Создатель «РадиоАстрона»

В минувшую субботу, 3 августа, на 88-м году жизни скончался академик РАН Николай Семенович Кардашев, выдающийся отечественный астрофизик, создатель и руководитель проекта «Радиоастрон», один из авторов метода радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, благодаря которой астрономы смогли увидеть «тень» черной дыры и заглянуть в недра квазаров. Мы расскажем о нескольких важных открытиях Кардашева, существенно повлиявших на наше понимание процессов, идущих во Вселенной.

Зонд для туманностей

В 1963 году Кардашев, будучи в аспирантуре у Иосифа Шкловского, с успехом защитил кандидатскую диссертацию по теме генерации синхротронного радиоизлучения релятивистскими электронами с различным энергетическим спектром.

В диссертации была рассмотрена проблема, по которой за четыре года до защиты Кардашев опубликовал небольшую, но важную статью в Астрономическом журнале. Речь идет о возможности обнаружения в радиодиапазоне рекомбинационных линий атомарного водорода на высоких уровнях.

Если мы рассмотрим разреженную межзвездную среду, то в ней в ходе процессов рекомбинации и ионизации с участием ионов и электронов могут образоваться атомы с высоким уровнем возбуждения, у которых количество уровней может достигать ста и более. В дальнейшем при переходах захваченных электронов на уровни с меньшей энергией, согласно постулатам Бора, происходит испускание фотонов, которые могут наблюдаться в радиодиапазоне, если количество атомов на луче зрения достаточно велико, а среда характеризуется низкой плотностью (иначе в игру вступит эффект Штарка, из-за которого линии размываются и ослабляются). Эти линии получили название рекомбинационных.

Наиболее распространенным элементом в межзвездной среде является водород. Возможность образования радиолиний у высоковозбужденного атомарного водорода отметил в 1952 году австралийский астроном Джон Уайлд, однако тогда он посчитал, что наблюдать их будет невозможно, так как множественные радиолинии со значениями главных квантовых чисел больше 300 будут сливаться друг с другом в непрерывный фон. Похожего мнения был и голландский астроном Хендрик ван де Хюлст.

Тем не менее Кардашеву удалось показать, что это возможно и что наиболее пригодны для наблюдений области HII — крупные туманности, содержащие ионизованный водород. Для поисков лучше всего подходил диапазон длин волн от полутора до четырех сантиметров, а целями стали яркие туманности Ориона и Омега.

В том же 1959 году, когда Кардашев опубликовал свои выводы, в Пущинской обсерватории вступил в строй 22-метровый радиотелескоп с высокочувствительным радиоспектрометром. Наблюдения, проведенные с его помощью в 1964 году, а также данные, полученные в Пулковской обсерватории, подтвердили идеи Кардашева — в спектре излучения туманности Омега были найдены радиолинии, создаваемые переходами n₉₁ → n₉₀ и n₁₀₅ → n₁₀₄ в возбужденном атоме водорода, которые через несколько месяцев немного сместились из-за движения Земли по орбите, что доказывало их космическое происхождение.

Через год эти результаты были подтверждены при помощи радиотелескопов, расположенных в США, а еще через год были обнаружены рекомбинационные линии гелия, а затем — углерода. Оказалось, что подобные наблюдения дают уникальную возможность исследовать физические условия в областях HII, холодных молекулярных облаках и планетарных туманностях, построить распределение ионизованного водорода в Млечном пути, благодаря чему можно лучше понять структуру и эволюционный путь нашей галактики.

Загадки Краба

В 1964 году Кардашев опубликовал еще одну свою значимую работу, посвященную природе радиоизлучения от различных астрофизических объектов. В ней, помимо всего прочего, он рассмотрел ситуацию гравитационного коллапса замагниченной звезды с сохранением ее магнитного момента и показал, что в результате образуется быстровращающаяся нейтронная звезда, обладающая огромным магнитным полем. Это позволяло объяснить происхождение мощного электромагнитного излучения от точечного источника в центре Крабовидной туманности (остатка сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году в созвездии Тельца). Кардашеву удалось показать, что именно нейтронная звезда, постепенно замедляясь, поставляет энергию в расширяющуюся туманность.

Таким образом, Кардашев, по сути, предсказал существование радиопульсаров и описал механизм их работы за три года до того, как они были открыты астрофизиком Джоселин Белл. Сам же пульсар в центре Крабовидной туманности был открыт в 1968 году, и наблюдения подтвердили, что мы имеем дело с вращающейся нейтронной звездой диаметром около 25 километров, которая ответственна за форму туманности, ее магнитное поле и излучение.

Шкала цивилизаций

Помимо прочего, Николай Кардашев занимался вопросами поиска внеземных цивилизаций и установления связи с ними (проект SETI). Он входил в группу советских астрономов, которые в начале 60-х годов прошлого века организовывали практические работы по поиску сигналов внеземного разума. Благодаря ему и Карлу Сагану в сентябре 1971 года была проведена первая советско-американская конференция по проблеме SETI.

В 1964 году в свет вышла самая, пожалуй, необычная статья Кардашева, получившая название «Передача информации внеземными цивилизациями». В ней были определены параметры непрерывной изотропной широкополосной передачи от развитых цивилизаций, оптимальный диапазон волн для установления межзвездной связи (10⁹–10¹¹ герц), показано, как может выглядеть спектр искусственного радиоисточника.

В той же статье Кардашев выдвинул и критерии, позволяющие говорить об искусственном характере источника сигнала. Так, сигнал должен обладать очень малыми угловыми размерами, круговой поляризацией, демонстрировать изменчивость по времени, не сводящуюся к статическим флуктуациям, а спектр источника должен содержать определенные особенности, которые подчеркивали бы его неестественное происхождение.

С этими критериями была связана забавная история. Проанализировав доступные на тот момент данные наблюдений, Кардашев отметил два интересных объекта — СТА-21 и СТА-102. Эти объекты имели очень малые угловые размеры, не отождествлялись с известными оптическими источниками и обладали спектрами, похожими на искусственный. Для проверки идеи об их происхождении он предложил определить, имеет ли радиоизлучение от этих источников переменный характер. Наблюдения, проведенные в 1964-1965 годах при помощи антенн системы АДУ-1000, не выявили у СТА-21 переменность потока излучения со временем, а вот у СТА-102 наблюдались изменения потока с периодом 102 дня.

После сообщения ТАСС, несмотря на состоявшуюся в ГАИШ пресс-конференцию, на которой ученые пояснили, что переменность источника не обязательно подтверждает его искусственное происхождение, в течение нескольких дней в мировой прессе активно обсуждалась новость об открытии внеземного разума. Дальнейшие исследования этих двух объектов привели к выводу, что это квазары.

Но главное, чем запомнилась эта статья, была ныне широко известная «шкала Кардашева», в которой внеземные цивилизации делились на несколько уровней в зависимости от уровня освоения ресурсов и энергопотребления.

Цивилизация первого типа способна использовать все энергетические ресурсы, имеющиеся на ее планете, а ее технологический уровень близок к уровню, достигнутому человечеством. Уровень энергопотребления для такой цивилизации изначально оценивался в 4 × 10¹² ватт, но в дальнейшем оценка изменилась. Сегодня первому типу соответствует цивилизация, чье энергопотребление соответствует всей энергии, получаемой Землей от Солнца — 1,7 × 10¹⁷ ватт. С этой точки зрения человечество до первого типа пока не дотягивает.

Цивилизация второго типа использует всю энергию своей звезды, например с помощью сферы Дайсона или другого астроинженерного сооружения, а уровень ее энергопотребления для звезды типа Солнца был бы равен 3,8 × 10²⁶ ватт.

Наконец, цивилизация третьего типа способна овладеть энергией в масштабах всей своей галактики. Уровень ее энергопотребления оценивался Кардашевым в 10³⁷ ватт. Условным примером такой цивилизации можно назвать Галактическую империю из вселенной «Звездных войн».

Телескоп размером с планету

Но, пожалуй, самым важным научным достижением Кардашева можно считать развитие идеи радиоинтерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ), предложенной им в 1965 году совместно с Леонидом Матвеенко и Геннадием Шоломицким.

Идея заключалась в том, что телескопы, входящие в состав интерферометра, не обязательно соединять высокочастотным кабелем, ограничивающим угловое разрешение системы. Вместо этого можно проводить независимую регистрацию радиосигнала на антеннах, разнесенных на разные континенты, а уже потом, после записи информации на носители, производить обработку данных коррелятором.

Это позволило достичь немыслимого ранее углового разрешения, которое в десятки тысяч раз превосходило разрешение оптических интерферометров. Вскоре эта идея была успешно реализована на нескольких радиотелескопах в США и Канаде, а затем и в СССР. Однако Кардашев не собирался ограничивать масштабы радиоинтерферометра размерами Земли. Он думал о космическом интерферометре с базой порядка одной астрономической единицы для решения космологических задач.

В начале 1980-х годов Кардашев начал работу над проектом «Радиоастрон», на разработку которого ушло тридцать лет. Проект стартовал в 2011 году и представлял собой комплекс из крупнейшего в мире десятиметрового космического радиотелескопа КРТ-10, установленного на аппарате «Спектр-Р», который обращался вокруг Земли по сильно вытянутой эллиптической орбите с длиной большой полуоси около 190 тысяч километров и периодом обращения около 8,3 суток, и сети наземных радиотелескопов.

Все эти телескопы образуют гигантскую систему с базой более трехсот тысяч километров, что позволило достичь углового разрешения порядка нескольких десятков угловых микросекунд — такой угловой размер имел бы спичечный коробок, находящийся на поверхности Луны. Проект оказался крайне успешным, а сам телескоп смог проработать 7,5 года вместо изначально запланированных пяти лет.

Целью исследований стали активные ядра галактик, черные дыры звездных масс, остатки сверхновых, пульсары, космические мазеры и мегамазеры, квазары и межзвездные газовые облака. Удалось рассмотреть джеты блазара BL Lac с рекордно высоким разрешением и разглядеть детали строения релятивистского джета вблизи сверхмассивной черной дыры в центре активной галактики 3C84, увидеть водный мазер размером с Солнце и открыть новый эффект рассеяния радиоволн в межзвездных облаках плазмы.

В марте 2017 года было объявлено о достижении абсолютного рекорда углового разрешения в астрономии при наблюдениях водного мегамазера в галактике M 106, которое составило 8 микросекунд дуги.

Дальнейшим развитием «Радиоастрона» стал проект «Миллиметрон», над которым Кардашев активно работал в последние годы. Ожидается, что «Миллиметрон» стартует после 2027 года, когда в космос будет запущен телескоп «Спектр-М».

Александр Войтюк