Творець « Астрона»

Минулої суботи, 3 серпня, на 88-му році життя помер академік РАН Микола Семенович Кардашев, видатний вітчизняний астрофізик, творець і керівник проекту «Радіоастрон», один з авторів методу радіоінтерферометрії з наддолинною базою, завдяки якій астрономи змогли побачити «тінь» чорної діри і зазирнути в надра квазарів. Ми розповімо про кілька важливих відкриттів Кардашева, які суттєво вплинули на наше розуміння процесів, що йдуть у Всесвіті.

Зонд для туманностей

У 1963 році Кардашев, будучи в аспірантурі у Йосипа Шкловського, з успіхом захистив кандидатську дисертацію за темою генерації синхротронного радіовипромінювання релятивістськими електронами з різним енергетичним спектром.

У дисертації було розглянуто проблему, за якою за чотири роки до захисту Кардашев опублікував невелику, але важливу статтю в Астрономічному журналі. Мова йде про можливість виявлення в радіодієзоні рекомбінаційних ліній атомного водню на високих рівнях.

Якщо ми розглянемо розріджене міжзоряне середовище, то в ньому в ході процесів рекомбінації та іонізації за участю іонів та електронів можуть утворитися атоми з високим рівнем збудження, у яких кількість рівнів може досягати ста і більше. Надалі під час переходів захоплених електронів на рівні з меншою енергією, згідно з постулатами Бора, відбувається випускання фотонів, які можуть спостерігатися в радіодієстоні, якщо кількість атомів на промені зору досить велика, а середовище характеризується низькою щільністю (інакше в гру вступить ефект Штарка, через який лінії розмиваються і послаблюються). Ці лінії отримали назву рекомбінаційних.

Найбільш поширеним елементом у міжзоряному середовищі є водень. Можливість утворення радіоліній у високовізоленого атомарного водню відзначив в 1952 році австралійський астроном Джон Вайлд, однак тоді він вважав, що спостерігати їх буде неможливо, так як множинні радіолінії зі значеннями головних квантових чисел більше 300 будуть зливатися один з одним в безперервний фон. Схожої думки був і голландський астроном Хендрік ван де Хюлст.

Проте Кардашеву вдалося показати, що це можливо і що найбільш придатні для спостережень області HII - великі туманності, що містять іонізований водень. Для пошуків найкраще підходив діапазон довжин хвиль від півтора до чотирьох сантиметрів, а цілями стали яскраві туманності Оріона і Омега.

Того ж 1959 року, коли Кардашев опублікував свої висновки, в Пущинській обсерваторії вступив у стрій 22-метровий радіотелескоп з високочутливим радіоспектрометром. Спостереження, проведені з його допомогою в 1964 році, а також дані, отримані в Пулківській обсерваторії, підтвердили ідеї Кардашева - у спектрі випромінювання туманності Омега були знайдені радіолінії, створювані переходами _n91-n90 і _n105-n104 в збудженому атомі водню, які через кілька місяців трохи змістилися через рух Землі по орбіті, що доводило їх космічне походження.

Через рік ці результати були підтверджені за допомогою радіотелескопів, розташованих в США, а ще через рік були виявлені рекомбінаційні лінії гелію, а потім - вуглецю. Виявилося, що такі спостереження дають унікальну можливість дослідити фізичні умови в областях HII, холодних молекулярних хмарах і планетарних туманностях, побудувати розподіл іонізованого водню в Чумацькому шляху, завдяки чому можна краще зрозуміти структуру і еволюційний шлях нашої галактики.

Загадки Краба

У 1964 році Кардашев опублікував ще одну свою значиму роботу, присвячену природі радіовипромінювання від різних астрофізичних об'єктів. У ній, крім усього іншого, він розглянув ситуацію гравітаційного колапсу замагніченої зірки зі збереженням її магнітного моменту і показав, що в результаті утворюється нейтронна зірка, що існує, володіє величезним магнітним полем. Це дозволяло пояснити походження потужного електромагнітного випромінювання від точкового джерела в центрі Крабовидної туманності (залишок наднової, що спалахнула в 1054 році в сузір'ї Тельца). Кардашеву вдалося показати, що саме нейтронна зірка, поступово сповільнюючись, постачає енергію в туманність, що розширюється.

Таким чином, Кардашев, по суті, передбачив існування радіопульсарів і описав механізм їх роботи за три роки до того, як вони були відкриті астрофізиком Джоселін Белл. Сам же пульсар в центрі Крабовидної туманності був відкритий в 1968 році, і спостереження підтвердили, що ми маємо справу з обертовою нейтронною зіркою діаметром близько 25 кілометрів, яка відповідальна за форму туманності, її магнітне поле і випромінювання.

Шкала цивілізацій

Крім іншого, Микола Кардашев займався питаннями пошуку позаземних цивілізацій і встановлення зв'язку з ними (проект SETI). Він входив до групи радянських астрономів, які на початку 60-х років минулого століття організовували практичні роботи з пошуку сигналів позаземного розуму. Завдяки йому і Карлу Сагану у вересні 1971 року була проведена перша радянсько-американська конференція з проблеми SETI.

У 1964 році у світ вийшла найбільш, мабуть, незвичайна стаття Кардашева, що отримала назву «Передача інформації позаземними цивілізаціями». У ній були визначені параметри безперервної ізотропної широкосмугової передачі від розвинених цивілізацій, оптимальний діапазон хвиль для встановлення міжзоряного зв'язку (10⁹-10¹¹ герц), показано, як може виглядати спектр штучного радіоджерела.

У тій же статті Кардашев висунув і критерії, що дозволяють говорити про штучний характер джерела сигналу. Так, сигнал повинен володіти дуже малими кутовими розмірами, круговою поляризацією, демонструвати мінливість за часом, що не зводиться до статичних флуктуацій, а спектр джерела повинен містити певні особливості, які підкреслювали б його неприродне походження.

З цими критеріями була пов'язана кумедна історія. Проаналізувавши доступні на той момент дані спостережень, Кардашев відзначив два цікавих об'єкти - СТА-21 і СТА-102. Ці об'єкти мали дуже малі кутові розміри, не ототожнювалися з відомими оптичними джерелами і мали спектри, схожі на штучний. Для перевірки ідеї про їх походження він запропонував визначити, чи має радіовипромінювання від цих джерел змінний характер. Спостереження, проведені в 1964-1965 роках за допомогою антен системи АДУ-1000, не виявили у СТА-21 змінність потоку випромінювання з часом, а ось у СТА-102 спостерігалися зміни потоку з періодом 102 дні.

Після повідомлення ТАСС, незважаючи на прес-конференцію, на якій вчені пояснили, що зміна джерела не обов'язково підтверджує його штучне походження, протягом декількох днів у світовій пресі активно обговорювалася новина про відкриття позаземного розуму. Подальші дослідження цих двох об'єктів призвели до висновку, що це квазари.

Але головне, чим запам'яталася ця стаття, була нині широко відома «шкала Кардашева», в якій позаземні цивілізації ділилися на кілька рівнів залежно від рівня освоєння ресурсів та енергоспоживання.

Цивілізація першого типу здатна використовувати всі енергетичні ресурси, наявні на її планеті, а її технологічний рівень близький до рівня, досягнутого людством. Рівень енергоспоживання для такої цивілізації спочатку оцінювався в 4 10¹² ватт, але надалі оцінка змінилася. Сьогодні першому типу відповідає цивілізація, чиє енергоспоживання відповідає всій енергії, одержуваній Землею від Сонця - 1,7 10¹⁷ ватт. З цієї точки зору людство до першого типу поки не дотягує.

Цивілізація другого типу використовує всю енергію своєї зірки, наприклад за допомогою сфери Дайсона або іншої астроінженерної споруди, а рівень її енергоспоживання для зірки типу Сонця був би рівний 3,8 10²⁶ ватт.

Нарешті, цивілізація третього типу здатна оволодіти енергією в масштабах всієї своєї галактики. Рівень її енергоспоживання оцінювався Кардашевим у 10³⁷ ватт. Умовним прикладом такої цивілізації можна назвати Галактичну імперію з всесвіту «Зоряних воєн».

Телескоп розміром з планету

Але, мабуть, найважливішим науковим досягненням Кардашева можна вважати розвиток ідеї радіоінтерферометра зі наддлінною базою (РСДБ), запропонованої ним у 1965 році спільно з Леонідом Матвєєнком і Геннадієм Шоломицьким.

Ідея полягала в тому, що телескопи, що входять до складу інтерферометра, не обов'язково з'єднувати високочастотним кабелем, що обмежує кутову роздільну здатність системи. Замість цього можна проводити незалежну реєстрацію радіосигналу на антенах, рознесених на різні континенти, а вже потім, після запису інформації на носії, робити обробку даних корелятором.

Це дозволило досягти немислимого раніше кутового дозволу, яке в десятки тисяч разів перевершувало дозвіл оптичних інтерферометрів. Незабаром ця ідея була успішно реалізована на декількох радіотелескопах в США і Канаді, а потім і в СРСР. Однак Кардашев не збирався обмежувати масштаби радіоінтерферометру розмірами Землі. Він думав про космічний інтерферометр з базою порядку однієї астрономічної одиниці для вирішення космологічних завдань.

На початку 1980-х років Кардашев почав роботу над проектом «Радіоастрон», на розробку якого пішло тридцять років. Проект стартував в 2011 році і являв собою комплекс з найбільшого в світі десятиметрового космічного радіотелескопа КРТ-10, встановленого на апараті «Спектр-Р», який звертався навколо Землі по сильно витягнутій еліптичній орбіті з довжиною великої півосі близько 190 тисяч кілометрів і періодом обігу близько 8,3 діб, і мережі наземних радіотелескопів.

Всі ці телескопи утворюють гігантську систему з базою більше трьохсот тисяч кілометрів, що дозволило досягти кутового дозволу близько декількох десятків кутових мікросекунд - такий кутовий розмір мав би сірниковий коробок, що знаходиться на поверхні Місяця. Проект виявився вкрай успішним, а сам телескоп зміг пропрацювати 7,5 року замість спочатку запланованих п'яти років.

Метою досліджень стали активні ядра галактик, чорні діри зоряних мас, залишки наднових, пульсари, космічні мазери і мегамазери, квазари і міжзоряні газові хмари. Вдалося розглянути джети блазара BL Lac з рекордно високою роздільною здатністю і розгледіти деталі будови релятивістського джету поблизу надмасивної чорної діри в центрі активної галактики 3C84, побачити водний мазер розміром з Сонце і відкрити новий ефект розсіювання радіохвиль у міжзоряних хмарах плазми.

У березні 2017 року було оголошено про досягнення абсолютного рекорду кутового дозволу в астрономії при спостереженнях водного мегамазера в галактиці M 106, яке склало 8 мікросекунд дуги.

Подальшим розвитком «Радіоастрона» став проект «Міліметрон», над яким Кардашев активно працював в останні роки. Очікується, що «Міліметрон» стартує після 2027 року, коли в космос запустять телескоп «Спектр-М».