Можно выделить два типа открытий — научные и технические, сделанные с помощью приборов. Каждую из этих частей можно разделить еще на две — теория и практика. У российских ученых-астрофизиков есть заслуги в каждой из этих четырех категорий.
Магнетары
Одно из главных научных экспериментально-наблюдательных достижений — открытие магнетаров. Магнетары — это нейтронные звезды с исключительно сильным магнитным полем. Как правило, их масса превышает массу Солнца при диаметре всего около 20–30 км, а одна горошина материи магнетара весила бы более 100 млн т. Эти звезды — источники мощнейших вспышек и рентгеновского излучения: они способны на доли секунды стать ярче целой галактики.
Магнетары впервые идентифицировали в 1979 году в Физико-техническом институте имени Иоффе. Это случилось благодаря группе ученых под руководством Евгения Мазеца. Они разработали детекторы, которые установили на аппаратах «Венера-11» и «Венера-12». Эти аппараты зарегистрировали сильную вспышку в гамма-диапазоне, а за ней — пульсирующий хвост. Ученые установили, что источник обладает периодом в несколько секунд, похожим на период вращения нейтронной звезды. Это действительно оказалась нейтронная звезда — в Магеллановом облаке в остатке сверхновой.
Сеть радиотелескопов
Часто бывает так, что важная идея реализуется только годы спустя. Так произошло, например, с первыми изображениями черной дыры, которые получили в 2019 году. Для этого использовали Телескоп горизонта событий — объединения из восьми мощных радиотелескопов, расположенных в разных странах. Этот метод называется интерферометрией со сверхдлинной базой: телескопы, расположенные в разных точках Земли одновременно наблюдают за одним и тем же объектом в одно и то же время. Чем больше данных соберут в обсерваториях, тем точнее будет результат.
Впервые идею об использовании сети радиотелескопов высказали еще в середине 1960-х годов Леонид Матвеенко, Геннадий Шоломицкий и Николай Кардашев. Тогда этот проект не воплотили, но сейчас значительная доля радиоастрономических открытий делается с помощью таких систем. Например, международный космический проект с ведущим участием России «Радиоастрон» позволяет изучать нейтронные звезды и окрестности сверхмассивных черных дыр. Он во многом основан на идеях советских ученых.
Волновые гравитационные детекторы
Иногда высказанные идеи реализуются без участия авторов другими научными группами сильно позже. Один из таких примеров — современные волновые гравитационные детекторы, такие как Virgo и LIGO. Основная часть этих детекторов — лазерный интерферометр, прибор, с помощью которого впервые измерили длину волны света. Их задача — фиксировать гравитационные волны космического происхождения. Так, в 2015 году LIGO и Virgo впервые обнаружили волны от слияния двух черных дыр на расстоянии 1,3 млрд световых лет от Земли.
В 1962 году ученые Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн предложили использовать интерферометры для регистрации гравитационных волн, но с тех пор ни в СССР, ни в России их схема реализована не была. Зато она легла в основу проектов в США (LIGO), Японии (Kagra), Франции, Италии, Великобритании (GEO600) и Германии.
Модель расширяющейся Вселенной
Одно из теоретических открытий, сделанных российскими учеными, — модель Вселенной Александра Фридмана. В 1922 году математик получил космологическую модель, которая удовлетворяет уравнениям общей теории относительности. Его труд оставался незамеченным первые несколько лет, пока эту модель одновременно независимо разрабатывали Жорж Леметр, Говард Робертсон и Артур Уокер. Открытие называется в честь всех четырех ученых, хотя Альберт Эйнштейн подтверждал, что начало теории расширяющейся Вселенной положил именно Фридман.
В своей работе Фридман показал, что естественное состояние Вселенной — это расширение или сжатие, то есть она нестационарна. Первоначально его гипотезы отвергали почти все, включая Эйнштейна. Но более поздние эмпирические данные подтвердили, что радиус Вселенной меняется: в 2011 году Нобелевскую премию по физике вручили трем американским астрономам, которые обнаружили ускоренное расширение Вселенной.
Эффект гравитационного линзирования
Гравитационной линзой называют массивное космическое тело (планета, звезда, галактика, скопление темной материи), способное изменять своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения. Похожим образом обычная линза изменяет направление светового луча.
Первую заметку об эффекте гравитационного линзирования при реальных астрономических наблюдениях написал Орест Хвольсон в 1924 году. Он описал эффект, который возникает, когда источник света, линзирующий объект, и наблюдатель расположены на одной прямой. В этом случае источник света будет выглядеть как кольцо вокруг массивного объекта. Такие кольцевые изображения называют кольцами Эйнштейна, поскольку он провел точные численные оценки эффекта, описанного Хвольсоном, спустя несколько лет после публикации заметки.
Модель Шакуры-Сюняева
Часто во Вселенной что-нибудь на что-то падает. Например, если в центре сферического облака окажется черная дыра, газ из этого облака будет оседать на черную дыру. Все облака в галактике вращаются, и в некоторых случаях это вращение достаточно сильное для того, чтобы падающее на черную дыру вещество образовывало диск вокруг этой черной дыры. Этот диск называется аккреционным. Похожая ситуация может возникнуть в самых разных случаях: от осадка на черной дыре до формирования звезд и планет. Наша планета тоже образовалась в диске вокруг формирующегося солнца. Модель аккреционных дисков разработали двое советских ученых — Рашид Сюняев и Николай Шакура.
Статья Шакуры и Сюняева — до сих пор самая цитируемая работа по любой науке, когда-либо опубликованная у нас в стране. На сегодняшний день она процитирована более 10 тыс. раз. В первую очередь это происходит потому что аккреционные диски встречаются в самых разных объектах — модель универсальна и применима практически в любой области космических исследований.
Байкальский нейтринный детектор
Разработки в области астрофизики в России не прекращаются. Например, в марте 2021 года официально открыли Байкальский нейтринный детектор. В этой обсерватории проходят наблюдения за нейтрино. Находится она на дне озера Байкал.
Нейтрино плохо взаимодействует с обычным веществом, поэтому детекторы очень редко регистрируют их. Чаще удается обнаружить другие частицы, которые были ускорены — получили свою энергию благодаря нейтрино, или были рождены благодаря реакциям с участием нейтрино. Лучше всех работают именно водные детекторы. Они регистрируют свет от заряженной частицы — электрона или мюона. Эта неустойчивая частица движется в воде или в замерзшем состоянии. Детекторы нужно строить в больших пресных бассейнах — Байкал для этого подходит идеально.
Нейтринный телескоп под названием Baikal-GVD строили с 2015 года физики из Института ядерных исследований РАН вместе с учеными из Германии, Польши, Чехии и Словакии. Интереснее всего наблюдать за нейтрино сверхвысоких энергий, которые могут рождаться в активных ядрах галактик — они несут информацию прямо «с места событий».