Задача естественных наук – физики, химии, биологии – изучить окружающий мир в его максимально разнообразных формах. Возможности земных лабораторий ограниченные, а разнообразие Вселенной безгранично. Поэтому на наших глазах стремительно развиваются астрофизика, астрохимия и астробиология. Фундаментом для них служит астрономия.

К сожалению, в большинстве вузов нашей страны астрономия топчется на месте. Первым и пока единственным университетом, предложившим этот предмет для студентов всех специальностей, стал МГУ имени М. В. Ломоносова. С 2013 г. здесь организовано 150 межфакультетских курсов со свободной записью, и с самого начала «Основы астрономии» стали у студентов наиболее популярным из них. Разумеется, курс «Общая астрофизика» уже много лет читается на физическом факультете МГУ. С 2015 г. курс «Астрономия для физиков» есть на физическом факультете Новосибирского государственного университета, а с 2019 г. курс «Астрономия и астрофизика» – в Московском физико-техническом институте (МФТИ). Отдельные курсы читаются в Иркутске, Санкт-Петербурге, Ростове, то есть там, где учатся будущие профессиональные астрономы. Но таких профессионалов немного (астрономов во всем мире вообще очень мало), а знания астрономии, безусловно, полезны для географов, геологов, физиков. Именно большое значение астрономии для будущих физиков я хочу подчеркнуть. Тут важны оба элемента – и возраст (будущие, то есть начинающие обучение), и специальность (физика).

Студенты-физики – это вчерашние школьники, молодые люди с яркой фантазией, которая и привела их на физфак. Для многих из них программа первых курсов, перегруженная фундаментальными дисциплинами (особенно в области математики), становится неожиданным и тяжелым бременем. В этом смысле курс общей астрономии, наполненный описательной информацией и даже содержащий романтические элементы, становится отдушиной, расширяющей кругозор и показывающей перспективу будущей научной работы.

Что касается самой научной работы, то место астрономии в ней оказывается в последнее время все более значимым. В целом в фундаментальном естествознании сложилась сейчас любопытная ситуация. Построив Стандартную модель элементарных частиц, физики научились весьма точно рассчитывать взаимодействие между атомами, ядрами атомов и отдельными частицами. Но наблюдать эти частицы на самом базовом уровне (кварки, глюоны) физики не могут. Астрономы же, напротив, наблюдают многие явления, которым не могут дать адекватного объяснения. Таким образом, современная физика, изучая глубинное строение материи, многое понимает, но не видит, а современная астрономия многое видит, но не понимает. Это своеобразный вариант принципа дополнительности, стимулирующий обе науки.

Разумеется, «земные» лабораторные дисциплины, в числе которых физика, предполагают эксперимент в контролируемых условиях, что невозможно осуществить с небесными телами. Но эксперимент можно ставить не только в лаборатории: природа постоянно делает это без нашего участия. Нужно лишь научиться наблюдать. И если лабораторный эксперимент – это точность, то астрономические наблюдения – это диапазон. Рассмотрим некоторые направления.

Свойства вещества очень сильно зависят от его плотности: сравните воду в состоянии пара, жидкости и льда. Многие свойства атомов можно изучать только при крайне низких плотностях, когда каждый атом «сам по себе» и не взаимодействует с соседями. В лаборатории предельно низкие плотности называют сверхвысоким вакуумом; сегодня для нормальной лаборатории это 10⁹ частиц в кубическом сантиметре. Предельно высокий вакуум сейчас достигнут в ускорительных каналах Большого адронного коллайдера – около 10^–14 бар, что соответствует концентрации частиц 10⁵ см^–3. Это замечательное достижение, но и оно не позволяет исследовать запрещенные переходы в атомах, поскольку диаметр каналов ускорителя столь мал, что атомы часто сталкиваются со стенками каналов и теряют возбуждение без высвечивания. А ведь время жизни некоторых возбужденных состояний атомов достигает многих часов, суток и даже лет. Такие запрещенные переходы невозможно наблюдать в земной лаборатории. А насколько низкие плотности достижимы в «космической лаборатории»?

Во время солнечного затмения мы видим сияющую корону Солнца; концентрация частиц в ней 10⁸–10⁹ см^–3. На Земле это сверхвысокий вакуум, а в космосе – весьма ощутимая среда. Удаляясь от Солнца, мы видим, как солнечная корона, превращаясь в поток солнечного ветра, становится все менее и менее плотной. У орбиты Земли его плотность снижается и концентрация частиц падает до 10 см^–3. Примерно такую же плотность имеют облака межзвездного газа, а между ними межзвездное пространство разрежено еще сильнее – всего лишь одна частица в кубическом сантиметре, а то и меньше. Это в миллиард раз меньше плотности высокого лабораторного вакуума. Атомы в таких условиях могут долго оставаться в одиночестве, не взаимодействуя с другими атомами. При этом проявляются их свойства, недоступные изучению в лаборатории, – например, возбужденные состояния с большим временем жизни. Переходы из таких состояний в состояния с меньшей энергией «запрещены», то есть происходят крайне редко, поэтому соответствующие линии в спектре излучения тоже называют запрещенными. В лаборатории такой возбужденный атом обязательно столкнется с соседом и передаст ему энергию без излучения. А в разреженном космосе атом долго может летать без столкновения, пока не излучит запрещенную линию. Ведь стенок в «космической лаборатории» тоже нет. Поэтому именно в спектрах межзвездных облаков были обнаружены и изучены запрещенные переходы в атомах, что заметно продвинуло атомную физику.

Но межзвездная среда – это еще не предел разреженности. Межгалактический газ в скоплениях галактик имеет плотность, соответствующую концентрации частиц 10^–4–10^–2 см^–3. В пространстве между скоплениями вещества еще меньше. А средняя концентрация атомов во Вселенной около 3 ∙ 10^–7 см^–3. Иными словами, один атом (водорода) обнаруживается лишь в трех кубометрах пространства. Вот это астрономы и называют сверхвысоким вакуумом: в миллион миллиардов раз разреженнее, чем в лучших земных лабораториях!

Теперь обратимся к высоким плотностям. Изучать вещество при сильном сжатии очень важно – хотя бы для того, чтобы понять, как оно ведет себя в недрах Земли. Из природных материалов высокой плотности мы знакомы со свинцом (11 г/см³), золотом (19 г/см³), осмием (23 г/см³). Максимальные плотности и давления, достигнутые в лабораториях на прессах с алмазными наковальнями, близки к тем, которые мы имеем в ядре Земли. До условий в недрах планет-гигантов лабораторные установки еще недотягивают. Что уж говорить о ядре Солнца, где плазма сжата до плотности 150 г/см³, и мы имеем возможность изучать ее поведение, регистрируя приходящие оттуда нейтрино. А звезды постарше нашего Солнца, уже завершившие свою эволюцию, оставляют после себя остывающие ядра – белые карлики. Плотность их вещества с трудом укладывается в нашем сознании: 10⁵–10⁸ г/см³. Это же сотни тонн в наперстке! И таких объектов астрономы обнаружили вокруг нас около полумиллиона и изучают уже второе столетие.

Но остатки эволюции массивных звезд еще удивительнее – это нейтронные звезды, имеющие плотность 10¹³ – 10¹⁴ г/см³. Пытаясь представить такое вещество, наша фантазия окончательно сдается, ведь тут уже сотни миллионов тонн в наперстке! Никогда на Земле мы не получим вещество при такой плотности в макроскопических количествах. А изучать его в космосе вполне возможно. Обнаружены уже тысячи нейтронных звезд, и мы можем следить за их поведением и наблюдать их поверхность. К примеру, вблизи нее существуют фантастические магнитные поля с индукцией до 10¹¹ Тс, тогда как в лаборатории мы можем создавать лишь до 10⁴ Тс. Разрыв в 10 000 000 раз! Не думаю, что в обозримое время его удастся преодолеть в лаборатории. А изучать поведение вещества в магнитных полях нейтронных звезд мы можем уже сегодня. И это поведение поистине удивляет. Например, атом водорода, помещенный в такое поле, из шарика превращается в ниточку (вспоминаем силу Лоренца). А если вспомнить, что плотность энергии магнитного поля легко перевести в плотность массы (E = mc²) и вычислить плотность массы магнитного поля с индукцией B = 10¹¹ Тс, то получим не менее удивительный результат:

ρ_B = B²/2µ₀c² = 40 т/см³.

Вы только подумайте: 40 т массы в каждом кубическом сантиметре пустоты, пронизанной магнитным полем! И эти условия доступны для изучения – космос дарит их нам практически бесплатно. Нейтронные звезды с рекордными магнитными полями, так называемые магнитары, сейчас активно исследуют астрофизики.

Еще один «космический бонус» для науки – это частицы высокой энергии, которые физики используют для зондирования внутренней структуры элементарных частиц и рождения новых их типов, ранее неизвестных ученым. Чем выше энергия частицы-ударника, тем интереснее результаты. Большой адронный коллайдер способен разгонять протоны до энергии 10¹³ эВ. Проект «Очень большого адронного коллайдера» (VLHC) предусматривает энергию 10¹⁴ эВ. Вряд ли в обозримое время будет создано что-либо более мощное. А из космоса в составе галактических космических лучей к нам прилетают протоны с энергией до 10²⁰ эВ, то есть они в миллионы раз «энергичнее» тех, что разгоняет коллайдер. Ускоритель с такой энергией вообще нельзя построить на Земле, поскольку он был бы больше, чем сама планета. Не говоря уже о его стоимости. А из космоса быстрые частицы прилетают к нам бесплатно. Академик Яков Борисович Зельдович говорил, что Вселенная – это ускоритель для бедных. Но, как видим, и самые богатые страны не способны создать такой ускоритель, который конкурировал бы со Вселенной.

И наконец, именно астрономия указала физикам на существование в природе двух таинственных сущностей: темной материи и темной энергии. Поисками темной материи (точнее, темного вещества) активно заняты сейчас физики-экспериментаторы. А понять антигравитационную сущность темной энергии пытаются физики-теоретики. Без астрономических наблюдений мы бы никогда не узнали о существовании этих двух загадочных «объектов» природы, заполняющих Вселенную своей массой-энергией на 95%. Можно лишь восхищаться тем, что, наблюдая чуть менее 5% массы Вселенной (планеты, звезды, межзвездный и межгалактический газ), астрономы смогли узнать о существовании и некоторых свойствах невидимых 95% ее массы. Это открывает перед физикой захватывающую перспективу: изучение нашего мира, по сути, только начинается! А для молодых физиков это открывает прекрасную перспективу карьеры (вплоть до получения Нобелевской премии) и, главное, стимулирует их интерес к научной работе.

Обратимся к области, где фундаментальная физика граничит с техникой. Астрономия, как и другие ветви естествознания, использует самые современные технологии и сама стимулирует их развитие. Можно вспомнить, что запущенный в 1990 г. на орбиту космический телескоп «Хаббл» сначала давал некачественные изображения, поскольку его объектив страдал сильной аберрацией. Для исправления этого недостатка и восстановления качества изображения были развиты мощные математические методы решения обратной задачи, в дальнейшем нашедшие применение в компьютерной томографии.

Для улучшения качества изображений, полученных наземными оптическими телескопами, сейчас развиваются методы активной и адаптивной оптики. Результаты поразительны: испорченное неоднородной атмосферой Земли изображение космического объекта удается в реальном времени восстановить до почти идеального состояния, как будто бы телескоп работает за пределом атмосферы, а не на дне воздушного океана.

Изучение Солнечной системы сегодня в значительной степени опирается на космонавтику и автоматические межпланетные зонды, что стало неотъемлемой частью астрономии. При этом космические условия ставят перед техникой небывалые задачи. Созданы зонды, работавшие на поверхности Титана при температуре –180 °C и на поверхности Венеры при +460 °C. Марсоход Opportunity (NASA) 14 лет путешествовал без ремонта по Красной планете, а некоторые межпланетные аппараты в условиях высокой космической радиации исправно несут службу уже более 40 лет! Надежность и миниатюрность современной бытовой электроники в значительной степени обязаны технологиям, развитым при создании этих космических зондов.

Но астрономы не останавливаются на прямом исследовании планет Солнечной системы. За последние годы открыты тысячи планет у соседних звезд, и к некоторым из них тоже хотелось бы послать автоматические разведчики. Еще недавно подобное казалось фантастикой, поскольку межзвездные перелеты требуют околосветовых скоростей. Но в этом направлении уже ведется практическая работа. Проект Breakthrough Starshot предполагает создание сверхмалого исследовательского аппарата, который отправится со скоростью 1/5 от скорости света к планетам ближайших звезд (α Кентавра и других) с помощью светового паруса, «надуваемого» излучением когерентной системы лазеров, использующих адаптивную оптику. Это уже не фантастика, а практическая работа, объединившая в себе астрономию, космонавтику и нанотехнологии.

Подведем итог: возвращаясь в школу и привлекая интерес вузов, астрономия заметно изменила свое лицо. Сегодня «небесная наука» тесно связана с другими ветвями естествознания. Космос теперь воспринимается как научная лаборатория с невероятными возможностями. Удовлетворяя свою любознательность, человек побеждал в борьбе за существование. Сегодня предметом любознательности человека стала вся Вселенная. И в этом гарантия нашего будущего.