Юрий Ковалев: российский нейтринный телескоп на Байкале будет точнее американского в Антарктиде

Член-корреспондент РАН рассказал о том, как совершаются научные открытия и может ли пандемия помешать работе ученых

Москва. 23 мая. INTERFAX.RU - 13 мая стало известно, что российские ученые совершили прорыв в изучении черных дыр. Отечественным специалистам удалось доказать, что одни из самых загадочных физических частиц, нейтрино высоких энергий, рождаются в блазарах – ядрах активных галактик со сверхмассивными черными дырами.

Один из участников группы, астрофизик, член-корреспондент РАН Юрий Ковалев рассказал корреспонденту "Интерфакса" Кириллу Веприкову, как отечественным физикам удалось совершить это открытие, можно ли изучать Вселенную в условиях самоизоляции и почему новый российский нейтринный телескоп Baikal-GVD лучше американского IceCube.

- Если говорить понятным широкому кругу читателей языком, почему вопрос откуда берутся нейтрино так важен?

- Нейтрино были предсказаны около 90 лет назад, обнаружены несколько десятилетий назад, но мы до сих пор знаем о них очень мало. В частности, их масса до сих пор неизвестна. При этом они крайне важны для исследования нашей Вселенной. Не зря в 2015 году была дана Нобелевская премия за нейтринные осцилляции.

Кроме нейтрино "обычных" уровней энергии, ученым удается регистрировать редкие нейтрино сверхвысоких энергий, в сотни триллионов вольт. Мы долгое время не знали, откуда они вообще к нам приходят. И ответ на вопрос, какой объект во Вселенной способен произвести такие ультра-мощные частицы, скажет нам многое и о самом объекте. Ведь эти частицы способны преодолеть гигантские расстояния и быть зарегистрированными здесь у нас. А произвести их мог только какой-то космический супер-ускоритель. Фактически, нейтрино высоких энергий – ключик к этому супер-коллайдеру.

- В вашей публикации говорится, что источником нейтрино являются блазары - ядра галактик, представляющих собой сверхмассивные черные дыры. Но разве из черных дыр может какое-то вещество выделяться?

- Вы задали хороший вопрос, ответ на который заодно объясняет, что мы понимаем под ядрами активных галактик. Мы называем так не только черную дыру как таковую, но и аккреционный диск, из которого вещество падает на черную дыру. Большая его часть попадает под горизонт событий, а меньшая – ускоряется до скоростей близких к скорости света и выбрасывается в виде узких струй вещества – джетов. Всю эту центральную машину, вместе диск, дыра и начало джета размером в несколько световых лет, мы и называем ядром активной галактики.

Поэтому когда мы пишем в пресс-релизе, что нейтрино рождаются в ядрах активных галактик, мы, конечно, подразумеваем, что это происходит не внутри черной дыры, а рядом с ней. И кстати, мы пока точно не знаем – где именно. С этим еще предстоит разобраться.

- Каким образом вообще удалось определить источник частиц?

- Были разные теоретические модели, в том числе предсказывающие рождение нейтрино в ядрах активных галактик. Для того, чтобы родить энергичное нейтрино, необходим релятивистский протон. То есть протон, ускоренный до скорости, близкой к скорости света. Соответственно, нужны условия и процесс, который способен придать массивной частице – протону – такую большую энергию. В ядрах активных галактик есть эти условия.

Но теорию надо проверить. Как? Сначала берутся данные из нейтринной астрономии. Последние 10 лет единственные массовые данные по нейтрино сверхвысоких энергий шли только от одного телескопа, американского IceCube. Он фиксирует момент времени прихода нейтрино, его энергию и, с какой-то точностью, направление, с которого прилетела частица.

Астрономы анализируют объекты, которые находятся на небе в этих направлениях. Поскольку при образовании нейтрино рождаются гамма-фотоны, логично считалось, что надо изучать наблюдения объектов Вселенной именно в гамма-диапазоне.

К сожалению, это оказался дохлый номер, не удалось найти значимой связи. Единственное исключение случилось года два назад. Коллегам удалось зафиксировать событие, когда одновременно с моментом регистрации нейтрино увидели вспышку гамма-излучения одного квазара. На эту тему даже была организована пресс-конференция Национального научного фонда США. Проблема только в том, что этот пример оставался единичным. Почему он такой один? Ведь за годы наблюдений зарегистрированы уже многие десятки нейтрино. Вдруг просто совпадение? Поэтому многие относились к результату скептически и продолжили искать способы проверить предсказанную теорией взаимосвязь.

- И как так получилось, что русским ученым удалось сделать то, что не смогли американцы?

- Нам в голову пришла идея попробовать искать связь между нейтрино и активными галактиками не в гамма-диапазоне, а в радио. С помощью радиоинтерферометров. Это сети радиотелескопов, которые находятся в Америке, Европе, есть и в нашей стране. А у радиоинтерферометров есть такая особенность, что они не замечают все "лишнее", крупномасштабное и видят как раз компактные ядра галактик.

И благодаря изучению громадного объема данных наблюдений активных галактик, мы выяснили, что с вероятностью 99,8% активные ядра галактик, которые находятся в направлениях прихода нейтрино, оказываются более яркими в радиодиапазоне. Почему? Тут нам на помощь пришел эффект релятивистской аберрации (интересующиеся могут почитать про него в Википедии). Более яркими для нас кажутся те джеты, которые направлены на Землю. То есть к нам прилетают нейтрино именно из тех квазаров, выбросы вещества которых направлены на нас. И в этом много логики. Ведь центральные машины активных галактик ускоряют все как раз вдоль направления выброса. Соответственно, мы увидим только те нейтрино, которые космический ускоритель запульнул в сторону нашей планеты.

Но это только часть истории. Была еще вторая половина анализа. У нас возникло следующее предположение: если нейтрино рождаются в ядрах активных галактик при помощи ускоренных протонов, это должно происходить преимущественно во время радиовспышек. Ведь во время этих вспышек рождается больше релятивистских частиц.

Для проверки мы использовали данные замечательного российского телескопа РАТАН-600 (расположен в Карачаево-Черкессии – ИФ), который многие годы следит на радиочастотах за уровнем яркости большого числа активных галактик. Такой массовый набор данных есть практически только у него. Мы провели анализ и предположение подтвердилось. Действительно, нейтрино "предпочитают" приходить одновременно со вспышками радиоизлучения.

Поэтому мы уверены в справедливости объявленного результата.

- Но при этом вы писали, что вам понадобится три года для дополнительных проверок?

- Да. Ученые - люди недоверчивые и критически относятся ко всему. Мы получили результат с вероятностью 99,8%, но хочется, чтобы она была еще выше. Поэтому в ближайшие три года мы будем проверять, как работает предсказанная нами связь между нейтрино высоких энергий и квазарами.

Очень скоро значительную роль, помимо американского IceCube, будет играть российский нейтринный телескоп Байкал (Baikal-GVD). Он прямо сейчас вводится в эксплуатацию и скоро заработает в полную силу. Наш телескоп не будет повторять работу американского, более того, мы ждем, что он будет играть даже более активную роль. У Baikal-GVD выше точность измерений направлений прихода нейтрино и он видит другую часть неба. Мы рассчитываем, что вместе телескопы смогут увеличить количество зарегистрированных нейтрино. И что за три года мы сможем окончательно проверить результат и поставить точку.

Это первый массовый значимый результат и он требует дополнительных проверок. Как это всегда делается в науке. Когда мы получили осенью 2019 года первые указания на связь нейтрино – квазары, сами в него не поверили. Слишком уж красиво все выходило. Мы стали его проверять, пытались "убить", не получилось. И тогда, конечно, "задрожали руки", мы стали активно доделывать статью. Вся наша группа работала даже 1 января.

- Не понадобится подключать новые радиотелескопы из-за того, что байкальский телескоп будет захватывать новые направления?

- Нет, мы уже сейчас продумываем новые наблюдения таким образом, чтобы закрыть области неба, которые видят и Байкал и IceCube, и получается, что нам хватает. РАТАН, например, сможет закрыть все небо от Байкала до IceCube.

- А не помешает ли этой работе пандемия и режим самоизоляции?

- Не особо. Смотрите, если вы теоретик, вы можете сидеть дома с карандашом и бумагой и вам счастье. Есть еще теоретики, которые занимаются численным моделированием, они это делают с помощью суперкомпьютеров. Для них естественно важно, чтобы кластеры суперкомпьютеров продолжали работу потому что на дом их не возьмешь.

Если говорить об астрономах - наблюдателях, то они используют крупные современные телескопы, дорогостоящие уникальные установки. Мы пишем заявки на наблюдения, и если эти заявки выигрывают конкурс, то обсерватории ведут наблюдения согласно подготовленной программе, а мы можем подключаться дистанционно. Поэтому значительное количество современных наблюдений могут проводиться удаленно, при условии что та или иная обсерватория не закрылась.

Реальная ситуация такова, что часть обсерваторий закрылась, а часть продолжает работать. Например, мы сегодня говорили о Специальной Астрофизической Обсерватории в Карачаево-Черкессии, ее телескопы продолжают наблюдения.

- А что с иностранными обсерваториями?

- По-разному. Некоторые закрылись, некоторые нет.

- Может ли это повлиять на сроки исследований?

- Я могу говорить только про нас. Работы по нашим заявкам продолжаются, они не остановились. Но кому-то повезло меньше.

- Вы говорили, что работали не в одиночку, кто еще входил в эту группу?

- Аспирант Александр Плавин – первый автор нашей статьи, провел основную часть анализа. Еще один Юрий Ковалев, мой отец, он руководит программой наблюдений галактик на РАТАН-600, и Сергей Троицкий – наш основной специалист по нейтрино. Наш коллектив представляет Физический институт им. П.Н. Лебедева, Московский Физико-Технический институт и Институт Ядерных Исследований.

- А если ваш результат подтвердится с еще более высокой точностью, ответы на какие новые вопросы нужно будет искать в дальнейшем?

- Это, конечно, самое интересное. Первый вопрос – а где именно в центрах галактик рождаются нейтрино? Они могут рождаться в непосредственной близости к черной дыре или в начале джета. Второй принципиально важный вопрос: как был ускорен релятивистский протон? Он же массивнее электрона примерно в 2 тысячи раз! Это позволит нам разобраться в принципах работы космического супер-коллайдера, как называл квазары мой учитель, академик Николай Семенович Кардашев.