Швейцария и проект SKA помогут разгадать тайны Вселенной

Космос излучает радиоволны, но с Би-Би-Си или Рашей Тудей они не имеют ничего общего. Alex Cherney/terrastro.com

Как выясняется, Швейцария умеет делать не только часы с кукушкой, но еще и сложные космические технологии.

Русскоязычную версию материала подготовил Игорь Петров.

Этот проект призван обеспечить создание крупнейшего в истории науки инструмента познания: десятки тысяч антенн, разбросанных от ЮАР до Австралии, должны будут улавливать и анализировать сигналы, излучаемые Вселенной. Значительная часть электронных технологий, применяемых в рамках проекта SKA, разработана в Швейцарии, которая, как выясняется, умеет делать не только часы с кукушкой.

Аббревиатура SKA означает вовсе не «Спортивный Клуб Армии», а совсем иное: «Антенная решётка площадью в квадратный километр» (Square Kilometre Array). Это международный проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра. Название проекта отражает первоначальный, разработанный еще в начале 1990-х годов план по созданию радиотелескопа с общей собирающей площадью антенн около одного квадратного километра. 

Высокое разрешение

На данный момент проект переработан в плане расширения собирающей площади за пределы этого показателя. Особенность проекта состоит во взаимном позиционировании улавливающих антенн: они располагаются не рядом друг с другом, а разбросаны на большом удалении по земной поверхности, что должно позволить получать изображения небесной сферы с очень высоким разрешением. В Южной Африке, в частности, сейчас устанавливаются 200 антенн диаметром 15 метров каждая. На другом конце света, в Австралии, устанавливаются 130 000 «грабельных» антенн, тех самых, использовавшихся когда-то для приема аналогового телесигнала на заре развития массового телевидения. 

Обе приемные станции соединены оптоволоконными кабелями, длина которых в два раза превосходит длину экватора. Кто-то может задаться вопросом: а зачем нам нужна эта технология? Смотреть обычные телеканалы в высочайшем качестве? Нет, дело совсем не в этом. Дело в том, что источником радиоволн могут быть не только теле- и радиостанции, но и объекты, расположенные далеко во вселенной, включая скопления галактик, активные центры галактик и некоторые типы звезд. 

Видимый свет — это ведь лишь малая часть электромагнитного спектра, существующего в природе. Некоторая часть этого спектра, невидимая для человеческого глаза, названа «радиоволнами», но и то только потому, что именно волны этого диапазона использовались для трансляции радио- и телепередач. Наблюдение за Вселенной давно уже, и в разных диапазонах волн, ведется при помощи параболических антенн и спутников. Так называемая радиоастрономия, или астрономия радиоволн, возникла еще в 1950-х годах. 

С тех пор на Земле строились и вводились в строй все более крупные радиотелескопы, которые затем стали объединяться в кластеры, что позволяло увеличивать разрешение такого рода устройств для наблюдения за космосом. Проект SKA должен предоставить в распоряжение радиоастрономии качественно более совершенный инструмент. Чувствительность данной антенной решётки может более чем в 50 раз превысить чувствительность любого другого существующего радиотелескопа. 

Решетка создается в рамках международного консорциума с участием целого ряда стран, население которых в совокупности составляет 40% от всего мирового населения. В число участников проекта страны постсоветского пространства не входят, зато среди них присутствуют Южная Африка, Великобритания, Китай, Индия, Португалия и Австралия. А что Швейцария? Участником проекта в апреле 2020 года стал Швейцарский федеральный технологический институт в Лозанне (EPFL). В задачи этого вуза входит координация вклада всего швейцарского научного сообщества в обеспечение успеха проекта SKA. 

Швейцария как государство получила в проекте в 2016 году статус наблюдателя и ожидается, что в ближайшем будущем она станет полноправным его участником. Ученые возлагают очень большие надежды на этот необычный инструмент, который должен стать своего рода космическим собратом Большого Адронного коллайдера. Только если БАК исследует квантовый мир сверхмалых расстояний, то SKA будет призван исследовать объекты таких огромных масштабов, что они даже не укладываются в человеческом сознании. Почему это важно? 

Как известно, и очень упрощенно говоря, квантовый мир и мир галактических скоплений и сверх больших расстояний следуют своим законам, и между собой эти законы не имеют ничего общего от слова «совсем». Создать общепризнанные основы Единой теории поля, над которой тщетно бился еще Эйнштейн и которая призвана была бы объединить все известные физические взаимодействия, существующие в природе, в рамках одной непротиворечивой теории, пока не удалось. Поможет ли проект SKA сделать шаг к решению этой задачи?

Но если мы не собираемся смотреть телевизор, то для чего конкретно могла бы сгодиться такая суперантенна, которую уже невозможно установить на крыше дома? Своими мыслями на этот счет с нами поделилась Катрин Цезарски (Catherine Cesarsky), которая с 2017 года руководит исполнительным комитетом проекта SKA. Ранее она была шефом Европейской южной обсерватории (ESO, European Southern Observatory), международной исследовательской организации, расположенной в северной части Чили, а также была президентом Международного Астрономического союза (International Astronomical Union IAU). 

Три больших надежды — и много малых

Прежде всего речь идет о гравитационных волнах, или, как говорят ученые, «возмущениях», которые распространяются подобно волнам, излучаются движущимися массами, но после излучения отрываются от них и существуют независимо, будучи описанными в качестве «ряби пространства-времени». 

Альберт Эйнштейн предсказал существование таких волны еще в 1916 году, но обнаружены они были только столетие спустя на базе LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории, расположенной в США в городах Ливингстон и Хэнфорд. Обнаруженный Обсерваторией гравитационный сигнал исходил от слияния двух чёрных дыр массами в 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли. 

«Мы знаем, что в центрах галактик всегда есть супермассивные черные дыры. С помощью трех европейских зондов LISA, запуск которых запланирован на 2030 г., мы сможем обнаруживать такого рода столкновения в масштабах, в миллионы раз превышающих массу Солнца. И вот представим себе, что проект СКА пойдет еще дальше, до масштабов, в миллиарды раз больших массы Солнца», — говорит К. Цезарски. 

Вторая область, в которой она ожидает прорывных результатов, касается исследования магнитных полей. Именно магнетизм определяет облик Вселенной и регулирует процесс формирования и эволюцию объектов всех размеров, от крошечных планет до галактических скоплений материи, включая, конечно же, звезды. Человечеству необходимо лучше понимать ход и логику событий, приводящих к рождению тех или иных структур во Вселенной.

Проект MeerKAT в Южной Африке – еще один предшественник SKA. В отличие от своих оптических кузенов, радиотелескопам все равно, когда работать, денем или ночью, в солнечную или облачную погоду. Если только их не поставили на ТО, они работают 24 часа в сутки, семь дней в неделю. SKA Organisation

Третья область — водород, простейший атом, состоящий только из одного протона и одного электрона. И именно он первым и образовался из брожения супа элементарных частиц сразу после Большого Взрыва. Водород и сегодня остается самым распространенным химическим элементом во Вселенной. 

«Так называемая радиолиния нейтрального водорода, также линия 21 см, важнейшая радиолиния в радиоастрономии, легко наблюдается с помощью радиотелескопа. Проект SKA станет инструментом, который сможет составить карту распространения водорода за период всей истории Вселенной, насчитывающей более 13 млрд лет», — говорит К. Цезарски.

В поисках темной материи

Но это еще не все! Именно водород призван помочь раскрыть свойства знаменитой «темной материи». «Если мы посмотрим на темпы расширения Вселенной, то мы увидим, что они ускоряются сильнее, чем предсказывают законы гравитации», — говорит Жан-Поль Кнейб (Jean-Paul Kneib), директор Лаборатории астрофизики EPFL. 

«Это ускорение можно в теории объяснить существованием двух компонентов — темной материи и темной энергии». Темная материя может объяснить проблему скрытой массы в эффектах аномально высокой скорости вращения внешних областей галактик и гравитационного линзирования. Предполагается, что долю темной материи приходится более 25% массы-энергии Вселенной. 

«Эта материя, скорее всего, тоже состоит из частиц вимпов (Weakly Interacting Massive Particle) — гипотетических слабовзаимодействующих массивных частиц. В рамках Стандартной модели наличие таких частиц не предусмотрено, поэтому все ищут сейчас способы найти их», — говорит Ж.-П. Кнейб. Среди возможных кандидатов на роль вимпов чаще всего рассматриваются легчайшие суперсимметричные частицы «нейтралино».

Но темная материя не генерирует излучения, и ее очень трудно обнаружить эмпирически. Физики ЦЕРНа пытаются сейчас создать её при помощи Большого адронного коллайдера (LHC), астрофизики же стремятся отыскать ее следы напрямую во Вселенной. Проект SKA призван сделать эти поиски чуть более успешными, чем они были до сих пор. Поиски будут идти в пустотах, расположенных между галактиками. 

«При этом мы будем ориентироваться на водород, который, как нам кажется, и является индикатором наличия темной материи. Итоги поисков должны дать нам ответ на вопрос, стоит ли строить новый, еще более мощный, чем БАК, ускоритель частиц, что немаловажно, если учесть стоимость такого колоссального инструмента. БАК обошелся в десять миллиардов франков, проект SKA, который должен вступить в строй в 2028 году, уже стоит 15 миллиардов», — говорит Ж.-П. Кнейб

«E.T. домой позвонить»

А что, если СКА наконец-то позволит слушать радиосигналы — но на совершенно незнакомом нам языке? Как быть? В самом деле, среди научных задач нового прибора находится и поиск «внеземных радиосигналов», но не в смысле частотных характеристик, а в смысле содержащихся посланий. Новый гигантский радиотелескоп, возможно, смог бы преуспеть там, где программе SETI пришлось признать свое поражение. Ж.-П. Кнейб не считает такого рода мысли абсурдом. 

«Я не хочу исключать возможность того, что что-то подобное может существовать. История SETI, как мне кажется, началась слишком рано, обогнав свое время: экзопланеты, например, тогда еще не были неизвестны. А ведь прежде чем искать что-то, ты должен знать, где искать. И если ты еще ничего не нашел, то, может быть, это потому, что ты искал не в том месте». К. Цезарски предпочитает более сдержанный подход. 

«Этот телескоп позволит нам работать параллельно, и нам не придется резервировать дополнительное время на достижение этой цели. Мы вполне сможем анализировать данные, собранные в ходе решения и других задач, почему бы и нет? Но я бы не стала строить SKA только для того, чтобы позволить симпатичному «Инопланетянину» из фильма Спилберга «позвонить себе домой».

Швейцарский вклад

«Швейцарские научные учреждения сыграли центральную роль на этапе разработки концепции телескопа SKA. Они по праву обладают репутацией первоклассных специалистов в области астрономии: они уже участвуют в самых амбициозных международных научных миссиях», — указал Фил Даймонд (Phil Diamond), генеральный директор SKA, после того как стало известно, что EPFL тоже присоединилась к этому проекту.

В настоящее время в нем также участвуют университеты Берна, Цюриха, Женевы, Высшая техническая школа Цюриха (ETH), Швейцарский суперкомпьютерный центр в Тичино (CSCS), Высшие школы прикладных наук Северо-Западной и Юго-Западной Швейцарии (Fachhochschulen des Nordwest- und Südwestschweiz), а также планетарий «Швейцарского музея транспорта» (Verkehrshaus) в Люцерне.

В частности, стало известно, что атомные часы, необходимые для идеальной синхронизации работы элементов телескопа, расположенных в разных регионах планеты, будут поставлены швейцарской компанией из кантона Невшатель. Швейцария также будет трудиться над обработкой в буквальном смысле астрономических объемов данных, которые будут поставляться SKA. 

Скорость обработки превысит один терабайт в секунду. Эта задача будет решаться в первую очередь с помощью самообучающегося программного обеспечения («искусственного интеллекта»), которое будет помогать исключать из процесса обработки данные, не представляющие интереса для проекта. А именно так и работает человеческий мозг.