Гамма-всплески, русская деревня и первый робот-телескоп в России

Утром 30 марта 2003 года, когда я на машине возвращался из ближнего Подмосковья, пришло мне в голову, что наша огромная Вселенная, в сущности, очень мала и очень напоминает село. Как в деревне по ночным огонькам невооруженным глазом угадывается околица, так и вся наша<огромная>Вселенная просматривается простым глазом до самых дальних ее краев. Интересная мысль, — подумал я и услышал сообщение — система глобального позиционирования помогла спасти терпящих бедствие яхтсменов. Тогда я еще не понимал, что и деревня и яхтсмены и Вселенная связаны невидимыми нитями.
Первое в Европе изображение гамма-всплеска 29 марта 2003 года, полученное телескопом МАСТЕР (GRB — аббревиатура английского термина<гамма-всплеск>).

Сравнение c деревушкой посетило меня после выдающейся бессонной ночи. На маленьком телескопе, с честолюбивым названием МАСТЕР, мы первыми в Европе увидели оптическое излучение гамма-всплеска с расстояния 2 миллиарда световых лет, что сравнимо с размером Вселенной. А телескоп-то у нас — всего несколько десятков сантиметров! Вдумайтесь, Господь Бог создал Вселенную именно такого размера, чтобы ее края были видны невооруженным глазом, быть может, единственного населяющего ее разумного вида — человека!

Впрочем, выяснилось это eщe в 1998 году, а до того считалось, что исследования<глубин мироздания>могут проводиться только с помощью многометровых гигантов-телескопов.

29 января 1998 года группа американских астрофизиков под руководством Карла Акерлофа в Лос-Аламосе с помощью обычного фотографического объектива зарегистрировала яркую оптическую вспышку от всплеска гамма-излучения. На минуту в небе появилась звездочка, всего лишь в 10 раз слабее тех звезд, что видны простым глазом. К этому моменту астрономы уже знали, что гамма-всплески расположены на самом краю Вселенной и являются самыми мощными ее катастрофами, но открытие Карла Акерлофа повергло всех в шок. Ведь гамма-всплеск был не самым ярким! Ни сверхновые звезды, ни квазары — сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик — не идут ни в какой сравнение с гамма-всплесками, оптический блеск которых в тысячи раз больше.

История исследования гамма-всплесков — одна из самых драматических в физике и астрофизике 20-го, а теперь уже и 21-го века.

Гамма-излучение, представляет собой кванты света с энергией в миллионы раз больше, чем энергия видимых фотонов и почти полностью поглощается земной атмосферой. Еще в 60-е годы американские спутники-шпионы, снабженные гамма-детекторами для контроля ядерных испытаний, обнаружили короткие (до десятков секунд) — всплески. Как будто некая держава постоянно нарушала мораторий на ядерные испытания. Правда, государство-нарушитель оказалось не в Европе и не в Азии, а где-то в районе Большой Медведицы Всплески приходили из космоса! Астрофизики узнали об этом лишь в начале 70-х годов.<Военная тайна>оказалась одной из самых загадочных тайн природы. Сколько не смотрели астрономы в направлении гамма-всплесков — ничего там не находили. Складывалось впечатление, что гамма-всплески рождаются в пустоте! Вот где было раздолье теоретикам. Практически каждый из них имел свою модель гамма-всплеска, как правило, совпадавшую с узкой тематикой собственных исследований. Так<кометчики>считали, что гамма-всплески — это разряды молний в кометных хвостах,<солнечники>связывали гамма-всплески со вспышками на Солнце, те, кто занимался черными дырами, естественно, привлекали черные дыры. Например, известный английский астрофизик Стивен Хоукинг, открывший квантовое испарение черных дыр, предположил, что гамма-всплески — это последний<вздох>испаряющихся черных дыр — ровесников Вселенной. Ваш покорный слуга в те годы учился в аспирантуре академика Якова Борисовича Зельдовича по теме<нейтронные звезды>, и, естественно, считал<родиной>гамма-всплесков близкие нейтронные звезды. Были и гибридные модели: кометы, падающие на нейтронные звезды, столкновения нейтронных звезд и черных дыр. В общем, если расположить все теоретические модели гамма-всплесков вдоль луча зрения, то они бы почти равномерно<заполнили>всю нашу Вселенную — от ближнего космоса до самых дальних ее горизонтов. Десятилетиями один за другим на орбиту выводились космические гамма-обсерватории, а проблема не решалась. Кажется, с тех пор, как Галилео Галилей повернул телескоп к небу, (случилось это в 1610 году) итальянская астрономия не делала столь удачного астрономического эксперимента.

Все эксперименты в гамма-астрономии до 1997 года обладали одним решающим недостатком: они не позволяли быстро и точно определить направление на всплеск. Дело в том, что гамма-телескоп давал направление в лучшем случае с точностью до одного углового градуса. В эту область попадают тысячи далеких галактик, и совершенно невозможно установить, с какой из них связан гамма-всплеск. Идея же нового эксперимента оказалась удивительно плодотворной. Ученые создали специализированный спутник, на борту которого одновременно находятся и гамма, и рентгеновский телескопы. Как только гамма-телескоп фиксирует всплеск, в его квадрат ошибок направляется рентгеновский телескоп, точность которого в 60 раз выше. Правда, в таком эксперименте всплески регистрировались гораздо реже — примерно раз в месяц. 8 мая 1997 года ученые как никогда близко подошли к разгадке бывшей<военной тайны>. В этот день вспыхнул гамма-всплеск, который сопровождался оптическим послесвечением, в спектре которого были найдены линии обычных химических элементов, смещенные в красную сторону. Вселенная ведь расширяется и свет далеких галактик краснеет из-за эффекта Доплера. Гамма-всплески рождаются на огромных расстояниях и, следовательно, являются самыми мощными явлениями в нашей Вселенной! А через полгода произошло феноменальное открытие синхронного оптического излучения группой Карла Акерлофа, с которого начинался наш рассказ. Одна из работ известного советского астрофизика Иосифа Шкловского называлась<Конец революции в астрономии>(80-е годы). Она была написана им в конце жизни, когда уже было открыто, казалось бы, все — черные дыры, квазары, пульсары, реликтовое излучение Вселенной. А через двадцать лет мир перевернулся! Наша Вселенная на 98 процентов<стала состоять>из темной энергии пустоты и темной материи неизвестного происхождения, а самым крупным<зверем>в ней стали гамма-всплески. Однако, что является причиной гигантских катастроф? К каким последствиям может привести такой взрыв в нашей Галактике? Легко подсчитать, что если вспышка произойдет на расстоянии нескольких тысяч световых лет, то ночь превратиться в день, мощное гамма и рентгеновское излучение попросту<снесет>весь озоновый слой. Слава Богу, вероятность такого события невелика, но она ничуть не меньше, чем вероятность столкновения Земли с гигантским астероидом — раз в 100 млн. лет. Но у меня нет ни малейшего желания запугивать налогоплательщика. Очевидно, исследователями движет интерес. Как-то, астроном Виктор Амбарцумян заметил, что человек — это единственное животное, которое смотрит на звезды. В этой максиме есть доля правды.

Вернемся к гамма-всплескам. Исследование свойств оптического излучения в момент взрыва должно помочь разгадать их<военную>тайну. Однако до сих пор не получен спектр синхронного излучения. На заре 21 века астрономам пришлось решать абсолютно новую задачу: нужно было научиться быстро наводить телескоп в заранее неизвестный момент времени в заранее неизвестном направлении. Очевидно, астроном-наблюдатель попросту не может месяцами стоять у телескопа и ждать когда вспыхнет гамма-всплеск. Мощные многометровые телескопы тоже не подходят — во-первых, все они неповоротливы, а во-вторых, обладают очень малым полем зрения. Такая задача по плечу только небольшому, мобильному телескопу-роботу.

Помню, с какой завистью я читал сообщения о начале строительства Карлом Акерлофом американской сети робот-телескопов ROTSE III. Понятно, что при нашей огромной территории заметная доля всплесков исключительно наша — российская. Ведь когда у них день, у нас — ночь! Казалось бы, чего проще — в России десятки телескопов требуемого размера, бери и автоматизируй. Но все дело в том, что нужен хоть и маленький, но очень необычный телескоп. Во-первых, он должен обладать широким полем зрения, а во-вторых, он должен находиться на постоянной связи с гамма-телескопом, а для этого необходим стабильно работающий Интернет. Телескоп должен быть полностью автоматизированным, и более того, он должен быть умным. В принципе, со всеми этими задачами можно было справиться. Но было одно казавшееся непреодолимым препятствие. Дело в том, что для получения изображений звездного неба необходим чувствительный и очень<быстрый>приемник света — матрица (наподобие той, что применяется в цифровых фотоаппаратах, но гораздо более качественная). Скажу, что в тот момент у астрономов МГУ вообще не было ни одной профессиональной цифровой камеры, стоимость которых достигала сотен тысяч долларов. А нам, для получения большого поля зрения, нужна была самая большая матрица в мире. Кто даст деньги, тем более,<теоретику>на такой эксперимент? Государство? Академия?<Новые русские>? Именно,<новые русские>. Весной 2002 года меня судьба случайно свела с Сергеем Михайловичем Бодровым — генеральным директором Московского Объединения<Оптика>. Он — любитель астрономии с детства — после третьего (!) разговора сказал:<Хорошо, Владимир Михайлович, я куплю вам самую большую в мире цифровую, профессиональную камеру. Мы закажем специальный телескоп — но, чур, за вами открытие!>Господа, мировоззрение — великая вещь, русский предприниматель не может ограничиться безумным накоплением денег, он жаждет иррационального! Да кто же он, русский предприниматель девяностых? Это, как правило, бывший технарь с хорошим советским образованием, с пытливой юностью, озаренной нашими космическими успехами, с необычной раскрепощенной инициативой, закаленный в боях с рэкетом начала и дефолтом конца девяностых, налоговой недавних первых лет нового тысячелетия. Нет господа, не перевелись еще Морозовы, Третьяковы, Мамонтовы. Подмосковный провайдер<Инеткомм>провел в деревню бесплатный Интернет! Потом везение наше пошло дальше. Мой коллега по МГУ, житель подмосковной деревеньки — Александр Крылов — ко времени построил на своем усадьбе обсерваторию, и мне оставалось совсем немного — собрать молодежь, смешать ее с наиболее толковыми нашими экспериментаторами, благо они еще остались (например, Виктор Корнилов — экспериментатор от Бога). Короче через полгода коллектив из 10 человек (кандидаты, аспиранты, студенты), проделав все бетонные, электронные, программистские работы, создали

первый в России телескоп-робот МАСТЕР (Мобильную Астрономическую Систему ТЕлескопов Роботов), именно систему, потому что мы понимали — для максимального извлечения информации необходима одновременная съемка всплеска в разных лучах — и, следовательно, нужно несколько параллельных телескопов. Коллектив начал участвовать в мировой гонке за гамма-всплесками.
Снимок галактики Андромеда, сделанный на телескопе МАСТЕР (слева). За одну минуту на нашем снимке проявляются объекты в 100 000 раз слабее тех, что видны простым глазом. Справа — та же галактика снята американской системой ROТSE III. Поле зрения телескопа МАСТЕР в 2 раза больше.

Идея всего эксперимента выглядит так. Один из космических гамма-телескопов регистрирует гамма-всплеск и передает координаты в международный центр наблюдений гамма-всплесков (GCN). Эта операция обычно занимает 10 — 30 сек. Далее, по Интернет в течении 3-5 секунд сигнал передается в нашу деревню, за секунд десять телескоп сам наводится по грубым координатам, получает изображение, обрабатывает его, распознает новый объект и выдает уже в тысячу раз меньший квадрат ошибок. Уточненные координаты передаются обратно в центр данных, где они тут же публикуются и автоматически рассылаются в десятки мировых обсерваторий. Самые крупные телескопы мира вступают в дело лишь через несколько часов, когда оптическое излучение заметно ослабевает. Так ученые строят кривую изменения яркости гамма-всплеска —<кривую блеска>. На этой кривой первыми стоят точки небольших, но<мозговитых>телескопов типа МАСТЕР, а за ними выстраиваются проекты стоимостью в миллиард долларов! Но всплеск уже не тот. Гигантский взрыв, в тысячи раз горячее ядерного — за несколько часов<забывает>механизм взрыва. Потому-то так важно пораньше навестись на гамма-всплеск.

Гамма-всплески выводят науку на совершенно новый уровень. Из-за быстротечности события — от регистрации через обдумывание до публикации проходят минуты. Здесь практически нет места ученому — все должен делать робот. Более того, публикацию читает тоже робот, анализирует и выбирает стратегию поиска на другом конце земного шара! Чтобы вы оценили<новый ум Короля>*, приведу лишь несколько цифр. Наша камера имеет 16 Мегапикселей и каждое изображение<весит>60 мегабайт. На каждом снимке с полем зрения 6 квадратных градусов может быть до 20 тысяч звезд, из которых нужно выбрать одну — новую. Следовательно, телескоп должен знать все небо — в его память<загружены>лучшие астрономические каталоги. Проблема осложняется тем, что на снимке широкого поля возникает целый зоопарк объектов — звезды, галактики, астероиды, искусственные спутники земли, космический мусор и следы космических частиц! Что же делает телескоп между всплесками? Конечно, было бы неразумно не использовать его для других задач. В ночь наш телескоп способен делать и расшифровывать полтысячи снимков — это почти 3 000 квадратных градусов — 10 процентов доступного нам неба! МАСТЕР представляет собой прекрасный патрульный инструмент, способный контролировать все изменения на небе — вспышки сверхновых звезд, неизвестные астероиды (в том числе, потенциально опасные для землян), кометы и многое другое, о чем мы еще не подозреваем. И здесь самая большая сложность научить телескоп все это открывать автоматически. В США по каждому из перечисленных объектов работает отдельный проект с миллионным бюджетом. Но нам<не до жиру>и мы решили научить МАСТЕР<работать>по всем объектам. Обучение еще не окончено, но кое-что мы уже умеем. Например, в апреле этого года впервые на территории России нами открыта сверхновая звезда.
Первая сверхновая открыта на территории России 28 апреля 2005 года роботом<МАСТЕР>.

Сверхновая оказалась принадлежащей к очень ценному виду — по таким сверхновым американские астрономы заподозрили ускорение расширения Вселенной и связали его с присутствием темной энергии (энергия космического вакуума). Природа не терпит вакуума, даже в отдельно взятой стране.

Природа подарила России в ее не лучшие времена прекрасный шанс — с помощью дешевого (даже по нашим меркам) эксперимента принять участие в одной из самых фундаментальных работ естествознания XXI века.

Но какая польза<народному хозяйству>от ваших телескопов-роботов? — спросит читатель, измученный дайвингом, налогами и приусадебными участками. Оказалось, что мы создали идеальный прибор для контроля ближнего космоса**, который на порядки опережает все имеющееся средства России. Взгляните на ваш мобильник, там есть функция глобального позиционирования в нашем изменчивом и сложном мире. Эта штука работает благодаря спутникам Земли, а без контроля положения спутников она работать не может. Дай Бог здоровья яхтсменам!

*<Новый ум Короля>— книга известного физика Роджера Пенроуза об Искусственном Интеллекте.
** Все значительные американские проекты широкопольных систем поддерживаются Пентагоном.

Обозрение "Физические явления на небесах" профессора В.М. Липунова.