Астрономічна обсерваторія у Львові є місцем, точкою, де перетинається принаймні три дуже різні площини. По-перше, це площина фізична: і йдеться не так про фізику-науку, як про причетність до безмежного космосу, який люди намагаються збагнути із земного світу, зокрема із цієї точки, зі Львова. По-друге, це площина часу. Але часу не як четвертого виміру, а часу історичного: міська обсерваторія як точка, як вузол, що вписує місто у неймовірну хроніку космічних відкриттів. І, по-третє, це площина, власне, наукова, яка Львову давала видатних астрономів і якій Львів віддавав важливими відкриттями й дослідженнями.
Директор Астрономічної обсерваторії у Львові, доктор фізико-математичних наук Богдан НОВОСЯДЛИЙ у розмові зі «Z» робить екскурс у минуле астрономії та, передовсім, досліджень неба зі Львова, а також розповідає про великі загадки космосу, які належать до сфери його наукових зацікавлень.
- Чим особлива львівська школа астрономії?
- Львівська астрономічна школа дійсно особлива, навіть неповторна. Тут у різні часи були цікаві особистості. Скажімо, на самих початках заснування обсерваторії тут працював Йозеф Лісґаніґ — його портрет, до речі, висить у Львівській національній ґалереї мистецтв (перший зал праворуч). Це відомий у світі астроном, який всередині XVIII століття разом з іншими відомими астрономами Європи займався вимірами розмірів Землі, створенням точних карт Західної та Центральної Європи, а також Галичини. Коли у 1772 році сюди прийшла Австрійська імперія, то Лісґаніґ отримав завдання картографувати Східну Галичину. До цього він був директором Віденської обсерваторії, його зробили директором Львівської обсерваторії, куди він привіз із собою відповідні інструменти.
Йозеф Лісґаніґ — геодезист, астроном, математик, теолог, єзуїт, священик. Народився 13 лютого 1719 року у Відні. Навчався у єзуїтському колегіумі у Відні, обіймав академічні та теологічні посади в Австрії, Угорщині та Словаччині. 1775 року — професор механіки Львівського єзуїтського колегіуму. Був в. о. імперського інспектора з будівництва у місті, згодом — провінційний директор з військового будівництва та навігації. 1758 року визначив широту Відня. Проводив астрономічні спостереження у Львові, Кракові, Ряшеві. З цих спостережень визначили меридіан у Львові. Помер 4 березня 1799 року у Львові.
(За матеріалами: Історія астрономічної обсерваторії ЛНУ ім. Івана Франка, Львів, 2011).
Львівську обсерваторію заснував Себастьян Сєраковський. Його дядько — Вацлав Сєраковський — був архиєпископом Львова, тож він фінансово доклався до будівництва вежі біля теперішнього гарнізонного храму Петра і Павла. На виїзді з площі Івана Підкови була вежа обсерваторії, і перша важлива робота, виконана там, — це карти Східної Галичини, побудовані на точних вимірах астрономічних спостережень (ці карти збережені досі).
Себастьян Сєраковський — архітектор, математик, астроном, єзуїт, священик. Народився 9 січня 1743 року у Богуславіцах, Польща. Навчався у Львові та Римі. Створив проект та заснував астрономічну обсерваторію у Львові, став її першим директором. Як архітектор виконав багато проектів у стилі бароко, а згодом — у класицизмі.
(За матеріалами: Історія астрономічної обсерваторії...)
Разом із Йозефом Лісґаніґом до Львова приїхав Ксавер Цах. Він був молодим бароном, а також офіцером, і він захопився астрономією, тож усе подальше життя присвятив цій науці. Він заснував обсерваторію в Бонні, організував перші з'їзди астрономів у Європі, куди з'їжджалися астрономи зі всього світу. Звичайно, тоді це відбувалося по-іншому, ніж тепер, але стало зрозумілим значення спілкування між науковцями. Про впливовість Цаха свідчить ситуація, коли один міщанин Львова попросив у Ксавера Цаха відновити обсерваторію у місті, бо та, що була заснована єзуїтами, занепала, вежу розібрали, нової не збудували, а інструменти професори порозтягали по своїх кабінетах. У листі-відповіді (опублікованому в журналі, заснованому тим же Ксавером Цахом), був опис першої львівської обсерваторії і її діяльності того часу.
Ксавер Франц Цах — астроном, доктор філософії та права, єзуїт. Народився 4 червня 1754 року в місті Пешт, Угорщина. Служив у австрійському війську як фахівець з геодезії та військовий інженер у Галичині та Семигороді. Професор механіки у Львові, член однієї із львівських масонських лож. Упорядкував новий на той час зоряний каталог, визначив велику кількість положень Сонця, вивчав астероїди. Також готував нових астрономів, із частиною з яких уточнив координати багатьох міст (за допомогою секстанта). На честь цього науковця названо кратер на Місяці та малу планету Сонячної системи №999 Zachia, відкритої у 1923 році.
(За матеріалами: Історія астрономічної обсерваторії...)
У 1950-х роках Самуїл Каплан розпочав цікаву тематику, без якої сучасна астрофізика є немислимою. Йдеться про теорію білих карликів — вироджених зір, які є кінцевою стадією життя зір, подібних на наше Сонце. Він започаткував тут також теоретичні дослідження в галузі фізики міжзоряного середовища, механізмів генерації космічних променів тощо. У той же час тут були розпочаті спостереження Сонця, знімання спектрів із великою дисперсією (знімання спектру світла, розкладеного на велику кількість кольорів. — М.П.). Звідси прийшло розуміння необхідності моделювання фізичних процесів, які відбуваються на різних висотах атмосфери Сонця. З цього почали розвиватися як експериментальні роботи по вивченню Сонця (Володимир Степанов, Петро Олійник, Іван Лаба), так і роботи з теоретичного моделювання фізичних процесів на Сонці (Богдан Бабій, Мирослав Стоділка, Марія Ковальчук), які тривають дотепер.
Атмосфера Сонця складається із трьох шарів. Перший — фотосфера, його світло бачить людина. Цей шар вважається поверхнею Сонця, наскільки газоподібна куля може мати поверхню. Товщина цієї сфери — приблизно 300 км, що не перевищує 1/3000 діаметру Сонця. Густина менша від густини атмосфери Землі, а температура зростає із висотою.
Другий шар атмосфери — хромосфера. Її товщина — 15–20 тисяч км, а температура зростає від 4500 К на межі з фотосферою та досягає 100 000 К у верхніх шарах. Густина тут менша, ніж у фотосфері, а видно хромосферу під час затемнення Сонця у вигляді жовто-червоного кільця навколо Сонця.
Останній шар — сонячна корона. Вона менш яскрава, ніж Місяць уповні, її форма неправильна й змінюється. Її протяжність — величезна, в багато разів більша від радіуса Сонця. Температура зростає до 2 мільйонів градусів Кельвіна. Сонячна корона настільки протяжна, що віддалені від Сонця частини не утримуються його тяжінням й речовина корони неперервно витікає у міжпланетне середовище. Це спричинює явище сонячного вітру.
Коли почалася космічна ера, то з нашої обсерваторії Самуїл Каплан та Іван Климишин були задіяні у підготовці перших спостерігачів штучних супутників Землі. 4 жовтня 1957 року був запущений перший штучний супутник Землі, а до запуску готувалися, тож у кількох місцях Радянського Союзу заздалегідь були створені станції спостережень.
Самуїл Каплан — астрофізик, доктор фізико-математичних наук. Народився 10 жовтня 1921 року в Рославлі, Росія. Досліджував зорі типу білі карлики та газодинаміку міжзоряного простору. Розробив теорію охолодження білих зір (теорія Каплана - Местела). Організував у Львові станцію оптичних спостережень супутників та заміську станцію спостережень у Брюховичах. Помер 11 червня 1978 року у Нижньому Новгороді, Росія.
Іван Климишин — астрофізик, професор, доктор фізико-математичних наук. Народився 17 січня 1933 року на Тернопільщині. Досліджував зорі, завідував відділом змінних зір. Його дослідження й праці пов'язані із тонкощами цієї сфери: отримав наближений розв'язок задачі стосовно структури зоряних ударних хвиль; оцінив протяжність зони, яка прогрівається перед ударною хвилею; вивів формулу для розрахунку висот у атмосферах тих зір, на які діють періодичні ударні хвилі тощо.
(За матеріалами: Історія АО...)
Климишин починав свою роботу тут, у Львові. Зараз вже має понад 40 книжок, зокрема про те, про що ми тут час від часу говорили, а саме: ставлення вчених до Бога, питання того, як створився наш світ: чи він виник спонтанно, чи створений Творцем. Але це питання віри, а не наукового доказу.
Богдан Новосядлий — астрофізик, доктор фізико-математичних наук, з 2002 року директор Астрономічної обсерваторії у Львові. Народився 16 березня 1967 року на Тернопільщині. Займається космологією, тобто наукою про Всесвіт як ціле та його структури, галактик та скупчень галактик. У даний час займається дослідженнями, пов'язаними із встановленням природи прихованих складових нашого Всесвіту — темної матерії та темної енергії.
- У Вашій докторській роботі йдеться, зокрема, про формування великомасштабної структури Всесвіту, з чого виникає запитання, чи є космос однорідним.
- Якщо під однорідністю космосу розуміємо розподіл матерії в просторі — то відповідь залежить від масштабу усереднення. В Сонячній системі 99% матерії — це сонячна плазма, решта — планети, астероїди, комети. Отже, в масштабі Сонячної системи космос неоднорідний. В масштабі Галактики зорі розподілені теж неоднорідно, в чому кожен переконується, споглядаючи нічне зоряне небо — бачимо зоряні скупчення, Молочний шлях, який є смугою зір диску Галактики. У ще більших масштабах інші зоряні системи — галактики — теж демонструють неоднорідний розподіл. Вони утворюють групи і скупчення галактик, а своєю чергою формують надскупчення, ланцюжки, стінки та порожнини. Із зростанням масштабу, однак, контраст неоднорідностей неухильно зменшується, і вже на масштах понад 100 мегапарсек (326 мільйонів світлових років) космос є однорідним. Ця великомасштабна структура Всесвіту розвинулась із малих збурень густини і швидкості матерії та метрики простору-часу, зґенерованих в ранньому Всесвіті. Космологи вивчають ці початкові неоднорідності за флюктуаціями температури реліктового випромінювання, амплітуда яких є мізерною — тисячні частки відсотка від його середньої температури, яка дорівнює 2.7255 градусів Кельвіна.
Все, що починається із галактичних масштабів, називається великомасштабною структурою. Всередині галактик — зорі, зоряні скупчення — це внутрішньогалактична структура. Галактики є стійкими ґравітаційно зв'язаними структурами. Вони не розширюються і не стискаються, зорі рухаються довкола центру. Поки галактика існує — все так і відбувається. Ясна річ, є зорі, які змінюють свої орбіти, є й галактики, які зливаються, що сильніше впливає на рухи зір в обох цих галактиках.
Але у більших масштабах — тобто позагалактичних масштабах — самі галактики віддаляються одна від одної. Це відбувається за рахунок того, що наш Всесвіт розширюється. Виконується закон Габбла: дальша галактика віддаляється від нас із більшою швидкістю. Швидкість віддалення пропорційна відстані до галактики.
(Пояснює Б. Новосядлий).
Розширення Всесвіту, згідно з сучасними даними, розпочалось 13,7 мільярда років тому і цю подію називають Великим вибухом. Час від Великого вибуху — вік Всесвіту. Сонце виникло приблизно 5 мільярдів років тому, галактики сформувались приблизно 13 мільярдів років тому, найперші зорі в них — 13,5 мільярда років тому. Реліктове випромінювання, яке ми реєструємо тепер, несе інформацію про стан матерії ще задовго до виникнення перших об'єктів — коли Всесвіту було всього приблизно 400 тисяч років. Ось чому його дослідженням приділено таку велику увагу. Більше того, за характеристиками поляризації цього випромінювання можна зареєструвати ще раніший релікт — ґравітаційні хвилі, зґенеровані зразу після Великого вибуху. Вони є малоамплітудними брижами-хвильками простору-часу.
- Чи Ви вважаєте, що це можна буде зафіксувати колись?
- Скажімо, амплітуда реліктових ґравітаційних хвиль може бути така мізерна, можливо, навіть дорівнювати нулю, що, ймовірно, їх ніколи не зареєструють. Але ґравітаційні хвилі є. Вони народжуються у наш час, вже не у ранньому Всесвіті, а в сучасну епоху в нашій галактиці, наприклад, коли зливаються дві нейтронні зорі або дві чорні діри, або нейтронна та чорна діра. Коли відбувається таке злиття — можна спостерігати явище, коли ґенерується потужна ґравітаційна хвиля, яку, у принципі, можуть реєструвати антени, призначені для реєстрації таких хвиль. Сподіваюся, це точно буде зареєстровано до кінця цього або, принаймні, наступного десятиліття. Адже та теорія, яка передбачає їх існування (а це загальна теорія відносності, створена Альбертом Айнштайном сто років тому), дуже добре перевірена. Наприклад, скільки різних апаратів літає у межах Сонячної системи, орбіти яких з величезною точністю розраховуються в рамках загальної теорії відносності! До речі, напевно багато-хто слідкував за посадкою апарата «Філи» на комету Чурюмова-Герасименко. Його доставив до комети космічний апарат «Розетта» більше як за 10 років, долаючи мільярди кілометрів вздовж складної балістичної траєкторії. Зустріч з кометою, яка летить зі швидкістю приблизно 40 км за секунду, в заданій точці Сонячної системи, є ще одним доказом вірності цієї теорії!
Розетський камінь був знайдений на острові Філи у дельті Нілу. Цими іменами названий апарат, тому що подібно до того, як Розетський камінь дав важливу інформацію для розгадки ієрогліфів, так само важливу розгадку нам може дати посадка на комету Чурюмова-Герасименко щодо ранньої фази формування планет Сонячної системи.
(Пояснює Б. Новосядлий).
- Як можна зареєструвати ґравітаційні хвилі?
- Наприклад, для фіксації таких хвиль від злиття двох нейтронних зір на відстані не більше, ніж сто світлових років, що не є далеко, треба реєструвати зміни розміру якогось стандарту довжини (сталої величини, наприклад одного метра) із точністю до 10–19 (кілометровий стандарт треба міряти з точністю до розмірів електрона, що поки що недосяжно). Щоб реєструвати, поміряти випромінювання, то плече інтерферометра має бути завдовжки звідси до Марса. Ясна річ, це не реально за допомогою складного стержня. Проте це можна зробити за допомогою лазерного променя. Для цього треба точно виставити відстань між приймачем та дзеркалом. До цього вже доходять. Коли це буде здійснено, то людство отримає такі досягнення, які зможе використати і у практичних цілях. Адже буде створена точніша база координат Сонячної системи, точніше будемо вираховувати час і так далі.
6 лютого 2015 року було здійснено реліз даних з телескопу Планк, який реєструє мікрохвильове випромінювання з усіх ділянок неба з величезною чутливістю та кутовою роздільною здатністю, що дає добру можливість до вивчення ближнього і далекого Всесвіту. Метою є вимірювання анізотропії реліктового випромінювання — кутових флюктуацій його температури і поляризації, які спричинені первинними збуреннями густини і швидкості речовини, а також метрики простору-часу. Серед останніх є і реліктові ґравітаційні хвилі.
Планк — це міжнародний проект, в якому задіяно багато держав. На жаль, Україна не бере у ньому участі, адже до таких проектів долучаються зі своїми грошима. Проте результати спостережень цього проекту є доступними: вони публікуються. Ці результати можна використовувати дослідникам для перевірки своїх моделей. Ці дані використовуються нами для встановлення параметрів невідомих складових Всесвіту.
- Як за допомогою реліктового випромінювання, яке реєструємо тепер, можна вивчити минуле Всесвіту?
- Реліктове випромінювання народилося у момент Великого вибуху. Це та енергія, яка пов’язана з ранніми етапами. Ми спостерігаємо кванти електромагнітного випромінювання. Оскільки розподіл по енергіях цього випромінювання є планківським, або ж тепловим, то його характеризують параметром «температура». Так от, у ранньому Всесвіті температура цього випромінювання була дуже високою — мільярди і більше градусів за Кельвіном. В міру розширення Всесвіту за рахунок ефекту Доплера (Доплера-Фізо), тобто зміни довжини хвилі електромагнітного випромінювання від джерела, яке віддаляється від нас, кванти розсіюються на електронах, протонах, тобто на заряджених частинках раннього Всесвіту. І ті частинки віддаляються від нас, тому енергія квантів випромінювання буде зменшуватися. Це явище називають червоним зміщенням, оскільки в оптичній області енергія квантів світла в червоній ділянці спектра є меншою, ніж в жовтій чи в блакитній.
Це приводить до зменшення температури. І коли енергія квантів стає меншою енергії іонізації водню, то відбувається його рекомбінація і середовище стає прозорим для випромінювання. Випромінювання відривається від речовини й поширюється далі, не розсіюючись, і доходить до Землі фактично неспотвореним, якщо не зважати на вплив газу й пилу в нашій Галактиці. Якщо врахувати ці спотворення газом, пилом, а також вклад протяжних джерел випромінювання, таких як галактики, якщо все це вилучити, то отримаємо ті показники, які пов'язані з отим етапом відриву реліктового випромінювання від речовини, який відбувся в дуже ранню епоху, коли Всесвіту було всього 380 тисяч років. Проти 13,7 мільярда років віку Всесвіту це дійсно дуже малий час. Якщо порівнювати з віком людини, то буде така пропорція, як приблизно 2 години та 50 років. За допомогою реліктового випромінювання ми бачимо Всесвіт настільки молодим. Зорі, галактики та все інше з'явилися значно пізніше.
- Яке значення має темна матерія і темна енергія?
- Темна матерія сприяє формуванню галактик, скупчень галактик; вона самоґравітує. Це не звичайна матерія, вона темна, не світиться, не поглинає і не випромінює світло. Однак вона ґравітує. Частинки темної матерії не беруть участі в електромагнітній взаємодії, вони не притягуються та не відштовхуються, о отже, у темній матерії немає тиску. А що таке тиск? Молекули беруть участь в електромагнітній взаємодії, і кулонівське відштовхування є фізичною причиною газового тиску, що його можна стиснути лише до певної міри. А коли частинки не беруть участі в такій взаємодії, то їх можна стискати як завгодно, адже не виникає жодної протидії.
Темна енергія — це ще складніша річ. Вона має від'ємний тиск. При тому, що звичайні речовини мають додатній тиск, темна матерія — нульовий, а ось темна енергія має від'ємний тиск. Це призводить до прискореного розширення Всесвіту.
- Але у світі, в якому ми живемо, це неможливо...
- Це складно зрозуміти навіть фізикам... Цій ідеї скоро буде сто років. У 1917 році її вперше висловив Альберт Айнштайн, але згодом відмовився від неї, сказавши що то була найбільша помилка його життя. Але ідея виявилась цікавою, і астрофізики повертались до неї, коли не знаходили інших пояснень спостереженням. Тобто фізики не мали підстав сказати, що цього бути не може. Але суддею у фізиці та астрофізиці є експеримент та спостереження. В 1998 році з'явились перші спостережувані підтвердження існування цієї складової Всесвіту, а в 2011 році їх авторам Солу Перлмутеру, Браяну Шмідту та Адаму Рісу була присуджена Нобелівська премія з фізики.
Розмовляв Маркіян ПРОХАСЬКО
09.10.2015