К оглавлению
Дмитрий Вибе (ИА РАН) об астрофизических измерениях
Алла Аршинова
Опубликовано 29 ноября 2010 года
Научное знание копится веками. В стремлении постичь мир ученые строят гипотезы и теории, проектируют и воплощают в жизнь сложнейшие научные установки. В естественных науках все можно проверить экспериментом. Практически весь мир (условно, конечно) можно поместить в научной лаборатории. Именно здесь решаются проблемы медицины, физики, химии, биологии, генетики и других наук. Но есть нечто, что никогда не поместится ни в одну лабораторию мира. Это — наша Вселенная. «Эксперименты» с ней может проводить только сама природа, а человеку остается лишь наблюдать за этим процессом.
Астрономия, наука о строении, развитии и структуре небесных тел и Вселенной, стоит особняком среди естественных наук, так как ей недоступны прямые эксперименты, и строить свои теории она может, лишь отталкиваясь от наблюдательной базы. Тем не менее мы знаем, что такое звёзды, как движется межзвёздное вещество, почему и как Вселенная расширяется и другие, немыслимые для обывательского понимания вещи.
На чем основано это знание? Насколько оно надёжно и обоснованно? На что опирается астрономический научный аппарат? О методах астрофизических измерений мы разговаривали с доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Института астрономии РАН Дмитрием Вибе.
- Дмитрий Зигфридович, насколько обоснованно сегодня разделение астрофизики на наблюдательную и теоретическую?
- Это разделение присуще всем естественным наукам, и астрономия (астрофизика) — не исключение. Общий принцип работы незыблем: наблюдатель при помощи телескопов собирает информацию, теоретик при помощи моделей пытается понять, что она означает. При этом современный телескоп — это устройство, очень сложное в технологическом плане, и без должной квалификации невозможно ни составить план наблюдений, ни провести их, ни обработать потом результаты.
Астрофизические модели также очень сложны, поскольку моделировать приходится очень сложные реальные объекты. Поэтому даже в простой модели зачастую сочетаются в той или иной степени чуть ли не все отрасли современной физики. Поэтому быть одновременно и хорошим наблюдателем, и хорошим теоретиком одному человеку невозможно. С другой стороны, конечно, наблюдатель должен иметь представление о теоретических моделях (чтобы наблюдать то, что нужно для их подтверждения или опровержения, а не то, что удобно наблюдать), а теоретик должен иметь представление о возможностях современных телескопов (чтобы результатом моделирования была не красивая анимация, а реально проверяемое предсказание).
- Астрономия вообще и, в частности, астрофизика, развивается стремительнее многих других наук. С чем это связано? Что является двигателем прогресса в этой науке?
- Двигателем прогресса в астрофизике, как ни скучно это прозвучит, является развитие технологий. За последние несколько десятилетий (начиная, скажем, с середины прошлого века) астрофизическая картина мира претерпела кардинальные изменения. При этом собственно физическая основа астрофизических моделей за это время проэволюционировала не столь значительно. До сих пор в профессиональной литературе в ходу имена Кеплера, Ньютона, Эйлера, Максвелла... Но вот техника наблюдений и моделирования изменилась неимоверно. Соответственно, грандиозно вырос объём информации о Вселенной, которую мы в состоянии получить и обработать. Главное достижение состоит, пожалуй, в том, что у нас появилась возможность проводить наблюдения во всём диапазоне электромагнитных волн — от гамма-излучения до радиоволн. Да и компьютерная техника заметно «подросла». Первые численные модели астрофизических процессов в 1960-е годы выполнялись на компьютерах, которые в современном мире по мощности могли бы конкурировать разве что с мобильниками.
Если же говорить более конкретно, то большой вклад в развитие астрофизики внесла гонка вооружений. Многие численные гидродинамические модели, физические базы данных попадали в астрофизику из Лос-Аламоса и других подобных учреждений. Не для астрофизических нужд разрабатывались изначально такие прорывные технологии, как адаптивная оптика и детекторы жёсткого излучения. Некоторые важные астрофизические явления и объекты (гамма-всплески, инфракрасные тёмные облака) были обнаружены при помощи военных спутников.
- Каждая наука имеет свою методологию. Какие есть особенности у методологии астрофизики?
- Можно, пожалуй, выделить две ключевые особенности: невозможность проведения запланированного эксперимента и возможность наблюдения исследуемых объектов только с одной стороны. Физик (как правило) имеет возможность так построить эксперимент, чтобы в нём наиболее выпукло проявлялся какой-то специфический процесс. В астрофизике эксперимент ставит Природа, которая нимало о нуждах исследователя не заботится. Допустим, физик хочет в деталях исследовать колебания маятника. Он сделает его из немагнитного материала, поместит на жёстком подвесе в суперизолированное помещение, откачает воздух, поставит десять камер, чтобы следить за маятником с разных ракурсов. В астрофизике тот же маятник будет сделан из материала с неизвестными магнитными свойствами, помещён в магнитное поле, подвешен на резинке, с одной стороны на него будет налетать поток газа, с другой — космические лучи, и наблюдать всё это можно будет только с одной стороны, как правило сбоку в плоскости колебаний.
Ещё один важный фактор — разнообразные эффекты наблюдательной селекции, суть которых сводится к тому, что внимание наблюдателя привлекают, в первую очередь, наиболее яркие и, как следствие, наименее типичные объекты.
Из-за этих ограничений в астрофизике к теоретической интерпретации наблюдений приходится подходить особенно жёстко. В частности, обязательно необходимо проверять, насколько предлагаемое объяснение согласуется с данными из других отраслей астрофизики. Это в общем тоже ложится на учёного дополнительным бременем: он не может позволить себе разбираться только в своей узкой области.
- В астрономии много разделов, какой из них самый сложный в смысле получения информации?
- Да в общем-то ни один из этих разделов особой лёгкостью не отличается. Но самые значительные сложности, наверное, у космологов. Им приходится иметь дело с очень большим объектом, и для выявления каких-то закономерностей необходимо с высоким качеством наблюдать если не всё небо, то по крайней мере значительные его участки, причём с
использованием космических обсерваторий. Эта задача всё ещё остаётся очень ресурсоёмкой.
- Каким инструментарием обладает астрофизика? Каким образом, наблюдая свет от удаленных звёзд, астрофизики определяют их параметры?
- Практически единственный источник информации о космических объектах — это электромагнитное излучение. Конечно, есть ещё космические лучи и нейтрино, но по информативности они со светом конкурировать не смогут ещё очень долго. Поэтому в основе астрофизического инструментария лежит, с одной стороны, необходимость зарегистрировать электромагнитное излучение, с другой стороны, необходимость понять, как оно было сгенерировано.
К счастью, электромагнитное излучение буквально напичкано информацией. Эта информация зашифрована в виде спектра — распределения энергии излучения по частотам. Общая форма спектра зависит от температуры объекта: чем объект горячее, тем дальше максимум его излучения сдвинут в область больших частот (очень горячие объекты светят в рентгеновском и гамма-диапазонах, очень холодные — в инфракрасном и миллиметровом диапазонах), сдвиг спектральных линий относительно «лабораторного» положения говорит о скорости движения вещества по лучу зрения, ширина спектральных линий — о температуре и плотности вещества. По интенсивности различных линий одного и того же элемента можно определить его содержание и состояние ионизации.
- Предположим, природу звёзд еще можно постичь. А как быть с более абстрактными явлениями, такими, как кривизна пространства?
- На самом деле, природа звёзд не более и не менее абстрактна, чем природа гравитации. Астрофизика, физика, вообще наука — это очень практическая часть человеческой деятельности, в которой не так много места для абстракций. Во всех случаях мы имеем дело с одной и той же логической схемой: есть наблюдения и есть модель, которая их объясняет. Свойства звёзд удаётся объяснить, исходя из предположения, что в их недрах происходят термоядерные реакции. Поведение луча света вблизи Солнца или, например, смещение перигелия Меркурия удаётся объяснить, исходя из предположения об искривлении пространства. Оба предположения являются равноправными составными частями общей физической картины Мира.
