Что ищут учёные ИПФ РАН с помощью огромных телескопов

Сегодня, 3 декабря, 412 лет назад Галилео Галилей изобрёл первый телескоп. Это изобретение позволило человечеству изучать Вселенную, позволяет и сейчас. О том, какие бывают телескопы, и на каких из них работают учёные ИПФ РАН, нам рассказал доктор физико-математических наук, заведующий отделом радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии Института Игорь Зинченко.

Вот уже больше 400 лет (со времен Галилея) люди изучают Вселенную с помощью телескопов. Долгое время это были разного типа оптические инструменты, т. е. такие, которые регистрируют излучение видимой человеческим глазом части электромагнитного спектра.

Примерно 90 лет назад благодаря Карлу Янскому открылось радиоокно во Вселенную. Появились радиотелескопы. Сейчас есть радиотелескопы двух видов – одиночные и радиоинтерферометры, представляющие собой систему синхронно работающих антенн, которые могут быть разнесены на очень большое расстояние. Это позволяет добиться очень высокого углового разрешения.

Беда, однако, в том, что за исключением оптического, малой части инфракрасного и радиодиапазона (и то не полностью) другие интервалы электромагнитного спектра с Земли недоступны. Только с наступлением космической эры появилась возможность видеть Вселенную во всем этом спектре – от самых длинных радиоволн до гамма-излучения.

Помимо электромагнитных волн, есть и другие источники информации о Вселенной. Довольно давно научились регистрировать космические лучи. Почти полвека назад появились нейтринные телескопы, которым удается детектировать самую неуловимую из элементарных частиц – нейтрино. А несколько лет назад удалось впервые зарегистрировать гравитационные волны (при значительном вкладе сотрудников ИПФ РАН).

Отдел радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии Института прикладной физики, как видно из названия, имеет дело с самыми короткими волнами радиодиапазона – миллиметровыми и субмиллиметровыми (которые плавно переходят в инфракрасные, так что четкой границы между ними нет).

Наблюдения на этих волнах позволяют, с одной стороны, изучать «холодную» Вселенную – межзвездную среду с температурой 10–30 К, из которой постоянно формируются новые звезды. По закону Планка пик излучения такого вещества лежит как раз в данном диапазоне. А еще на этих волнах можно видеть множество спектральных линий разнообразных молекул, которых оказалось неожиданно много в межзвездной среде. По наблюдениям этих линий удается определить как физические условия в межзвездных облаках, так и их химический состав. С другой стороны, наблюдения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах очень важны для изучения самых мощных источников энергии во Вселенной – активных ядер галактик.

Заставляя синхронно работать миллиметровые радиотелескопы в разных частях Земли (эта система называется «Телескоп горизонта событий»), удается разглядеть мельчайшие детали этих объектов – примерно то же самое, что разглядеть с Земли монетку на поверхности Луны. Несколько лет назад таким образом впервые удалось получить изображение «тени» сверхмассивной черной дыры. Наконец, открытия в космологии во многом основаны на наблюдениях «реликтового» микроволнового фона, максимум которого тоже лежит на миллиметровых волнах.

К сожалению, у нас нет своего миллиметрового телескопа. Но делать приемники мы умеем. И ставили эти приемники на 22-м антенне в Крыму и на 14-м антенне в Финляндии. Наши сотрудники участвуют и в разработках приемников для самых передовых телескопов – таких как Большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка в Атакаме (ALMA) в Чили. Через несколько лет планируется запуск российской субмиллиметровой космической обсерватории «Миллиметрон», а также строительство наземных радиотелескопов этого диапазона. Во всех этих проектах мы, конечно, участвуем и будем участвовать. Надо отметить, что земная атмосфера сильно поглощает миллиметровые и особенно субмиллиметровые волны, так что выбор места для строительства таких телескопов является непростой задачей. Ей уже несколько лет занимается группа сотрудников отдела.

А пока используем для своих научных задач те телескопы, которые есть в мире (и не только миллиметровые). Это 12-м радиотелескоп АРЕХ в Чили, 20-м радиотелескоп в Швеции, 30-м радиотелескоп в горах Испании, 100-м радиотелескоп в Германии, Очень большая решетка (VLA) в США, Субмиллиметровая решетка (SMA) на Гавайях, решетка метрового диапазона длин волн GMRT в Индии, уже упоминавшаяся ALMA. Время для наблюдений на этих телескопах выделяется по конкурсу, и наши заявки были достаточно успешны.

Нам удалось увидеть новые объекты и новые интересные явления в областях звездообразования. Например, лучше понять, как происходит образование звезд, масса которых в десятки раз превосходит массу Солнца. Удалось даже получить ограничения на возможные вариации фундаментальных физических констант. Проводились также исследования очень далеких галактик. Все эти работы ведутся в тесном сотрудничестве с российскими и зарубежными коллегами. В последние годы их успеху способствовала поддержка РНФ (грант 17-12-01256).