Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Фальке Хайно

9

Создание глобального телескопа

В поисках телескопов и денег

Астрономия без телескопов напоминает симфонический оркестр без инструментов. Чтобы с помощью глобального интерферометра получить простое изображение, требуется по крайней мере пять расположенных в разных местах телескопов. А еще лучше – десять. Если отбросить возможность украсть эти телескопы, то откуда их можно было взять? На рубеже тысячелетий достаточного количества подобных телескопов просто не было, а тем, которые имелись, угрожало закрытие из-за отсутствия денег. Давно планировавшееся создание новых телескопов все время находилось под угрозой срыва, так что условия для реализации нашего амбициозного проекта были более чем сложными [129] .

129

К тому времени Институт Макса Планка в Бонне и обсерватория Стюарда совместно построили на горе Грэм в Аризоне телескоп Генрих Герц (HHT) с десятиметровым зеркалом. Когда через несколько лет немцы вышли из этого проекта, телескоп переименовали. Он стал называться Субмиллиметровым телескопом (SMT), и университет Аризоны продолжал поддерживать его работу самостоятельно. На Гавайях

на горе Мауна-Кеа был телескоп Джеймс Клерк Максвелл (JCMT) с диаметром главного зеркала 15 метров. Сегодня на JCMT работают астрономы из многих стран, в том числе из Китая, Кореи, Японии и академии Синика в Тайбэе. Стабильно продолжали работать два европейских телескопа, находящихся в ведении Института миллиметровой радиоастрономии (IRAM), – один в Испании на Пико дель Велета, а другой на плато де Бюр во Французских Альпах. Другие обсерватории, среди которых был Большой миллиметровый телескоп (LMT) в Мексике, только планировалось построить. Место, выбранное для этого 50-метрового сверхтелескопа, подходило нам идеально, но первые измерения на нем собирались проводить только в 2011 году, а выполнение научных программ откладывалось на еще более позднее время. Даже телескоп на Южном полюсе, предназначавшийся специально для космологических исследований, был задействован только в 2007 году. Но еще восемь лет потребовалось на то, чтобы моему коллеге Дэну Маррону из Аризоны и его сотрудникам удалось успешно подсоединить телескоп, расположенный в безлюдной Антарктиде, к РСДБ-сети.

Но самым мощным и самым важным инструментом должна была стать Атакамская большая миллиметровая антенная система (ALMA), этакая горилла-доминант весом более трех центнеров. Данный глобальный проект ценой в миллиард евро осуществлялся совместно Европой, Америкой и Японией. Гигантский телескоп, состоящий из объединенных в одну матрицу 66 отдельных антенн диаметром до 12 метров каждая, должен был соответствовать чувствительности 80-метрового телескопа и разрешающей способности изображения 16-километрового телескопа. Уже когда мы писали свою “теневую” статью, было ясно, что ALMA станет “главным действующим лицом” замышлявшегося всемирного эксперимента. Для нас включение ALMA в РСДБ-сеть было делом первостепенной важности [130] , а вскоре об этом заговорили и сами работавшие в ALMA ученые [131] . Но и здесь завершение работы откладывалось до 2011 года, так что к финансам на РСДБ относились вполне рационально. Самый обнадеживающий ответ, полученный мною, звучал так: “Денег на реализацию вашего проекта у нас нет, но мы позаботимся, чтобы возможность его осуществить осталась”.

130

H. Falcke, et al. Active Galactic Nuclei in Nearby Galaxies. // American Astronomical Society Meeting Abstracts 200 (2002): 51.06. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2002Aas…200.5106F.

131

P. A. Shaver. Prospects with Alma in: R. Bender and A. Renzini, eds. The Mass of Galaxies at Low and High Redshift: Proceedings of the European Southern Observatory and Universitats-Sternwarte Munchen Workshop Held in Venice, Italy, 24–26 October 2001. // Springer- Verlag, 357. (2003). https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003mglh.conf.357S.

В 2003 году при вступлении в должность внештатного профессора университета Неймегена я делал доклад, где рассказал о своей мечте – получить изображение черной дыры – и еще о том, что чем больше мы узнаём о Вселенной, тем лучше начинаем понимать ограниченность наших возможностей. Одна из голландских газет напечатала на первой странице, что я “стучусь в ворота ада” [132] . Мне подумалось, что звучит это вполне неплохо.

В 2004-м мы сделали еще один небольшой шаг к воротам ада. Нам с Джеффом Бауэром и еще с четырьмя коллегами удалось выполнить лучшие для того времени РСДБ-измерения галактического центра на длинных волнах миллиметрового диапазона [133] . Антенная система со сверхдлинными базами (VLBA) – континентальный радиоинтерферометр, представляющий собой сеть из десяти радиотелескопов, расположенных в разных штатах США. Полученные данные были наконец настолько точными, что мы смогли выполнить расчет и сделать поправки на потерю четкости изображения, вызванную горячим газом Млечного Пути. Впервые нам удалось определить истинные размеры источника как функцию длины волны. В полном соответствии с предсказанием нашей модели с уменьшением длины волны он уменьшался. Это означает, что самые короткие волны должны фактически достигать горизонта событий. Теперь стало окончательно ясно, что в ближайших окрестностях черной дыры действительно излучаются именно миллиметровые волны. “Благодаря радиотелескопам через тридцать лет туман наконец рассеялся”, – процитировало мои слова немецкое информационное агентство ДПА.

132

De Gelderlander, April 2003.

133

G. C. Bower, et al. Detection of the Intrinsic Size of Sagittarius A* Through Closure Amplitude Imaging. // Science 304 (2004): 704–8. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2004Sci…304..704B.

В тот же год астрономы обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии отмечали годовщину [134] : тремя десятилетиями ранее, в 1974-м, здесь впервые было проведено исследование Стрельца A* в радиодиапазоне. На торжественной церемонии состоялось открытие мемориальной доски, посвященной этому событию. В тот же вечер я устроил импровизированный семинар, на котором мы с Шепом Доулманом и Джеффом Бауэром рассказывали собравшимся ученым о тени Стрельца A* и о том, с помощью каких методов можно ее измерить. В конце я попросил проголосовать: пришло ли время для такого предприятия – или оно по-прежнему слишком проблематично? Ответ

аудитории не допускал двух толкований: теперь подавляющее большинство собравшихся экспертов верило, что изображение черной дыры получить можно. Оставалось только понять, как это сделать.

134

S. Markoff, et al., eds. // GCNEWS – Galactic Center Newsletter,” vol. 18. http://www.aoc.nrao.edu/~gcnews/gcnews/Vol.18/editorial.shtml.

Чтобы иметь возможность продолжить совместный эксперимент, после семинара мы с Доулманом и Бауэром провели по моей инициативе несколько телеконференций [135] . Я считал, что необходима глобальная кооперация, вроде той, которая привычна для физиков, занимающихся элементарными частицами. Нет смысла изображать одинокого ковбоя. Работа должна быть спланирована, выполнена и опубликована большим коллективом ученых, работающих в разных областях: в одном проекте должны быть объединены эксперимент, обработка данных и моделирование.

135

Протоколы этих совещаний есть в моем личном архиве. Иногда в них принимал участие и наш чилийский коллега Нил Нагар.

Мы четко сформулировали стоящую перед нами научную задачу: провести эксперимент, цель которого – подтвердить или опровергнуть нашу гипотезу. Как физики-специалисты в области элементарных частиц искали бозон Хиггса, так мы искали тень черной дыры. Тень либо есть, либо нет. Мы хотели исследовать лишь один небесный объект, но, чтобы сделать это, нам требовался весь мир. А чтобы объединить усилия всего мира, требовалось время.

Принадлежащая Массачусетскому технологическому институту обсерватория Хейстек, расположенная в тихой лесистой местности под Бостоном, была ведущим центром РСДБ. Тогда там начали разрабатывать аппаратуру, которая позволила бы существенно увеличить объем сохраняемых одновременно данных. Шеп Доулман был одним из участников этой программы. Защитив диссертацию в MIT, он как постдок приехал ненадолго в Бонн, где мы мельком и пообщались. Вернувшись в США, Доулман продолжил работу в обсерватории Хейстек. В его распоряжении была хоть и небольшая, но все же сеть из четырех телескопов на Гавайях, в Аризоне и Калифорнии. Как и я, он тоже хотел провести первые тестовые эксперименты.

В то время я работал на радиотелескопе LOFAR, где сначала был просто участником проекта, а затем стал председателем совета директоров. Благодаря этому у меня появился личный опыт проведения крупномасштабных физических экспериментов и я понял, как создаются международные научные сообщества. Кроме того, я продолжал исследования галактического центра и участвовал в нескольких РСДБ-экспериментах. Но в Нидерландах у меня не было доступа к телескопам миллиметрового диапазона. Предстояло ждать ALMA.

Группа Доулмана по-прежнему работала с четырьмя телескопами, расположенными в трех разных местах. В 2006 году все эти антенны были одновременно направлены на галактический центр. Сначала у группы ничего не получалось, но в 2007-м ей удалось провести успешные измерения на длине волны 1,3 миллиметра, а еще через год она с гордостью обнародовала свои результаты [136] . Хотя это все еще не было изображением, однако с помощью самых коротких длин волн астрономам удалось определить размер Стрельца A* гораздо точнее, чем десятью годами ранее в экспериментах Кричбаума. Размер Стрельца A* оказался именно таким, какого можно было ожидать на основании параметров тени и светового кольца! Возбуждение нарастало. Я был ужасно доволен – теория опять подтвердилась. Просто нам пока не удается увидеть тень!

136

Sheperd S. Doeleman, et al. Event-Horizon-Scale Structure in the Supermassive Black Hole Candidate at the Galactic Centre. // Nature 455 (2008): 78–80. https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2008Natur.455…78D.

Доулман усердно работал, продвигая наш проект в Соединенных Штатах, а я старался сделать то же самое по другую сторону Атлантики. Чтобы собрать много денег, необходима существенная поддержка из самых разных источников. В 2007 году европейские астрономы впервые выступили с совместной программной статьей, определяющей направление развития астрономии [137] , куда вошел и наш “теневой эксперимент”. Теперь наша идея получила официальное признание как одна из наиболее важных научных целей европейской астрономии в ближайшее десятилетие. То же самое произошло и в США. Название выпущенного Национальной академией наук США обзора Astro2010: The Astronomy and Astrophysics Decadal Survey, где были определены основные направления исследований и приоритетное финансирование на ближайшие десять лет, говорило само за себя: “Новые миры, новые горизонты в астрономии и астрофизике”.

137

A Science Vision for European Astronomy. // Garching: ASTRONET, 27. (2010).

Незадолго до выхода этой десятилетней программы, во время ежегодной конференции Американского астрономического общества (AAS), проходившей в Калифорнии в городе Лонг-Бич, Доулман организовал семинар, куда пригласил и меня. Целью семинара была демонстрация широкой международной поддержки таких планов.

Во время короткого перерыва между заседаниями я подсел к Доулману и Дэну Маррону. Маррон в то время работал в Чикаго, а позднее перебрался в Аризону. В последующие несколько лет я еще яснее осознал важность хорошего маркетинга для научного предприятия, подобного нашему. Но тогда у нашего проекта не было даже яркого, запоминающегося названия. Никто, кроме нескольких фанатичных умников, точно не знает, что это за штука – “субмиллиметровая антенная система для РСДБ”. “Это не дело! Нам срочно нужно придумать что-то, привлекающее внимание”, – сказал я собравшимся и предложил название: Event Horizon Array (“Антенная система горизонта событий”). После оживленной дискуссии мы сошлись на Event Horizon Telescope – “Телескоп горизонта событий”, или сокращенно EHT. Название – наш символ, наш бренд – родилось за чашечкой кофе, во время тех перерывов, которые зачастую дают больше, чем полноценные лекции, и бывают более продуктивными.