Как ученые делают открытия? У всех, наверное, это происходит по-разному. У одних — как озарение, у других — после долгих исследований и экспериментов. У астрофизика, доктора физико-математических наук Елены СЕЙФИНОЙ и ее коллег из ГАИШ МГУ это произошло, можно сказать, случайно, даже не по своей воле и заняло ни много ни мало 13 лет.
— В астрономии нельзя сделать достойную работу и написать статью для солидного журнала, уверена Елена Викторовна, — если у тебя лишь одни наблюдения и ты не сопровождаешь их расчетами или наоборот. Но из правила возможны исключения. Черные дыры мы исследуем во время вспышек, когда, разогреваясь до рентгеновских температур, они начинают ярко светиться. Тогда и проявляются их самые интересные и важные свойства. Наша черная дыра — GRS1915+105. Интересуются ею многие, но мало кто задумывался над изменением энергии фотонов, пытающихся выбраться из глубины этого раскаленного космического котла. Масса его большая, потому и энергии им приходится тратить (а по сути, терять) очень много (эффект так называемого гравитационного красного смещения).
Гравитационное смещение АЛ, которое испытывают фотоны 511 кэВ при выходе из глубин гравитационного поля черной дыры. «Расширение» исходной линии в спектре происходит из-за разной глубины формирования квантов (оранжевый слой) в районе черной дыры. Так узкая линия на 511 кэВ превращается в широкий «горб».
В GRS1915+105 нас заинтересовали 8 спектров из 107, однако описать их было трудно. Неожиданно для себя обнаружили в них некий «горб» неизвестной природы. Воспроизводила его, как потом оказалось, видоизмененная аннигиляционная линия (АЛ). Аннигиляция — физический процесс «самоуничтожения» частиц и античастиц, при котором они превращаются в фотоны или другие частицы — кванты физических полей. (Например, при столкновении электрона e- и позитрона e+ они исчезают, становясь фотонами.) Известно, что в окрестности черных дыр возникают благоприятные условия для образования пар из электронов e- и позитронов e+ с их последующей аннигиляцией и сопровождаются излучением фотонов с энергией 511 кэВ (килоэлектронвольт). Тогда во всех галактических черных дырах должна была бы наблюдаться АЛ с энергией 511 кэВ. Однако, несмотря на все усилия астрофизиков и возможности лучших космических телескопов, ни одной такой линии до сих пор не обнаружено. Вероятно, это объясняется несовершенством наблюдательной аппаратуры или малым количеством попадающих на Землю фотонов.
Возможно, причина в том, что мы наблюдали их не там и не учитывали эффекты Общей теории относительности. Сама по себе АЛ (на 511 кэВ) астрофизикам хорошо известна, но откуда взялся «горб» на 20 кэВ? Почему он «вырос» в спектре именно в этом месте? Найти ответ сначала казалось практически невозможным, поскольку выделить «горб» и представить в виде аннигиляционной линии было очень трудно. Но, главное, ей здесь просто не место (где 511 кэВ и где 20 кэВ?!). Ведь для любой линии в спектре ее энергия (или частота фотона) является своего рода визитной карточкой. Какая связь может быть между двумя «деталями» в спектрах для АЛ на 511 кэВ и «горбом» на 20 кэВ?
Оказалось, связь есть. Мы установили ее в процессе изучения спектральных свойств черных дыр, происходящих во время вспышек рентгеновских двойных систем. Затем подробно описали около десятка мало поддающихся разбору спектров (всего их несколько сотен), но так до конца и не объяснили «эффект горба». Рецензент солидного американского журнала резонно заметил, что требуются уточнения. Мы представили описание одной черной дыры и ряда «горбов», но, по его мнению, этого было слишком мало. Первое наше желание — вообще исключить «горб», ведь главное — публикация. Статью (Discovery of photon index saturation in the black hole binary GRS 1915+105, «Открытие насыщения фотонного индекса в двойной системе с черной дырой GRS 1915+105») журнал фактически уже принял, а она, между прочим, была нашим отчетом для начальства, веским аргументом для успешного конкурсного отбора на научную должность в институте и, по сути, подтверждением нашего статуса в области изучения черных дыр.
— И что вы решили?
— Решили проявить характер и довести тему до ума. Было это в 2008 году. Исследовали еще пять галактических объектов, содержащих черные дыры, проанализировали около 400 спектров — работа трудоемкая, занявшая у нас 10 лет (на одну черную дыру нужен примерно год). А финальная часть — «пробивание» самой публикации — потребовала еще четырех лет. Итого — 13. Однако и после глобальной доработки статью не приняли. Обратились в еще один журнал — результат тот же. И только третье издание (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) согласилось опубликовать нашу многострадальную работу. Она вышла в марте этого года.
Со временем причина отказов прояснилась. Мы просто оказались из «другой команды». Эксперты первого и второго журналов придерживались определенной теории, объясняющей «поведение» АЛ. За ними — устоявшаяся научная школа, всеобщее признание и как следствие куча грантов, которые еще предстояло отработать. Мы же представляли неизвестно откуда взявшуюся «команду противника» из ГАИШ МГУ, не самого известного в мире университетского астрономического института. И выход нашей статьи перечеркнул бы всю их «плодотворную деятельность». Отсюда отказ печатать фактически без объяснения причин.
— А суть вашего открытия?
— В обнаружении «горба» и описании этого явления. Теперь мы убеждены: теория верна — Эйнштейн не ошибся. Общая теория относительности предсказывала, что вблизи черных дыр могут формироваться АЛ. Другой вопрос, может ли она покинуть черные дыры, ведь мы знаем, что они поглощают все, в том числе и фотоны света. Оказывается, АЛ может образовываться не на самой «поверхности», так называемом «горизонте событий» в случае черной дыры, а на некотором удалении от него (см. оранжевую область на рисунке). И тогда у АЛ есть шанс выскользнуть из ее (черной дыры) «лап гравитации». Нам же нужно понять, что они делают с АЛ, ускользнувшими от их притяжения, почему она «смещает» АЛ, да еще образует «горб» на другой частоте. Отмечу, что эту загадку астрофизикам отгадать не удавалось: «горб» в спектре был, но никто его не исследовал и не связывал с АЛ. Его рассматривали как ошибку или при наблюдении, или при обработке спектров на ее «законной» частоте. И никто не догадывался, что она здесь, рядом, но на другой частоте и форма у нее иная. Казалось, смотрели «во все глаза» с помощью самых разных телескопов, установленных на орбитальных станциях, но так ничего и не углядели. Вывод пришлось делать неутешительный: или мы что-то не понимаем, или Теория относительности в этом разделе просто не верна. Теперь же все стало на свои места.
Мы утверждаем, что АЛ, возникшую в непосредственной близости от черной дыры, невозможно наблюдать с Земли на энергии 511 кэВ из-за ее сильного гравитационного поля. А «горб» должен быть намного меньше и шире, по сути, едва различимым не фоне мощного излучения от падающего в черные дыры вещества. Попробуйте углядеть фиолетовый «горб» (см. рисунок) среди вороха ингредиентов спектра. И если черные дыры от недостатка знания об их природе считались лишь кандидатами на это почетное звание, поскольку не поддаются прямому наблюдению, то теперь можно с уверенностью сказать, что их вспышки сопровождаются формированием АЛ, — прямое подтверждение их существования.
— Выходит, учебники придется переписывать?
— Получается, что так.
— Вы подтвердили Теорию относительности Эйнштейна. Ощущаете ли себя победителями? Изменилось ли что-нибудь в вашей жизни?
— В лучах славы мы не купаемся, и ничего, в принципе, не изменилось. Есть лишь чувство удовлетворения и радости. Нам надо было сделать эту работу, оказавшуюся тяжелой и долгой. И мы довели ее до конца. После блуждания вокруг да около обнаружили природу того самого «горба», благодаря ему все так удачно и получилось. И теперь стремимся распространить наш результат на большее количество черных дыр, доказать универсальность полученного нами эффекта.
— Коллеги разделяют вашу радость?
— Да, безусловно.
— А что противники?
— Если им удастся нас опровергнуть, буду только их за это уважать.
Записал Юрий Дризе
Нет комментариев