ТАЄМНИЦЯ «ТЕМНОЇ МАТЕРІЇ» І «ТЕМНОЇ ЕНЕРГІЇ»

Два роки тому в інтерв’ю «ДТ» директор Інституту проблем реєстрації інформації професор в’ячеслав Петров згадав серед найбільш цитованих на Заході українських учених якогось молодого астронома з Головної астрономічної обсерваторії НАНУ. Індекс цитування його робіт наближався до тих, що зазвичай характеризують кандидатів на Нобелівську премію, - близько 500. Ім’я цього вченого - Юрій Ізотов. До речі, нині індекс цитування в нього вже перевищив 1000 - рекордний для НАНУ результат.

На «круглому столі» у НАНУ, присвяченому новітнім досягненням науки, доповідь Юрія Ізотова про результати астрономічних досліджень, без перебільшення, змусила стрепенутися не лише присутніх журналістів, а й науковців. Академік Ісак Трахтенберг, мабуть, висловив відчуття багатьох, коли сказав, що «вражений масштабами відкриттів, зроблених в астрономії». Крім усього іншого, український астрофізик повідомив, що вчені обізнані фактично з властивостями лише крихітної частини речовини у Всесвіті. А інша матерія, як з’ясувалося протягом останнього десятиліття, може мати цілком непередбачувані властивості, приміром - негативну гравітацію, про яку нещодавно не наважувався говорити жоден серйозний науковець. І ці дані сповістив присутнім зовсім не представник Академії оригінальних ідей або клубу фантастів, а досить стриманий в оцінках дослідник.

Нижче пропоную зміст розмови із завідувачем відділу фізики зірок і галактик Головної астрономічної обсерваторії НАНУ Юрієм ІЗОТОВИМ.

Акушери Всесвіту

У певний момент стався Великий вибух і Всесвіт почав розширюватися з точки, - так із усталених в науці речей (хоча прийняти їх не так легко) почав свою розповідь Юрій Іванович. - Спочатку речовина була дуже простою і складалася лише з водневих частинок. Проте дуже швидко, у перші хвилини після Вибуху, стали утворюватися деякі легкі елементи, здебільшого гелій - будівельний матеріал для перших зірок. До речі, зрозуміти, як змогли утворитися зірки з такого ненадійного матеріалу, - серйозна наукова проблема.

У сучасну епоху зірки утворюються досить легко вже тому, що є важкі елементи, які ефективно відводять енергію. А в первинному міжзоряному середовищі зробити це було складно - коли газова хмара стискується, утворюючи зірку, речовина нагрівається і тиск підвищується. Внаслідок чого подальше стиснення припиняється. Народження зірки начебто призупиняється. Аби процес тривав, слід безперервно відводити енергію. Та як?..

Спочатку це було суто теоретичне дослідження. Юрія Івановича цікавили зірки першого покоління. Нині вони вже не спостерігаються, але саме такі зірки визначили подальшу долю Всесвіту. На першому етапі роботи (наприкінці 70-х років) учений зміг показати, що є джерело тепловідведення, яке приводить до утворення зірок, галактик. Було побудовано кілька моделей утворення галактик, і, природно, виникла потреба знайти такі об’єкти в Космосі. Юрій Ізотов із теоретиків перейшов до загону спостерігачів.

У колишньому Союзі спостереження за потрібними об’єктами можна було вести лише на шестиметровому телескопі на Північному Кавказі. Проте аналіз ситуації показав, що треба детально досліджувати галактики не лише в оптичному, а й у радіо-, ультрафіолетовому та інших діапазонах. Тому довелося звернутися до вчених зі США з пропозицією розпочати спільні дослідження. Ті охоче відгукнулися, і відтоді почалася тісна взаємодія. Нині навіть одержані результати публікуються спільно. До речі, проблема публікацій у сучасній науці досить серйозна. Американські колеги, які посідають лідируюче становище у світі, вважають за краще публікуватися у своїх виданнях, оскільки їх читають астрономи всього світу. Але щоб статтю взяли в американський журнал, потрібно... заплатити приблизно 150 дол. за одну друковану сторінку.

Ще вища ціна за право працювати на хорошому телескопі. Інколи вона досягає 50 тисяч доларів за час спостереження. А спостереження ведуться не одну добу. Тому українському вченому доводиться брати участь у конкурсах як на гранти для проведення спостережень, так і для того, аби мати кошти на публікацію досліджень. Конкуренція тут досить жорстка. Причому змагатися за кошти доводиться і з американськими астрономами, дослідження яких виконуються на досить високому рівні. Конкурс становить зазвичай один до п’яти, а для спостереження на космічних телескопах ще вищий. Так для роботи на космічному телескопі «Хаббл» лише одній із десяти заявок щастить пробитися у фінал.

«Я працюю з багатьма дослідниками в різних країнах, - розповів Юрій Іванович. - У США в мене головне - це космологічні проблеми, визначення вмісту легких елементів. У Німеччині спільно досліджуємо зоряне «населення» галактик. У Франції вивчаємо еволюцію молодих угруповань зірок: як відбувається їх утворення, як вони впливають на міжзоряне середовище. Зі швейцарськими колегами досліджуємо властивості масивних зірок».

Основний результат нинішнього етапу досліджень - астрофізика з науки суто філософської, умоглядної перетворилася на кількісну. Цьому сприяло те, що з’явилося багато великих телескопів, спрямованих на дослідження будови світу загалом, на його еволюцію. Зокрема телескоп «Хаббл» побудований спеціально для того, щоб визначити сталу Хаббла, досліджувати далекі об’єкти. Нині створюється ще досконаліший телескоп. Якщо «Хаббл» має 2,4 метра у діаметрі, то новий матиме 8 метрів.

Привиди космічних глибин

Особливу роль у сучасних уявленнях про Всесвіт відіграли експерименти, які дали змогу визначити середню густину речовини у Всесвіті. Виявилося, що вона наближається до критичної...

Аби зрозуміти, що це означає, доведеться розглянути моделі розширення Всесвіту. Серед них є замкнуті моделі, коли Всесвіт у результаті розширення зрештою досягає максимального значення, яке потім змінюється на стиснення. Це так звані щільні Всесвіти.

Є відкриті моделі всесвітів, коли густина досить низька, і Всесвіт розширюватиметься нескінченно.

Проміжний випадок - критичний стан, що відокремлює відкриті моделі від закритих. Це найкращий варіант для сучасних, так званих інфляційних моделей утворення Всесвіту...

- Вдалося знайти критичну густину речовини у Всесвіті і визначити, скільки в ній звичайної речовини. Виявилося, її всього лише... чотири відсотки, - розповів Юрій Ізотов.

- А чим же є інша речовина?

- Наступна компонента, яка за масою значно перевершує звичайну речовину, - це «темна матерія». Коли ведемо спостереження за галактикою, за випромінюванням можна визначити, скільки в ній звичайної речовини, тобто атомів. А коли спостерігаєш рух речовини в цій самій галактиці, можна визначити її повну масу, вона значно, приблизно вп’ятеро, перевищує масу звичайної речовини. Отже існує якась прихована речовина, невидима матерія.

Природа так званої темної матерії дотепер не відома. Ця матерія взаємодіє зі звичайною речовиною лише з допомогою гравітації (тобто притягує звичайну речовину), але ні світла, ні радіохвиль не випромінює і не відбиває. Тому дуже важко визначити, що ж це таке. Ми знаємо тільки, що така таємнича матерія існує, але нічого конкретного про неї сказати не можемо.

І, нарешті, 73 відсотки енергії у Всесвіті міститься в так званій темній енергії. Це рівномірно розподілена субстанція, яка також взаємодіє з іншими складовими гравітаційно. Але, на відміну від частинок, вона має властивість... відштовхування, тобто ця субстанція веде до прискорення і розлітання галактик.

- А чим же вона є?

- Існує багато теорій щодо природи цього виду матерії, але віддати перевагу якійсь одній із них сьогоднішні експериментальні дані не дозволяють. Тобто ми однозначно можемо стверджувати: наш Всесвіт має густину, близьку до критичної, ми можемо досить багато сказати про чотири відсотки Всесвіту.

Проте вже вдалося встановити, що є й інші форми матерії. Вони становлять 23 відсотки від загальної маси Всесвіту. Це якісь матеріальні об’єкти - або холодні частинки, або «чорні діри», що утворилися в ранні епохи.

Є всі підстави констатувати: є ще якась матерія, що має гравітаційну природу. Проте детально описати ці дві складові ми ще не можемо.

Доля українського астронома в Америці

Сьогодні чимало українських астрономів працюють за кордоном. Співробітники відділу фізики зірок і галактик Головної астрономічної обсерваторії НАНУ, що досліджують еволюцію зірок, їхній хімічний склад, активно співпрацюють із закордонними лабораторіями. Здебільшого використовуються результати спостережень, які можна одержати на найбільших телескопах Заходу.

- Проблема авторства в колективних працях стоїть досить гостро і в нашій країні. А як розібратися з цим, працюючи з закордонними колегами? Чи не виникають колізії в боротьбі за пріоритет? - запитав я Юрія Івановича.

- Зазвичай у колективній праці ми оцінюємо внесок кожного дослідника, і черговість авторів при публікації встановлюємо не за алфавітом, а за їхнім внеском.

- А що при цьому враховується - ідея, здатність одержати грант чи ще якісь заслуги?

- Взагалі-то важко все оцінити. Щоб зробити наукову працю, слід докласти чимало зусиль. Зокрема необхідно дістати кошти на її здійснення. Потрібно мати час для спостереження на телескопі. Потім провести спостереження, опрацювати його, спільно написати статтю, обговорити її. Всі ці чинники враховуються. Я беру участь як в обгрунтуванні одержання грантів, так і в проведенні спостережень, і т. ін.

Для одержання гранта дуже важливий рейтинг тієї або іншої роботи. Якщо він високий, отже - ваша робота цікава іншим.

У колективах, де я працюю, найбільший рейтинг у робіт, присвячених вивченню проблем первинного нуклеосинтезу і космологічних проблем. Вони цікавлять не лише астрономів, а й фізиків, адже Всесвіт - велика лабораторія, де можна досліджувати явища, теорії, які неможливо реалізувати у фізичних лабораторіях. Фізики дуже зацікавлені в таких роботах, тому що властивості Космосу тією чи тією мірою визначаються властивостями матерії.

- У радянський час нерідко казали, що в нас найбільший загін астрономів. А нині?

- Найбільший загін астрономів у США. Ця країна була й залишається лідером в астрономії. За нею йде Західна Європа. В Україні, і зокрема в НАН, багато здібних людей. Та в нинішніх умовах можна ефективно працювати лише у співпраці з науковцями інших держав.

Зрозуміло, найдосконаліші прилади створюються в технологічно розвинених країнах. Тільки потім якісь екземпляри з’являються в Україні, Росії. До того ж вони дуже дорогі.

- Російський шестиметровий телескоп колись був рекордсменом за розмірами. Як нині виглядає на світовому тлі астрономічний лідер СНД?

- У нього товсте дзеркало, і якість зображення, утворюваного ним, не дуже добра, тому що зображення об’єкта «розмазується» по великій площині. Це телескоп попереднього покоління. Крім того, у нього є й інші проблеми. Його будували, мабуть, за принципом доступності до нього. Проте в Радянському Союзі були місця з кращим астрокліматом, приміром у Середній Азії. А телескоп розмістили на Кавказі, де атмосфера неспокійна, часто відбуваються циклони, є багато інших чинників, несприятливих для спостереження.

У результаті проникна здатність шестиметрового телескопа, включно з системою «атмосфера-дзеркало-приймач», помітно поступається телескопам такого ж самого класу на Заході, де нині з’явилися прилади нового покоління з адаптивною оптикою, що, поруч із хорошим астрокліматом, чудовими приймачами, дає змогу змінювати форму дзеркала, відстежуючи стан атмосфери.

Меценати, на світі існує не лише футбол і «чорна» археологія

Тепер будують складані телескопи. Найбільший із них - 10-метровий - складається з окремих дзеркал діаметром до 70 сантиметрів. Створено спеціальні програми, що керують системою стекол. Є й суцільні дзеркала восьмиметрового діаметра, але найсучасніші з них - тонкі. При цьому вдається підтримувати і змінювати форму такого дзеркала з допомогою системи штирів, керованої комп’ютерами. Вона швидко відпрацьовує зміни атмосфери і змінює форму дзеркала. Це нові технологічні розробки. Вони з’явилися років десять-п’ятнадцять тому в Південно-Європейській обсерваторії в Чилі. Нещодавно тут створено «Дуже великий телескоп» (це його назва), що складається з чотирьох телескопів із діаметром дзеркал по вісім метрів. Їх можна об’єднати в єдину систему й одержати зображення з дуже великим простором розділення.

У Європі практично немає великих обсерваторій. Чималий телескоп стоїть у спільній іспансько-британській обсерваторії на Канарських островах. Це найближча обсерваторія з хорошим астрокліматом і великими телескопами.

Чудові астрономічні місця є на Заході США: в Аризоні, Каліфорнії. Проте найбільшу американську обсерваторію побудовано на Гаваях на висоті понад чотири кілометри. Там розміщено два 10-метрових телескопи Кека зі складаними дзеркалами. Кек - багатий американець, який захоплюється астрономією. Він уклав кошти (близько 250 мільйонів доларів) у створення цих телескопів років десять тому з умовою, щоб на телескопах працювали лише астрономи штату Каліфорнія. Та крім телескопа Кека, на недіючому вулкані на Гаваях зібрано багато інших приладів. Там є восьмиметровий Національний телескоп США. Один із двох, що їх американці називають «Джемінай» («Близнюки»). Другий точно такий самий, стоїть у Південній Америці, у Чилі. На горі в Гаваях є ще кілька чотириметрових телескопів. Отож там, на висоті понад чотири кілометри, зібрано величезну кількість досконалої астрономічної техніки.

- А ви там працювали?

- На жаль, ні. Ми проводимо спостереження спільно, але це не означає, що я туди їжджу. Мені досить складно потрапити в кожну точку, де ведуть спостереження. Прешкоджають проблеми - як фінансові, так і візові. Тобто заявки ми подаємо спільні, і хтось із нашої групи спостерігає. Потім спільно проводимо опрацювання й інтерпретацію.

Я досить часто буваю в США, як правило, у двох місцях - на Східному узбережжі в Університеті штату Вірджинія, де я працюю, мабуть, уже десять років, і в Південній Аризоні, майже на кордоні з Мексикою. Там пустельний клімат і вельми специфічний пейзаж. Обсерваторія розміщена в резервації індіанців апачі. Влітку спекотно, але сухо, тому 45 градусів у тіні витримати легко. Якщо до Штатів я їжджу для спостережень і наукової праці, то в інші країни (у Францію, Німеччину, Швейцарію, Іспанію) - здебільшого для наукової праці.

- Поширена думка, що астрономи - всуціль атеїсти. Чи так це?

- Серед моїх друзів-астрономів є релігійні люди. Приміром, один із моїх близьких колег громадянин США Трін Туан. Його хобі - популяризація науки. За світоглядом він буддист. Поєднує релігію і сучасну науку про небесні світила. Часто бере участь у конференціях, присвячених стосункам релігії та науки. У нього є навіть книжка, перекладена російською.

- Цікаво, чи популярна астрономія в людей на Заході?

- У Національній обсерваторії США є спеціальний магазин для любителів астрономії. Там люди можуть купити телескопи для власних спостережень. Це не випадково - астрономія фінансується за рахунок податків громадян США, і тому, як вважають американці, почесний обов’язок астрономів - забезпечити все необхідне, аби кожен громадянин країни, якого це цікавить, міг ознайомитися з тим, що робиться в обсерваторії й у Всесвіті, куди йдуть гроші з податків, які він сплачує.

- На жаль, не можна сказати, що в нашому суспільстві ідеальні стосунки між науковцями і пересічними громадянами, тобто платниками податків. Не сприяють цьому й суперечливі відносини між пресою та представниками науки...

- Я також з пересторогою ставлюся до людей, які пишуть про науку. Ще віддавна, коли читав «Комсомольскую правду» і натрапляв там на якісь замітки на астрономічні теми, з жахом виявляв неточність і часто некомпетентність. Впевнений, пишучи статті, слід перебувати в тісному контакті з науковцями. Моє глибоке переконання: у НАНУ вчені - високоосвічені люди, які працюють, не шкодуючи сил своїх, за невеликі гроші і тому заслуговують на глибоку повагу.

P. S. Що ж, принаймні сподіватимемося, ця стаття започаткує ознайомлення наших громадян із тим, наскільки ефективно витрачається та геть непомітна частина сплачуваних ними податків, яка надходить на розвиток астрофізики. Можливо, найзаможніших із них окрилить приклад американського мільйонера Кека, який подарував своїм землякам - астрономам Каліфорнії - чудовий телескоп. Як бачимо, люди з вартісними ідеями, котрі знають, як розпорядитися таким приладом, у нас у країні, слава Богу, не перевелися.