Космические тайны раскрывает поляризованный свет

Благодаря украинским астрономам в небе Марса на высоте 30—40 километров были впервые обнаружены необычные, невидимые глазу образования. Это тончайшие облака, состоящие из аэрозолей размером всего около одного микрона, которые представляют собой первую стадию формирования кристаллов воды на мельчайших пылевых частицах. Перемещающаяся по небосводу ледяная атмосферная дымка отличается высокой степенью поляризации отраженного света в ультрафиолетовой и синей областях спектра. На полученных изображениях распределения степени поляризации по диску Марса она выделена густым синим цветом на фоне красноватой поверхности.

Примечательно, что раньше никто не допускал возможности существования этих облаков. Обнаружить их можно было с помощью поляриметрии. Это метод наземных и космических научных исследований, в котором украинские астрономы действительно «впереди планеты всей». Их работы в этой области астрономии не только соответствуют мировому уровню, они и сами определяют этот уровень, что подтверждается общим международным признанием украинской школы поляриметрии и количеством ссылок на публикации авторов — почти 11 тысяч — в изданиях, включенных в Science Citation Index.

Коллектив работает в этой области астрономии с 1962 года и состоит из ученых нескольких научных учреждений: НИИ астрономии Харьковского национального университета им. В.Каразина, Радиоастрономического института НАН Украины, Крымской астрофизической обсерватории МОН Украины, Главной астрономической обсерватории НАН Украины и Годдардовского института космических исследований НАСА, где сейчас трудится в прошлом украинский ученый Михаил Мищенко.

По отзывам зарубежных коллег, нашим специалистам в своих исследованиях удалось осуществить комплексный и всесторонний подход, включающий разработку фундаментальной теории рассеяния света, точных методов анализа результатов измерений, создание прецизионной аппаратуры и проведение обширных наблюдений. Можно утверждать, что именно в результате их работы поляриметрия стала одним из самых информативных, точных и эффективных методов дистанционного зондирования. Украинские ученые смогли получить новые важные данные о таких космических объектах, как Луна, Марс, Меркурий, спутники планет, кометы, объекты пояса Койпера и астероиды, в том числе и о тех, которые признаны опасными из-за возможного столкновения с Землей.

— Что такое поляризованный свет и чем он отличается от обычного, солнечного?— спрашиваю ведущего научного сотрудника НИИ астрономии Харьковского национального университета имени В. Каразина, доктора физико-математических наук Дмитрия Лупишко, который начал заниматься поляриметрией астероидов одним из первых в Украине и СССР.

— Популярно это объяснить очень сложно… Вспомним для начала, что свет — это электромагнитные поперечные колебания векторов магнитного и электрического полей. Солнечный свет не поляризован, это значит, что такие колебания в каждый момент времени происходят в самых разных направлениях, хаотично. Однако, падая на какую-либо поверхность, излучение взаимодействует с ее веществом и структурой и в результате приобретает не хаотичный, а некий организованный характер, некоторое преимущественное направление колебаний, то есть поляризуется. Другими словами, это характеристика света, который, будучи отражен от какой-либо поверхности, несет важную информацию о таких определяющих свойствах составляющих ее частиц, как размер, форма, показатель преломления, возможная ориентация их и другое.

Измерения поляризации небесных объектов — кометы и Луны — были проведены французским ученым Араго еще в первой половине XIX века. Однако активное развитие этого метода исследования началось значительно позже, после появления чувствительных приборов для измерения поляризации излучения объектов Солнечной системы как с Земли, так и с космических аппаратов. Не менее важно было научиться верно интерпретировать полученные данные, что стало возможным после разработки учеными нашей группы унифицированной микрофизической теории рассеяния света, позволяющей выполнять эффективные численно-точные расчеты по данным поляриметрических наблюдений.

— Какой еще можно привести пример, кроме облаков на Марсе?

— Таких примеров масса! Вот один из наиболее интересных. Возможно, читатели помнят относительно недавнюю астрономическую сенсацию, которая заставила изменить наше представление о строении Солнечной систе­мы. Оказалось, что за орбитой пла­неты Нептун находятся сот­ни тысяч малых тел, образующие так называемый пояс Койпера. А Плутон, который считался девятой планетой Солнечной системы, является всего лишь одним из этих тел. Сразу после открытия первых транснептуновых тел в 1992 году началось интенсивное изучение их физических свойств — важно было понять, каково их происхождение и как они взаимосвязаны с другими объектами Солнечной системы.

Поскольку эти тела находятся далеко от Земли и имеют относительно небольшие размеры, для их изучения нужны были очень крупные оптические телескопы диаметром 8—10 метров, но их в Украине нет. Однако ряд зарубежных обсерваторий предоставляет время для наблюдений ученым других стран, доказавшим высокую научную значимость их проектов. Так, в масштабный проект европейских астрономов, посвященный комплексным наблюдениям этих тел на восьмиметровых телескопах Южной европейской обсерватории (Чили), составной частью вошла предложенная сотрудницей Харьковского национального университета Ириной Бельской программа поляриметрических наблюдений транснептуновых тел. Ученой удалось получить данные о поляризационных свойствах поверхностей самых далеких из известных на сегодня тел Солнечной системы и тем самым показать перспективность использования поляриметрического метода в изучении их физических свойств. Оказалось, что микроструктура поверхности этих тел весьма отличается от структуры астероидов внутренней части Солнечной системы — их поляризационные характеристики не имеют аналогов. Новые данные заставят ученых пересмотреть существующие модели происхождения и эволюции нашей планетной системы.

— Дмитрий Федорович, вы много лет занимаетесь астероидами, в том числе теми, которые могут опасно сближаться с Землей. Есть в этой области новости?

— Знаете ли вы, что сейчас астрономы могут наблюдать астероиды диаметром всего несколько метров? Так, 6 октября прошлого года по одной из программ слежения американские ученые обнаружили астероид диаметром четыре метра и просчитали, что через 20 часов он столкнется с Землей. Ровно в предсказанное время он действительно вошел в атмосферу Земли, причем в точно указанном специалистами месте — над пустыней в Судане. Астероид взорвался на высоте 32 км и распался на фрагменты. Специально снаряженная экспедиция получила богатый материал для исследования, найдя среди песков более 200 осколков.

Конечно, проблему астероидной опасности с повестки дня никто не снимает. Исследования продолжаются и сейчас. За годы работы украинская группа ученых определила поляриметрические характеристики около 200 астероидов и более 40 комет, что составляет примерно 70% всех мировых данных и по астероидам, и по кометам в международной базе данных NASA Planetary Data System. Именно нам было предложено создать отдельные базы данных по поляриметрии астероидов и комет (и мы их создали), которые вошли составными частями в базы данных Planetary Data System и теперь широко используются учеными разных стран.

В частности, получены поляриметрические сведения о семи астероидах, сближающихся с Землей, причем три из них являются потенциально опасными объектами, представляющими возможную угрозу столкновения в последующие сближения с нашей планетой. Опасно сближающимися с Землей считаются объекты, которые, по расчетам, подлетят на расстояние меньшее пяти сотых астрономической единицы (1 а.е. — это расстояние от Солнца до Земли) или, что то же самое, меньше 20 расстояний до Луны. По нашим расчетам, эти три потенциально опасные космические объекты имеют диаметр от 150 до 400 метров, а это значит, что в случае столкновения с нашей планетой они вызовут региональную катастрофу. Подчеркну, что сейчас во многих случаях поляризационные наблюдения — единственный способ получить данные о величине отражательной способности астероидов и тел пояса Койпера, а значит и об их размерах и типе вещества.

— А можно проверить точность ваших измерений и расчетов? Сравнивались ли результаты наземных и космических исследований астероидов?

— Да, сравнивались. Так, мы проводили детальные поляриметрические наблюдения и определили физические параметры четырех астероидов — Цереры, Весты, Лютеции и Штейнса, к которым успешно стартовали аме­риканская и европейская космические миссии Dawn и Rosetta. Уже получены результаты измерений с борта космического аппарата Rosetta для астероида Штейнса. Они подтвердили надежность поляриметрического метода определения альбедо астероидов. Наши данные очень хорошо совпали со значениями, полученными с помощью космической миссии. Это сейчас один из самых точных методов определения отражательной способности астероидов и других небесных тел. А к Весте и Церере космический аппарат Dawn еще летит — мы надеемся, что и в этом случае наши наблюдения и определения подтвердятся данными космических измерений.

Работы украинских ученых заложили надежный фундамент дальнейшего развития и применения поляриметрических методов дистанционного зондирования в Украине и за ее пределами. Симптоматично, что их методики теоретического анализа рассеянного света нашли широчайшее использование в областях науки, которые далеки от космической тематики. Например, для оптической диагностики частиц биологического и искусственного происхождения в таких дисциплинах, как медицина, биология, химия, экология, нанофизика и нанотехнология.

Но, наверное, самым ярким свидетельством признания научного вклада украинских ученых является тот факт, что именами шести астрономов (из группы в десять человек) названы космические объекты. Это астероиды: 3210 Lupishko, 4208 Kiselev, 4618 Shakhovskoj, 8781 Yurka (в честь крымского астронома Юрия Ефимова), 8786 Belskaya и 18114 Rosenbush.