Новости

17 Июля, 2020 15:39

Астрофизик Юрий Ковалев: «Наше открытие невозможно было предугадать, под такое грант не написать»

Российские ученые подошли к разгадке проблемы, которая в последние годы занимает умы физиков всего мира. Исследовательская группа под руководством известного астрофизика Юрия Ковалева, которая при поддержке РНФ изучает ядра активных галактик, неожиданно обнаружила, что именно в них рождаются нейтрино высоких энергий – частицы, нарушающие почти все физические законы и позволяющие ответить на ключевые вопросы об устройстве Вселенной. Юрий Ковалев, грантополучатель и член экспертного совета Фонда, рассказал, как астрофизики проводят исследования, почему далеко не всегда можно предсказать результат исследований, и чего ждать от физики будущего.
Юрий Ковалев. Источник: пресс-служба МФТИ

Почему Вы изучаете ядра активных галактик?

Ядра активных галактик – это тематика, которая интересует меня с университета. На эту тему есть анекдот. Когда я еще студентом выступал на семинаре в Крымской астрофизической обсерватории, в той ее части, которая удачно находится на берегу Черного моря, директор обсерватории Александр Владимирович Степанов – в настоящее время научный руководитель ГАО РАН – сказал: «Сейчас студент Юрий Ковалев расскажет нам про ядра активных галактик. Говорят, чем дальше находится объект, который вы изучаете, тем вы круче. Поэтому самые крутые ученые – это космологи, ведь они изучают Вселенную как целое по реликтовому излучению. Оно приходит к нам с самых краев Вселенной, это остаток Большого взрыва. Потом идут те, кто занимается активными ядрами галактик, затем те, кто изучает нашу Галактику, нашу Солнечную систему, планеты. Замечу, что Степанов – солнечник». 

Если несерьезно отвечать на вопрос, то я изучаю ядра активных галактик, потому что это круто.

Это просто объект моего интереса. Мне кажется, что центры далеких галактик, с одной стороны, достаточно сложны, с другой – достаточно интересны, чтобы изучать их долгие годы и получать от этого удовольствие.

Если говорить о гранте, который в 2016 году выиграла наша группа из Физического института имени П.Н. Лебедева, то здесь тема касается совершенно определенных свойств центров активных галактик – свойств релятивисткой плазмы. Такая плазма состоит из электронов, которые летят со скоростью, близкой к скорости света. Они одновременно могут излучать и поглощать фотоны в радиодиапазоне. Для изучения этой темы мы набрали необходимый наблюдательный материал и выиграли нужное количество новых заявок на будущие наблюдения, которые гарантировали успех проекта в рамках требований фонда об отсутствии дубля тематик и финансировании новых исследований.


Радиоизображение джета в галактике «Персей А», полученное «РадиоАстроном». Источник: Giovannini et al. / Nature Astronomy, 2018

Как происходит процесс подачи заявок на наблюдения?

Наблюдательные астрофизики и специалисты в некоторых других областях, например, ядерной физики, работают на крупных измерительных инструментах. Их сейчас нередко называют «уникальными научными установками» или «инфраструктурой класса megascience». Мы называем их крупными телескопами. Именно на таких крупных телескопах, как наземных, так и космических, решают множество научных задач и получают большинство прорывных результатов. Поскольку все эти установки очень дорогие, глупо ограничивать доступ к ним только сотрудниками той или иной обсерватории или университета, поэтому в мире принят принцип открытого доступа, или open sky policy – правило открытого неба. Согласно этому правилу, страна, которая профинансировала создание телескопа, открывает доступ к нему всем ученым. Вы хотите, чтобы ваш уникальный телескоп использовался для наиболее интересных, прорывных научных задач. Соответственно, вы предлагаете ученым подавать заявки на наблюдения и отбираете лучшие из них. Еще одна важная причина этого подхода: принцип симметрии. «Я открыл доступ к телескопам в своей стране. И ожидаю, что вы также откроете доступ к телескопам в своей». Одна страна вкладывает в одно, другая – в другое. В России к таким открытым для всех установкам относятся, например, телескопы Специальной астрофизической обсерватории: 6-метровый оптический телескоп и 600-метровый радиотелескоп в форме кольца РАТАН-600. Отрытым было наблюдательное время и на нашем космический телескопе «Спектр-Р» проекта «Радиоастрон».


Фото взято из открытых источников

Наша группа подавала заявки на наблюдения на российских и зарубежных телескопах, чтобы получить необходимые данные. После этого программные комитеты рассматривали и выбирали –или не выбирали – их. Дальнейшее зависит от правил, действующих на той или иной установке. Часто ученый может выбрать, участвовать ему в наблюдениях лично или нет. На некоторых установках или в некоторых ситуациях, например, сейчас выбора нет: ты должен или, наоборот, не должен принимать участие, и все наблюдения проведет специальный штат сотрудников.

Понятно, что иногда заявки не выигрывают конкурс и тогда ученый остается без материала для исследований. Можно воспользоваться архивными данными, но это не всегда помогает. 

Написание заявок – непростое дело: нужно уметь придумывать красивые и интересные научные задачи и изложить их так, чтобы убедить рецензентов.

В некоторых областях науки остро стоит проблема получения отрицательных результатов или долгое неполучение хоть какого-то результата, заявленного в планах. Насколько актуальна эта проблема для астрофизики?

Такие вопросы мы регулярно обсуждали раньше в Совете по науке Министерства образования и науки. Например, нередко в математике отрицательный результат – это не результат вовсе. Об этом постоянно напоминал замечательный математик Эдуард Гирш: «Если я не доказал теорему, мне публиковать нечего. Вы должны понять, что если я пишу гранты, я могу обещать только то, что уже сделал». Помимо математики есть ряд других областей науки, где уверенно обещать можно только то, что уже сделано.

Если говорить про нашу группу, то проблема обещания результата выходит сильно за пределы подачи заявок на гранты. Прежде всего, она связана с заявками на наблюдения на крупных телескопах. Ведь если вы подаете заявку, где отрицательный результат результатом не является, у вас остается значительно меньше шансов ее выиграть. Такие заявки получат хороший шанс, если будут так называемыми “high-risk, high-impact” – высокорисковые, но при этом особо интересные. Если повезет, они обещают выдающийся прорывной научный результат. Если не выйдет – данные, по сути, окажутся малополезными. Порой я сам пишу такие заявки, но рассчитывать в их рамках на много ресурсов несерьезно. Час времени наземной крупной установки стоит, скажем, порядка 10 тысяч долларов, а космической – вообще космические деньги налогоплательщиков.


Источник: пресс-служба МФТИ

На каком уровне находится астрофизика в России по сравнению с другими странами?

В России много сильных научных групп по астрофизике: как в наблюдательной, так и в теоретической. 

Это одна из причин, почему в 2009 году я принял решение вернуться в Россию после шести лет постдока за рубежом.

Ряд стран, такие, как США, Южная Африка, Австралия, Нидерланды и Германия, вкладывает много денег в радиоастрономию. Очевидно, для того, чтобы в стране было больше сильных ученых, необходимо инвестировать больше денег в науку. При этом в любом случае необходимо позволять и даже поощрять мобильность молодых ученых. Обращу внимание, ключевое здесь не страна, а именно научная группа. Если вы хотите, чтобы кривая обучения ваших молодых сотрудников как можно быстрее шла вверх, им необходимо менять место работы. При этом найти другую сильную группу в той же стране совсем не тривиальная задача. Со своей стороны, я призываю наших ребят так поступать. И далее самостоятельно решать, вернуться им или нет, где основать свои научные группы. А реальный успех и уровень той или иной страны, того или иного университета или института «автоматически» определяются количеством таких вернувшихся ребят.

Такой шаг кажется логичным.

Да, это логично, однако, далеко не все так считают. В России нередко обсуждают приемы удержания молодежи в институте. Они, на мой взгляд, вредят, а не помогают. Мне приходилось слышать: «Мы в него столько вложили, а он предал». Если финансовое положение группы или организации, а также научный климат и научные перспективы будут интересными для молодых ученых, они вернутся на родину.

Вы затронули вопрос финансирования. Достаточно ли хорошо финансируется ваша область исследований?

Если говорить про науку в целом, то, конечно, надо повышать базовую ставку научных сотрудников. Как можно конкурировать за ведущих ученых на мировом рынке с такой суммой оклада в контракте? Разумеется, у ученых есть возможность привлекать финансирование за счет грантов, однако, что делать, когда грант закончился? Любой ученый – и я здесь не являюсь исключением – легко может не выиграть следующую заявку. Без финансирования командировок, оборудования, прекращения поддержки студентов и аспирантов. 

У меня нет сомнений в пользе и необходимости грантового финансирования – оно подталкивает к решению передовых научных задач и развитию групп. Но система работает эффективно, когда «база» и гранты гармонично дополняют друг друга.

Помимо адекватного базового финансирования, которое поможет нам конкурировать на мировом уровне, необходимо инвестировать деньги в развитие инфраструктуры, то есть в наши телескопы, причем как в наземные, так и в космические. 

Стоит еще раз отметить, что Россия является одной из ведущих стран мира по уровню научных исследований в области астрономии. 

У нас есть Федеральная космические программа, в рамках которой уже успешно отлетал «Радиоастрон», сейчас летает «Спектр-Рентген-Гамма». Мы ожидаем и надеемся, что полетят «Спектр-Ультрафиолет» и «Миллиметрон». К сожалению, уровень наземной астрономической инфраструктуры ниже. У нас есть ряд оптических и радиотелескопов, но за последние многие годы почти ничего значительного не построено. И в международных проектах типа Европейской Южной Обсерватории или Радиотелескопа размером в квадратный километр (Square Kilometre Array) мы не участвуем. Помимо классической астрономии, существует астрофизика частиц. Коллеги используют, например, установки Баксанской нейтринной обсерватории и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп. Их надо развивать и поддерживать.


Источник: Baikal_GVD

Мы говорили о том, что некоторые результаты исследований нельзя предсказать и трудно обещать их получение в заявках. Как раз недавно ваша научная группа неожиданно для себя установила, что нейтрино сверхвысоких энергий рождаются вблизи массивных черных дыр в далеких квазарах — активных ядрах галактик, которые вы изучаете.

Действительно, произошла та самая история, которую невозможно было предсказать заранее, невозможно было написать на эту тему отдельный большой грант обещать, что мы разберемся, где рождаются нейтрино высоких энергий. Более того, мы даже ожидали, что ничего не выйдет.

Нейтрино разных энергий приходят к нам из космоса. Кстати, не только нейтрино. Еще прилетают протоны, массивные ядра атомов. Рекордная зарегистрированная энергия сравнима с летящей хоккейной шайбой или теннисным мячиком на подаче. Интересные нам нейтрино высоких энергий скорее «ближе» к капле дождя.

Почему астрофизики так любят нейтрино? Нейтрино практически ни с чем не взаимодействуют и могут пролететь что угодно и кого угодно насквозь, облетая всю Вселенную. Благодаря этому нейтрино доносят до нас информацию о том объекте, который их породил и испустил. Так, с помощью солнечных нейтрино мы убедились в том, что в центре Солнца происходят термоядерные реакции. А нейтрино высоких энергий порождаются только очень быстрыми протонами. То есть нейтрино высоких энергий, которые мы регистрируем на Земле, приносят нам информацию о «космических супер-коллайдерах», ускорителях частиц. Они в состоянии разогнать массивный протон – его масса в 1800 раз больше массы электрона – до скорости, близкой к скорости света. На Земле мы тратим миллиарды денежных знаков, чтобы построить Большой адронный коллайдер и добиться таких показателей, а, грубо говоря, «бесплатно» природа где-то там во Вселенной смогла сделать такие штуки. Поэтому найти, что за машина может ускорить протоны до скорости света, а они, в свою очередь, могут «родить» долетающие до нас нейтрино, – жутко увлекательная задача.


Фантазия художника на тему «Центр активной галактики с аккреционным диском и яркой узкой симметричной струёй». Источник: Вольфганг Штеффен, Институт астрономии Национального автономного университета Мексики

Мировое сообщество пыталось разобраться в этом вопросе последние десять лет. В 2018 году на пресс-конференции Национального научного фонда США сообщили об одном единственном квазаре, который, вроде бы, ассоциирован с нейтрино. Одновременно с приходом нейтрино у него увидели вспышку в гамма-лучах. Один за восемь лет. Странно. Многие ученые задавались вопросом: а не случайно ли это совпадение? Поскольку на сегодня зарегистрировано под сотню высокоэнергетичных нейтрино, мы решили провести массовый анализ и применили данные, изначально полученные в радиоастрономии для немного других задач. 

Мы использовали все самое лучшее из существующего, чтобы провести наш анализ: мировые интерферометрические сети телескопов и наш РАТАН-600.

Квазары – это далекие активные галактики, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры. Во время падения вещества на черную дыру часть потока частиц выбрасывается наружу и ускоряется. Оставался открытым важнейший вопрос: может ли эта система ускорить массивные протоны, а не только легкие электроны? Чтобы это выяснить, мы сравнили данные наблюдений в радиодиапазоне с информацией по нейтрино. Оказалось, что квазары выглядят ярче, если находятся в тех областях на небе, откуда пришли нейтрино. Кроме того, РАТАН показал, что в момент, когда мы регистрируем нейтрино, мы регистрируем и вспышки радиоизлучения от этих квазаров. Это однозначно связало квазары с нейтрино высоких энергий. Теперь мы можем с высокой достоверностью сделать вывод, что именно квазары в состоянии ускорить протоны до скоростей света, а они, в свою очередь, родить нейтрино. Разумеется, этот результат обязан быть проверен. Для этого мы продолжим наблюдать на РАТАН и зарубежных сетях, а также начнем использовать данные с Байкальского нейтринного телескопа. Вместе с ведущими теоретиками, которые недавно присоединились к группе, мы попытаемся теперь разобраться в механизме ускорения протонов в квазарах.


Активная галактика Дева А и ее джет. Изображение с радиоинтерферометра. Источник: A. V. Plavin et al. / The Astrophysical Journal, 2019 © Юрий Ковалев

Исследование нейтрино – одна из самых животрепещущих тем. Какие еще темы лягут в основу астрофизики будущего?

Я точно не берусь предсказать, какая область астрофизики выстрелит наиболее громко в ближайшие годы, но могу сказать, что сейчас становится модным: многоканальная астрономия. 

Используя информацию, которую мы получаем из разных астрономических каналов, мы сможем исследовать те или иные объекты или те или иные процессы во Вселенной по-новому. Представьте себе человека, который раньше мог только видеть. А потом ему дали слух и обоняние. Он может нюхать, смотреть и слышать. Сколько нового он откроет! Перекладывая эту аналогию в реалии астрофизики, можно сказать, что раньше мы пользовались «обычными» телескопами. Они регистрировали электромагнитное излучение в радиодиапазоне, инфракрасном, видимом, в ультрафиолете, рентгене и гамма-диапазоне. Затем стало развиваться направление исследования космических частиц, включая нейтрино. И, наконец, третьим, недавно приобретенным каналом стали гравитационные волны.

Многоканальная астрономия позволит нам познать новые тайны Вселенной при совместном использовании «глаз», «ушей», и «носа».

28 Сентября, 2020
С помощью наночастиц ученым ВГУ удается влиять на свойства клеток
Коллектив учёных физического факультета Воронежского госуниверситета получает экспериментальные резу...
9 Сентября, 2020
Предсказаны новые сверхтвердые материалы
Группа ученых из Сколтеха применила методы машинного обучения для предсказания сверхтвердых...