Где рождаются нейтрино высоких энергий. Q&A

Полит.ру продолжает цикл онлайн-лекций. Предыдущие — разговоры с Ильей Хржановским, Александром Аузаном, Маратом Гельманом, Леонидом Вальдманом и другими — вы можете посмотреть на нашем YouTube-канале. Также за расписанием онлайн-лекций можно следить на нашем сайте. 

Юрий Ковалёв — доктор физико-математических наук, профессор РАН, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лабораторией фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной МФТИ, руководитель научной программы «Радиоастрон».

В этой части — ответы на вопросы к лекции, в которой ученый рассказывает о недавнем открытии российских астрофизиков и их версии происхождения нейтрино.

Внимание: ответ на вопрос про гражданскую науку был изменен — дополнен актуальными данными уже после лекции. Оригинальный ответ вы можете посмотреть на видео.

Долгин: Спасибо большое, Юрий. Я начну с нескольких своих вопросов. Итак, пункт первый: у нас постоянным героем лекции были активные галактики, активные ядра галактик и так далее. Можно чуть-чуть подробнее об этом?

Ковалёв: Давайте. Активная галактика — не такая, как наша. Разница заключается в том, что, в отличие от нашей галактики, в ее центре — так называемая сверхмассивная черная дыра. Масса черной дыры в нашей галактике — 4 млн масс Солнца, в активных галактиках — несколько миллиардов масс Солнца. В нашей галактике нет явного диска из пыли и газа, который бы активно питал центральную машину, питал черную дыру. В активных галактиках подобный диск есть. И, соответственно, в таких галактиках формируются узкие коллимированные быстрые струи вещества, которое выбрасывается наружу центральной машиной, каким-то образом ускоряется… Кстати, как раз Роджеру Блэндфорду на днях была выдана премия, которая называется «Азиатский Нобель», за работы по активным галактикам, за его идеи о том, как крутящиеся аккреционные диски, крутящаяся центральная черная дыра, как их крутящий момент может использоваться для формирования и ускорения джетов. Однако там всё еще больше вопросов, чем ответов. Как раз нейтрино должны нам помочь разобраться, как же ускоряются массивные частицы в центрах активных галактик.

Долгин: Спасибо большое. Отсюда переход ко второму вопросу: мы узнали как будто бы несколько больше о том, где возникают нейтрино высоких энергий. А что мы узнали за счет этого дополнительно, по сравнению с тем, что мы знали до того, об этих самых блазарах?

Ковалёв: Пока мы можем сказать следующее: получено доказательство того, что нейтрино рождаются в центрах далеких квазаров, это означает, что центральные машины квазаров в состоянии ускорять протоны до скоростей, близких к скорости света. Это означает, что активные галактики, квазары, действительно могут быть ускорителями космических лучей, ускорителями массивных частиц. 

Долгин: Ничего более точного про их устройство, исходя из этого, сказать пока больше нельзя?

Ковалёв: Еще один момент, на котором я, наверное, не акцентировал сегодня внимание, а это важно: были идеи о том, что да, действительно протоны ускоряются до скоростей, близких к скорости света, в далеких квазарах, однако это происходит не в центре, не рядом со сверхмассивной черной дырой. Не в состоянии центральная машина квазара ускорить протоны. Это происходит далеко, на многих килопарсеках, на многих тысячах световых лет от центра квазара, в ударных волнах на его периферии.

Этот сценарий мы тоже закрыли. Мы фактически оставили как единственный вариант генерации нейтрино высоких энергий именно центральные машины далеких активных галактик. Теперь поправлю себя: я сказал, что единственный вариант — конечно же, он не единственный. Нет никаких сомнений, что часть из 56 высокоэнергетических событий из данных IceCube, которые мы анализировали, — это атмосферные нейтрино. 

Долгин: А что значит «атмосферные»?

Ковалёв: Это означает, что они родились в результате бомбардировки атмосферы космическими лучами. А по-простому, прилетел из космоса протон со скоростью, близкой скорости света, залетел к нам в атмосферу, ударился о ядро какого-то атома в атмосфере, и в результате этого взаимодействия родилось нейтрино. Это тоже возможно.

Долгин: То есть вы предполагаете, соответственно, два возможных источника появления нейтрино высокой энергии?

Ковалёв: Как минимум два возможных источника появления нейтрино сверхвысоких энергий: скучный — в атмосфере Земли, и крайне интересный, наш ключ к космическим суперколлайдерам — космические нейтрино, которые пришли к Земле очень издалека.

Долгин: Еще вопрос. Отсутствие анизотропии в галактике, если я не ошибаюсь в формулировке, — это основание для того, чтобы искать источник нейтрино за ее пределами. Можно ли как-то развернуть эту мысль?

Ковалёв: Смотрите: вот у нас есть картинка неба в гамма-лучах. Яркая полоска посередине — это плоскость нашей галактики. Там куча всего разного интересного происходит: сверхновые (очень редко, правда) могут взрываться, звезды, есть черная дыра в центре нашей галактики, есть микроквазары. Пульсары, у которых совершенно гигантские магнитные поля, тоже ускоряют частицы до световых скоростей… Поэтому, в принципе, логично ожидать, что нейтрино сверхвысоких энергий могли бы образовываться в нашей галактике. Но в этом случае в данных, которые получил нейтринный телескоп (сегодня мы говорим про массив данных, которые получил IceCube), нейтрино кучковались бы вдоль плоскости Галактики. Чего не наблюдается. Они приходят однородно со всего неба.

Долгин: То есть речь идет об отсутствии анизотропии именно в аспекте наблюдений нейтрино, а не в каких бы то ни было других аспектах?

Ковалёв: Совершенно верно. 

Долгин: Я перейду к вопросам наших зрителей. «Про пари на бутылку коньяка мы помним, но хочется узнать и о международном признании. В каких профессиональных изданиях вы дали статьи и подоспели ли отзывы коллег из других групп, специализирующихся на нейтрино? Вам оппонируют?»

Ковалёв: Итак, мы получили первый результат осенью 2019 года. В начале января 2020-го статья ушла в Astrophysical Journal, и мы одновременно выложили ее в архив препринтов. И, опять же одновременно, послали ее нескольким десяткам коллег с просьбами прокомментировать и, честно говоря, даже дополнительно прося критических комментариев и замечаний. В мае статья принята в печать в Astrophysical Journal, это ведущий журнал по астрофизике в мире; мы провели большое количество семинаров — как в нашей стране, так и за рубежом. Например, Сергей Троицкий рассказывал результаты в Берлине в группе IceCube, я рассказывал в NASA. Мы, в основном, получаем позитивные комментарии и позитивную реакцию наших коллег. Даже тех из них, которые традиционно очень критически настроены.

Расскажу еще про одну вещь. Мы подталкиваем наших зарубежных коллег независимо проверить наши результаты, ту часть из них, которая касается утверждения о совпадении между моментами прихода нейтрино и наблюдениями вспышек в радиодиапазоне. И мы имеем уже предварительный ответ: они смогли повторить наш результат и подтвердили его.

Долгин: По всем традиционным процедурам повторяемость другими группами — это, конечно, один из главных критериев. Очень интересно.

Ковалёв: Но не единственный. Независимо проверить результат, конечно, можно только по новым наблюдательным данным. Именно по этой причине мы очень серьезно рассчитываем на Baikal. Сегодня уже упоминали наш спор на бутылку коньяка, который произошел во время семинара в Институте ядерных исследований РАН.Мы там «забились», что через три года проверим. И, честно говоря, три года — маловато. Смотрите, мы использовали десятилетнюю статистику. Очень надеемся, что IceCube поможет Baikal. И, соответственно, нейтрино, которые получает IceCube, будут дополнены нейтрино, которые получает Baikal. Или наоборот: теперь IceCube будет дополнять Baikal. Почему — потому что у Baikal-GVD, мы надеемся, будет более высокая точность определения направлений, откуда приходят нейтрино. И они друг друга именно что дополняют. IceCube, главным образом, смотрит в северное полушарие , а Baikal смотрит, в основном, в южное. Они всё время смотрят «под себя», получают нейтрино из-под земли. И, соответственно, закрывают фактически разные области неба. Уже стартовали новые программы на американской радиоинтерферометрической сети VLBA и российском РАТАН-600. Мы получили восторженные комментарии от программных комитетов, говорящие: «Да, давайте многоканальную астрономию и нам тоже, будем вместе ловить новые нейтрино».

Долгин: Спасибо. «Юрий, если сравнивать вашу работу руководителя научной программы "Радиоастрона" и эту работу, что вы сами поставите выше по значимости для науки?»

Ковалёв: Ой, ни в коем случае не буду ставить. Категорически не могу сказать, что одно интереснее другого. И то было громадной радостью, громадным удовольствием, и это. Нам с коллегами… мало кому везет в жизни порадоваться и тому, и этому. Ну, вот нам повезло. 

Долгин: Замечательно. Давайте я задам один из своих вопросов. Как, кроме той программы исследований, которая была изложена уже, мы все-таки можем приблизиться к информации о блазарах? 

Ковалёв: Я уже сегодня говорил: мы проводим анализ по положениям и моментам вспышек. Мы сейчас работаем очень активно с теоретиками. Они говорят о том, что нам надо намного более точно связать момент, когда приходит нейтрино, и момент, когда мы видим вспышку электромагнитного излучения. Радио-, оптического — какого угодно. Потому что пока у нас точность этой связки очень фиговенькая, плюс-минус полгода. Это связано с тем, что мы не очень часто наблюдали эти объекты. Невозможно наблюдать выборку многих сотен объектов на любом телескопе — на РАТАНе, на чем угодно — каждый месяц или каждую неделю. «Треснет» он, не хватит телескопа. Или нужно все остальные программы на РАТАНе закрывать и заниматься только этим. Что, конечно же, не дело. 

Ну так вот, надо отрабатывать по так называемым алертам. Пришло новое нейтрино, получили мы в течение дня сообщение от IceCube или от Baikal — надо сразу наводить туда телескоп. И у нас соответствующий план теперь есть — и с РАТАНом, и с радиоинтерферометрами. Теперь мы сможем намного более точно связать момент, когда происходит вспышка электромагнитного излучения, с моментом, когда приходит нейтрино. Это первое. И второе: так как мы теперь будем активно отслеживать эти объекты с помощью радиоинтерферометров, то сможем разглядеть в деталях, что происходит в их джетах на масштабах парсек, на масштабах световых лет. Это уже, мы надеемся, позволит разобраться, как ускоряются протоны, как и где рождаются нейтрино: близко к центральной машине или в начале яркого джета горячей плазмы.

Долгин: А какие еще есть способы изучения ядер активных галактик? Это же не единственное, что делается в этом направлении, правда?

Ковалёв: Конечно. Понятно, что ядра активных галактик наблюдаются во всем диапазоне электромагнитного спектра, от радио- до гамма-диапазона. Понятно, что мы будем смотреть, что происходит в гамма-диапазоне. Соответственно, будут кривые блеска, — космический телескоп Ферми видит фактически всё небо, по-моему, три раза за сутки он его осматривает. Мы будем использовать все данные, которые дает электромагнитный спектр, для того чтобы сравнивать с информацией о приходящих нейтрино. 

Но нужно понимать все-таки по-честному, что если говорить про высокое угловое разрешение, про нашу способность разглядеть начало джетов, то это только радиоинтерферометрия.

Долгин: Вопрос чуть-чуть уровнем абстракции выше: наше лучшее, возможно, понимание того, как устроены эти самые активные галактики, что нам дает для понимания устройства Вселенной? Что нам дает для каких-то моделей ее образования и функционирования? Есть ли или предполагаются ли какие-то изменения в этом понимании, исходя из этого?

Ковалёв: Это очень широкий вопрос. Я, конечно, не буду занудно на него отвечать, всю историю рассказывать. Но не могу не вспомнить про результат, который был получен именно радиоинтерферометрами. Он был объявлен год назад. РСДБ позволила увидеть тень от черной дыры в центре активной галактики. Мы носимся с ними уже больше полувека, но «увидеть черную дыру»… я все-таки беру эту фразу в кавычки, потому что черную дыру, конечно, увидеть невозможно. Получить наиболее прямое из косвенных доказательств существования черных дыр удалось именно по активным галактикам. Вот, наверное, простой, красивый и всем хорошо знакомый пример. Это если говорить про фундаментальное понимание Вселенной, природу Вселенной.

И, конечно же, не могу не напомнить, дорогие друзья, что все мы (я об этом рассказывал и на прошлой лекции на Полит.ру) пользуемся квазарами в нашей повседневной жизни. Это те самые гвозди, которые почти забиты в небосвод. На их наблюдениях построена самая точная система отсчета. По квазарам ученые измеряют параметры вращения Земли, которые категорически необходимы для работы всех навигационных систем — «Глонасс», GPS, смотря чем вы пользуетесь. Квазары нам полезны и для того, чтобы разобраться фундаментально с Вселенной, да и чтобы не забыть про ежедневные нужды.

Долгин: «2027 год. Про "Миллиметрон" написано, что он, за счет рекордной чувствительности и беспрецедентного углового разрешения, позволит проверить гипотезу существования "кротовых нор". Как это возможно? Ведь "кротовая нора" — просто математический конструкт».

Ковалёв: Понятно, что вопрос имеет достаточно косвенное отношение к лекции, однако я из Астрокосмического центра ФИАН и буду очень рад про это рассказать. Смотрите. Любая теоретическая модель — это математическая конструкция. Фактически этим вопросом вы, наверное, хотели сказать следующее: на сегодня, кроме наличия модели «кротовой норы» (причем согласованной модели «кротовой норы», то есть никаких противоречий фундаментальным законам природы там нет), никакого подтверждения существования «кротовых нор» нет. Полагаю, что это утверждение близко к истине. На эту тему Игорь Дмитриевич Новиков, один из авторов «теории кротовых нор», сказал несколько лет назад: «Знаете, коллеги, когда я выступал с моделью черной дыры, меня "били" и не давали работать, потому что говорили, что это — математическая конструкция и ничего более, такого быть в природе не может. Сейчас черные дыры все воспринимают абсолютно как должное. Ну, дайте мне заниматься "кротовыми норами" и не мешайте!»

А теперь от эмоциональных комментариев перейдем к серьезным. Если говорить про «Миллиметрон», то речь идет вот о чем. Что такое «кротовая нора», чем она отличается от черной дыры? Принципиальная разница заключается в том, что «кротовая нора» — это объект, через который свет или объекты могут пройти, войти в «кротовую нору» и выйти в другой части пространства-времени. Либо в нашей Вселенной, либо в другой Вселенной, если она существует. Принципиально важно здесь то, что точно так же из другого пространства-времени и из другой Вселенной, соответственно, объекты или излучение, магнитное поле  могут пройти в нашу Вселенную и выйти у нас. Поэтому предполагаемые проверки в «Миллиметроне» существования или несуществования «кротовых нор» заключаются в следующем. Во-первых, мы будем искать так называемый магнитный монополь. То есть кажущуюся ситуацию, когда есть магнитное поле, которое вышло из «кротовой норы» и представляет из себя монополь. То есть оно не замкнуто. Почему? Потому что оно вышло у нас из «кротовой норы», а вошло в нее в другом пространстве-времени. Соответственно, мы будем искать такие магнитные монополи. И второй момент — через «кротовую нору», как через гравитационную линзу, наблюдатели должны видеть излучение из другого пространства-времени.

«Миллиметрон» — технологически очень сложный проект. Я надеюсь, что нам удастся его реализовать в ближайшие годы и благодаря этому толкнуть физику и подтвердить или не подтвердить модель «кротовой норы».

Долгин: Спасибо большое. Вопрос немножко сбоку: сейчас модной (в хорошем смысле) становится идея гражданской науки, идея вовлечения интересующихся в процесс добывания данных для науки, помощи ученым и так далее. Вы немного говорили о возможности чего-то такого в связи с радиоастрономией. Есть ли такие возможности в связи с вашими новыми исследованиями?

Ковалёв:  Уже после лекции Сергей Троицкий напомнил мне про замечательную возможность участия в исследовании космических частиц любых желающих с помощью камер своих смартфонов, веб-камер и так далее. Их реально можно превратить в детектор космических частиц. Даже специальные программы уже разработаны. Об этом можно почитать в деталях, например, на Хабре.

Долгин: Поступил личный вопрос: «Вы как астрофизик не потеряли интереса к космонавтике? Будете сегодня вечером наблюдать за первым стартом SpaceX с астронавтами на борту?»

Ковалёв: Если я правильно помню, то это произойдет в районе полуночи. Если не засну, обязательно буду смотреть. Все мы желаем нашим коллегам, нашим друзьям-астронавтам успеха. Сегодня очень важный день. 

Долгин: На самом деле вы и ответили, и не ответили.

Ковалёв: Не потерял ли я интерес к космонавтике? Хорошо, отвечу тогда раскрыто. Я испытываю огромное уважение к людям, которые это сделали. Начиная от инженеров, которые это построили, и заканчивая людьми, которые на этом летят. Я регулярно общаюсь не с астронавтами, а с космонавтами, это всегда потрясающий опыт. Громадное уважение. Нечто, что по-английски или по-американски называется rocket science. Если же говорить про фундаментальную науку, которую мы делаем из космоса, мы все-таки прекрасно понимаем, что наиболее эффективно задачи решаются на роботизированных миссиях.

Долгин: Да, спасибо. Это очень понятная позиция. Сложно устроенная и очень понятная. Мне кажется, что все настолько ошеломлены рассказом об открытии, что до сих пор не могут прийти в себя. Если совсем серьезно, спасибо большое, Юрий, что позволили нам быть первыми, кто познакомился в лекционном, в научно-популярном формате с этой информацией. Мне кажется, что это очень важно, когда, кроме знакомства с фундаментом науки (что очень важно и что часто упускается в научной популяризации), мы все-таки видим и свежие научные результаты, мы видим, как непосредственно сейчас рождается передовая наука.

Обсудите с коллегами

00:01

Владимир Одоевский

12.08

Порошенко посоветовал Лукашенко следить за «мародерами из Кремля» и прекратить насилие

12.08

Из государственных белорусских СМИ начали увольняться журналисты

12.08

В Анталью за два дня прилетели почти 40 тыс. россиян

12.08

Первое в России дело о «ворах в законе» дошло до суда

12.08

Лекция: Сингулярность XXI века в контексте Большой истории

Лекция: Где рождаются нейтрино высоких энергий Лекция: Где рождаются нейтрино высоких энергий Лекция: Нормы научной работы, их нарушения и борьба с ними Лекция: Нормы научной работы, их нарушения и борьба с ними
Лекция: Где рождаются нейтрино высоких энергий