Дважды в год – в середине весны и осени – в мире отмечается Международный день астрономии. Заведующий астрономической обсерваторией Томского государственного университета, доцент кафедры астрономии и космической геодезии физического факультета ТГУ Дмитрий Капарулин рассказал в интервью университетской газете Alma Mater, зачем человеку знание о небесных телах, чем могут быть полезны черные дыры, как ученые ТГУ следят за опасными астероидами и куда может устроиться человек с дипломом астронома.
ТЕМНОТА – ДРУГ АСТРОНОМА
– Дмитрий Сергеевич, Международный день астрономии отмечается дважды в году. Это всегда происходит весной и осенью, но в разные даты. Вы знаете почему?
– Нет, но у меня есть предположение. В астрономии самые лучшие периоды наблюдений приходятся на осень и весну. Это особенно актуально в России, потому что летом у нас белые ночи, даже если темнеет, то очень поздно, а зимой холодно и наблюдать неудобно. Самое яркое тело на небе – это Луна. Лучше всего ее видно через несколько дней после новолуния. Поэтому день астрономии подбирают так, чтобы Луну могло наблюдать максимальное количество людей, поскольку другие небесные объекты в городах видны не очень хорошо из-за светового загрязнения. Осенью происходит примерно то же самое. Вполне комфортная погода, темнеет уже достаточно рано, и на небе есть Луна.
– Задам вопрос, который для астронома будет звучать странно: зачем человечеству астрономия?
– Исторически появление астрономии связано, в первую очередь, с измерением времени. Человеку нужно было понимать, когда наступит весна и можно пахать землю, когда настало время платить налоги и так далее. То есть практической точкой приложения первых астрономических наблюдений был счет времени в течение года. Причем у многих народов, к примеру, китайцев и персов, главным объектом была Луна и смена ее фаз, а не Солнце. Древний Египет был одной из немногих культур, которая отталкивалась от солнечного календаря. И для этого есть конкретная причина. Астрономы обнаружили, что утренний восход Сириуса перед восходом Солнца предвещает разлив Нила. Для древних египтян это был астрономический сигнал начала нового сельскохозяйственного сезона.
Есть еще одно приложение астрономии, весьма спорное, – это астрология. Каждый ученый должен объяснить, зачем нужна его работа. Древние объяснили, что их наблюдения нужны для того, чтобы предсказывать будущее. Астрология служила как бы демонстрацией практической применимости астрономии. Сейчас комиссия РАН считает, что результат действия астрологии объясняется не астрономическими, а психологическими факторами, но, тем не менее, тысячи лет назад историческая действительность была другая.
Причина номер три: и раньше, и сейчас астрономия использовалась для навигации. Просто раньше путь определяли по звездам, а сейчас мы пользуемся 2GIS, Яндекс Картой, GPS и так далее, но все это завязано на навигационных спутниках. Их движение происходит по законам небесной механики, а небесная механика – это раздел астрономии.
Еще одно практическое применение астрономии – развитие космонавтики. Космос сейчас – это не только неизведанное пространство, но и область экономической деятельности. Многие страны, в том числе Россия, вкладывают в эту область большие ресурсы, но для того, чтобы летать в космос, мы должны понимать, какие там условия и какие есть угрозы.
Приведу конкретный пример: существует метеорная угроза со стороны мелких космических пылинок, которые летают в космосе. Они могут повредить космический аппарат. И если мы планируем какую-то космическую миссию, мы должны исследовать эту угрозу. Это тоже часть астрономии. И, наконец, может быть, несколько неожиданная область приложения астрономических знаний – это экспертные консультации. Например, на съемках фильма «Интерстеллар» научным консультантом был физик-теоретик и астроном Кип Торн – один из открывателей гравитационных волн.
НЕЗВАНЫЙ ГОСТЬ
– Дмитрий Сергеевич, знаю, что одно из ключевых направлений исследований сотрудников кафедры, в котором они сильно преуспели, – это изучение астероидной опасности. Расскажите о нем.
– Падение крупного астероида на Землю может привести к региональной или глобальной катастрофе. Такое в истории нашей планеты уже было. Шестьдесят шесть миллионов лет назад появление такого «космического гостя» вызвало мел-палеогеновое вымирание, уничтожив большинство динозавров и около 75 процентов флоры и фауны планеты. Удар спровоцировал глобальные пожары и выброс пыли и газов в атмосферу, заблокировал солнечный свет, что привело к «астероидной зиме». Существует гипотеза, что и пермско-триасовое массовое вымирание связано с падением астероида. Если мы не хотим закончить свое существование, как динозавры, то мы должны наблюдать и изучать те объекты, которые могут причинить вред Земле. Несмотря на то, что задача кажется очевидной, она очень сложна.
– В чем именно заключается сложность?
– При построении модели движения небесного тела особенно трудно учесть негравитационные эффекты. Например, эффект Ярковского создается за счет теплового излучения от нагревшейся днем и остывающей ночью поверхности астероида, что придает ему дополнительное ускорение. Величина этого эффекта зависит от многих параметров: размера астероида, периода осевого вращения и свойств поверхности, которые для большинства объектов неизвестны. В некоторых случаях на объект изучения может влиять выход газов, создающий реактивную тягу. Все эти явления нужно учесть, чтобы спрогнозировать движение астероида в будущем.
Есть и другой момент – большинство астероидов, потенциально опасных для Земли, не очень яркие, поэтому для их наблюдения нужны достаточно большие телескопы. Соответственно, это весьма непростая область астрономии, но без преувеличения можно сказать, что коллектив кафедры астрономии и геодезии ФФ ТГУ – одна из наиболее опытных российских научных групп, занимающихся исследованием динамики малых тел Солнечной системы. Добавлю, что сотрудники кафедры наряду с астероидами изучают еще и проблему космического мусора, которая с каждым годом становится все более актуальной. Когда человечество начало запускать спутники, оно не задумывалось о том, как потом утилизировать отработавшие объекты.
Показательный пример: вес первого спутника, вышедшего на орбиту, был 83,4 килограмма, но выводила его туда ракета, которая весила больше семи тонн. И эта неуправляемая ракета была первым образцом космического мусора. Со временем она упала, как и спутник, что было связано с особенностями его орбиты. Довольно быстро человечество научилось запускать спутники выше – на высоты от 600 километров, откуда он сам по себе не упадет. Если он сломается, то станет космическим мусором. Если мы оставим ступень ракеты там, она тоже не упадет сама по себе, а станет космическим мусором. Есть прецеденты столкновения спутников с их последующим разрушением, например, в 2009 году столкнулись российский спутник серии «Космос» и американский «Иридиум». Их обломки стали космическим мусором.
Даже самые малые фрагменты размером менее одного сантиметра могут быть очень опасны. Если на низкой орбите произойдет лобовое столкновение кусочка космического мусора с аппаратом, их относительная скорость будет порядка 15 километров в секунду. Это примерно в 20 раз быстрее, чем пуля. Поэтому относительно небольшой обломок может пробить обшивку космического корабля или нанести другие серьезные повреждения. Сотрудники кафедры астрономии ФФ ТГУ занимаются построением высокоточных моделей движения космического мусора, и это позволяет понять общие закономерности того, что происходит в космосе. Это может быть полезно для будущих космических миссий.
«ЯРКИЙ СВЕТ» ЧЕРНЫХ ДЫР
– Дмитрий Сергеевич, человечество давно пытается разгадать тайны Вселенной. ФФ сейчас реализует большой проект, который связан с запуском российского суперколлайдера NICA. Мегаустановка создается как раз с целью таких исследований. Астрономия ведь тоже про это?
– Если быть более точным в формулировках, то про это астрофизика, можно сказать, самая модная или самая популярная часть астрономии. Она изучает небесные тела, галактики, черные дыры и так далее. Вообще, космос можно понимать как лабораторию, в которой происходят физические процессы. Многие из них мы не можем смоделировать на Земле. Например, в ранней Вселенной были такие температуры, такие условия, которые мы не можем воссоздать на Большом адронном коллайдере. Изучая раннюю Вселенную и наблюдая за компактными объектами – черными дырами и нейтронными звездами, мы изучаем поля, недостижимые ни в одной земной лаборатории.
– Если человечество получит данные о космических объектах, как оно сможет эти данные о гравитационном поле или черных дырах «приземлить»?
– Конечно же, стоит оговориться, что практическое применение таких данных – это вопрос не нашего обозримого будущего. Возьмем, к примеру, черные дыры. При падении на них вещества черные дыры могут преобразовывать массу в энергию значительно эффективнее, чем другие источники. Солнце за счет термоядерных реакций преобразует 0,7% своей массы в энергию за всю жизнь. Черная дыра может произвести порядка 30% массы в энергию. То есть она примерно в 50 раз эффективнее Солнца и, условно говоря, в 500 раз, чем атомная электростанция.
Если человечество когда-нибудь научится делать и безопасно использовать черные дыры, оно сможет иметь чистый источник энергии, который надолго обеспечит планету энергией. Но это дело будущего – скорее далекого, чем близкого. Вообще, каждая дисциплина в процессе развития проходит разные стадии. Сначала она доступна очень немногим, потом становится достаточно массовой. После этого мы ее просто перестаем замечать, потому что она становится частью нашей жизни. Например, информационные технологии. Лет 50-60 назад компьютеры использовали единицы, сейчас компьютеры вошли во все сферы нашей жизни. В астрономии было то же самое, только этот путь она прошла не за 50 лет, а за несколько сотен или тысяч лет.
ЭКСКУРСИИ ПО НЕБУ
– В общеобразовательных школах не преподают астрономию, но вы много работаете с детьми. Знаю, что вы проводите экскурсии по небу. Расскажите, пожалуйста, о них.
– Астрономия как предмет в школах, действительно, не изучается, но всероссийские олимпиады и конкурсы по данному направлению не отменялись. Чтобы успешно участвовать в этих конкурсах и олимпиадах, нужно изучать астрономию. Причем, изучать опережающим образом. Идеальное время для этого – с 6-го по 8-й класс. И первые годы будут посвящены не глубокому погружению в науку через формулы, а развитию общей эрудиции, изучению и пониманию звезд и созвездий, движению неба и так далее. Примерно с 9-го класса можно начинать изучать астрономию через формулы, учиться решать сложные задачи, участвовать в олимпиадах и продолжать свое образование.
Нужно сказать, что у нас в Томске достаточно хорошая школа олимпиадной астрономии. Раньше это был астрономический клуб «Икар», сейчас он тоже функционирует, а в 2022 году ТГУ выделил нам средства, полученные по программе «Приоритет 2030», на создание сетевой олимпиадной школы физики, математики и астрономии (школа ФМА). Я являюсь руководителем трека по астрономии. С 2025 года проект работает без финансов, но он живет. У нас есть ребята, которые пришли в первые годы, сейчас они уже поступили в университеты.
Есть ребята, которые стали студентами ФФ ТГУ, выбрали для себя наше направление. Поэтому работа со школьниками помогает находить увлеченных абитуриентов. На занятиях мы разбираем задачи, то есть это теоретическая часть работы, а также ведем проектную деятельность. У нас был очень успешный проект: мы сделали макет телескопа Галилея, по образцу самого первого телескопа, который был создан великим астрономом. Сейчас макет находится на хранении в физическом кабинете, мы хотим поставить его в обсерватории ТГУ. Тогда гости обсерватории смогут смотреть на небо не только в современный телескоп, но и в телескоп, через который человек впервые посмотрел на космос.
И еще одно направление нашей работы – это выезды для наблюдений за город, где мы и проводим экскурсии по звездному небу. Вообще, наблюдения проводятся в двух форматах. Мы ходим в обсерваторию ТГУ, где изучаем звезды и фотографируем. Фактически это учеба, потому что мы учимся подбирать экспозицию, изучаем оптику, механику, конструкцию телескопа и так далее. Потом мы совершаем выезды за город, но делаем это не в рамках школы ФМА. В выездах участвуют старшие школьники и студенты ФФ. Студенты едут самостоятельно, школьники с родителями, потому что наблюдения длятся долго, как-то раз мы закончили в четыре часа утра, так как нам нужно было увидеть созвездие Скорпиона.
В год мы делаем порядка 20 выездов. Этим летом у нас был интересный опыт. Меня пригласили в Манжерок на ежегодное астрономическое мероприятие «Звездопад Персеиды». Это самый ожидаемый метеорный поток года. Я читал там лекцию по астрономии. Принимающая сторона любезно согласилась принять не только меня, но и еще трех человек. Я пригласил двух наших студентов и выпускника нашей школы ФМА, который сейчас учится в Санкт-Петербурге. Ребята помогали проводить экскурсии по небу и наблюдения. В горах это выглядит особенно удачно, поскольку нет посторонней засветки и ничто не затмевает падающие звезды.
ИЗ ТГУ К ЗВЕЗДАМ
– Дмитрий Сергеевич, в Сибири всего два университета, которые дают астрономическое образование. Расскажите, пожалуйста, чему обучают студентов и куда идут работать люди с дипломом астронома?
– Кафедра астрономии и космической геодезии ТГУ базируется на двух вещах – это космос, если говорить точнее, небесная механика, и информационные технологии. Эти два направления сходятся в космической индустрии. Фактически в рамках обучения мы готовим тех людей, которые будут работать инженерами и программистами в космической отрасли. Они будут проектировать перспективные спутниковые группировки, писать программы для расчета орбит небесных тел.
Наши выпускники знают языки программирования и многие информационные технологии, что позволяет им быть успешными во многих отраслях деятельности. Есть примеры, когда наши выпускники создавали собственные компании, часть из них работает в России, часть за рубежом. Есть еще одна точка, где космос и астрономия встречаются, – это геодезия, потому что сейчас вся современная геодезия – она космическая. Наши выпускники успешно работают в геодезических компаниях.
Пожалуй, самое ценное в нашем образовании – это то, что оно дает возможность построения самых разных карьерных путей. Вы можете стать специалистом, который будет создавать программное обеспечение для использования в космической индустрии. Вы можете стать человеком, который изучает астрономию, и ученым-астрономом, программистом и геодезистом. Наша образовательная программа «Компьютерное моделирование в космических и геоинформационных системах» подходит тем, кто любит космос и информационные технологии, и кто, закончив университет, хочет быть уверен в своем будущем.