение двадцати зарегистрированных нейтрино
по времени опережения расчетного светового сигнала . изображение из статьи The OPERA Collaboration, arXiv:1109 .4897 .

вычисляемый процесс: когерентное рождение электронпозитронных пар, по сути подобное черенковскому
излучению . Этот процесс приводит к потерям энергии,
так что все нейтрино, долетевшие до гран-сассо, должны
иметь энергию ниже 12,5 гэВ . Этого не наблюдается:
средняя энергия детектируемых нейтрино — 17 гэВ .
Есть и другие фактические нестыковки, но главная
проблема куда глубже: частицы, движущиеся быстрее
света, нарушают принцип причинности, гласящий, что
причина не может меняться местами со следствием,
259


что будущее не может влиять
на прошлое, что свершившаяся
Слабое указание на сверхцепь событий однозначна .
световую скорость нейтрино
В теории давно обсуждаются
уже было обнаружено в экстахионы — частицы с отрицательным квадратом массы, котоперименте MINOS. но там
рые в свободном виде должны
статистическая значимость
двигаться быстрее света . Но
была меньше 2 сигма —
у тахионов всегда был полулеот такого «указания» можно
гальный статус: они использовасправедливо отмахнуться.
лись
для
конструирования
от результата OPERA отмахполей, но уважающие себя теонуться уже нельзя.
ретики всегда заботились о том,
чтобы запретить тахионам передачу сигнала быстрее света . Но нейтрино передает сигнал! Почему принцип причинности так важен? В «разнузданном» потоке теоретических рассуждений, хлынувшем
после 22 сентября 2011г ., ему не уделяется должного уважения . Полезно проиллюстрировать цену, которую придется заплатить за сверхсветовое нейтрино .

релятивистская дуэль
мысленный эксперимент был и остается одним из
замечательных и самых дешевых методов исследования . Представим себе двух существ с непонятной нам
психикой, решивших устроить космическую дуэль .
У каждого — ускоритель, формирующий пучок нейтрино, и каждый сидит на бомбе, взрываемой по сигналу от детектора нейтрино, находящегося при нем же .
У каждого кнопка, включающая ускоритель, направленный на партнера . Расстояние между ними в световых
секундах намного превышает время реакции существ .
секундант находится посередине между ними и дает
260


отмашку в виде светового сигнала, посылаемого в обе
стороны . Получив сигнал, дуэлянты практически одновременно нажимают на «пуск», нейтрино летят, детектируются, оба практически одновременно взрываются — всё ясно и честно .
Допустим, что кроме секунданта есть два наблюдателя, летящих с околосветовой скоростью в противоположных направлениях, один — со стороны дуэлянта А к дуэлянту Б, и наоборот . с точки зрения
первого наблюдателя, Б получил сигнал секунданта
раньше и выстрелил раньше . Причем это не оптическая
иллюзия, а фундаментальное свойство теории относительности: события, одновременные в одной системе
отсчета, не являются одновременными в другой .
теперь важный момент! Если никакой сигнал
не может передаваться быстрее света, то опережение Б, которое видит первый наблюдатель, не влияет
на исход . На научном языке четырехмерный интервал
между выстрелами является пространственноподобным . Это означает, что выстрелы причинно не связаны:
ни один из них никак не может повлиять на совершение второго, из какой системы отсчета ни наблюдай за
поединком — оба дуэлянта гибнут .
теперь допустим, что нейтрино движутся быстрее
света (а если их энергия невелика — намного быстрее) .
с точки зрения секунданта, гибнут оба, только раньше,
чем если бы нейтрино летело со скоростью света .
с точки зрения первого наблюдателя, дуэлянт Б, получив сигнал первым, испускает нейтрино, обгоняющие
световой сигнал от секунданта и подрывающие дуэлянта А раньше, чем тот получил отмашку и нажал
на кнопку . исход: Б жив, А погиб . с точки зрения второго наблюдателя, жив А, Б убит . Это опять не оптическая иллюзия: если вне дуэли причинность продолжает
сохраняться, наблюдатели могут всё заснять, остановиться, вернуться каждый к своему выжившему
261


и пожать ему руку . Но секунданту некому будет пожать
руку — оба погибли . история «разтроится» . а что будет,
если каждый из наблюдателей возьмет за руку своего
выжившего и отведет его к секунданту, чтобы вместе
отметить благополучный исход? . .
итак, допустив скорость нейтрино выше скорости
света, мы получили внутренне противоречивую картину мира . Вероятно, здесь можно как-то выкручиваться, например, корежить преобразования лоренца,
а за ними и многое другое так, что фундамент физики
в итоге обернется гнилым болотом .

и выкрики в зале
авторы сенсационной статьи завершают ее аккуратной фразой: «Несмотря на большую статистическую значимость . . . и надежность анализа, потенциальное большое значение результата заставляет нас
продолжить эксперимент для расследования возможных, пока не известных систематических эффектов,
способных объяснить наблюдаемую аномалию . мы
сознательно воздерживаемся от физической интерпретации результатов» .
а широкая научная публика воздержаться не в состоянии . с 22 сентября опубликовано более сотни е-принтов,
интерпретирующих результат . В шуме этого потока различимы эмоциональные выкрики вроде:
— У нейтрино два массовых состояния! от сверхновой прилетели не те состояния, что в гран-сассо из
цЕРНа .
— они измеряют фазовую скорость нейтрино, а не
настоящую!
— Нейтрино летят правильно! Это свет на Земле
замедлен из-за концентрации темной материи .
262


— Преобразования лоренца деформированы!
— Нейтрино — тахионный хамелеон!
— Всё равно они в своем эксперименте не могут
передать ни бита информации быстрее света!
— финслерово пространство всё ставит на места!
В большей части статей авторы пытаются примирить
противоречия результата OPERA с фактами и принципами . теоретические лазейки, увертки, подпорки и подвязки . иногда — очевидная ерунда, иногда — нет . Всё
вместе производит довольно анекдотическое впечатление . Как будто людьми движет гипертрофированная
потребность скорей высказаться при, напротив, атрофированном страхе сказать глупость .
Более ценная и сравнительно небольшая часть статей находит новые противоречия между сверхсветовыми нейтрино и другими известными фактами . Наиболее сильная статья из этой серии — работа Коэна
и глэшоу (Andrew G . Cohen, Sheldon L . Glashow)1, в которой они демонстрируют вышеупомянутый эффект торможения сверхсветовых нейтрино через рождение пар
и показывают, что из-за этого эффекта сверхсветовые
нейтрино были бы прекрасно видны в больших детекторах типа IceCube, чего не наблюдается .
также относительно небольшая часть статей посвящена методическим проблемам, возможно, приводящим к имитации сверхсветовой скорости . Ряд предположений,
таких
как
проблемы
статистики,
термическое расширение мишени, асимметрия переднего и заднего фронтов протонного импульса, был
отметен в новой постановке эксперимента, другой
ряд остался . самые серьезные претензии связаны
с тем, что эксперимент имеет постановку типа «one
way»: измеряется время пути в один конец, и возникают проблемы с синхронизацией часов, находящихся
1

Andrew G . Cohen, Sheldon L . Glashow arXiv:1109 .6562

263


в разных местах, а также с правильным учетом всех
задержек . Наиболее доскональная статья с анализом
возможных ошибок синхронизации (эффекты ото
в работе GPS, эффект вращения Земли и т .п .) опубликована Карло Конталди (Carlo R . Contaldi)1 . Выводы
этой статьи оспариваются2, на чьей стороне правда,
мы пока не знаем . Задача трВ-Наука — следить за дискуссией, а не устраивать собственное разбирательство . многие согласны в том, что гораздо убедительней был бы эксперимент типа «round trip», когда
в одной точке измеряется время пути в оба конца
(понятно, что нейтрино отразить невозможно, поэтому речь может идти, например, об отправке встречного электромагнитного сигнала) .

еще не финал
Карл саган сформулировал полезный принцип:
«Чрезвычайные утверждения требуют чрезвычайных
доказательств» . Утверждение о сверхсветовой скорости
нейтрино чрезвычайное (о чем в основном и шла речь
в данной статье) . Доказательство, пока весьма заурядное и уж точно не экстраординарное . Новые эксперименты — дело не быстрое . а сейчас правильная позиция: «ищите ошибку» . а еще лучше: «ищем ошибку
всем миром», поскольку бывает, что труднее всего
найти глупую ошибку, лежащую на видном месте, — ее
видит лишь свежий глаз . Позиция «идите к черту со
своим заведомо неправильным результатом» — деструктивна . В науке, как и в криминалистике, не должно
оставаться «висяков» .
1
2

264

Carlo R . Contaldi, arXiv:1109 .6160
Olivier Besida, arxiv:1110 .2909


Послесловие.
ошибку нашли . она оказалась чисто технической
(дефектный разъем) . Нейтрино не обгоняет свет . Народ
отнесся к этой истории по-разному . автор данной статьи — достаточно терпимо: ну, сели в лужу, зато привлекли внимание к проблеме максимальной скорости .
один из классиков современной космологии высказался
в частной беседе, что такие «сенсации» отвращают от
науки молодежь, как от безответственного балагана .
Борис Штерн
06.12.2011


27.

БоЗон ХиггСа.
неУжели
наКонец-То!

Когда читатели будут держать в руках этот
выпуск газеты1, в ЦЕРНе уже пройдет семинар,
на котором объявят последние результаты
по поиску бозона Хиггса. Суть пока держится
в секрете, но, судя по тому, что семинар состоится 4 июля, за два-три дня до соответствующего доклада на конференции ICHEP, заявление
может быть достаточно громким.
В основании нашего материального мира лежит
несколько семейств элементарных частиц: фотоны
с W-бозонами, лептоны (электрон с двумя более тяжелыми партнерами и три нейтрино), кварки, глюоны .
У фотона и глюона — нулевая масса, у нейтрино — очень
маленькая, у остальных — разные, разброс в 200 тысяч
раз . Все они по-разному взаимодействуют (электромагнитные, сильные, слабые взаимодействия) . Короче, зоопарк! существует так называемая стандартная модель,
наводящая некоторый порядок в этом «зоопарке» . так,
1

266

статья написана 03 .07 .2012 г . — Прим . ред .


изначально фотон и W-бозоны одинаковы, а электромагнитные и слабые взаимодействия в точности симметричны . У всех частиц исходно массы равны нулю . такой
мир вряд ли пригоден для жизни . Появление «зоопарка»
частиц и взаимодействий — факт истории нашей Вселенной . В частности, в первые доли секунды существования
Вселенной в ней произошел фазовый переход: вакуум
заполнился неким ненулевым полем . мы напрямую
не ощущаем этого поля, оно везде одинаково . Но изначально одинаковые частицы по-разному взаимодействуют с этим полем и в результате приобретают разные
массы, а взаимодействия становятся разными .
с первого взгляда такая идея кажется искусственной
и тяжеловесной, но на самом деле она органична
и глубока . В частности, лежит в русле представлений,
что сложная физика, описывающая современный мир,
не задана «свыше», а результат нынешнего состояния
Вселенной и не всегда была такой . Более того, в иных
случаях возможны фазовые переходы вакуума с не
предопределенным результатом — физика нашей конкретной Вселенной может зависеть от случайности,
как направление намагниченности остывающего ферромагнетика .
Поле, заполнившее пространство и придавшее массы
частицам, называется полем Хиггса, а квант этого поля —
бозоном Хиггса . из сказанного выше понятны высокий
статус этой частицы и сопутствующий ажиотаж . В средствах массовой информации к бозону Хиггса часто клеится эпитет «частица Бога», что многим физикам
кажется довольно пошлым . Эпитет впервые появился
в названии книги Нобелевского лауреата леона ледермана, который, по слухам, изначально написал «проклятая частица» (Goddamn particle), но по требованию
редактора исправил на «God particle» .
Бозон Хиггса был изначально едва ли не главным
запроектированным открытием для Большого адрон267


ного коллайдера . Его также
упорно искали на тэватроне
в основании нашего материв лаборатории ферми . свойального мира лежит
ства бозона Хиггса достаточно
несколько семейств элеменхорошо определены теорией,
но его масса является свободтарных частиц: фотоны
ным параметрам . от массы
с W-бозонами, лептоны
зависит то, на что он распада(электрон с двумя более
ется, и то, насколько легко его
тяжелыми партнерами и три
найти . «легкие» диапазоны
нейтрино), кварки, глюоны.
массы были довольно быстро
закрыты и в цЕРНе, и на тэватроне . осенью прошлого года осталась лишь одна незакрытая щель —110–130 гэВ, и именно в этой щели начал
появляться намек на сигнал . сначала намек увидели
на тэватроне, но там он был совсем слабым, статистическая значимость — около 2 сигма, это несерьезно . где-то
к февралю этого года в цЕРНе сигнал около массы
125 гэВ составил уже 3 сигма (один шанс из тысячи, что
сигнал случаен) — это мало для открытия, но является
серьезным указанием, что здесь надо искать, и это —
«горячо» . Причем это указание появилось сразу на двух
детекторах — CMS и ATLAS . Если проэкстраполировать
темп роста статистической значимости и сопоставить со
слухами, с обстановкой многозначительной секретности, то, вероятно, сейчас достигнута значимость где-то
в интервале от 4 до 5 сигма . По сложившейся традиции,
на статус открытия можно претендовать, начиная
с 5 сигма (чуть больше одного шанса из миллиона для
случайной имитации сигнала) . Вероятно, 4 июля будет
заявлено не открытие, а провозглашена близость
к открытию и определен срок, когда можно будет сделать окончательный вывод . На самом деле, порог 5 сигма
можно констатировать уже сейчас, просуммировав данные с двух установок, но, судя по некоторым заявлениям,
экспериментаторы этого делать не хотят . Приводится
268


маловразумительная аргументация, скорее всего причины, по которым не выдается совместный результат,
являются чисто политическими, типа проблемы — какую
из коллабораций писать первой .
Набор статистической значимости — это еще не конец
истории . Нужно показать, что это действительно бозон
Хиггса . Пока есть указания на то, что это бозон, скорее
всего, как требуется, с нулевым спином: сигнал виден
в канале распада на два гамма-кванта . В том, что это
именно Хиггсовский бозон, можно будет убедиться
по соотношению разных каналов распада — эти соотношения четко предсказываются теорией .
Пожалуй, самое время поставить точку и дождаться
объявления результатов .
Борис Штерн
03.07.2012


28.

ЭКСПерименТ
С неСЧаСТливой
СУдьБой

На днях ряд европейских исследовательских
организаций принял согласованное решение отменить эксперимент SOX по регистрации нейтрино
на короткой базе (Short distance neutrino Oscillations
with boreXino)1. Эксперимент планировалось провести в Италии в подземной лаборатории ГранСассо (в туннеле под горным хребтом неподалеку
от Рима).
основой эксперимента должен был послужить давно
действующий нейтринный детектор Borexino, разработанный в первую очередь для регистрации солнечных
нейтрино .
Второй
составляющей
эксперимента
по замыслу должен был стать интенсивный источник
нейтрино, в первом варианте — радиоактивный церий144, распадающийся с испусканием антинейтрино .
источник предполагалось расположить всего в восьми
метрах от детектора, в особой полости под ним, предwww .lngs .infn .it/en/news/sox-project-is-cancelled-february1−2018
1

270


усмотренной специально для этой цели . собственно,
этот источник и был главной и наиболее дорогой
составляющей нового эксперимента (детектор работал
с 2007 года) .

смысл эксПеримента soX
(см . цветную вкладку рис . 27 .) Большинство экспериментов, так или иначе, остается в рамках известной
физики и служит ее уточнению . Данный эксперимент
был посвящен поиску новой фундаментальной сущности — стерильного нейтрино (sterile neutrino) .
Напомню, что согласно стандартной модели существует три типа нейтрино (электронное, мюонное и тау) .
они смешиваются между собой, то есть в пространстве
летают не отдельные типы нейтрино, а их комбинации .
Но взаимодействуют с веществом не комбинации,
а определенные типы нейтрино . такой вот парадокс
квантовой механики, который приводит к осцилляциям
частиц: родился один тип нейтрино, а в полете перешел
в другой или в третий — родилось электронное нейтрино, а провзаимодействовало мюонное или таунейтрино . Поэтому, когда стали регистрировать солнечные нейтрино, обнаружилась серьезная недостача: поток
нейтрино оказался намного меньше того, что предсказывалось исходя из светимости солнца .
с тех пор поставлено много экспериментов по осцилляциям нейтрино, измерены их параметры (разности
квадратов масс и углы смешивания) . Эксперименты
достаточно разнообразны, и регистрируются нейтрино
разного происхождения: реакторные, ускорительные,
солнечные и атмосферные .
В принципе, эффект нейтринных осцилляций можно
было бы назвать неплохо изученным, но при повыше271


нии точности стали проявляться так называемые нейСогласно Стандартной
тринные аномалии . они были
модели существует три типа
замечены в нескольких экспенейтрино (электронное,
риментах, в частности: в лосаламосской
национальной
мюонное и тау). они смешилаборатории и в фермилабе
ваются между собой, то есть
(сШа) — нейтрино, полученв пространстве летают
ные на ускорителе; в галлиене отдельные типы нейтрино,
вых экспериментах в итальяна их комбинации.
ском GALLEX и российскоамериканском SAGE на Баксане — нейтрино от радиоактивного источника хром-51,
а также в эксперименте на реакторных нейтрино . Все
перечисленные отклонения не очень убедительны
в плане статистики (до трех сигм), но все они могли бы
быть объяснены дополнительным нейтрино, участвующим в осцилляциях трех известных типов .
существование нового гипотетического типа нейтрино обсуждается давно . Этот дополнительный тип
не должен взаимодействовать с веществом, как это
делают три типа активных нейтрино, иначе его бы увидели . Поэтому его называют «стерильным» . Эксперимент SOX по замыслу должен был расставить точки над
i, и либо подтвердить, либо опровергнуть вышеперечисленные нейтринные аномалии, для этого у него
по замыслу должно было бы хватить чувствительности,
и, что важно, была возможность расположить источник
нейтрино очень близко к детектору и даже внутри него .
Последнее важно потому, что позволило бы напрямую
увидеть осцилляции с новым типом нейтрино, которые,
скорее всего, происходят на короткой дистанции . Если
бы эксперимент подтвердил существование нейтринных аномалий, он бы фактически открыл стерильное
нейтрино, выходящее за рамки стандартной модели
частиц . Это то, что называется «Новой физикой» .
272


эксПериментальная
установка
Детектор Borexino — большой бак с очень чистым
сцинтиллятором . Название связано с солнечным борным циклом, испускающим наиболее энергичные нейтрино . оно устарело, так как связано с первой версией
детектора, тогда как нынешняя установка регистрирует
не только борные нейтрино, но и нейтрино от остальных термоядерных циклов, причем в спектре видны
вклады разных циклов по отдельности . Рабочий объем —
315 м3 . сцинтиллятор просматривается фотоумножителями, расположенными на стенках . Порог чувствительности по энергии нейтрино около 200 кэВ . Эксперимент
впервые зарегистрировал геофизические нейтрино от
распада урана и тория в толще Земли .
Вторая часть эксперимента — источник . Выбранный
источник, Ce-144, не единственный возможный вариант
(хотя наиболее удобный), но ставка была сделана именно
на него . Радиоактивный изотоп должен был быть упакован в компактный толстостенный контейнер из стали
и вольфрама, полностью поглощающий гамма-излучение .

где взять церий-144?
церий-144 можно было получить только из отработанного топлива атомных электростанций . Но налаженной процедуры его извлечения не существует . Видимо,
поэтому не нашлось желающих взяться за эту задачу,
когда французский Комиссариат по атомной энергии
объявил тендер на производство церия-144 в количестве, необходимом для эксперимента . откликнулся лишь
один подрядчик — «маяк» . Насколько нам известно, руко273


водство «маяка» согласилось далеко не сразу . Наши
физики (а в команду SOX входят группы из Дубны, Курчатовского института, мгУ и итЭф) уговорили представителей «маяка» взяться за эту новаторскую и рискованную задачу . В конце концов, это благородное решение
вышло «маяку» боком . Заказ выполнить не удалось из-за
технических проблем, предприятие было вовлечено
в скандал с выбросом рутения, возникло подозрение, что
выброс связан именно с подрядом по церию . очень
не хотелось бы, чтобы это стало последней попыткой
«маяка» и других предприятий атомной промышленности выполнить заказ физиков, связанный с радиоактивными источниками .
В ходе подготовки к эксперименту возникла еще
одна проблема . местные органы власти запретили ввоз
источника на территорию провинции абруццо, где
находится лаборатория . Это решение было принято под
давлением зеленых . Никакие разъяснения, что толстостенный контейнер из стали и вольфрама невскрываем
и практически неразрушим, не помогали . На Change .org
была запущена петиция в адрес президента провинции
абруццо с просьбой отменить запрет1, ее подписали
45 тыс . человек, включая многих наших граждан, включая автора данной статьи . Но необходимость в ввозе
контейнера, увы, отпала . Навсегда?

ПерсПективы и ПроБлемы
Когда-нибудь эксперимент с нейтрино на короткой
базе все-таки будет проведен . Есть несколько других
вариантов как по месту проведения, так и по типу
www .change .org/p/luciano-d-alfonso-continuazione-dell-esperimento-sox-nei-laboratori-infn-del-gran-sasso-abruzzo
1

274


источника нейтрино . В частности, планируется провести такой эксперимент у нас на Баксане с давно действующим галлий-германиевым детектором . Причем
баксанский проект получил адекватное финансирование, так что, возможно, первый результат будет получен именно там .
Планируется еще один эксперимент в той же подземной лаборатории в гран-сассо, но с другим детектором .
Рано или поздно точка над i будет поставлена, но по
дороге придется преодолевать не только технические,
но и гуманитарные проблемы . Радиофобия возникла
не на пустом месте: на нашей памяти были и крупные
аварии, и жертвы, связанные с радиацией, хотя количество этих жертв пренебрежимо мало по сравнению
с потерями, например, от автомобильных аварий или
химических загрязнений . Проблема в том, что радиофобия иррациональна и потому плохо поддается лечению .
тут один рецепт — просвещать, быть открытыми перед
обществом и ни в коем случае ему не врать .
Борис Штерн
13.02.2018


29.

БоЗон ХиггСа
оТКрыТ.
ЧТо дальШе?

Об открытии бозона Хиггса было сообщено
4 июля 2012 года на семинаре в ЦЕРНе. Было сказано
довольно осторожно: открыта новая частица и ее
свойства согласуются с предсказанными свойствами
бозона Хиггса. И на протяжении последующих лет
мы постепенно всё больше убеждались, что свойства точно такие, как предсказывали теоретики,
причем в самой наивной модели. Самое главное, что
это, как говорят теоретики, не просто новая
частица, а представитель нового сектора элементарных частиц — хиггсовского сектора.
Давайте я напомню вам основные положения стандартной модели . (см . цветную вкладку рис . 28 .) Весь
«зоопарк» ее частиц умещается на одну страницу . Протоны, нейтроны, π-мезоны — всё это составные частицы .
Элементарных частиц не так много . Это семейство лептонов, семейство кварков, составляющие сектор фермионов . Второй сектор — частицы, ответственные за их
взаимодействия: фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны и гравитоны . Бозоны взаимодействуют не только с фермио276


нами, но и между собой . самая известная из перечисленных частиц — фотон .
самые интересные по своим проявлениям — глюоны,
именно они связывают кварки в протоне так, что невозможно растащить . W- и Z-бозоны по своей роли похожи
на фотон, но они массивны и отвечают за слабые взаимодействия, которые родственны электромагнитным,
хотя и выглядят по-другому . Еще должна быть частица
гравитон . Ведь гравитационные волны уже открыты,
а там, где есть волны, должны быть и частицы . Другое
дело, что мы никогда, видимо, не сможем получать
и регистрировать гравитоны поодиночке .
и наконец, бозон Хиггса, который представляет собой
отдельный сектор на нашем рисунке . Это еще одна
частица, которая стоит особняком во всем «зоопарке»,
состоящем из небольшого количества разных видов .

Что такое Бозон хиггса?
Для начала: что же такое бозон? Каждая частица,
как волчок, имеет как бы внутренний момент вращения, или спин (это квантовомеханическое явление) .
Бывает целый и полуцелый спин в единицах постоянной Планка . Частицы со спином 1/2 или 3/2 (любой
полуцелый спин) называются фермионами . У бозонов
спин целый, что приводит к фундаментальным отличиям в свойствах этих частиц (бозоны любят накапливаться в одном квантово-механическом состоянии, как
фотоны в радиоволнах; фермионы, наоборот, этого
избегают, из-за чего электроны заселяют разные атомные оболочки) . так вот, у бозона Хиггса спин равен 0
(а это тоже целое число) .
Бозон Хиггса — тяжелая частица . Его масса — 125 гэВ
(для сравнения: масса протона — порядка 1 гэВ, масса
277


самой тяжелой частицы, t-кварка, — 172 гэВ) . Бозон Хиггса электрически нейтрален .
Новые частицы открывают на ускорителях, они рождаются в столкновениях частиц, в данном случае — в столкновениях протонов . После чего регистрируют продукты распада искомой частицы . Бозон Хиггса распадается в среднем
за 10–22 с . Для тяжелой частицы это не столь маленький
срок — топ-кварк, например, живет в 500 раз меньше .
и у бозона Хиггса много разных способов распасться .
один из «золотых каналов» распада — распад на два
фотона — довольно редкий: так хиггсовский бозон распадается в двух случаях из тысячи . Но этот путь замечателен тем, что оба фотона высокоэнергичны . В системе
покоя хиггсовского бозона каждый фотон имеет энергию 62,5 гэВ, это большая энергия . Эти фотоны хорошо
видны, можно измерить направления их движения, энергию . Еще более чистый канал распада — распад на четыре
лептона: на две пары e+, e – и µ+, µ– или на четыре мюона .
Получаются четыре высокоэнергичные заряженные
частицы, которые тоже хорошо видны, у них можно
измерить энергию и направление вылета .
Как узнать, что мы видим именно распад бозона Хиггса? Допустим, мы зарегистрировали два фотона . При
этом есть много других процессов, приводящих к рождению двух фотонов . Но если фотоны произошли от распада некой частицы, то по ним можно определить ее
массу . Для этого надо вычислить энергию двух фотонов
в системе отсчета, где они летят в противоположных
направлениях с одинаковой энергией — в системе центра масс . В нашей системе отсчета это вполне определенная комбинация энергий фотонов и угла разлета
между ними . она называется инвариантной массой
системы частиц . Если фотоны — продукты распада
бозона Хиггса, их инвариантная масса должна равняться
массе бозона с точностью до ошибок измерения . то же
самое, если бозон распался на четыре частицы .
278


×103
3,5

CMS
Н → γγ

3

Число событий на гэВ

2,5
2
1,5
1
0,5

^ H = 124,70 ± 0,34 GeV
m

0
200

с вычтенным фоном

100
1
–100
110

115

120

125

130

135

140

145

150

mγγ (GeV)
Рис. 29.1. Распределение событий по инвариантной массе двух фотонов, зарегистрированных установкой CMS . Бугорок на плавной кривой
и есть бозон Хиггса . изображение с сайта cms-results .web .cern .ch1

На рис . 29 .11показано распределение событий по инвариантной массе двух фотонов . Последняя отложена
по горизонтальной оси, а по вертикальной отложено число
событий . Есть непрерывный фон, и есть «нашлепка» в районе инвариантной массы 125 гэВ . Возможно, вы будете
смеяться, но эта «нашлепка» и есть бозон Хиггса . Подобный
пик вырисовывается и в инвариантной массе четырех лептонов (e+, e–, µ+, µ–), на которые он тоже распадается . только
http://cms-results .web .cern .ch/cms-results/public-results/
preliminary-results/HIG-17-015/index .html
1

279


это происходит в одном из десяти тысяч распадов . то есть
надо породить миллион бозонов Хиггса, чтобы накопить
сто распадов на две лептонные пары . и это было сделано .
измерить энергию и направление вылета (стало быть,
импульс) заряженного электрона или мюона можно
с гораздо более высокой точностью, чем в случае фотона .
именно для этого детектор обладает сильным магнитным полем: искривление траектории заряженной
частицы в магнитном поле позволяет определить ее
импульс (а также знак заряда) . Кроме того, изолированных лептонов высоких энергий рождается мало, а уж
тем более невелико число четверок изолированных лептонов (изолированных, т . е . вне адронной струи) . Поэтому фон для распада на четыре лептона мал .
Наконец, исследователями на БаКе отбирались события, в которых инвариантная масса одной пары лептонов
противоположного знака равна массе Z-бозона (Хиггс
распадается на реальный Z и виртуальный Z), что еще
сильнее давит фон . Но распад на четыре лептона на самом
деле не лучше распада на два фотона, поскольку вероятность распада на два фотона гораздо выше, погрешности
в его измерении компенсируются большей статистикой .

ПоЧему Бозон хиггса
открыли лишь недавно
тут два обстоятельства . Во-первых, искомая частица
тяжелая . Значит, нужен ускоритель на большую энергию . Во-вторых, надо иметь большую интенсивность
пучков, чтобы число столкновений было достаточным .
физики используют слово «светимость», отражающее
количество столкновений в единицу времени . У вас
должно быть очень много столкновений .
280


с энергией вроде бы всё было нормально, ведь до
Большого адронного коллайдера работал тэватрон —
коллайдер в сШа . Полная энергия у него была 2 тэВ .
Вроде неплохо, ведь бозон Хиггса — 125 гэВ . В принципе, по энергии тэватрон мог рождать бозоны Хиггса .
Но у него была недостаточная светимость . Ему не хватило рожденных бозонов Хиггса .

несколько слов Про Бак
Большой адронный коллайдер — сооружение, примечательное во всех отношениях . Это сверхпроводящий
ускоритель-накопитель, находящийся под землей . Длина его
кольца — 27 км, и всё это кольцо состоит из сверхпроводящих магнитов, которые удерживают протоны в этом кольце .
На тот момент, когда БаК строился, это было последнее технологическое достижение . сейчас есть довольно успешные
попытки получать более мощное магнитное поле в магнитах . Но в то время это было самое-самое . Вообще, всё, что
там делается, — это пик современных технологий, на самом
краю человеческих возможностей .
сначала БаК ускорял протоны до суммарной энергии
7 тэВ, потом — 8 тэВ . Каждый протон, сталкиваясь, имел
энергию 4 тэВ . Начав стабильно работать в 2010 году
на энергии в 7 тэВ, в 2011 году БаК перешел на энергию
8 тэВ, а проектная энергия у него — 14 тэВ . сейчас
по хитрым техническим причинам до 14 тэВ до сих пор
не добрались; с 2015 года ускоритель работает на суммарной энергии 13 тэВ . светимость у него очень высокая по всем меркам, специалисты в цЕРНе, конечно,
большие мастера . а собственно столкновения частиц
происходят в четырех местах, нас интересуют два из
них, где стоят детекторы ATLAS и CMS . Последний
можно увидеть на рис . 29 в цветной вкладке .
281


самая крайняя на рис . 29 — мюонная камера, позволяющая регистрировать и измерять параметры мюонов,
которые летят через весь детектор, прошивая его насквозь .
Всё это заключено в магнитное поле, чтобы по искривлению движения частицы измерить ее импульс .
аTLAS — еще больше . Это такой многоэтажный дом,
целиком забитый аппаратурой .
Эти детекторы измеряют энергии, импульсы, направления движения частиц, определяют, что это было —
электрон, фотон, мюон или сильно взаимодействующая
частица типа протона или нейтрона, — все они имеют
свои сигнатуры .
отдельная интересная история связана с тем, как устроены группы физиков — коллаборации, которые занимаются этим делом . Понятно, чтобы такую гигантскую
машину разработать, создать и обслуживать, снимать
и обрабатывать данные, следить за тем, чтобы ничего
не портилось, искать разнообразные события и интересные явления, нужны большие команды . они собираются
по всему миру . Характерная цифра — 3,5 тыс . физиков
в каждой коллаборации, в ATLAS и CMS . Эти группы международные: помимо европейских там специалисты из
америки, японии, Китая, России и т . д . общее количество
институтов — порядка 200 в каждой из коллабораций .
Замечательно, что это самоорганизующаяся система . Это
система, которая организовалась «снизу», там были свои
«отцы-основатели», потихоньку обраставшие в 1990-е
годы заинтересованными физиками . собралось большое
количество народа, но никаких начальников, кроме выборных, там нет, все разбиты на группы, подгруппы, отвечающие каждая за свое, так это всё устроено . Несмотря на то,
что это люди самых разных культур, всё это работает . Не
переругались, не перегрызлись между собой .
Надо сказать, что Россия может гордиться и гордится
тем, что мы участвуем в этой всей деятельности .
В цЕРНе и вокруг него все прекрасно понимают и под282


черкивают: вклад России вполне весомый и серьезный .
Заметная часть ускорителя делалась в Новосибирске .
Значительная часть элементов детекторов тоже делалась у нас . и наших участников много, из разных городов, разных институтов . Приблизительно по деньгам,
ресурсам и людям на Россию приходится 5–7% от церновских детекторов (зависит от конкретного детектора) .
Что вполне нормально для нашей страны .

заЧем нужен Бозон хиггса
Перейдем к теоретической части, может быть, немного
занудной и муторной, но мне кажется, что полезно понять
и объяснить, хотя бы качественно, почему это Энглер,
Браут и Хиггс вдруг решили, что должна быть новая
частица . точнее, Хиггс решил, что должна быть новая
частица, а Энглер и Браут придумали поле бозона .
Прежде всего надо вспомнить, что всякая частица
связана с полем . Частица — это всегда квант некоего
поля . существуют электромагнитное поле, электромагнитные волны, и с ними связан фотон — квант электромагнитного поля . также и здесь: бозон Хиггса — это
квант некоего поля . можно спросить: зачем нужно
новое поле? Энглер и Браут сообразили это первыми .
тут надо уйти немного в сторону . миром правят всевозможные симметрии . Например, пространственновременные, связанные со сдвигами во времени и в пространстве: физика завтра такая же, как вчера, физика здесь
такая же, как в Китае . с этими симметриями связаны
законы сохранения энергии и импульса . Есть и менее очевидные, с точки зрения нашего повседневного опыта, симметрии — внутренние . Например, в электродинамике есть
симметрия, которая приводит к закону сохранения электрического заряда . Ее не видно, кроме как на формулах,
283


но она есть . Вместе с законом сохранения энергии эта симметрия запрещает электрону распадаться . Замечательно,
что та же симметрия запрещает фотону иметь массу, и он
ее действительно не имеет . глюоны тоже безмассовые
по той же причине — им запрещает иметь массу симметрия, связанная с «цветом» . «цветом» заряжены кварки,
и глюоны привязаны к «цвету», как фотоны к заряду .
а вот частицы, которые отвечают за слабые взаимодействия, — W- и Z-бозоны — массивные . Неприятность
заключается в том, что они очень похожи на фотоны:
электрон может рассеяться на электроне, обменявшись
фотоном, а может — Z-бозоном . Процессы очень похожи,
хочется приписать слабым взаимодействиям симметрию
того же типа, что имеют электромагнитные (она называется калибровочной симметрией), но масса W и Z — переносчиков слабого взаимодействия — не позволяет этого
сделать, она нарушает калибровочную симметрию .
Почему же эта красивая симметрия оказалась нарушенной? оказывается, это довольно универсальное
явление в природе: многие симметрии существуют
в первичных законах природы, но оказались нарушенными в реальной Вселенной . Это явление называется
«спонтанным нарушением симметрии» .
Представим себе, что мы с вами — маленькие человечки, которые живут в постоянном магните, в намагниченном куске железа . Проводим эксперимент с электронами: получаем электрон-позитронные пары (у нас
там есть маленький ускоритель, излучаем электроны) .
так вот, эти электроны летят в магните не по прямой .
из-за того что есть магнитное поле, они на него «навиваются» и летят по спирали . мы с вами измеряем их
и говорим: ребята, у нас есть выделенное направление,
у нас мир не изотропен, у нас есть выделенная ось,
на которую наматываются электроны .
Но если мы с вами умные теоретики, то догадаемся,
что дело не в том, что пространство имеет выделенное
284


направление, а в том, что в этом пространстве есть магнитное поле . мы поймем: если бы нам удалось убрать
это магнитное поле, то в пространстве все направления
были бы равноправными . мы решим, что симметрия
по отношению к вращению есть, но она нарушена тем,
что в пространстве есть магнитное поле . а если бы мы
были еще более умными теоретиками, то, поняв, что
есть такое новое поле, обеспечивающее нарушение симметрии, сказали, что должен быть и его квант . и предсказали бы фотон . и правильно бы предсказали! симметрия может быть нарушена, если есть разлитое в пространстве поле, которое эту симметрию нарушает .
и вот в физике микромира ровно это и происходит .
с некоторыми отличиями . отличия в том, что симметрия не пространственная, не относительно пространственных вращений, как в магните, а внутренняя .
и никакого железа тут у нас нет, эта симметрия нарушена прямо в вакууме . Наконец, в отличие от магнитного поля, здесь нужно новое поле . Это и есть поле
Энглера, Браута и Хиггса, которое обеспечивает это
нарушение . и тонкость еще в том, что магнитное
поле — это вектор, у него есть направление, а вот это
поле должно быть скаляром, чтобы не нарушить симметрию относительно пространственных вращений .
оно не должно быть никуда направлено . Частица этого
поля должна иметь спин, равный нулю .
такая картинка была предложена и облечена в формулы Энглером и Браутом, затем Хиггсом . Но Энглер
и Браут как-то не обратили внимания на то, что их теория предсказывает новую частицу . а Хиггс, который опубликовал свою работу немного позже, на это внимание
обратил, причем с подачи рецензента, который спросил,
есть ли у Хиггса в статье какие-то новые вещи, про которые Энглер и Браут не сказали . Хиггс подумал-подумал
и заявил, что должна быть новая частица . Поэтому ее
и назвали «бозоном Хиггса» .
285


Что дальше?
Пока что всё было «во здравие» . Но остаются вопросы .
с одной стороны, картина с бозоном Хиггса непротиворечива . формально всё можно посчитать, всё можно
вычислить, имея известные параметры этой теории —
константы связи, массы . Но окончательного удовлетворения эта картина не приносит . и одно из самых главных мест, не дающих спокойно спать физикам, — это
то, что в природе есть очень разные энергетические
масштабы взаимодействий .
У сильных взаимодействий между кварками и глюонами свой характерный масштаб . Это, грубо говоря,
масса протона — 1 гэВ . Есть масштаб слабых взаимодействий, 100 гэВ (массы W, Z, хиггсовского бозона) .
и этот масштаб как раз и есть масштаб хиггсовского
поля — примерно 100 гэВ . и это бы еще ничего, но есть
еще масса Планка — гравитационный масштаб . Который
аж 1019 гэВ . и, конечно, уже странно: что за история
такая, почему эти масштабы такие все разные?
с масштабами сильных взаимодействий такой проблемы нет: есть механизм, позволяющий понять отличие этого масштаба от гравитационного (ну, по крайней
мере, замести наше недоумение под ковер) . а вот с масштабом бозона Хиггса дело плохо . Почему? Потому что,
вообще-то, в природе есть вакуум — состояние без
частиц . и это вовсе не абсолютная пустота — в том
смысле, что в вакууме всё время протекают виртуальные процессы: рождение-уничтожение пар частиц
и флуктуации полей . Всё время там идет жизнь . однако
поскольку это вакуум и в нем нет никаких частиц, нам
этого напрямую не видно . а косвенно — очень даже
видно . Например, процессы рождения виртуальных пар
влияют на свойства атомов, меняют их энергетические
уровни . Это давно известный лэмбовский сдвиг, вычис286


ленный в 1930-х и измеренный в 1940-х . Влияют, как
правило, не очень сильно . Вот этот лэмбовский сдвиг
атомных уровней — всего лишь доли процента .
Но есть одно место, где вакуум «стреляет» на 100% .
Это как раз масса бозона Хиггса . Выясняется, что если
вы начнете учитывать рождение и уничтожение виртуальных частиц и наивно попытаетесь провести вычисление — сколько же эти процессы вкладывают в массу
бозона Хиггса, то убедитесь, что эти явления стремятся
подтянуть массу бозона Хиггса к планковской массе .
они не дают бозону Хиггса быть легким . а масса бозона
Хиггса в свою очередь определяет энергетический масштаб объединенных слабых и электромагнитных взаимодействий, который, стало быть, тоже должен бы быть
порядка планковского .
и это, действительно, страшное дело . очень хочется
понять, почему реально в природе электрослабый масштаб такой маленький по сравнению с гравитационным
масштабом 1019 гэВ . Это объясняется, может быть, тем,
что мы плохо знаем физику при не очень высоких энергиях, при энергиях масштаба 1 тэВ . Дело в том, что если
физика меняется на масштабе тераэлектронвольт, то,
может быть, там и происходят чудеса: влияние вакуума
почему-то оказывается маленьким, несущественным .
такая идея . Возможно, БаК еще не всё открыл, и должны
быть новые явления, которые ему доступны . Его энергия, напоминаю, — 14 тэВ . Правда, это столкновения
протона с протоном . Кварк с кварком имеют энергию
столкновения примерно в шесть раз меньше . Поэтому
реальный масштаб энергии, который изучается БаКом, —
это 2–3 тэВ . Но все-таки это тот самый масштаб, на котором (как нам хотелось бы) может появиться новая
физика, совершенно новые физические явления .
и я вам должен сказать, что на самом деле сейчас ситуация очень нехорошая . Потому что БаК уже поработал
почти на своей проектной энергии — 13 тэВ, он отлично
287


на ней отработал 2017 год, и сейчас эта работа продолжается . и нет пока никаких — никаких! — указаний на эту
новую физику, на которую мы всё надеемся . Все эти соображения, про которые я вам говорю, не подтверждаются .
то ли еще светимости не хватило, столкновений маловато, статистики маловато . то ли что-то тут совсем не то,
и все эти достаточно убедительные, но не стопроцентно
железные аргументы, может быть, неправильные .
Какая может быть новая физика? очень большие
надежды были на суперсимметрию . она замечательна
тем, что это теория, в которой есть дополнительная
симметрия по сравнению со всеми известными . Которая связывает частицы с целым и полуцелым спином — бозоны и фермионы . Кстати сказать, эта симметрия была предложена теоретиками гольфандом
и лихтманом, в фиаНе, в 1970-х годах .
В контексте физики элементарных частиц это значит
следующее: если у вас есть кварк со спином 1/2, то
у него должен быть партнер, которого недолго думая
назвали скалярный кварк — «скварк» со спином 0 .
У электрона должен быть партнер — скалярный электрон, у фотона партнером должно быть фотино со спином 1/2, у глюона — глюино, у гравитона — гравитино .
Кроме гравитино, все эти частицы, если они легкие,
должны рождаться на Большом адронном коллайдере .
Вообще, горячие головы говорили так: включится БаК —
и первым делом найдут отнюдь не бозон Хиггса, а суперсимметрию . и это мнение разделялось не только многими
теоретиками, но и бедными экспериментаторами, которым
теоретики запудрили мозги . однако суперсимметрия до сих
пор не открыта, только есть ограничения на массы вышеперечисленных частиц . Вообще, уже не похоже, что суперсимметрия есть в природе при не очень высоких энергиях .
Почему суперсимметрия хороша? оказывается, вклады
виртуальных частиц в массу бозона Хиггса имеют разные
знаки для разных спинов . При суперсимметрии бозонный
288


и фермионный вклады сокращаются до нуля, и если у вас
есть фотоны и фотино или W-бозоны и ви2но, то их вклады
тоже сокращаются до нуля . Если массы частиц и их суперпартнеров разные — а это так и есть, нет скалярного электрона с такой же массой, как у электрона, это мы точно
знаем, — то это сокращение происходит не до нуля . Но
если массы суперпартнеров — в районе тераэлектронвольт, то как раз получается, что эти вклады имеют масштаб сотни гигаэлектронвольт, и тогда всё хорошо . Но
это уже не работает . Уже сейчас ограничения на эти массы
такие сильные, что данный механизм сокращения полностью не работает, 100 гэВ не получить . Если наивно вычислять, то должно получиться что-то вроде 500–700 гэВ для
массы бозона Хиггса . так что сейчас ситуация с поиском
суперсимметрии очень напряженная .
Есть еще сценарии: например, бозон Хиггса может
быть составным, не обязательно элементарным .
и вообще, в физике конденсированных сред известны
аналоги механизма Хиггса, и там аналог бозона Хиггса
или хиггсовского поля не элементарный, а составной .
самый известный пример — это сверхпроводимость .
В сверхпроводнике фотон как бы имеет массу, это так
называемый эффект мейснера . теория Энглера — Браута — Хиггса — это почти один в один теория сверхпроводимости гинзбурга — ландау, которая была предложена лет за десять до Энглера — Браута — Хиггса .
Если бозон Хиггса — составной, тогда всё меняется,
и огромные вклады от взаимодействия с вакуумом исчезают, появляется размер составной системы, как у протона . Если этот размер составляет 10–18 см, то соответствующая энергия системы оказывается разумной, при
этом внутренняя структура пока остается неразличимой .
У таких моделей есть свои предсказания, но опять-таки
до сих пор ничего похожего на ускорителе не видно .
может быть, мы чего-то сильно не понимаем, теоретики чего-то сильно не додумали, не открыли в своих
289


головах . Конечно, на Большом адронном коллайдере
есть программа поиска новых явлений, не опирающаяся
на теоретические предсказания . Будем искать, где
можем, «где есть фонари» — под ними и будем искать .
и будем пытаться найти отличия от стандартной модели
везде, где только это можно сделать . До сих пор ничего
этого нет, и стандартная модель прекрасно работает .
В заключение скажу: сейчас мы находимся на очень
интересном этапе развития физики элементарных частиц .
с одной стороны, есть уверенность, что стандартная
модель — это еще не вся история . Есть еще пришедшие из
космологии жесткие, однозначные свидетельства того,
что стандартная модель неполна . В первую очередь это
темная материя: во Вселенной есть массивные частицы,
которые составляют темную материю, их по массе примерно в пять раз больше, чем обычного вещества .
сейчас такая ситуация, что физика элементарных частиц
снова стала экспериментальной наукой . В 1950–1960-е годы
эта область физики была экспериментальной наукой, когда
шли эксперименты, их результаты осмысливались и создавались теории . однако на протяжении всей моей сознательной жизни всё было наоборот: теоретики делали предсказания, а экспериментаторы их подтверждали . сейчас мы
опять пришли к ситуации, когда мы полностью завязаны
на эксперимент, не зная, что он нам покажет . Ждем, держим пальцы крестиком, но пока ничего интересного БаК
нам не говорит . Кроме того, что есть бозон Хиггса…
Какая новая физика появится в конце концов, мы
тоже не знаем . так что ситуация интересная, важное
открытие сделано, но каким будет следующее открытие, никто сегодня сказать не может . может быть, это
и хорошо, это заставляет нас напрягаться и думать,
а экспериментаторов — искать новые явления . Надеюсь,
что эти поиски завершатся успехом .
Валерий Рубаков
19.06.2018


Часть IV

ЭКЗоПланеТы


30.

ЭКЗоПланеТы:
Современные
фаКТы

Миры вне Солнечной системы издавна были
одной из областей естествознания, которые в наибольшей степени волнуют широкую публику. Если
бы этого интереса не было, человеческий род
не стоил бы ни гроша: что может быть естественней, чем попытки понять, уникален наш мир
или нет, попытки представить или даже найти
другие обитаемые миры.
о том, как реально найти планеты у других звезд
(экзопланеты), думали еще в XIX в ., тогда же появились
первые заявки на открытия, которые не подтвердились .
Было немало ошибочных заявок и в XX в . Первое наблюдение экзопланеты, которое подтвердилось, было сделано в 1988 г . канадскими астрономами (звезда у цефея) .
однако оно было на грани чувствительности метода,
в открытие не верили . Наличие планеты у цефея подтвердилось лишь в 2002 г ., когда открытие экзопланет
стало рутинным делом .
В 1992 г . надежно зарегистрировали планетную
систему у пульсара . Это гораздо легче, чем найти пла292


нету у нормальной звезды: пульсар излучает строго
периодические всплески радиоизлучения . Если скорость пульсара по лучу зрения (по направлению к нам)
изменилась, фаза импульсов начнет смещаться . При
этом можно отлавливать изменения скорости в десятки
сантиметров в секунду . Далее, если планет несколько,
эти перемещения остается разложить на сумму кеплеровских орбит . однако планеты у пульсара не нормальные планеты .
Пульсар — нейтронная звезда, образовавшаяся при
взрыве сверхновой . Нормальная планетная система при
этом разрушается . Эти планеты образовались вокруг
нейтронной звезды уже после взрыва — из части выброшенного вещества . так что они — нечто совершенно
экзотическое, не имеющее никакого отношения
к вопросу о других мирах, пригодных для обитания .
Прорыв в поиске экзопланет произошел в 1995 г .
сначала расскажем о методе, с помощью которого был
совершен прорыв, и который по сей день является
основным в поиске планет у других звезд . Как и в случае с «пульсарными» планетами, он основан на измерении скорости по лучу зрения .
Планета и звезда вращаются вокруг общего центра
тяжести . солнце под влиянием всех планет описывает
сложную траекторию, но главный элемент этой траектории — эллипс (почти круг) от тяготения Юпитера,
скорость движения солнца по этому кругу 12 м/с .
Нельзя ли измерить эту скорость благодаря доплеровскому смещению спектра звезды: в случае Юпитера —
на одну тридцатимиллионную длины волны . Проблема
в том, что в случае с обычной звездой нет идеальных
частот, как в случае пульсара . Есть спектральные линии
поглощения света в звездной атмосфере . Но они
довольно широкие . Звезда вращается, ее верхние слои
и атмосфера в движении . а главное — все атомы хаотически движутся со скоростями многие километры
293


в секунду, поскольку атмосфера горячая . а надо почувПульсар — нейтронная
ствовать изменение средней
звезда, образовавшаяся при
скорости атмосферы звезды
взрыве сверхновой. нормаль- на метры в секунду . то есть
вылавливать смещения спектра
ная планетная система при
меньше, чем на одну тысячную
этом разрушается. Эти плаширины линий и одну стомилнеты образовались вокруг
лионную длины волны! и это
нейтронной звезды уже после
делается!
взрыва — из части выброНайти смещения спектра
шенного вещества. Так что
на
одну
стомиллионную
они — нечто совершенно
«в лоб» — все равно, что измеэкзотическое.
рить микронные смещения
рулеткой стометровой длины .
Нужна хитрость, которая основана на том, что можно
очень хорошо измерять искажения формы спектра,
гораздо лучше, чем смещения . а чтобы смещения спектра искажали его форму, свет звезды пропускают через
газ с сильно изрезанным спектром, например через
пары йода . В спектрометр попадает суперпозиция спектров звезды и йода . Первый гуляет туда-сюда, второй
стоит на месте и не меняется: температура паров йода
поддерживается постоянной . форма суперпозиции
сильнее всего меняется там, где крутой склон линии
звезды накладывается на крутой склон линии йода .
изрезанность обоих спектров гарантирует, что таких
совпадений будет много и даже ничтожные смещения
дадут измеримый эффект . Но это еще не все .
Движется не только звезда, движется и наблюдатель,
притом с гораздо большими ускорениями, поскольку
сидит на более легком небесном теле . из лучевой скорости звезды приходится вычитать движение Земли
вокруг солнца, возмущаемое луной и всеми планетами
солнечной системы, а также суточное вращение Земли .
таким образом достигается точность около метра
294


в секунду . такова скорость человека, идущего прогулочным шагом . Напомним, это скорость бурлящей горячей
звезды, измеренная с несущейся по сложной траектории с космической скоростью планеты . Кстати, для этих
измерений не нужны космические или даже рекордные
наземные телескопы .
К 1995 г . достигнутая точность измерения лучевой
скорости звезд была существенно ниже — 10–15 м/с .
Этого было недостаточно, чтобы уверенно рассчитывать на быстрый успех: напомним, скорость движения
солнца вокруг общего центра тяжести с Юпитером —
12 м/с . Но действительность преподнесла подарок .
К 1995 г . в поиске экзопланет лидировали две конкурирующие группы: мишель майор, Дидье Кело (Женевский университет) и Джеф марси, Пол Батлер (Университет Беркли, сШа) . Первыми оказались швейцарцы .
историю открытия, излагаемую ниже, я почерпнул
в основном из доклада Джефа марси . К осени 1995 г .
обе группы имели работающую методику и вели систематический поиск . По словам марси, их точность была
лучше: именно они придумали ячейку с парами йода .
Швейцарцы, впрочем, использовали похожую методику . Как бы то ни было, 6 октября швейцарцы увидели
периодические колебания лучевой скорости звезды
51 Пегаса, причем с огромной амплитудой — 60 м/с
и очень коротким периодом — 4,2 дня . такого никто
не ожидал! Джеф марси утверждает, что им просто
не повезло: в каталоге, которым они пользовались,
51 Пегаса ошибочно значилась, как вспыхивающая
звезда, и они исключили ее из списка целей . Вероятно,
это был действительно предмет везения, поскольку уже
через 2 недели марси с Батлером подтвердили открытие, причем с лучшей точностью .
Но общественность поверила в открытие далеко
не сразу . Уж очень неожиданным был результат . он
означал, что вокруг звезды, похожей на солнце, на рас295


стоянии, в 20 раз ближе, чем Земля к солнцу, вращается огромная планета, сравнимая по массе с Юпитером . откуда там взяться Юпитеру! Ведь звезда на таком
расстоянии от себя испаряет всю протопланететную
пыль, и там просто ничего не может образоваться! многие выдвинули предположение, что это — «дыхание»
звезды, она сжимается и расширяется с периодом
4,2 дня . Против этого были выдвинуты свои доводы .
споры были жаркими и продолжались недолго . Появились новые открытия, перешедшие вскоре в разряд
серийных . Разнообразие быстро росло, и вскоре пришла уверенность в том, что колебания лучевой скорости вызваны именно планетами . . . По словам того же
марси, когда видишь синусоиду — всегда остаются
какие-то сомнения, может, действительно звезда дышит .
Но когда они обнаружили асимметричную кривую,
которая прекрасно подгонялась движением по сильно
вытянутой кеплеровской орбите, все сомнения отпали .
Быстро выяснилось, что большие планеты на маленьких орбитах очень распространены . их прозвали «горячими юпитерами» за высокую равновесную температуру атмосферы . среди открытых экзопланет они
составляют не менее четверти . однако их легче всего
находить, поэтому реальная доля горячих юпитеров
должна быть значительно меньше; по оценкам, они есть
у 1–1,5% звезд, подобных солнцу . Еще один неожиданный факт — много планет с сильно вытянутыми орбитами . Это тоже плохо согласуется как с тем, что мы
видим у себя (все орбиты близки к круговым), так и с
бытовавшими представлениями об образовании планетных систем .
На сегодняшний день1 обнаружено 429 экзопланет .
Большинство из них найдено спектрометрическим
методом, описанным выше . следующий по урожайно1

296

статья написана 16 .03 .2010 г . — Прим . ред .


сти метод называется «транзитная фотометрия» .
орбиты некоторых планет могут проходить через диск
звезды, если смотреть с Земли . При этом яркость
звезды чуть-чуть падает, что вполне поддается измерению . Недостаток метода в том, что вероятность проекции орбиты на звезду мала — тем меньше, чем больше
орбита . Зато чувствительность метода выше: прохождение Земли по диску солнца может быть уверенно
зафиксировано с расстояния в десятки парсек . Кроме
того, измеряется размер планеты, можно установить
наличие колец и крупных спутников, даже получить
спектральные линии атмосферы планеты . сейчас
по транзитам найдено 98 планет . Запущено два специализированных спутника для поиска транзитов . Первый — европейский COROT (диаметр зеркала — 30 см,
запущен 27 декабря 2006 г .), второй — «Кеплер», запущен NASA (диаметр зеркала — 95 см, запущен 7 марта
2009 г .) . стратегия поиска — смотреть в одну область
неба, наблюдая порядка 100 тыс . звезд одновременно .
К настоящему моменту COROт нашел около 10 новых
экзопланет, Кеплер — 5 . По прикидкам, Кеплер должен
обнаружить десятки планет земного типа, но для этого
требуется время .
Есть еще методы, менее урожайные, но имеющие свои
преимущества . Прежде всего Быстро выяснилось, что больэто прямое наблюдение пла- шие планеты на маленьких
нет, когда свет звезды блоки- орбитах очень распростраруется с помощью короно- нены. их прозвали «горячими
графа . легче увидеть планету
юпитерами» за высокую равв инфракрасном диапазоне —
именно в нем найдены две новесную температуру
планетные системы (см . цвет- атмосферы. Среди открытых
ную вкладку рис . 30 .) . и еще экзопланет они составляют
одна планета найдена в види- не менее четверти.
мом свете — у довольно яркой
297


звезды фомальгаут . Причем по двум снимкам, сделанным в разное время, видно, как планета сместилась,
двигаясь по орбите . Преимущество метода: он позволяет увидеть планеты, далекие от звезды, которые практически невозможно обнаружить спектрометрическим
методом и крайне маловероятно засечь по транзиту .
Хотя, конечно, можно увидеть только планеты-гиганты .
Несколько более экзотический метод — гравитационное микролинзирование . Это хорошо известный эффект,
используемый для поиска объектов, невидимых в телескоп . Когда тяготеющее тело и более далекая звезда
оказываются на одном луче зрения, наблюдаемая
яркость этой звезды многократно возрастает . линзой
может быть и обыкновенная звезда . Поскольку все
звезды движутся, возрастание блеска длится относительно недолго, например, несколько недель . Если
у звезды-линзы нет планет, кривая блеска линзируемой
звезды опишет симметричный пик . Если есть планеты,
линза искажается, причем так, что появляются небольшие области дополнительного усиления, каустики . Если
далекая звезда проходит очень близко к каустике планеты, на склоне пика появляется дополнительный
острый пичок . Потом звезды расходятся, и событие
не повторяется: следить за звездой в надежде увидеть
новое событие микролинзирования бесполезно из-за
ничтожной вероятности . Это недостаток метода . Но
есть и достоинства . Во-первых, микролинзирование
позволяет найти достаточно далекие от звезды и сравнительно небольшие планеты, которые не отлавливаются другими методами . Во-вторых, все вероятности
хорошо считаются . Если проводить систематический
обзор неба на предмет микролинзировния, то известна
вероятность найти планету данного типа, а это значит,
что по найденным планетам, пусть и небольшому числу,
можно восстановить их реальную распространенность .
сейчас методом микролинзирования найдено около
298


10 планет, причем они попадают в область, не покрываемую другими методами . В частности, найдена планета порядка 5 земных масс, находящаяся по отношению к своей звезде где-то между нашими марсом
и Юпитером .
теперь попробуем дать общую сводку . итак, на начало
марта 2010 г . улов составляет 429 планет у 362 звезд .
В 45 системах найдено не менее двух планет (рекорд —
пять) . Первое, что бросается в глаза: (а) огромное разнообразие, (б) несоответствие былым представлениям
о планетных системах . Большинство найденных планетных систем не только не похожи на солнечную,
но и вряд ли пригодны для жизни . Если в системе есть
горячий Юпитер, значит шансы на наличие планет земной группы невелики . Дело в том, что гигантская планета не могла появиться на тесной орбите — она могла
лишь мигрировать туда из более холодных областей,
порушив все на своем пути . Если есть гигантская планета с сильно вытянутой орбитой, то орбиты остальных
планет, сравнимые по размеру, будут нестабильными .
таких орбит довольно много: например, если орбита
порядка земной или больше, то порядка половины из
них имеют эксцентриситет больше 0,3 .
Конечно, против систем типа солнечной работает
эффект наблюдательной селекции . Наша система
в подобных наблюдениях была бы представлена одним
Юпитером, причем обнаружить его было бы сложней,
чем большинство других, уже найденных планетгигантов с меньшими орбитами . Есть ли среди найденных систем подобные той, как выглядела бы наша? Есть,
несколько штук из 362 . На самом деле, с поправкой
на наблюдательную селекцию, их доля должна быть
выше . У них вполне могут быть планеты земного типа
на соответствующих орбитах . Есть ли обнаруженные
планеты со стабильными орбитами типа земной? Есть
несколько штук, но это планеты-гиганты (до обнаруже299


ния аналога Земли дело еще не дошло) . Но если у этих
гигантов есть спутники подобные спутникам Юпитера,
на них возможна жизнь . Кроме газовых гигантов типа
Юпитера найдено немало меньших по массе «ледяных
гигантов» типа Нептуна . Наконец, есть несколько планет, названных «суперземлями», — они всего в несколько
раз превосходят Землю по массе и, судя по всему,
имеют сходный состав . одна из этих «суперземель» вращается вокруг красного карлика в зоне, пригодной для
жизни . Это Gliese 581 d (в системе есть еще 4 планеты) .
К сожалению, жизнь на планетах у красных карликов
едва ли возможна (см . главу 36) .
Большая часть звезд, у которых обнаружены планеты, близка по светимости к солнцу . Если звезда
гораздо ярче, она испаряет пыль далеко вокруг себя,
а пыль является строительным материалом для планет .
У более тусклых звезд планет обнаружено меньше . Возможно, что количество планет у красных карликов
не меньше, просто планеты меньше по размеру и трудней обнаруживаются .
Чтобы попытаться осмыслить ситуацию и понять,
насколько редка или типична солнечная система, одних
имеющихся данных недостаточно . Данные вроде говорят, что солнечная система нетипична, но напомним,
что есть эффект наблюдательной селекции, работающий
против ее обнаружения . Надо еще осмыслить, как
и почему образуются такие системы, какие мы наблюдаем, откуда берутся горячие юпитеры и вытянутые
орбиты, при каких условиях можно ожидать, что образуется аналог солнечной системы, а в каких — нечто
совершенно непригодное для обитания . Этому будет
посвящена следующая статья .
Борис Штерн
16.03.2010


31.

еСТь ли жиЗнь
на...?

Эта статья продолжает тему из предыдущей
главы про наблюдения экзопланет, где представлены основные факты, известные на настоящий
момент. Повторим основное.
итак, известно 442 планеты у других звезд (на момент
написания предыдущей статьи было 429) . Почти все
они гораздо больше Земли, большинство сравнимо
по массе с Юпитером . их орбиты совсем не похожи
на то, что мы видим в своей системе: многие планетыгиганты вращаются совсем близко к звезде («горячие
юпитеры»), а те, что вращаются подальше, в большинстве имеют вытянутые орбиты, как будто избегая круговых . Кроме того, что эти системы не похожи на солнечную, они в большинстве не подходят для жизни:
аналога Земли со стабильной орбитой в них быть
не может . Конечно, такие планетные системы легче
обнаруживаются, чем копия нашей . Вопрос: насколько
«уродливость» обнаруженных систем проистекает из
наблюдательной селекции, и насколько это — грустная
правда жизни?
Несмотря на то, что систем с горячими юпитерами
обнаружено много, они не столь уж типичны . гиганты
301


с
орбитальным
периодом
в несколько дней при современизвестно 442 экзопланеты
ных методах обнаруживаются
у других звезд. Почти все они наверняка с расстояний до пары
гораздо больше Земли, боль- сотен световых лет . и если
у звезды не найдено горячего
шинство сравнимо по массе
юпитера, значит, его там дейс Юпитером.
ствительно нет . оказывается,
гиганты с периодом обращения
в несколько дней есть только у 1–1,5% звезд, близких
к солнцу по светимости . гиганты на орбитах, сравнимых
с орбитами меркурия или Венеры, обнаруживаются тоже
достаточно легко: такие системы есть у 3–4,5% звезд .
В этих системах жизнь весьма проблематична . Для подавляющего же большинства звезд остается полный простор для фантазии . можно ли как-то ограничить этот простор с помощью теории? Пожалуй, да .
существовавшие ранее взгляды на образование планетных систем сложились под сильным влиянием единственного известного экземпляра . В теории образования солнечной системы все логично: газово-пылевой
протопланетный диск становился все более плоским
и структурированным (типа колец сатурна) . Все двигалось по круговым орбитам . Ближе к солнцу — только
пыль, подальше — пыль, частицы льда и газ . За счет
слипания частиц образуются глыбы, из них — зародыши планет . тяготение крупных зародышей становится заметным, и темп роста ускоряется . Поближе
к звезде, где газа мало, образуются планеты земной
группы, поодаль — твердые зародыши с массой в десяток земных стягивают на себя газ, вырастая в планетыгиганты . Вдали от звезды, где газа чуть поменьше образуются ледяные гиганты (Уран и Нептун) . Процесс
протекает не менее 10 миллионов лет, в результате
образуется хорошо сбалансированная устойчивая
система . Это, конечно, сильно упрощенная картина .
302


Пересмотр
теперь известных экземпляров много, и они, как
уже было сказано, не вписываются в эту картину .
Во-первых, горячие юпитеры . там, где их находят, они
образоваться не могли — звезда выметает весь строительный материал из этих областей . их открытие стимулировало теорию: был открыт эффект миграции планет . образовавшись, планета выедает в диске кольцевую
щель . однако она взаимодействует с веществом диска
за пределами щели, и если диск достаточно массивный, то орбита планеты начинает меняться . Как правило, уменьшается, но иногда может и увеличиваться .
орбита меняется до тех пор, пока планета не мигрирует за пределы диска, например в ближайшую окрестность звезды, где все вещество выметено ее излучением и ветром . там она и остается .
Второй радикальный переворот в представлениях
пришел с пониманием того, что протопланетный диск
вовсе не обязательно должен быть столь же идеален,
как кольца сатурна . он может быть кривым (это наблюдают), он может быть неоднородным по азимутальному
углу и даже иметь спиральные рукава, подобные галактическим . алан Босс (институт Карнеги, сШа) в 1997 г .
с помощью численного моделирования выявил образование спиральных рукавов в протопланетном диске
и их уплотнение до той стадии, когда должна начаться
гравитационная неустойчивость — прямой и быстрый
коллапс больших облаков газа в планеты-гиганты без
всяких твердых зародышей . Впоследствии численное
моделирование провели с лучшим разрешением, что
позволило проследить процесс дальше . Некое представление о нем дает рис . 31 в цветной вкладке, где показана эволюция диска за очень короткий промежуток
времени — буквально за несколько орбитальных перио303


дов . Видно также, что скорость процесса очень сильно
зависит от плотности диска: изменение на 10% радикально меняет картину . итак, неустойчивость развивается мгновенно по астрономическим масштабам,
и планеты-гиганты рождаются сразу многочисленными
выводками, как видно из нижней правой картинки .
Рождением сразу многих гигантов дело не заканчивается — начинается взаимный «бильярд» за счет гравитационного взаимодействия планет . они обмениваются
импульсом, часть вышвыривается в открытый космос,
пополняя множество свободно летающих планет, часть
попадает на довольно близкие орбиты со сравнительно
большим эксцентриситетом, каковые в основном
и наблюдаются . В таком сценарии опять нет места
жизни: земля, скорее всего, будет выброшена со своей
орбиты . а в каком сценарии место для жизни есть?
Для выживания планет земного типа на нужных
орбитах плотность протопланетного диска должна быть
не слишком велика — меньше, чем требуется для массового рождения планет-гигантов и процесса миграции
к звезде . Но слишком малая плотность тоже не подходит . Дело не только в том, что должны образоваться
планеты земного типа . Чтобы жизнь в системе могла
существовать, отсутствия юпитера в ненужном месте
мало — требуется также его присутствие в нужном
месте, т .е . на достаточно большой орбите . массивная
планета в системе играет роль мусорщика, очищая внутренние области от «строительного мусора», оставшегося после формирования планет . сейчас почти весь
наш мусор — за орбитой Плутона в облаке оорта . Без
Юпитера интенсивность бомбардировки Земли кометами и астероидами была бы многократно выше .
итак, судя по всему, пригодные для жизни планетные системы возникают в каком-то диапазоне плотности протопланетного диска, когда планеты-гиганты
образуются через формирование твердых зародышей
304


в небольшом количестве . Насколько этот диапазон узок,
сейчас сказать нельзя . Но, исходя из наблюдаемого изобилия планетных систем, можно ожидать, что ближайшая Земля находится не на другом конце галактики, а в
пределах одной-двух сотен световых лет . Казалось бы,
какая разница? и в том, и в другом случае она будет за
пределами видимости и тем более досягаемости . . .

увидеть другую землю?
аналог Земли на достаточно большом расстоянии
может быть обнаружен методом транзитов (прохождение по диску звезды) .1 При этом можно примерно оценить ее размер, и все . можно получить гораздо больше
информации, но уже другими средствами . На это были
направлены два проекта — европейский «Дарвин» и проект NASA TPF (Terrestial planet finder) . «Дарвин» уже
закрыт, практически не начавшись (в 2007 г .), TPF — еще
нет (но и финансирование еще не выделено)2 . Представим, что мы могли бы узнать о двойнике Земли с расстояния около 30 световых лет, если бы проект «Дарвин» был реализован .
«Дарвин» задумывался как космический интерферометр из нескольких инфракрасных телескопов, аналогичных уже запущенному «гершелю» . Проект основан
на методе интерферометрического зануления света
звезды . Если несколько таких телескопов, расположенных в десятках метров друг от друга, могут управляться
с микронной точностью с помощью микродвигателей,
можно добиться того, что свет от выбранной звезды
будет почти полностью занулен, а свет планет, обраща1
2

см . предыдущую главу . — Прим . автора .
Проект TPF уже закрыт . — Коммен . автора .

305


ющихся вокруг нее, — нет . самое важное то, что при
этом можно снять спектр планеты в инфракрасном диапазоне, и этот спектр может сказать о многом .

ПоЧти науЧная фантастика
очень хотелось бы дожить до открытия внеземной
жизни, но, судя по «энтузиазму» с которым развиваются
соответствующие проекты, пора смириться с нереальностью этой мечты . Будущие поколения, безусловно,
найдут планеты с линиями поглощения молекул кислорода . Что дальше? В принципе эти планеты можно рассмотреть получше, затратив еще гораздо большие средства: где-то на бумаге существует концепция большого
массива космических телескопов, способного дать снимок земли с расстояния 30 световых лет с разрешением
25 × 25 пикселей .
а можно ли послать туда зонд? «Болванку», которая
прибудет в тот район через миллион лет? Нет проблем .
Но в принципе возможен и зонд, который долетит за
исторический масштаб времени — тысячи лет и сможет
передать на Землю информацию (если здесь еще будет
тот, кто способен ее принять) . Здесь очень много проблем, но не принципиальных научных, а технологических, в принципе решаемых при больших затратах . Но
главная проблема в другом: человек не является таким
биологическим видом, у которого есть естественная
мотивация прилагать усилия ради далеких поколений .
По крайней мере, сейчас не является .
существовали ли вообще в истории проекты, рассчитанные на поколения вперед? Утопические теории
при этом рассматривать не стоит — только практические шаги, связанные с серьезной затратой усилий
и средств . я слышал про один такой . Шведское адми306


ралтейство около 200 лет назад начало высаживать
на острове в озере Веттерн дубовый лес и при этом
на протяжении десятилетий обрубать нижние ветви
у дубков, чтобы к 2000 г . вырос стройный корабельный дубовый лес для шведского флота . и такой лес
действительно вырос, сейчас туда валом едут туристы,
вполне окупая затраты трехвековой давности . Это вселяет некоторую надежду .
главный смысл многих масштабных проектов, если
смотреть с большого расстояния, часто отличается от
декларируемого . Допустим, ценой усилий группы государств, сравнимых с усилиями египтян по строительству пирамид, запущены несколько зондов к перспективным экзопланетам . ядерные установки, плазменные
двигатели, большие антенны и т .п . основные данные
ожидаются через тысячи лет, а каждый год приходят
на Землю текущие рабочие данные . Заключается ли
основной смысл проекта в тех долгожданных данных
от экзопланет? а может быть, главный смысл в том,
что, как подсказывает чутье, все это сильно повысит
шансы на существование людей, способных принять
отправленные данные к проектному сроку?
Борис Штерн
13.04.2010


32.

ЭКЗоПланеТы:
Прорыв,
еЩе Прорыв!

В начале февраля 2011 г. опубликованы результаты первых четырех с половиной месяцев
работы космического телескопа «Кеплер». В целом
их можно назвать сенсационными. Хотя сенсация
ожидалась, от этого она не стала менее впечатляющей.
«Кеплер» — специализированный охотник за экзопланетами . Проект осуществлен NASA при участии
команд из разных стран . телескоп запущен 6 марта
2009 г . В серии февральских публикаций представлены
результаты обработки данных, накопленных со 2 мая
по 16 сентября 2009 г . Первые результаты «Кеплера»
описаны в трВ-Наука в 2009 г ., повторим вкратце
основные факты .
«Кеплер» нацелен на поиск транзитов планет —
событий, когда планета проходит по диску звезды
и яркость звезды от этого немного падает, затем восстанавливается . Вероятность, что для земного наблюдателя орбита планеты проходит по диску звезды, невелика (для двойника Земли она будет около 1/200),
308


но «Кеплер» наблюдает одновременно за примерно
150 тысячами звезд, глядя вдоль спирального рукава
галактики, рядом с которым мы находимся, снимая
кривую блеска каждой из них .
До сих пор большинство экзопланет было найдено
спектрометрическим методом, который в свое время
(в середине 90-х) вызвал прорыв в данной области .
метод основан на измерении колебаний скорости
звезды вдоль луча зрения . До сих пор было зарегистрировано около 500 экзопланет, большинство — спектрометрическим методом, несколько десятков по транзитам . и вот еще 1200 разом! Причем это не просто
увеличение числа: экзопланеты «Кеплера» меняют всю
картину . До сих пор находили в основном сравнительно крупные планеты, расположенные близко
к звезде . В каталоге «Кеплера» — целая россыпь планет,
сравнимых по размеру с Землей, с более далекими
орбитами (см . рис .32 в цветной вкладке) .
авторы, соблюдая осторожность, называют подавляющее большинство из находок «кандидатами
в экзопланеты» . «Подтвержденными экзопланетами»
они называют только те, которые впоследствии обнаружены с помощью наземных телескопов методом
измерения лучевых скоростей . таких меньше двух
десятков — метод менее чувствителен и, главное,
менее «производителен» . смысл в этой предосторожности таков: допустим, шанс, что зарегистрированные транзиты у данной звезды действительно вызваны
экзопланетой, равен 99% . В каких-то случаях вероятность еще выше . Это означает высокую степень
достоверности, но во всем каталоге найдется
несколько ошибок (наиболее вероятный источник
ошибки: в поле зрения рядом с данной звездой находится более далекая пара звезд, затмевающих друг
друга при вращении) . однако важно то, что эти
несколько возможных ошибок никак не влияют
309


до сих пор большинство
экзопланет было найдено
спектрометрическим методом, который в свое время
вызвал прорыв в данной
области.

на общую картину — можно
смело использовать каталог
«кандидатов» как статистический материал .
общие цифры, многократно
повторенные в средствах массовой информации таковы .

среди кандидатов в экзопланеты:
— земного размера (R <1.25 RE , где RE — радиус
Земли) — 68 штук;
— «суперземли» (1.25 RE < R < 2RE) — 288 штук;
— «нептуны» (2 RE < R <6 RE) — 622;
— «юпитеры» (6 RE < R < 15 RE) — 165;
— «суперюпитеры» (15RE < R < 22RE) — 19.
При этом 54 планеты находятся в «зоне обитания»,
где может существовать жидкая вода и жизнь . авторы
определяют зону обитания по равновесной температуре
планеты (когда тепловое излучение планеты равно
поглощаемому ею излучению звезды) . из этих планет 5
имеют размеры, сравнимые с Землей . Правда пределы
по равновесной температуре взяты довольно широкими: от -40°с до 100°с . минусовые температуры — это
понятно, существует парниковый эффект, который разогревает планеты до температуры выше равновесной
(для Земли этот разогрев составляет 33°с) .
Но температуры, скажем, выше 50°с вызывают сомнения относительно «обитаемости», особенно с учетом
того же парникового эффекта . Кстати, на Венере парниковый эффект добавляет 500°с .
теперь перейдем к очень важной стороне результатов, каковой являются так называемые эффекты селекции . В сводке, приведенной выше, «суперземель» почти
в 4 раза больше, чем «земель», а «нептунов» еще в два
с лишним раза больше . так ли это на самом деле?

310


Конечно, нет, поскольку планета размером с Землю
оставляет во много раз меньший сигнал, чем планета
размером с Нептуна . следовательно, «хозяйская» звезда
должна быть сравнительно яркой, иначе сигнал будет
статистически недостоверным . таким образом, для планет типа Земли поле поиска меньше, и мы их сильно
недосчитываемся в сравнении с более крупными планетами . а уменьшение числа «юпитеров» в сравнении
с числом «нептунов» — это достоверный факт, поскольку
эффект селекции работает в пользу «юпитеров» . Но
самое большое искажение вносится коротким сроком
накопления обработанных данных — 132 дня . Это значит, что планеты с большими орбитами, типа как
у Земли, вообще не представлены в каталоге (см . рис .32
в цв . вкладке), ведь, чтобы убедиться, что провалы
в кривой блеска вызваны планетой и чтобы выяснить
период обращения, нужно по меньшей мере два транзита . а для маленьких планет размером с Землю —
и того больше .
из-за короткого срока накопления данных число планет в зоне обитания занижено более чем на порядок,
особенно для «земель» . Все планеты каталога имеют
период обращения меньше 100 дней, а планеты, сравнимые с Землей, — меньше 40 дней . Планеты с такими
орбитальными периодами могут попасть в зону обитания только у небольших звезд . Значит, сразу ограничивается глубина поиска . Более того, судя по данным,
больше всего планет как раз у звезд типа солнца, где,
как мы видим, орбитальный период, соответствующий
зоне обитания, — около года .
самое интересное в том, что гораздо большее множество планет, находящихся в зоне обитания, в том
числе и типа Земли, уже содержится в данных «Кеплера»,
который летает скоро как 2 года, просто эти данные
еще не обработаны . Будем ждать, надеясь, что скорость
обработки со временем вырастет .
311


из конкретных сенсационных находок «Кеплера»
наибольший резонанс вызвала система «Кеплер-11» .
В ней найдено сразу 6 планет, причем плотно «упакованных»: у всех орбита меньше, чем у Венеры, и у пяти
меньше, чем у меркурия . Этой системе посвящена
отдельная статья в Nature . Важно то, что для всех этих
планет оценена масса, причем новым методом: из-за
взаимодействия планет друг с другом транзиты каждой
из них оказываются не строго периодическими . из
моделирования взаимных возмущений удалось вытащить массы всех планет . их размер известен из транзитов, так что известна плотность каждой . оказывается,
одна из планет системы состоит из смеси воды (льда)
и камня, остальные имеют каменное или ледяное ядро,
окруженное толстой водородно-гелиевой атмосферой, — нечто подобное Нептуну (см . рис . 33 в цв .
вкладке) . Звезда «Кеплер-11» подобна солнцу, поэтому
все 6 планет находятся вне зоны обитания (слишком
жарко) . система представляет собой вызов для теоретиков: как эти планеты там оказались, и почему они держатся на стабильных орбитах, несмотря на взаимное
гравитационное взаимодействие .
итак, «Кеплер», безусловно, осуществил новый прорыв в изучении экзопланет, причем сейчас мы наблюдаем лишь самое начало этого прорыва .
Борис Штерн
15.02.2011


33.

двойКа
По фиЗиКе
мильнерУ
С ХоКингом

Юрий Мильнер, российский мультимиллионер
и меценат, в прошлом аспирант ФИАН, и Стивен
Хокинг объявили (именно такая формулировка циркулирует в СМИ) о том, что выделяют 100 млн
долл. на финансирование исследований по технологии перемещений в космосе при помощи лазерного
паруса. Знаменем программы стал проект запуска
наноробота к Альфе Центавра — перелет длиной
четыре с лишним световых года за двадцать лет!
Новость вызвала интерес и энтузиазм у широких
масс во всем мире. Причем зонд к Альфе Центавра
затмил в общественном сознании вполне реалистичные цели финансирования. Знамя затмило
содержание. Конечно, специалисты морщились,
но от комментариев, как правило, воздерживались.
я ознакомился с первоисточником — электронным
препринтом1 филипа любина (Philip Lubin) из Универ1

Philip Lubin arXiv:1604 .01356

313


ситета санта-Барбары . Взявшись за чтение, впал в уныние . В препринте довольно много формул . Все они простые и правильные, но не имеют никакого отношения
к реальности .
автор е-принта участвовал во вполне реалистичных
разработках лазерных фазированных решеток, например, для испарения поверхности астероида с расстояния 10 км (чтобы снять спектр и посмотреть химический состав) . мощность — 10 кВт, расходимость — 0,1 с,
всё нормально . Некоторые работы, по-видимому, связаны с оборонной программой DARPA, где используются подобные штуки . филип любин решил не мелочиться и предложил сделать решетку мощностью
не 10 кВт, а 50–70 гигаватт (гВт) (10–15 саяно-Шушенских
гЭс) . Эта решетка по замыслу должна ускорить зонд
весом 1 г с тоненьким световым парусом до четверти
скорости света за 10 минут . Ускорение — 20 000 g (g —
ускорение свободного падения) . Энергия посчитана
примерно правильно, если предположить, что порядка
половины от 50 гВт падают на тоненький парус площадью 1 м2 и весом 1 г .
автор е-принта пишет простые формулы, а я буду
задавать простые вопросы .
Вопрос к читателям: что будет с парусом микронной толщины, когда на него упадет 50 ГВт лазерного
излучения на квадратный метр площади?
Нет, возражает автор, мы возьмем пленку с отражающей способностью 99,999% — такие в принципе
возможны, всё отразится . Хорошо, скинем пять порядков . останется 500 кВт . Достаточно, чтобы от паруса
остался пшик?
Теперь более серьезный вопрос к физикам:
не наступают ли при такой плотности излучения
(оно соответствует температуре 30 000 К, при
314


том что длина волны — 1 мкм) всякие нелинейные
эффекты, сводящие на нет все эти пять девяток
отражения? В частности, как там насчет абляции?
(Есть такой процесс: вырывание атомов с поверхности вещества интенсивным излучением .) сдается, от
нее не спасет никакой высокий коэффициент отражения . тем более что меньшая интенсивность излучения, типа 1–10 гВт/м2, — рабочий режим для технологической абляции . ирония еще и в том, что в другом
разделе того же препринта абляция рассматривается
как один из вариантов разгона зондов .
Теперь еще одна задачка. Как сфокусировать всю
мощность на метровый парус? По сценарию зонд
ускоряется лазерным пучком 10 минут, за которые он
улетает на тридцать с чем-то миллионов километров .
требуемая точность фокусировки лучей — 0,3 10-10 радиана (формально требуемый размер решетки — 30 км) .
Встает вопрос: где находится излучатель? В препринте
четких заявлений по этому поводу нет, хотя более мелкие излучатели предполагается размещать в космосе .
Если в космосе, то его вес должен быть порядка миллиона тонн — оценки веса на киловатт излученной мощности приводятся в препринте . Если на Земле, то астрономы хорошо знают, что в атмосфере луч дрожит
на 10-5 радиана, и лишь с помощью дорогущей адаптивной оптики удается унять эту дрожь в лучшем случае
до 0,3 10-6 радиана . Это на телескопе стоимостью сотни
миллионов . остались пустяки — четыре порядка .
Проигнорировав вопросы прочности и устойчивости
зонда, разгоняемого с ускорением 20 000 g лазерным
пучком, едем дальше . По дороге электроника зонда хватает примерно 1018 штук 30-мэВных протонов на квадратный сантиметр (это просто атомы межзвездной
среды) . Вопрос к радиационным материаловедам: что
при этом произойдет с электроникой зонда? можно,
315


конечно, добавить пассивную защиту, но это уже будет
не один грамм .
Наконец, допустим, что, победив законы физики, зонд
прилетел и сфотографировал гипотетические миры
своей миниатюрной камерой . Как передать это на Землю?
Допустим, что граммовый нанозонд имеет механизм
ориентации с точностью 10-5 и 10-сантиметровое параболическое зеркало, выверенное с точностью до долей
микрона и весом менее грамма (оптики, ау!) . и маленький светодиод отправит точно в направлении Земли
одноваттный сигнал . На приемную решетку от светодиода придет один фотон на каждые 20 гектаров в секунду .
Но у нас этих гектаров 10 тыс . (так написано в препринте) . и огромный приемник — та же сфазированная
решетка примет этот сигнал с эффективностью один
фотон — один бит (так в препринте!) . и темп передачи
500 бит в секунду у нас в кармане!
(Специалисты по космической связи, ау!) Правда,
рядом в одной или нескольких секундах дуги от светодиода — несфокусированный источник 1026 Вт . Но это
уже мелочи . Кстати, у нас уже есть такая чудо-решетка
с угловым разрешением 10-10, а значит, нет никакого
смысла посылать зонд — она сама прекрасно увидит
миры у альфы центавра, снимет спектры и даже сможет разрешить их .
Конечно, я далек от мысли, что мильнер и тем более
Хокинг ничего не понимают в физике . Вполне возможно, что они осознают, что проект зонда к альфе
центавра — совершенно нереалистичен . Возможно, данное знамя было поднято исключительно в рекламных
целях, а на самом деле деньги будут использованы
на вполне реалистичные и более скромные проекты . Но
такое знамя как прилипнет, так и останется пятном
на репутации вплоть до некролога и далее . Возможно,
Хокинг здесь ни при чем, он действительно выдающийся физик, но ему очень трудно контролировать всё,
316


что происходит вокруг его имени . У меня есть подозрение, что его не в первый раз используют в целях пиара .
Что касается мильнера, то его репутации жаль, ведь
в принципе человек делает очень хорошее дело, и я сам
в свое время хвалил мильнера за его премии .
может быть, подобные PR-сенсации полезны тем, что
привлекают внимание людей к науке? Вот и я написал
злобную статью, из которой читатели узнают что-то
новое, позитивное . Да, это можно рассматривать как
полезную провокацию . Но беда в том, что подобные провокации лишают людей ориентиров, где правда, где
чушь, и в конечном счете низвергают науку на один уровень с дешевой пропагандой — этакое торжество постмодернизма . Вреда от этого гораздо больше пользы .
Кстати, а реально ли вообще послать зонд к альфе
центавра и в другие интересные места? Вполне реально,
но при одном условии: авторы проекта отказываются
от возможности увидеть результат и работают для
потомков . Когда-то люди были способны на подобные
проекты . Пример — собор святого Петра, который строили больше 200 лет . Вот как раз за такое время нормальный зонд с ядерным топливом и может долететь
(если не тормозить) и всё прекрасно передать через
нормальную антенну по радио .
19.04.2016

Послесловие
После этого материала началась дискуссия, которую
было предложено продолжить в комментариях
к онлайн-версии статьи, где можно было не только
высказать свое мнение, но и задать вопросы, наиболее
адекватные из которых мы бы переадресовали филипу
любину . По предложению Юрия мильнера на сайте
317


«троицкого варианта» для нее было установлено зеркало площадки для дискуссии по поводу проекта звездного паруса — http://starshot .trv-science .ru/ . К сожалению, с нашей стороны активность оказалась крайне
низкой — «наши люди» предпочитают оставлять комментарии под статьями в трВ и избегают общих площадок с рабочим английским .
сама по себе дискуссия постепенно заглохла, последние сообщения в разделах датируются в основном 2017,
иногда первой половиной 2018 года . мое мнение осталось неизменным: проект настолько нереалистичен и не
проработан, что вредит репутации его энтузиастов .
Правда, в отношении широкого пиара он, конечно,
эффективен . Еще один урок «Звездного паруса» — нельзя
полагаться на экспертные советы, состоящие из различных знаменитостей . Человек, достигнув определенного
уровня, становится свадебным генералом, и любая экспертиза за пределами его прямой компетенции превращается в лишнюю «заморочку», которую легче всего
преодолеть, поддержав хороших людей . Нужны
эксперты-работяги, что называется «от сохи» .
Что касается самого Юрия мильнера, он, конечно,
имеет право на ошибку, поскольку тратит свои собственные деньги . Надеюсь, наша критика добавит ему
некой осторожности в будущих инициативах, дай бог,
многочисленных . Другой проект, финансируемый мильнером, Breakthrough Watch, посвященный прямому
наблюдению планет у ближайших звезд с помощью
наземных телескопов с коронографами, заслуживает
всяческой поддержки . Это вполне реалистичное и захватывающее, интересное направление .
Борис Штерн


34.

БлижайШие
Пригодные
для жиЗни
ЭКЗоПланеТы
где они, как их можно
наБлюдать и можно ли их
достиЧь?

где мы видим Планеты,
Похожие на землю?
год назад было объявлено об открытии планеты земного типа Кеплер-452b у звезды, похожей на солнце .
Планета даже получила прозвище «Земля 2 .0», хотя она
примерно в пять раз тяжелее Земли . Впрочем, это
не помеха для жизни . главное — она находится в зоне
обитаемости, то есть на таком расстоянии от своей
звезды, что на ней может быть комфортная температура и жидкая вода . лишь одно обстоятельство слегка
удручает: расстояние до этой системы — 1400 световых
319


лет . Это очень далеко, безнадежно далеко; чуть ниже
я объясню, что значит это «безнадежно» .
Есть и другие «земли», немного ближе к нам . Вот еще
три экзопланеты, составляющие список «лучших» .
Кеплер 62 f. Приблизительно 3 массы Земли . Звезда
класса К, меньше и холодней солнца . Равновесная температура — –30 °с, для привычной нам температуры
требуется хорошая атмосфера . Расстояние — 1200 световых лет .
Кеплер 186 f. Планета размером с Землю у красного
карлика (класс м) . Размер орбиты — как у меркурия,
но тепла получает меньше, чем Земля, примерно как
марс (равновесная температура — –85 °с) . Красные карлики плохи тем, что у них очень активная магнитосфера: верхние слои звезды подвержены сильной конвекции . из-за этого много жесткого ультрафиолета
и сильный звездный ветер, способный ободрать атмосферу . Расстояние — 450 световых лет .
Кеплер 442 b. Раза в два массивней Земли . Звезда
класса К . Поток звездного излучения чуть меньше, чем
на Земле (равновесная температура — –40 °с), расстояние — 1100 световых лет .
По поводу температуры требуется уточнение: приведенные цифры — температура черного тела, находящегося в равновесии между поглощением света звезды
и собственным излучением . Для Земли она равна
(минус!) 24 °с — не разгуляешься . На самом деле средняя температура земной поверхности — +15 °с: работает парниковый эффект . и у тех планет он работает,
если есть атмосфера — всё зависит от ее толщины
и насыщенности парниковыми газами . можно и переборщить: слишком толстая углекислая атмосфера сделает эти планеты невыносимо жаркими . так что температура поверхности этих планет неизвестна — не верьте
новостям в сми, где указывается температура поверхности землеподобных планет .
320


итак, имеем считанные планеты, с натяжкой годящиеся для жизни, если повезло с атмосферой . и это лучшие из трех с лишним тысяч известных экзопланет
в радиусе более тысячи световых лет! Четыре планеты,
из которых лишь одна вращается вокруг звезды класса
солнца . Эти данные, казалось бы, обескураживают: лишь
одна на почти тысячу из открытых планет пригодна для
житья, и то условно . и еще одно грустное обстоятельство: узнать об этих планетах что-нибудь, кроме факта
их существования, размеров и параметров орбиты,
в обозримое время будет невозможно . они слишком
далеко . Ни один из строящихся или проектируемых
наземных или космических телескопов не в состоянии
снять спектр атмосферы планеты размера Земли
на таком расстоянии . а без спектра оценить пригодность для жизни невозможно .
однако не всё так печально! В астрономии важнейшую роль играет эффект селекции (его смысл понятен
из названия), который работает против землеподобных
планет . Во второй половине 1990-х годов, когда открывались первые экзопланеты, казалось, что подавляющее
большинство планетных систем уродливы и бесплодны:
они содержат так называемые горячие юпитеры —
гигантские планеты на тесных орбитах с периодом
обращения в считанные дни, что практически исключает планеты земного типа . их открытие стало шоком,
никто и не предполагал, что такое вообще возможно .
Казалось, они повсюду . Но на самом деле доля планетных систем с горячими юпитерами всего лишь около
процента1, просто их легче всего обнаружить любым
методом, особенно спектрометрическим, который был
основным до запуска «Кеплера» в 2009 году . спектрометрический метод основан на том, что скорость
звезды вдоль луча зрения колеблется из-за ее движе1

J . T . Wright arXiv: 1205 .2273

321


ния вокруг общего с планетой
центра тяжести . измеряя колемы знаем всего несколько
бания скорости по эффекту
планет, с натяжкой годящиеся Доплера, обнаруживаем пладля жизни, если повезло
нету и оцениваем ее массу .
обнаружить таким методом
с атмосферой. и это из трех
Землю невозможно: колебания
с лишним тысяч известных
скорости солнца, наведенные
экзопланет в радиусе более
Землей, — 10 см/с, что на порятысячи световых лет! Эти дандок ниже современных возные, казалось бы, обескураможностей . Зато горячие юпиживают: лишь одна на почти
теры
наводят
колебания
тысячу из открытых планет
лучевой скорости в десятки,
пригодна для житья, и то
а то и больше сотни метров
в секунду .
условно. и еще одно грустмрачную картину смягчил
ное обстоятельство: узнать
так
называемый метод транзиоб этих планетах что-нибудь,
тов: наблюдаем за звездой
кроме факта их существоваи ищем периодическое пониния, размеров и параметров
жение яркости, вызванное проорбиты, в обозримое время
хождением планеты по диску
будет невозможно.
звезды . Земля для внешнего
они слишком далеко.
наблюдателя блокирует солнечный свет примерно на одну
десятитысячную — это вполне измеримая величина,
даже если звезда с планетой находятся в тысяче световых лет . Но большинство планет не проходят по диску
звезды, для этого нужна удачная ориентация орбиты .
Вероятность такой ориентации — отношение радиуса
звезды к радиусу орбиты — для Земли примерно одна
двухсотая . Поэтому искать транзиты планет трудно: надо
долго наблюдать за большим количеством звезд . Проблему решил космический телескоп «Кеплер», который
со своим широким полем зрения и 95-мегапиксельной
камерой наблюдал сразу за 200 тыс . звезд . Кеплер был
запущен в 2009 году . Экзопланеты пошли косяком, вклю322


чая небольшие скальные планеты типа Земли . общий
улов «Кеплера» — почти 5 тыс . экзопланет, правда, половина из них считается «кандидатами в экзопланеты» —
их еще предстоит подтвердить наблюдениями с наземных телескопов .
Конечно, в статистике «Кеплера» остается сильный
эффект наблюдательной селекции в пользу горячих
юпитеров и против «земель» . Но уже не такой сильный, как в первом методе . Число планет, которые
меньше двух радиусов Земли — около двух тысяч .
Большая часть из них слишком горячие (больше вероятность транзитов) и крупнее Земли (сильней эффект
транзитов) . и все-же есть десятки планет в зоне обитаемости, не сильно отличающихся от Земли по размерам . Четыре лучшие перечислены выше .
телескоп «Кеплер» был запущен в 2009 году . Важный стратегический принцип в подобных наблюдениях — долго смотреть в одно место, чтобы выявить
долгопериодические планеты типа Земли . К сожалению, в 2012 году вышел из строя один из четырех
гиродинов, что еще не было фатальным, а в 2013-м —
второй . Двух гиродинов уже недостаточно, чтобы ориентировать аппарат . Наблюдение избранного участка
неба стало невозможным . тем не менее команде
«Кеплера» удалось найти решение, при котором телескоп стабилизировался двумя оставшимися гиродинами и давлением света на панели солнечных батарей .
Чтобы препятствовать осевому вращению телескопа,
панели должны быть симметрично освещены солнцем .
В этом решении поле зрения «Кеплера» описывает
годовой круг в плоскости эклиптики .
так родилась новая программа телескопа, названная
«К2» . она менее эффективна, чем изначальная программа: с движущимся полем зрения можно находить
только короткопериодические планеты — до сорока
дней . таких планет в программе «К2» найдено более
323


четырехсот штук . Кроме того, круг наблюдения проходит через центр галактики, там «Кеплер» может увидеть
много интересного, не связанного с экзопланетами .

где они есть
на самом деле?
очевидно, что «Кеплер» видит лишь малую часть землеподобных планет, и на самом деле где-то есть более
близкие . Насколько мала эта наблюдаемая часть?
Во-первых, вероятность правильной ориентации орбиты
дает множитель 1/200 . Во-вторых, «Кеплер» видит только
одну тысячную часть неба, правда, самую обильную (он
смотрит, точнее, смотрел вдоль ближайшего галактического рукава) . Предположим, что он видит одну сороковую часть звезд в радиусе пары тысяч световых лет . тогда
общая доля земель, регистрируемая «Кеплером», — 1/8000 .
и если в радиусе 1000 световых лет находятся считанные
земли «Кеплера», то (извлекаем кубический корень из
1/8000) в радиусе 50 световых лет должны быть считанные пока не найденные подходящие для жизни планеты .
а 50 световых лет — уже совсем другое дело!
мы сделали слишком грубую оценку: во-первых, воспользовавшись предположением о пространственной
однородности звезд (когда извлекали кубический
корень); во-вторых, мы не знаем вероятности, с которой
«Кеплер» фиксирует транзит землеподобной планеты
у далекой звезды . аккуратную оценку сделали Erik
Petigura, Andrew Howard и Geof Marcy1; самый известный
человек из этой тройки — Джеф марси, один из первооткрывателей экзопланет .
1

324

Erik Petigura, Andrew Howard и Geof Marcy arXiv:1311 .6806v1


они подошли к задаче, как и подобает настоящим
мужам: переобработали значительную часть данных
«Кеплера» и, главное, перед обработкой «подсадили»
в эти данные искусственные планеты, смоделировав их
транзиты . При обработке неизвестно, где настоящие,
а где подсадные планеты; уже потом открываются
«секретные протоколы» по подсадным транзитам, определяется, какая их часть пропущена, и отсюда выводится, какова эффективность нахождения настоящих
планет того или иного размера с той или иной орбитой,
на том или ином расстоянии . мне этот метод особенно
по душе, поскольку много лет назад именно так, с подсадными событиями, мы с коллегами определяли эффективность регистрации гамма-всплесков детекторами
гамма-обсерватории «Комптон» .
Результат измерения эффективности показан на рис .
34 в цветной вкладке . Земля должна располагаться
в нижнем правом углу, где вероятность обнаружения
меньше 10% (на месте Земли — менее 3%) . Это добавляет к распространенности планет земного типа еще
порядок величины, сокращая ожидаемое расстояние до
ближайшей земли еще в два с небольшим раза . По
нашей очень грубой прикидке получается 20 с небольшим световых лет . Но авторы работы, цитированной
выше, дали более точную оценку, правда, при этом им
пришлось сделать экстраполяцию оттуда, где точки,
соответствующие планетам Кеплера, лежат густо, туда,
где должна быть Земля . В том районе точек нет из-за
большого периода обращения Земли — не хватает числа
периодических транзитов для их уверенного выделения . точный ответ дать трудно, поскольку всегда встает
вопрос о границах того, что считать землеподобной
планетой . авторы дают несколько вариантов оценки,
приведем следующую: 5,7 +/-2 процента звезд типа
солнца имеют планеты диаметром от одного до двух
диаметров Земли на орбитах периодом от 200 до
325


400 дней (я бы сдвинул интервал орбит на 250–500 дней,
но результат будет близким) . Это значит, что ближайшая подобная планета будет чуть ближе, чем дала наша
грубая оценка, где-то от 15 до 20 световых лет . Это
замечательно, это очень близко — достаточно близко
для прямого наблюдения в обозримом будущем . Более
того, это достаточно близко, чтобы когда-нибудь
достичь такой планеты, хотя слово «достичь» в данном
контексте требует существенного уточнения .

как их наБлюдать?
можно сказать, что экзопланеты уже косвенно наблюдают, но, чтобы узнать о планете что-то интересное,
нужно наблюдать ее напрямую . очень большие планеты
(на грани между планетами и бурыми карликами), которые далеки от своих звезд, уже видят непосредственно .
Недавно был предложен самый сенсационный и самый
иррациональный способ наблюдения экзопланет: посылка
нанозондов с лазерными парусами, которые их сфотографируют и передадут изображение на Землю . о нем мы
уже писали, пока хватит . Более рациональные способы
так или иначе связаны с телескопами, но здесь есть очень
серьезная проблема — засветка поля зрения звездойхозяйкой . Проблема в том, что Земля для удаленного
наблюдателя почти в миллиард раз тусклее солнца . она
всё еще достаточно ярка на расстоянии нескольких парсеков, чтобы ее можно было увидеть в большой телескоп,
не будь рядом звезды . Как побороть засветку?
Во-первых, стоит наблюдать в инфракрасном диапазоне — там звезда тусклее, а планета ярче . Это дает выигрыш на порядки . Кроме того, можно разными способами попытаться убрать свет звезды . Простейший
метод — коронограф: помещаем маску в фокальную
326


плоскость телескопа на изображение солнца и видим
в окуляре солнечную корону вокруг черного круга, как
при затмении . Есть и «звездные» коронографы . Более
продвинутый метод, дающий лучшее угловое разрешение, — нуль-интерферометрия, где звезда гасится за счет
деструктивной интерференции ее света, принятого разными зеркалами . Есть проекты наземной нульинтерферометрии на существующих и строящихся
больших телескопах . В этом случае остается проблема
атмосферной турбулентности, размывающая изображение . В инфракрасном диапазоне проблема не столь
сильна, тем не менее даже с адаптивной оптикой трудно
избавиться от гало звезды, из которого очень трудно
вытащить маленькую планету .
Поэтому самый перспективный способ прямого наблюдения экзопланет — космический нуль-интерферометр:
несколько космических телескопов в десятках метров
друг от друга с очень точной фиксацией положения
и ориентации . таких проектов было два: европейский
«Дарвин» и американский TPF (Terrestrial Planet Finder) .
оба проекта закрыты .
Каждый из планировавшихся интерферометров был
способен напрямую наблюдать «землю» на расстоянии
примерно до 50 световых лет, и не только наблюдать,
а снять достаточно качественный спектр — измерить
настоящую температуру, определить толщину и состав
атмосферы и даже определить, есть ли на планете развитая жизнь, по наличию кислорода . сейчас мы знаем,
что в пределах досягаемости каждого из этих интерферометров должны быть десятки землеподобных планет
у звезд классов G и К . Если бы проекты не были закрыты,
мы в обозримое время могли бы многое узнать о месте
человека во Вселенной .
Почему эти проекты закрыты? В самом общем
плане — по той же причине, по которой уже более сорока
лет на луну не ступала нога человека и до сих пор не удо327


сужилась ступить на марс (хотя технология и экономика
это позволяют уже давно) . исчезла общественная мотивация, обернувшись в сторону потребления . Есть и более
конкретные причины — некая деградация научного сообщества, ведущая к политиканству и подковерной борьбе .
об этом очень эмоционально рассказал упомянутый
выше Джеф марси1  . По его словам, в NASA шла жестокая драка за финансирование между командами TPF
и SIM (астрометрический проект поиска «земель»
у 100 ближайших звезд) . При этом TPF раскололся на две
версии: TPF-коронограф и TPF-интерферометр, что ослабило позиции всей затеи . Потом появилась идея протолкнуть более дешевый TPF-лайт . Часть людей выступила
против, потому что тогда будет трудней получить финансирование полномасштабного проекта . В результате
метаний и борьбы сгинул весь TPF . Вскоре по схожей
причине погиб и SIM . Что случилось с «Дарвином»,
не знаю, но, видимо, и он пал жертвой внутривидовой
борьбы за ресурсы . сейчас интерес к экзопланетам
и вообще к космосу возвращается, в частности, благодаря «Кеплеру» . Да и вообще, часть общества, кажется,
насытилась и задумалась о звездах . Поэтому есть шанс,
что появятся новые проекты, способные напрямую
наблюдать новые земли . Но кое-кто до этого уже
не доживет .

как их достиЧь?
Это удивительно, но достать до экзопланет можно
уже при нынешнем уровне технологии . Просто надо
отказаться от одной вещи: от требования увидеть
G . Marcy, www .space .com/11877-alien-planets-search-canceled-missions-marcy .html
1

328


результат собственного труда при жизни . иррациональный, как я мягко охарактеризовал его, проект
звездного паруса сформирован именно этим требованием: отсюда и скорость в 0,2 скорости света, и цель —
ближайшая звезда, безотносительно к тому, есть ли
там к чему стремиться . Как только человек готов
что-то делать для следующих поколений, задача упрощается на порядки . скорость в два процента световой, если мы посылаем зонд без торможения, не проблема для реактора на чистом уране-235 с плазменным
двигателем со скоростью истечения под 10 тыс . км/с
(в природе есть «плазменные двигатели» с ультрарелятивистским истечением) . Если зонд должен тормозить в конце пути, средняя скорость падает до процента световой . В любом случае сотни лет — до
ближайших звезд, тысячи лет — до множества разнообразных систем, где по статистике обязаны быть
планеты, очень похожие на Землю . При этом к неведомому миру прилетает аппарат с большой антенной
и мегаваттами мощности, с большими телескопами,
способными при близком пролете мимо экзопланеты
снять динозавров или слонов, если они вдруг там окажутся, и передать всё на Землю в отличном качестве .
Это вовсе не фантастика .
Проблема не в технологии, проблема в человеческом
менталитете: как обойтись без прижизненной награды .
В одной статье про межзвездный зонд я привел в пример создателей собора святого Петра, которые вложили
в сооружение душу, понимая, что ни они, ни их дети
не увидят собора, — дескать, могли же люди работать
ради следующих поколений . Кто-то мне ответил в комментариях: «Вот пусть Ватикан и запускает зонд» . Шутки
шутками, но это неплохо отражает общественную психологию . Ключ к межзвездным перелетам — альтруизм
человека, а не та или иная техника .

329


а может ли на экзоПланеты
стуПить нога Человека?
Здесь мы из области околонаучных спекуляций вступаем в зыбкую сферу научной фантастики . тут я должен признаться, что написал фантастическую книгу как
раз о колонизации экзопланеты — деяние для научного
работника малореспектабельное, но всё равно полезное .
Нельзя сказать, что я разобрался в задаче (чтобы разобраться, надо провести кучу исследований), но в каком-то
смысле пропустил ее через себя и кое-что понял из
того, о чем раньше не задумывался . Прежде всего —
насколько ужасна пропасть, отделяющая нас от экзопланет, даже учитывая оптимистические оценки, приведенные выше . и насколько важно преодолеть эту
пропасть . При этом принципиальных препятствий это
сделать, похоже, нет . Кроме тех, что заложены в менталитете современного человека .
итак, ответ положителен: на экзопланету в принципе
может ступить нога человека, если человек прибудет
туда в виде замороженного эмбриона и будет каким-то
образом там выращен . Для этого надо решить огромное количество проблем: от устойчивой сверхпроводимости при температуре не ниже 25–30 К (для магнитной защиты эмбрионов и электроники от космики) до
тысячелетней надежности механизмов, от прорыва
в искусственном интеллекте до освоения «экстракорпоральной репродукции» млекопитающих . Но в вышеупомянутой книге один из героев говорит: «любая богоугодная задача имеет по крайней мере одно решение» .
Возможно, он прав .
гораздо тяжелей с мотивацией людей и мобилизацией ресурсов . В современном мире нет механизмов
выделения средств на такой проект . В своей книге я от
отчаяния придумал источник финансирования в виде
330


триллионера-мецената, что-то
вроде укрупненного аналога
достичь экзопланет можно
Билла гейтса . Ничего другого,
чтобы не скатиться в полную уже при нынешнем уровне
фальшь, я придумать не смог . технологии. Просто надо
и не надо надеяться на аль- отказаться от одной вещи:
труизм большинства . любое от требования увидеть
демократическое волеизъявле- результат собственного труда
ние будет против затрат при жизни.
на колонизацию далекой планеты . Надежда, как обычно,
только на меньшинство .
а у большинства есть коронный вопрос: зачем всё
это надо? «Чтобы сильно понизить шансы на исчезновение разумной жизни в ближайшей окрестности Вселенной», — говорит один из персонажей книги . с ним,
похоже, согласен стивен Хокинг, высказавшийся в том
духе, что человечество без экспансии в космос обречено (имея в виду не космологический, а исторический масштаб времени) . а в более широком плане —
чтобы открыть новые перспективы для эволюции
и экспансии жизни .
Борис Штерн
28.06.2016


35.

еСТь ли жиЗнь
У ПроКСимы
ценТавра?

Не осталось никаких сомнений: у ближайшей к нам
звезды Проксимы Центавра есть планета массой
не менее 1,3 массы Земли. Открытие сделано «дедовским» спектрометрическим методом, которым
в 1995 году была обнаружена первая экзопланета
у обычной звезды. Планету ловят по периодическому
доплеровскому смещению линий звезды из-за ее вращения вокруг общего центра тяжести с планетой.
Период 11 дней найден с хорошей значимостью,
колебания лучевой скорости звезды — ±2 м/с, что уже
давно измеримо; единственное, что удивляет, — почему
только сейчас . На самом деле международному коллективу, проводившему измерения на Европейской южной
обсерватории, о планете было известно уже давно, просто долго копили данные, а в текущем году усовершенствовали методику . легкодоступная публикация лежит
на сайте обсерватории1 .
eso .org/public/archives/releases/sciencepapers/eso1629/
eso1629a .pdf
1

332


Вообще говоря, это открытие — огромная удача . обнаружить планету земной массы спектрометрическим
методом сложно: «наводка» на движение солнца от
орбитального движения Земли — 10 см/с, что на порядок ниже современного порога регистрации . тут сказался малый размер орбиты и малая масса звезды, ну и,
конечно, сыграла свою роль ее близость к Земле .
Звезда Проксима центавра слабенькая, красный карлик: в видимом свете уступает солнцу по абсолютной
светимости в видимом свете на четыре порядка, во
всем спектре — на три порядка (0,17% солнечной светимости), расстояние до звезды — одна двадцатая земного .
Получается, 70% земного обогрева — это среднее между
Землей и марсом . Но поскольку планета тяжелая
(1,3 земных массы — это минимум, может быть и 2, и 3
в зависимости от ориентации орбиты), то можно надеяться на толстую атмосферу и парниковый эффект .
В сми сразу появились радостные предположения
о том, что планета может быть обитаема . Но всё гораздо
сложней . Планета из-за приливного трения повернута
к звезде одной стороной . Все планеты в зоне обитаемости красных карликов повернуты к звезде одной стороной — это называется приливным замыканием и достаточно легко считается .
Приливное замыкание — очень плохо для обитаемости . одна сторона всё время горячая, другая — холодная . На холодной стороне со временем окажется вся
вода в виде льда и даже весь азот и углекислый газ,
тоже в твердой фазе . собственно, вымерзнет вся атмосфера, кроме водорода и благородных газов . Правда,
оговаривается, что мощная атмосферная циркуляция
может спасти дело . лазейки, наверное, есть, но сложная
проблема остается .
Кроме того, маленькие звезды очень вредные . У них
выделенная в недрах энергия выносится наружу глубокой конвекцией, которая генерирует хаотическое маг333


нитное поле, а значит, и мощные звездные вспышки, сильУ ближайшей к нам звезды,
ный ультрафиолет, рентген
красного карлика, Проксимы
и звездный ветер, который
центавра есть планета масистощает атмосферу планеты .
Это не фатально, но очень
сой не менее 1,3 массы
осложняет дело . спасти плаЗемли. Появились предполонету может только сильное
жения, что планета может
планетарное магнитное поле
быть обитаема. но всё
и толстая атмосфера, поглощагораздо сложней. Планета
ющая ультрафиолет .
из-за приливного трения
В целом, крайне маловероповернута к звезде одной
ятно, что планета пригодна для
стороной и это очень плохо
жизни, но шанс есть . и этот
шанс вдохновляет исследоватедля обитаемости. одна столей писать статьи с климатичерона всё время горячая, друмоделями,
искать
гая — холодная. на холодной скими
лазейки и предлагать методы
стороне со временем окаисследования планеты . Предпожется вся вода в виде льда
лагаю, что команда «Звездного
и даже весь азот и углекиспаруса» (Starshot1) ликует . Но
лый газ, тоже в твердой фазе. не думаю, что открытие помоСобственно, вымерзнет вся
жет безнадежному, на мой
взгляд, проекту отправки наноатмосфера, кроме водорода
зонда, зато может стимулирои благородных газов.
вать методы наблюдений .
Напрямую
планету
еще
долго не удастся наблюдать . Ее угловое расстояние от
звезды — 1/20 секунды дуги . формально, гигантские
строящиеся наземные телескопы будут обладать лучшим разрешением . Но никакая адаптивная оптика
не избавит от гало вокруг звезды, в котором потонет
планета .
обсуждение проекта Starshot — см . http://starshot .trv-science .ru/
1

334


Космический телескоп «Джеймс Вебб», который
будет запущен в 2018 году, также вряд ли сможет
наблюдать планету напрямую: его дифракционный предел на волне 1 микрон лишь немногим меньше углового расстояния между звездой и планетой . а на
нескольких микронах, где планету наблюдать легче
и интересней, новый телескоп принципиально не сможет отделить планету от звезды . такая задача по зубам
лишь космическим интерферометрам, все проекты
которых закрыты .
Но всё же многое можно узнать, хорошо измеряя
суммарный свет звезды и планеты . одно из последних
исследований на эту тему опубликовано в этой статье1 .
Постоянно наблюдая яркость системы, можно вытянуть
периодический сигнал известной частоты, связанный
с тем, что планета поворачивается к нам то холодной,
то горячей стороной . Если планета лишена атмосферы,
амплитуда соответствующего сигнала — 3×10-5 от яркости звезды .
Если есть атмосфера — амплитуда меньше; конкретная величина зависит от характера атмосферы . а в принципе, можно вытащить и спектр планеты, из которого
можно узнать очень многое — состав атмосферы, даже
наличие кислорода .
Это всё очень интересно, и мы, вероятно, узнаем
многое о планете у ближайшей звезды в обозримое
время . Это воодушевляет, даже если результат окажется
разочаровывающим .
Борис Штерн
06.09.2016

Kreidberg L ., Loeb A . Prospects for characterizing the atmosphere of Proxima Centauri b . http://arxiv .org/pdf/1608 .07345v2 .pdf
1

335


36.

оПяТь ЭТи КраСные
КарлиКи!

В предыдущей статье мы комментировали открытие
Проксимы b, планеты, ставшей своего рода вишенкой
на экзопланетном торте . и вот 22 февраля 2017 года
с помпой объявлено об открытии сразу трех планет
в зоне обитаемости другого красного карлика —
TRAPPIST-1 . Эта система находится почти в десять раз
дальше Проксимы центавра, но есть по крайней мере
два обстоятельства, делающие находку второй вишенкой на торте за последние несколько месяцев . Это:
— сразу три планеты в зоне обитаемости, это повышает вероятность, что хотя бы одна из них пригодна
для жизни;
— эти планеты, в отличие от Проксимы b, транзитные, то есть проходят по диску звезды для земного
наблюдателя, что резко облегчает наблюдение их
атмосфер .
Пару слов об истории сенсации . система была
открыта в 2015 году небольшим бельгийским телескопом TRAPPIST . Название — Transiting Planets and
Planetesimals Small Telescope South — подогнано под
марку бельгийского пива . телескоп расположен в Чили
в обсерватории ла-силья, принадлежащей Европейской
южной обсерватории .
336


с его помощью обнаружили три транзитные планеты
у холодного красного карлика 2MASS J2306292805022851, который получил второе, более человеческое
имя TRAPPIST-1 . Это была первая планетная система,
обнаруженная данным телескопом . Потом система
наблюдалась европейским телескопом VLT (Very Large
Telescope), наконец благодаря данным инфракрасного
космического телескопа NASA «спитцер» систему «распутали» и выяснили, что планет семь . (см . цветную
вкладку рис . 35 .) собственно, о последнем шаге и была
пресс-конференция NASA 22 февраля . Результаты наблюдений опубликованы2 .
К обитаемой зоне относят планеты e, f, g, хотя
с первого взгляда планета d по интенсивности обогрева подходит больше, чем g . тут требуется довольно
сложная дискуссия с оценками возможного парникового эффекта, включающая массу неопределенностей .
Конечно, понятие обитаемой зоны очень условно .
Как бы мы ни определяли зону обитаемости,
а с реальной пригодностью для жизни каждой из этих
планет есть серьезные проблемы . те же проблемы, что
и для Проксимы b . они связаны с природой красных
карликов .
1 . Это звезды с очень бурной магнитной активностью . У них толстый конвективный слой . В отличие от
солнца, где тепло переносится наружу в основном
диффузией фотонов, там преобладает конвекция . На
солнце тоже есть конвекция, из-за чего и появляются
пятна, вспышки, протуберанцы, а на Земле — магнитные бури и полярные сияния . там все эти явления происходят куда интенсивнее .
Gillon M . et al ., Nature, 2016, Vol . 533, Iss . 7602, p . 221—224
Gillon M . et al ., Nature, 2017, Vol . 542, Iss . 7642, p . 456—
460; arXiv:1703 .01424 .
1
2

337


2 . У этих звезд в начале биографии сильно меняется
светимость . Первые миллионы лет они светят в десятки,
а то и в сотни раз ярче, чем в установившемся режиме .
3 . Зона обитаемости красных карликов находится
настолько близко к звезде, что планеты попадают
в приливное замыкание: либо они всё время обращены
к звезде одной стороной, либо сутки на них длиннее
их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый
вариант) .
Что делать, Природа второй раз менее чем за год подсовывает нам именно такие не очень обнадеживающие
планетные системы . Это неудивительно — их намного
легче найти спектрометрическим методом (Землю
у солнца таким образом обнаружить невозможно), они
с большей вероятностью оказываются транзитными,
причем транзиты более контрастны, наконец, красных
карликов больше, чем желтых и оранжевых .
Борис Штерн
28.02.2017


37.

С оТКрыТием
аТмоСферы
У ЭКЗоПланеТы,
ПоХоже,
ПоТороПилиСь

«Астрономы нашли атмосферу у экзопланеты
земного типа» — новость под примерно таким заголовком облетела мир в начале апреля 2017 года. Планета по размеру (1,2–1,4 R) и по массе (1,6 ± 0,5 МЗ)
подобна Земле, но для жизни непригодна, находится
слишком близко к звезде. Равновесная температура
для планеты — около 650 кельвинов, то есть она
слишком горячая. Звезда GJ 1132 — красный карлик,
время обращения планеты вокруг звезды — 1,6 дня.
Речь шла о планете GJ 1132 b, находящейся в 39 световых годах от нас . источником новости стала статья
интернационального коллектива (John Southworth et al .),
опубликованная в журнале Astronomical Journal . Данные были получены на одном из телескопов Европейской южной обсерватории в Чили .
Это была бы хорошая и важная новость, окажись она
правдой . Дело в том, что совсем недавно нашли пла339


неты земного типа в зоне обитаемости у красных карликов Проксима b и TRAPPIST-1 . Проксима центавра —
ближайшая к нам звезда, а в системе TRAPPIST-1 сразу
семь планет, по меньшей мере три из которых находятся в зоне обитаемости . то есть на поверхности этих
планет может существовать вода в жидком виде . Но
красные карлики — весьма проблемные звезды из-за
сильной магнитной активности . На них происходят
мощнейшие звездные вспышки, они испускают сильный
звездный ветер и жесткое излучение .
Для системы TRAPPIST-1 рентгеновское облучение
планет на три порядка выше, чем для Земли, звездный
ветер сильней примерно в той же пропорции, и как раз
он — главная проблема для возникновения жизни . он,
грубо говоря, сдувает атмосферу планет, как сдул большую часть атмосферы марса . Единственная защита
атмосферы — сильное магнитное поле планеты, выдерживающее давление звездного ветра . Видимо, требуется
планетарное поле сильнее земного, что проблематично
из-за более медленного вращения перечисленных выше
планет вокруг своей оси .
и вот обнаружена планета земной группы, находящаяся еще ближе к звезде, чем Проксима b и планеты
TRAPPIST-1, при этом ее атмосфера сохранилась! Значит, у других, более холодных планет, что вращаются
вокруг красных карликов, тоже могли сохраниться
атмосферы! Значит, они могут быть пригодны для
жизни! Замечательное было бы доказательство, если бы
результат оказался верным .
Почему я использую сослагательное наклонение?
Дело в том, что еще в декабре 2016 года, когда был опубликован электронный препринт упомянутой выше
работы, мне бросилась в глаза неправдоподобно огромная величина эффекта .
Вот что, собственно, обнаружили . Планета — транзитная, то есть для земного наблюдателя она пересекает
340


диск своей звезды, отчего наблюдаемая яркость звезды
немного падает на время . Благодаря этому свойству ее
и нашли . Периодические падения яркости одинаковой
продолжительности — это и есть четкий признак планеты . Земля затмевает солнце всего на одну десятитысячную, но это можно обнаружить с расстояния
в тысячу световых лет .
измеряя кривую блеска звезды, можно определить
размер планеты по глубине «корытца», вызванного прохождением планеты (рис . 37 .1) . По данным в оптическом диапазоне, радиус GJ 1132 b получается равным
1,37 радиуса Земли . а в ближнем инфракрасном диапазоне (фильтр z, около 900 нанометров) — почти 1,6 радиуса Земли, причем статистическая значимость отличия
составляет 4 ς (рис . 37 .2) .
Как эта разница интерпретируется астрофизиками?
Допустим, у планеты есть атмосфера . В оптическом диапазоне она прозрачна, по крайней мере, выше уровня
облаков, если на планете есть облака . Нижний уровень
прозрачности дает меньшее значение радиуса . Но
в ближнем инфракрасном диапазоне излучение поглощают пары воды . Это происходит и на Земле: в среднем
в земной атмосфере около 0,25% водяного пара, он
поглощает около четверти внешнего излучения в районе 900 нанометров . Если посмотреть на Землю на фоне
солнца, то на 900 нанометрах она будет казаться чуть
больше, чем в видимом свете . Разница в видимом радиусе будет невелика — порядка 15–20 км, в зависимости
от широты . а в случае планеты GJ 1132 b аналогичная
разница составляет 0,2 радиуса Земли — больше тысячи
километров! Как такое может быть?
Разумеется, какую-то часть этой разницы в оптическом и инфракрасных диапазонах можно объяснить
за счет температуры на экзопланете . там она вдвое
выше (в градусах Кельвина), поэтому она вдвое более
пухлая (плотность при данном давлении вдвое ниже) .
341


1,00

Нормированнй поток

0,99

0,98

0,97

0,96

0,95
–0,03 –0,02 –0,01 –0,00 0,01 0,02 0,03
орбитальная фаза
Рис. 37.1. Кривые блеска звезды GJ 1132 при прохождении планеты
по ее диску, снятые в разных спектральных полосах . Полосы g, r, i —
оптика, z — ближний инфракрасный диапазон . Верхние четыре кривые (сверху вниз) полосы g, r, i, z, следующие две — полосы g, i, снятые другим инструментом — все 6 из работы John Southworth1,
нижние две — результаты измерений телескопами Spitzer и MEarth
из работы2 . изображение из работы в Astronomical Journal1 .

1
общедоступная версия опубликована в архиве электронных
препринтов: John Southworth et al, .arXiv:1612 .02425
2
Dittmann, J . A ., Irwin, J . M ., Charbonneau, D ., Berta-Thompson,
Z .K ., Newton, E . R ., 2016, arXiv:1611 .09848

342


2,0

g

r

i

z

J

H

K

1,8

Rb(R⊕)

1,6

1,4

1,2

1,0
400

600

1000
Wavelength (nm)

2000

1 2

Рис. 37.2. Видимый радиус планеты, извлекаемый из данных, показанных на рис . 37 .1 для разных спектральных диапазонов, обозначенных рядом букв от g до K по верху рисунка . Две крайние левые
точки, противоречащие друг другу, получены разными авторскими
коллективами . Нижняя из пары — из обсуждаемой работы1 . Выше
нее точка — из работы Berta-Thompson Z . K .2 изображение из статьи
в Astronomical Journal1 .

общедоступная версия опубликована в архиве электронных
препринтов: John Southworth et al, .arXiv:1612 .02425
2
Berta-Thompson Z . K ., et al . // Nature, 2015, 527, 204
1

343


Но всё равно получается эффект в десятки, а не
в тысячи километров .
с помощью более толстой и влажной атмосферы
можно натянуть еще большую разницу, где-нибудь до
сотни километров . Но выше не прыгнешь, плотность
атмосферы убывает с высотой экспоненциально . Для
Земли постоянная в экспоненте — 7 км . Если атмосфера GJ 1132 b по составу подобна земной (доминирует N2) или венерианской (доминирует со2), то давление в ней будет падать в е раз каждые 10–15 км .
Поэтому ожидаемый эффект поглощения в полосе
около 900 нанометров для атмосферы типа земной или
венерианской на порядок меньше того, что декларируется для планеты GJ 1132 b . так диктует барометрическая формула .
Но это справедливо для атмосфер типа земной, марсианской или венерианской, где азот и углекислый газ .
а если взять юпитерианскую атмосферу — водород +
гелий — и приложить ее к планете земного типа? тогда
получится на порядок более пухлая атмосфера — молекула водорода в 14 раз легче молекулы азота, не говоря
о со2 . Напомним: при данном давлении число молекул
в единице объема не зависит от молекулярного веса .
Это значит, высота падения давления в е раз будет
на порядок больше . В такой атмосфере, где основной
газ — водород, пары воды действительно могут оказаться в достаточном количестве на высоте 1000 км .
авторы статьи понимают, что водородная атмосфера
необходима, чтобы объяснить результат, и сравнивают
его с расчетами, сделанными именно для водороднодоминированной атмосферы . и полученные данные
примерно совпадают с их гипотезой . Но…
Рассмотрим общепринятый график убегания планетных атмосфер (рис . 36 в цветной вкладке) . По горизонтали — равновесная температура, по вертикали — вторая космическая для данной планеты . Если точка,
344


соответствующая планете, ниже пунктира, обозначенного Н2, то водород из атмосферы убегает за время
меньшее, чем время существования солнечной системы .
точка, соответствующая GJ 1132 b, лежит заметно
глубже, чем Земля .
Картинка неточная — по горизонтальной оси отложена равновесная температура, а скорость убегания
зависит от температуры в экзосфере (существенно
более высокая), которая может зависеть от ряда условий . Но она примерно правильно показывает масштаб
бедствия . и этот масштаб огромен .
Дело в том, что темп убегания водорода зависит от
расстояния до линии Н2 на рис . 36 в цв . вкладке экспоненциально . обычно тепловая скорость молекул
меньше второй космической, и убегание молекул происходит на экспоненциально падающем хвосте распределения максвелла . Поэтому на более горячей планете
с близким к земному гравитационным потенциалом
скорость убегания водорода будет выше, чем на Земле,
не в разы, а на порядки . На Земле время убегания водородной атмосферы на порядки меньше времени ее
существования .
Повторюсь, что авторы статьи совершенно не обсуждают эту проблему . статей других авторов на эту тему
применительно к данной планете пока нет . Вероятно,
они сейчас пишутся . Наверное, есть и те, кто ищет
лазейки, как сохранить водородно-доминированную
атмосферу в таких условиях . Думаю, им нелегко . я могу
лишь высказать пару общих методологических соображений .
Утверждение о водородно-доминированной горячей
атмосфере достаточно старой планеты земной массы
относится к классу чрезвычайных . такая атмосфера
нефизична, даже если с помощью каких-то натяжек ее
можно обосновать . Есть хорошее высказывание Карла
сагана: чрезвычайные утверждения требуют чрезвы345


чайных свидетельств . можно ли считать результат
измерения со статистической значимостью 4 сигма
чрезвычайным свидетельством? теоретически вероятность случайной флуктуации данных на 4 сигма —
порядка одной десятитысячной . Но человек, хорошо
знакомый с научной литературой в области астрофизики, лишь криво усмехнется .
Число неподтвердившихся эффектов со статистической значимостью 4 сигма, возможно, превышает число
подтвердившихся . В физике высоких энергий 4 сигма
вызывают большее уважение, поскольку там условия
эксперимента лучше контролируются, а в астрофизике
сама проблема определения статистической значимости часто сложна .
она сложна и в данном случае, поэтому допущение,
что авторы недооценили ошибки измерений, гораздо
правдоподобней, чем допущение о водороднодоминированной атмосфере в данных условиях . тем
более данные разных работ противоречат друг другу:
значение радиуса планеты в предшествующей работе
оказывается на 0,2 земных радиуса меньше, точки для
полосы g из разных работ расходятся более чем
на 3 сигма (рис . 37 .2) .
Водородные атмосферы есть у массивных планет
(см . рис . 36 в цв . вкладке), и они найдены у нескольких экзопланет примерно тем же методом с помощью «Хаббла», который имеет более высокую чувствительность . Это горячие юпитеры и даже горячий
нептун . Вполне возможно, атмосферы есть и у землеподобных планет близ красных карликов, но они
не детектируются наземными телескопами и едва ли
по зубам «Хабблу» .
скорее всего, их сможет зарегистрировать новый
космический телескоп «Джеймс Вебб», который будет
запущен в 2021году . Подождем, осталось недолго .
25.04.2017
346


Послесловие
В мае 2018 года вышла работа1 с новыми спектральными измерениями транзитов GJ 1132 b . Никакого
эффекта, который мог бы быть связан с атмосферой,
не обнаружено . Наличие водородно-доминированной
влажной атмосферы исключено на уровне 3 .5 сигма .
Данные совместимы с полным отсутствием атмосферы .
Борис Штерн

Diamond-Lowe, et al ., (May 18, 2018) . The Astronomical Journal . 156 (2): 42 . arXiv:1805 .07328
1


38.

в далеКом
СоЗвеЗдии
ТаУ КиТа…

Где находится ближайшая к нам планета, пригодная для земной жизни? Автор данной статьи
в своей книге «Ковчег 47 Либра» поместил ее на расстояние 60 световых лет. Оценка была сделана «в
лоб» по данным «Кеплера». Оказалось, что эта
величина сильно завышена.
так, Эрик Петигура, Эндрю говард и Джеф марси
(Erik A . Petigura, Andrew W . Howard, Geoffrey W . Marcy)1
измерили вероятность того, что планета земного типа
у звезды типа солнца будет найдена в данных космической обсерватории «Кеплер» . По их расчетам, такая
вероятность составляет всего лишь порядка процента
(может быть, двух-трех), ведь «Кеплер» проработал
по основной программе слишком недолго, чтобы уверенно выделять слабый сигнал от далеких земель .
Поэтому далеких земель гораздо больше, чем подразумевал автор, и ближайшая находится всего
в 15–17 световых годах от нас . Другие авторы подE . Petigura, A . Howard, G . Marcy, arxiv .org/abs/1311 .6806

1

348


твердили эту оценку и даже чуть подвинули ее в сторону большего оптимизма .
Но где именно находится эта планета? Все звезды
типа солнца на таком расстоянии прекрасно видны
невооруженным глазом и давно поименованы . У которой из них есть планета, пригодная для земной жизни?
сможем ли мы найти ее в обозримое время?

вот, двигаясь
По световому луЧу…
Напомним, что большая часть экзопланет была обнаружена двумя способами: методом радиальной (лучевой) скорости и методом транзитов . Первый метод —
он и исторически был первым, так как первые планеты
были открыты с его помощью . В этом случае исследователи ищут слабые периодические колебания скорости
звезды по лучу зрения: если вокруг звезды вращается
планета, звезда тоже вращается вокруг общего с планетой центра тяжести . Поэтому скорость звезды, измеряемая по доплеровскому смещению спектральных линий,
модулируется вращением планеты .
Когда в 1995 году открыли первую экзопланету
у звезды типа солнца, чувствительность метода была
чуть лучше десяти метров в секунду . со временем она
была доведена до метра в секунду, даже чуть лучше .
Юпитер наводит на солнце движение со скоростью
10 м/с, что легко измеряется . Земля — всего 10 сантиметров в секунду, что выглядит безнадежным для ее обнаружения этим методом .
Второй метод более чувствителен, но очень избирателен . он работает, если повезет: плоскость орбиты планеты должна проходить через луч зрения между наблю349


дателем и звездой . тогда планета для нашего наблюдателя будет пересекать диск звезды, немного затмевая ее .
В этом случае она называется транзитной .
соответствующая вероятность для Земли с точки
зрения удаленного наблюдателя — 1/200 . Если планета
ближе к звезде, то вероятность больше: она равна отношению радиуса звезды к радиусу орбиты . Зато если
повезло, и планета транзитная, то она видна с огромных расстояний (до двух тысяч световых лет), даже
если она не больше Земли . Земля затмевает солнце для
далекого наблюдателя всего лишь на одну десятитысячную, но это прекрасно измеряется, если дождаться
нескольких таких затмений . Более того, есть надежда
обнаружить атмосферы у многих транзитных планет .
Но напомним, что метод транзитов работает лишь
очень избирательно . Ближайшей системой, которую
исследователям повезло обнаружить, была TRAPPIST-1
(см . главу 36), красный карлик в 40 световых годах . Рядом
с ней обнаружено сразу 7 планет земного типа, из которых три находятся в зоне обитаемости . Увы, красный
карлик — совсем не ласковая для жизни звезда . Но открытие всё равно радует, суля много планет, хороших и разных, в ближайшей окрестности . Если уж речь зашла
о красных карликах, то для них метод лучевой скорости
может выявить и небольшие планеты в зоне обитаемости . Во-первых, в этом случае звезда легче, во-вторых,
зона обитаемости гораздо уже, ведь планета движется
быстрее . и этот метод сработал для ближайшей звезды —
Проксимы центавра . В 2016 году у нее обнаружили планету с массой, близкой к массе Земли, которая получает
примерно столько же тепла, как и Земля .
Увы, Проксима центавра — тот же красный карлик,
причем очень активный: его рентгеновские вспышки
регистрируются
орбитальными
обсерваториями .
В данном случае лучевые колебания скорости
звезды — ±1,7 м/с, во много раз больше, чем для зем350


леподобной планеты в зоне обитаемости солнечноподобной звезды . Увы, перспективы жизни на такой планете весьма призрачны .
Вскоре нашли еще одну близкую землеподобную планету у красного карлика Ross 129 за 11 световых лет от
нас . В этом случае звезда спокойней в плане вспышек,
но у красного карлика есть и другие зловредные свойства .
Вполне естественно, что ближайшие находки по части
экзопланет будут связаны с красными карликами .
Помимо того что их планеты легче наблюдать, красных
карликов на порядок больше, чем звезд класса солнца .
сложилось впечатление, что в ближайшее время коллекция близких и скорее всего бесплодных экзопланет
у красных карликов пополнится, и найдутся перспективные планеты где-нибудь под сотню световых лет от
нас . а близкие земли, пригодные для обитания, останутся неведомыми до наступления неопределенных
лучших времен, когда люди научатся делать и смогут
финансировать космические интерферометры .

ужасно Повысилось
знание
тем временем метод лучевой скорости не стоял
на месте . Во-первых, было до предела усовершенствовано оборудование . один из лучших инструментов, уже
давно достигший точности 1 м/с, HARPS (High Accuracy
Radial Velocity Planet Searcher), много лет используется
в Южной европейской обсерватории (ESO) . спектрометр работает с 2002 года, и всё, что он измеряет,
ложится в архив .
Поиск экзопланет уже давно, по большей части, превратился в архивные раскопки . так, несколько лет назад
351


группа английских и американских исследователей
начала «атаку» на ближайшую к нам одиночную звезду
типа солнца, воспетую Высоцким и ставшую культурным мемом, — тау Кита . она чуть поменьше солнца
(0,7 по массе и 0,5 по светимости), чуть старше (5,8 млрд
лет, но и жить будет дольше) и спокойней . Планетгигантов у тау Кита нет, по крайней мере на орбитах
с не слишком большим периодом обращения .
Команда использовала архивные данные HARPS
с 2002 по 2013 год, всё это время проводились регулярные наблюдения тау Кита . За эти годы снято
9000 спектров . Были архивированы не исходные спектры, а результаты их обработки, содержащие значения
лучевой скорости, вычисленные по разным интервалам спектра, а также разнообразная дополнительная
информация . Как уже сказано, точность метода — около
метра в секунду, но это если действовать «в лоб» . На
самом деле точность ограничивает не спектрометр,
а «шум» звезды — ее бурление, вращение, вспышки
и тому подобное .
главное, что удалось сделать исследователям, —
хорошо изучить этот шум по архивным данным и создать «модель фона» (в двух вариантах), которая позволяет, по утверждению авторов, достичь точности
20 см/с . Это уже близко к заветным 10 см/с, когда косяком пойдут настоящие земли . Впрочем, и на уровне
20 см/с может найтись немало «обитабельных планет»,
а система тау Кита — как раз такой случай .
Первые обнадеживающие результаты по тау Кита были
получены еще в 2013 году1 . тогда в архивных данных
нашли указание на 5 планет с массами больше земной,
но не настолько большими, чтобы выскочить за пределы
класса земель . их периоды обращения, согласно первым
результатам, — 14, 35, 94, 168 и 642 дня . массы были опре1

352

Tuomi M ., Jones H . R . A ., Jenkins J . S ., et al . 2013, A&A, 551, A79 .


делены плохо, точно можно
было сказать лишь то, что все
Поиск экзопланет уже давно
кандидаты в планеты заметно
превратился в архивные растяжелей Земли .
с тех пор команда выросла, копки. Так, несколько лет
методы обработки данных усо- назад группа английских
вершенствованы, и в 2017 году и американских исследовабыли опубликованы новые телей начала «атаку»
результаты работы исследова- на ближайшую к нам одителей1 . существование планет
ночную звезду типа Солнца,
с периодами 14, 35 и 94 дня
не подтвердилось . Зато суще- воспетую высоцким и ставствование планет с периодами шую культурным мемом, —
168 и 642 дня подтвердилось Тау Кита.
на более высоком уровне
достоверности (периоды немного сдвинулись) .
Найдены планеты с новыми периодами в 20 и 49 дней,
и тоже с хорошей достоверностью . массы планет определены гораздо лучше . Правда, командой измеряется
не масса, а комбинация M sin (i), где i — угол между
осью орбиты и лучом зрения, то есть минимальная
масса . Значения минимальных масс обнаруженных планет таковы: 1,7; 1,8; 3,9; 3,9 земной массы . ошибки колеблются в пределах от 0,3 до 1,3 массы Земли .
можно ли считать эти результаты абсолютно надежными и окончательными? статистическая значимость
вышеперечисленных периодов высокая, но в спектре
мощности кривой блеска тау Кита видны и другие
значимые пики . Это в первую очередь связано с так
называемой проблемой «алиасинга» — из-за дискретности наблюдений возникают артефакты, имитирующие периодический сигнал . Например, есть еще пик
Feng F ., Tuomi M ., Jones H . R . A ., Barnes J . , Anglada-EscudΛ
G ., Vogt S . S ., and Butler R . P ., The Astronomical Journal . Volume
154, Number 4 . 05 .09 .2017 .
1

353


на 1000 днях, который авторы статьи считают алиасингом 640-дневного пика . В общем, работа исследователей должна быть продолжена, причем с новыми
данными, но надежда, что существование описанных
выше планет подтвердится, достаточно высока .

на тау ките условия не те?
На рисунке 37 в цветной вкладке изображены планетные системы тау Кита и солнца по отношению
к зоне обитаемости звезд . Зона обитаемости, конечно,
понятие условное — климат на планете сильно зависит
от ее атмосферы . В цитируемой работе обсуждение
«обитабельности» планет сведено к минимуму . Планета e получает примерно столько же тепла, сколько
Венера (которая, возможно, годилась для обитания,
пока не произошла парниковая катастрофа) . В свою
очередь, планета f — столько же, сколько марс (который, вероятно, был пригоден для жизни, пока не потерял почти всю атмосферу) . между ними напрашивается
еще одна меньшей массы, тогда это была бы Земля собственной персоной . стоит ли заключать пари? Не знаю,
но в любом случае ждать ответа придется долго .
с наибольшей вероятностью для жизни подходит
планета f . столь тяжелая планета должна обладать
достаточно толстой атмосферой с парниковым эффектом, который способен сделать ее более гостеприимной, чем ранний марс, на котором текли реки, впадающие в моря .
Но и у тау Кита есть отягчающее обстоятельство,
хотя и не столь фатальное, как у красных карликов .
измерения, сделанные субмиллиметровым интерферометром ALMA, показали, что вокруг звезды довольно
много пыли — пылевой пояс распростерся от примерно
354


10–20 до 60–70 астрономических единиц . Пыли там
на порядок больше, чем в солнечной системе . сама
по себе пыль безвредна, но где она, там и астероиды,
которых получается тоже существенно больше, чем
у нас . Это чем-то похоже на наш пояс Койпера, только
более плотный и подходящий ближе к звезде .
В этом случае планеты будут сильней бомбардироваться, а тамошние динозавры часто вымирать . Но здесь
опять важны неизвестные обстоятельства . Какова «энтропия» тамошнего пояса Койпера? иными словами,
насколько он динамически релаксирован, насколько
вытянуты орбиты и каков разброс наклонений из орбит?
Наверняка на эту тему уже есть или скоро появятся
оценки .
Борис Штерн
10.04.2018


39.

ЭКЗолУны

На каждой публичной лекции про экзопланеты
кто-нибудь обязательно задает вопрос про спутники экзопланет. Вопрос настолько интересен,
что заслуживает отдельной статьи.
На данный момент число найденных экзопланет приближается к шести тысячам (включая неподтвержденные) . сколько крупных спутников должно быть у этих
планет? глядя на нашу солнечную систему, можно
предположить, что примерно столько же — у нас
на восемь планет приходится семь спутников размером
с луну и больше (луна, ио, Европа, ганимед, Каллисто,
титан, тритон) . а что можно сказать о спутниках экзопланет? Увы, пока почти ничего . и всё же первые пока
еще смутные результаты начинают появляться .
спутники планет интересны тем, что на них возможна
жизнь, даже если планета гигантская и сама по себе никак
для жизни не приспособлена . Например, найдено довольно
много планет-гигантов в «зоне обитаемости» (45 по данным 2014 года) . Если у них есть достаточно крупные спутники, почему бы на них не возникнуть жизни? там должен
быть замечательный вид: планета-гигант, доминирующая
на небе, видимая и ночами, и днями . Конечно, такая
356


картина вдохновляет художников, и в некоторой степени
исследователей, работающих с данными «Кеплера» .
По-видимому, эти данные — единственное место, где
в настоящее время можно открыть спутник экзопланеты .

для наЧала, некоторые
Полезные Понятия
спутник планеты не может вращаться вокруг нее
на каком угодно расстоянии . Размер орбиты ограничен
сверху так называемой сферой Хилла, вне которой спутник покидает поле тяготения планеты и становится самостоятельным спутником звезды . Вот радиус этой сферы
для простейшего случая, когда орбита спутника круговая:
RH = a (m/3M)1/3, где a — большая полуось орбиты планеты, m — масса планеты, M — масса звезды . Для Земли
радиус Хилла около 1,5 млн км . Чуть дальше располагаются точки лагранжа L1 и L2, куда выводят космические
телескопы . Рекордный в солнечной системе радиус Хилла
у Нептуна — около 100 млн км . В реальности из-за различных возмущающих факторов радиус орбит, стабильных
на масштабе миллиарды лет, меньше — около половины
или даже трети радиуса Хилла .
Размер орбиты ограничен
и снизу: на слишком тесной
орбите спутник разрывается
Спутники планет интересны
тяготением планеты и превращается в подобие колец сатурна . тем, что на них возможна
Этот предел называется зоной жизнь, даже если планета
Роша, его суть — приливные гигантская и сама по себе
силы превышают самогравита- никак для жизни не приспоцию спутника . Предел Роша соблена.
зависит от жесткости послед357


него: если спутник может деформироваться, как жидкость, то предел Роша почти в два раза больше . Все спутники солнечной системы находятся вне «жесткого»
предела Роша, но некоторые благополучно существуют
внутри «жидкого» предела, например, пять ближайших
спутников сатурна .
Для самых горячих юпитеров радиус сферы Хилла близок к пределу Роша — спутников у них заведомо существовать не может . Но существуют и другие механизмы
неустойчивости орбит спутников, действующие поблизости от звезды, так что вероятность существования спутников у планет с периодом обращения до 10–20 дней
в течение миллиардов лет пренебрежимо мала . Жаль,
поскольку среди открытых экзопланет очень много короткопериодических, и в ближайшие годы они будут доминировать среди новых поступлений . и, главное, у короткопериодических планет спутники было бы обнаружить
легче всего, если бы они там были .
Но нас больше всего интересуют спутники планет
в «зоне обитаемости» . там их орбиты могут быть
устойчивы в течение многих миллиардов лет — посмотрите на луну .

как найти сПутник
экзоПланеты
сколь велики могут быть спутники планет? Если судить
по солнечной системе, то типичное соотношение суммарной массы спутников и массы планеты — 1/10000 . Это
выполняется для системы Юпитера, сатурна (с небольшим
превышением за счет титана) и Урана . У Нептуна и марса
масса «родных» спутников меньше (тритон — не родной,
это захваченный объект пояса Койпера) . Видимо, такое
358


соотношение естественно при образовании спутников из
пылевого диска вокруг планеты . луна — отдельный разговор: ее масса на два порядка выше типичной массы спутников, она образовалась в результате катастрофического столкновения . тогда мы вправе ожидать, что масса спутников
суперъюпитеров с 10 юпитерианскими массами (а таких
обнаружено немало) будет порядка массы марса . такое
тело вполне может быть заметно при транзите планеты:
сначала звезду затмевает спутник, потом уже сама планета .
Эффект от спутника будет в сто раз меньше, но при хорошей статистике транзитов (планета много раз пересекает
диск звезды) он может быть более-менее надежно выявлен .
Конечно, спутником может оказаться и захваченная планета, в этом случае он может быть существенно больше,
но вряд ли кто способен сказать, какова вероятность найти
аномально большой захваченный объект .
Другой вариант — тайминг транзитов . Если спутник
опережает планету в движении по орбите вокруг звезды,
транзит планеты наступает чуть позже, если отстает —
чуть раньше . Например, если все спутники Юпитера
собрать в один и поместить на место ганимеда, то смещение Юпитера составит плюс-минус 100 км, что выражается в задержке/опережении транзитов примерно
на 7 с — на 4 порядка меньше времени транзита . Это
далеко за пределами точности измерений . спутник должен быть аномально большим . В общем случае этот
метод слабей предыдущего .
спутники планет в принципе не могут быть обнаружены спектрометрическим методом по лучевой скорости звезды — здесь все мыслимые эффекты от спутника
пренебрежимо малы .
остается метод гравитационного микролинзирования, но он основан на редком везении . Если фоновая
звезда (не хозяйская, а далекая на заднем плане) пройдет точно за планетой со спутником, в кривой блеска
этой звезды появится двойной пичок .
359


В целом, наиболее перспективен первый из перечисленных методов — транзит спутника . он требует очень
большого массива наблюдений . такой массив существует, это архивные данные «Кеплера», находящиеся
в открытом доступе . «Кеплер» проработал по основной
программе четыре с небольшим года . маловато, чтобы
надежно выявлять транзиты спутников в «зоне жизни»,
но лучших данных не существует . В настоящий момент
следы спутников надо искать там, и вполне возможно,
что один спутник уже найден .

Поиски экзолун
Первый намек на спутники был найден у планеты с «телефонным номером» 1SWASP J140747 .93-394542 .6 b1 . Это
гигантская планета массой 20 юпитерианских — на грани
с бурым карликом . транзиты показали, что у нее огромная
система колец, у колец есть щели, а в щелях должны сидеть
спутники, именно они эти щели выедают . Это всё . Никакой
другой информации об этих спутниках нет .
Еще один спутник найден по микролинзированию
у планеты-сироты, свободно летящей в пространстве .
сказать что-то о массе планеты и спутника трудно, это
может быть бурый карлик с обращающимся вокруг
него нептуном . Этот случай не столь интересен .
В 2012 году астрономы Пулковской обсерватории
объявили о возможном открытии спутника у экзопланеты WASP 12b . Это очень горячий юпитер, обращающийся вокруг звезды класса солнца за день . Во время
транзита планеты наблюдались всплески яркости, что,
по мнению авторов наблюдений, можно интерпретироA . Teachey, D Kipping, Science Advances 03 Oct 2018: Vol . 4,
no . 10, eaav1784, arXiv: 1810 .02362
1

360


вать как прохождение планеты по звездным пятнам или
как спутник планеты, периодически сливающийся с ее
диском . Вторая интерпретация вызвала заметный отклик
в российской прессе, но она попросту нефизична: сфера
Хилла для данной планеты практически совпадает
с зоной Роша . Не может там быть никакого спутника .
Для поиска экзолун в данных «Кеплера» был организован проект HEK (Hunt for Exomoons with Kepler) . Команда
проекта хорошо перетряхнула данные и, похоже, вытащила оттуда некоторую полезную информацию . Правда,
не очень оптимистическую . Результаты, излагаемые ниже,
опубликованы в октябре 2017 года в одной статье1 .
с одной стороны, обнаружено указание на спутник
планеты Kepler 1625 b . статистическая значимость около
4 Λ, что довольно мало, учитывая большое количество
исследованных экзопланет . Хуже того, в том же исследовании у планеты одной из звезд найден «антиспутник»,
т . е . сигнал обратного знака с той же значимостью
4 Λ. Понятно, что этот сигнал ложный, так как естественных явлений, имитирующих «антиспутник», не существует . Причем у планеты наблюдалось всего три транзита, и достаточно убедителен лишь один из них . Если
эффект подтвердится, это будет спутник размером
с Нептун у планеты массой минимум 10 масс Юпитера
(масса оценивается по орбите предполагаемого спутника), что соответствует захваченной планете . спутник
с планетой находятся в «зоне жизни»: обогрев точно такой
же, как у Земли . орбита предполагаемой планеты стабильна — лежит глубоко внутри сферы Хилла и далеко
вне предела Роша . авторы не настаивают на открытии
и заказали наблюдение Kepler 1625 телескопом «Хаббл»
на 28–29 октября 2017 года — время очередного транзита .
оно состоялось . Никаких опубликованных сведений,
кроме конференционного абстракта с резюме «доклады1

A . Teachey, D Kipping, A Schmitt, arXiv:1707 .08563v2

361


ваются предварительные результаты наблюдений», пока нет .
в 2012 году астрономы ПулЭто, скорей всего, значит, что
ковской обсерватории объянаблюдение не дало однозначвили о возможном открытии
ного результата .
спутника у экзопланеты
Другой разочаровывающий
результат получен методом слоWASP 12b. Это очень горяжения транзитов многих планет
чий юпитер, обращающийся
вокруг звезды класса Солнца из базы данных «Кеплера» .
авторы отобрали три с лишним
за день.
сотни экзопланет, которые, с их
точки зрения, наиболее перспективны для поиска спутников . среди критериев — размер орбиты между 1 и 0,1 астрономической единицы
и хорошее качество данных . В качестве искомого эффекта
выявлялось затемнение звезды от аналога галилеевых
спутников планеты, т . е . масштабированных по размеру
планеты аналогов галилеевых спутников Юпитера . В данном случае бралась сумма кривых блеска по всем транзитам всех планет выборки .
Увы, положительный сигнал не превышает 2 σ,
и результат ставит научно значимый верхний предел
на распространенность крупных спутников . Доля планет с аналогом галилеевых спутников не превышает
0,38 на уровне достоверности 95% .
Похоже, недостача спутников экзопланет по отношению к спутникам Юпитера вполне реальна . Наиболее
простое объяснение: население крупных экзопланет внутри 1 а . е . у звезд класса солнца — это скорей всего
мигранты из более дальних областей . Что делается со
спутниками планет при миграции? Вполне возможно,
они теряют устойчивость .
Напоследок . Команда серьезных ученых прочесала
данные «Кеплера» на предмет спутников экзопланет . Значит ли это, что тема исчерпана и никому не светит найти
в этих данных ничего нового на предмет экзолун? Ничего
362


подобного! Во-первых, любые
работы надо повторять для проверки . мои друзья перепрове- для поиска экзолун в данных
рили данные микроволнового «Кеплера» был организован
телескопа WMAP, казалось бы проект HEK (Hunt for
перепроверенные
до
дыр, Exomoons with Kepler).
и нашли явные артефакты, кото- Команда проекта перетряхрые потом пришлось исправ- нула данные и вытащила
лять . Во-вторых, это огромный
оттуда некоторую полезную
объем работы, который не под
информацию.
силу одной команде . Поэтому
хотелось
бы
воодушевить
волонтеров: данные открыты, требуется лишь серое вещество, которое в России всё еще есть в наличии .

Послесловие
Недавно опубликованы две статьи, в которых оспаривается реальность спутника у Kepler 1625 b . В первой1 статье утверждается, что результаты подгонки по спутнику
данных «Кеплера» и «Хаббла» довольно подозрительны
(далеки от наилучшего фита) и могут быть следствием
либо 1 дневного пробела в данных «Кеплера», либо активностью звезды, либо неизвестной систематики . Во второй2 статье утверждается, что авторы, действуя методом
максимального правдоподобия, смогли описать транзиты
Kepler 1625 b без спутника, обойдясь меньшим числом
параметров и получив лучшее правдоподобие . таким
образом, существование спутника у планеты хотя и не
исключено, но остается под большим вопросом .
Борис Штерн
03.07.2018
1
2

R . Heller, K . Rodenbeck, G . Bruno, arXiv:1902 .06018
L . Kreidberg, R . Luger, M . Bedell, arXiv:1904 .10618

363


не БойТеСь СКаЗаТь
«иСТина»
(вместо Послесловия)

В этой книге речь шла и о гипотезах (в том
числе отвергнутых), и о твердо установленных
фактах и теориях, облаченных в математические уравнения, подтвержденных экспериментами
и наблюдениями. Большинство из них лежит
далеко вне зоны человеческого восприятия. Вселенная возраста доли секунды, кривое пространство, квантовые флуктуации, вырастающие
в галактики, слияние черных дыр, регистрация
смещений в тысячи раз меньше размеров протона — от всего этого поначалу мозг перекручивается, как рог барана. Отсюда — естественная
реакция неискушенного человека: дескать, это
все вилами на воде писано, это все — сказки, придуманные учеными для получения грантов, и т.п.
Когда 24 декабря 2017 г . умер знаменитый лингвист
андрей Зализняк, социальные сети облетела его цитата
насчет истины . Повторим ее: «истина существует,
и цель науки — ее поиск» . Это сказано в 2007 году при
вручении литературной премии александра солжени364


цына1 . В выступлении Зализняка есть и другие важные
тезисы, но именно этот вызвал наибольший энтузиазм .
Казалось бы, это высказывание академика — азбучная
истина . однако иногда азбучные истины очень полезно
повторять: они забываются, точнее, тонут в словесном
мусоре . Человек, живущий в потоке демагогии и мракобесия, зачастую перестает верить вообще во чтолибо, в том числе и самому себе: «Это я свихнулся или
окружающий мир?» и когда он слышит четкое высказывание уважаемого академика, вроде того что «да, эта
азбучная истина верна, и на том стою», появляется
твердая почва под ногами .
Нам кажется, что сейчас высказывание андрея
Зализняка про истину и про доверие профессионалам
актуальней, чем в 2007 году . с тех пор тьма лишь сгустилась . одни люди вообще потеряли какие-либо ориентиры, зато другие лишь сильней соскучились
по настоящим словам и базовым понятиям, «вышедшим из моды», заметенным словесной пургой . именно
поэтому этот тезис из выступления десятилетней давности дал сейчас такой резонанс . и мы готовы повторить: да, истина существует, да, цель науки — ее поиск .
Впрочем, с нами и так все ясно, а вот когда этот тезис
произносит представитель гуманитарных наук, он звучит сильнее .
Что есть истина? Конечно, говоря об истине, в данном контексте никто не говорит о некоем абсолюте, да
еще с религиозным оттенком . истина, что житейская,
что научная, принимает конкретное выражение, она
может быть ограничена некими рамками . Но от этого
она не перестает быть истиной . Вместо того чтобы вязнуть в тяжеловесных определениях, лучше дать
несколько примеров .
https://elementy .ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430463/
430464
1

365


Далеко ходить не будем, вот ближайшие примеры
научной истины:
• Происхождение человека от обезьяны (общего
предка с современными обезьянами) — истина . Приводим этот пример как самый хрестоматийный: как-никак
предмет горячей полуторавековой борьбы между научным и религиозным взглядами на мир . Его же приводит в своей речи андрей Зализняк .
• Расширение Вселенной из сверхплотного горячего состояния, начавшееся около 14 млрд лет назад
(большой взрыв) — истина . Заметное противодействие
этой истине существует в широких народных массах,
поскольку всё это очень трудно представить, поскольку
речь идет о нечеловеческих масштабах, нечеловеческих условиях, нечеловеческой геометрии . Зато именно
здесь ярче всего появляется мощь науки, которая прекрасно работает в этих «нечеловеческих» областях,
отлично сводя все концы с концами .
• Темная материя, превышающая по средней плотности обычную материю примерно в 5 раз, существует,
хотя мы не знаем, из чего она состоит .
• Гравитационные волны существуют, и они зарегистрированы, будучи испущенными при слиянии черных дыр . Это окончательно подтверждает существование черных дыр .
а вот теория космологической инфляции, которая
описывает биографию Вселенной до Большого взрыва,
будучи самой правдоподобной и плодотворной гипотезой, пока чуть-чуть не дотягивает до статуса истины .
Причем известно, что надо измерить, чтобы теория
инфляции утвердилась, но это дело нескольких лет .
а что касается самых первых мгновений существования Вселенной, ее перехода от квантового к классическому состоянию (околопланковские масштабы), там
истина всё еще «закопана» очень глубоко . Это вызов
366


нынешним и будущим профессиональным исследователям . Примерно так же обстоят дела и во многих других
областях науки: что-то утвердилось навеки, что-то —
вот-вот, а где-то всё настолько неясно, что у исследователей опускаются руки .
то, что мы перечислили — это истины на века, как бы
не менялся контекст по мере развития науки . точно так
же законы Ньютона в наших масштабах и уравнения
максвелла — на века, хотя и изменился контекст . мы
не будем агитировать читателей за уважение к научной
истине и за рациональный образ мыслей . Наше дело —
показать, как он работает, рассказать, как добывали
научную истину в конкретных случаях, и если какие-то
из рассказанных нами историй воодушевили читателя,
значит, нашего полку прибыло .
Борис Штерн, Валерий Рубаков


Учебное издание
Серия «Удивительная наука»

16+
Борис Штерн, Валерий Рубаков
АстрофизикА. троицкий вАриАнт
Ведущий редактор C. Якубова
Литературный редактор А. Шапошникова
Технический редактор Н. Чернышева
Компьютерная верстка А. Грених
Дизайн обложки Д. Агапонова
Подписано в печать 20.08.2020. Формат 60х90/16.
Усл. печ. л. 23.
Печать офсетная. Гарнитура Prospect
Тираж 3000 экз. Заказ №
Общероссийский классификатор продукции ОК-034-2014 (КПЕС 2008);
58.11.1 — книги, брошюры печатные.
Произведено в Российской Федерации. Изготовлено в 2020г.
Изготовитель: ООО «Издательство АСТ»
129085 г. Москва, Звездный бульвар, д. 21, строение 1, комната 705,
помещение I, этаж 7
Наш электронный адрес: www.ast.ru
«Баспа Аст» ЖШҚ
129085, Мәскеу қ., Звёздный гулзар, 21-үй, 1-құрылыс, 705-бөлме,
I жай, 7-қабат.
Біздін электрондық мекенжаймыз: www.ast.ru
Интернет-дүкен: www.book24.kz
Импортер в Республику Казахстан ТОО «РДЦ-Алматы».
Қазақстан Республикасындағы импорттаушы «РДЦ-Алматы» ЖШС.
Дистрибьютор и представитель по приему претензий на продукцию
в республике Казахстан: ТОО«РДЦ-Алматы» Қазақстан Республикасында
дистрибьютор және өнім бойынша арыз-талаптарды қабылдаушының
өкілі – «РДЦ-Алматы» ЖШС
Алматы қ., Домбровский көш., 3«а» үй, Б литері, 1 кеңсе.
Тел.: 8(727) 2 51 59 90,91; факс: 8 (727) 251 59 92 ішкі 107;
E-mail: RDC-Almaty@eksmo.kz, www.book24.kz
Тауар белгісі: «АСТ»
Өндірілген жылы: 2020
Өнімнің жарамдылық мерзімі шектелмеген.
Өндірілген мемлекет: Ресей
Сертификация – қарастырылмаған