Многоканальная астрономия

МНОГОКАНАЛЬНАЯ
АСТРОНОМИЯ

Редактор-составитель
академик Черепащук А. М. 

МНОГОКАНАЛЬНАЯ
АСТРОНОМИЯ

Редактор-составитель
академик Черепащук А. М. 

Москва, 2022

Электронное издание

УДК 52
ББК 22.6
М73

М73
Многоканальная астрономия / Ред.-сост. А. М. Черепащук. — Эл. изд. — 1 файл pdf : 
546 с. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.

ISBN 978-5-89818-228-1

Прогресс в области астрономических исследований тесно связан с развитием новых методов 
наблюдений небесных тел.
В первой части книги изложены методы исследования Вселенной в различных каналах: электромагнитном (от радио до гамма диапазона), нейтринном, канале космических лучей, гравитационно-волновом канале. Во второй — кратко описаны новейшие достижения астрономии и астрофизики, которых удалось достичь, благодаря всеволновому и многоканальному характеру современной 
астрономии.
Книга представляет собой совместный труд более двадцати ведущих ученых, работающих в различных областях астрономии и астрофизики.

Насколько нам известно, это первая книга в нашей стране о современной многоканальной 
астрономии и её методах и, по-видимому одна из первых в мире. Отличное дополнение к популярной книге «Астрономия: век ХХ».

УДК 52 
ББК 22.6

Электронное издание на основе печатного издания: Многоканальная астрономия / Ред.-сост. А. М. Черепащук. — Москва : ДМК Пресс, 2022. — 528 с. : ил. — ISBN 978-5-89818-128-4. — Текст : непосредственный.

На 1-й стороне обложки — Запущенная в 2019 году орбитальная обсерватория «Спектр-РГ»,
Туманность «Кошачий глаз» — телескоп им. Хаббла (NASA), Монтаж — ИКИ/МРЕ/НПО им. Г. А. Лавочкина

На 4-й стороне обложки — Космический телескоп имени Джеймса Уэбба — орбитальная инфракрасная обсерватория,
которая заменит космический телескоп «Хаббл» (NASA).

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, 
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-228-1
© Состав, оформление. Век 2, 2019
© Переиздание. ДМК Пресс, 2022

Ïðåäèñëîâèå ðåäàêòîðà

Предисловие редактора

Эта книга посвящена многоканальной астрономии, которая использует не 
только канал электромагнитных волн, идущих из Космоса, но и другие каналы информации о Вселенной, такие, как канал нейтринного излучения, канал 
космических лучей, а также канал гравитационных волн, который стал доступен в последние годы.
Прогресс в области астрономических исследований тесно связан с развитием новых методов наблюдений небесных тел. Начало наблюдательной астрономии было положено великим итальянским ученым Галилео Галилеем в 1609 
году, когда он впервые навел на небо свой телескоп с линзовым объективом 
диаметром в несколько сантиметров. С этого момента астрономия перестала 
быть чисто умозрительной наукой и стала опираться на надежные наблюдательные факты.
Другой замечательной вехой в развитии наблюдательной астрономии стал 
запуск на орбиту вокруг Земли 4 октября 1957 года первого советского искусственного спутника. Благодаря появившейся возможности выносить телескопы 
за пределы земной атмосферы, которая непрозрачна для многих видов электромагнитного излучения, астрономы могут теперь наблюдать Вселенную в очень 
широком диапазоне электромагнитных волн: от гамма-квантов, до длинных радиоволн. В этом очень широком диапазоне длина волны принимаемого излучения меняется в 1016 раз. Это привело к тому, что надежность интерпретации 
современных астрономических наблюдений во многих случаях сравнялась с 
надежностью результатов лабораторных физических экспериментов. И это несмотря на то, что астрономические объекты удалены от нас на громадные расстояния в тысячи, миллионы и миллиарды световых лет.
В нашей книге излагаются современные методы и некоторые важнейшие 
результаты исследований астрономических объектов в канале электромагнитных волн, который, по образному выражению И. С. Шкловского, стал для астрономов всеволновым.
Другим каналом информации, идущей из Космоса, является канал космических лучей. Открытие космических лучей состоялось в 1912 году, когда ав

стрийский физик В. Ф. Гесс измерил скорость ионизации воздуха в зависимости от высоты в атмосфере Земли. На высотах свыше 2 км ионизация воздуха 
начинает резко возрастать, что связано с действием космических лучей, падающих на границу атмосферы из космического пространства. Космические лучи состоят из ядер атомов водорода (~ 85 %) и гелия (~ 10 %); доля ядер всех 
остальных элементов не превышает 5 %. Доля электронов и позитронов составляет менее 1%.
Плотность энергии космических лучей в нашей Галактике составляет 
~ 1 эВ/см3, что сравнимо с плотностью энергии межзвездного газа и галактического магнитного поля.
По своему механизму ускорения космические лучи можно разделить на несколько групп.
1. Космические лучи галактического происхождения с энергиями до ~ 1018 эВ.
2. Космические лучи внегалактического происхождения с энергиями более 
~1018 эВ.
3. Мягкие космические лучи солнечного происхождения.
4. Аномальные космические лучи, образующиеся в Солнечной системе на 
периферии гелиомагнитосферы.
За более чем 100 лет исследований накоплен огромный наблюдательный 
материал по космическим лучам разных энергий. Стало ясно, что космические 
лучи высоких энергий формируются при взрывах сверхновых звезд. Источниками космических лучей могут быть пульсары, ядра галактик. С источниками космических лучей связаны также источники высокоэнергичных -квантов, 
что дает возможность идентифицировать источники космических лучей с отдельными астрофизическими объектами и происходящими в них физическими 
процессами. На стыке между физикой космических лучей и гамма-астрономией ученым удается выполнять уникальные исследования в области астрофизики высоких энергий.
В нашей книге изложены современные методы и результаты исследований 
космических лучей разных энергий, описаны новейшие достижения и отмечены 
пока нерешенные проблемы в этой интереснейшей области науки.
Канал нейтринных наблюдений открывает замечательные перспективы для 
исследования различных объектов Вселенной — вспышек сверхновых звезд, солнечных недр и т. п.
Ввиду колоссальной проникающей способности нейтрино возможность его 
экспериментального детектирования длительное время казалась нереальной. 
Даже В. Паули, высказавший в 1930 году гипотезу о существовании нейтрино, придерживался такой пессимистической точки зрения. Однако в 1946 году 
Б. М. Понтекорво указал на возможность прямой регистрации нейтрино в связи 
с созданием ядерных реакторов. В 1953–56 годах группе американских физиков 

Ïðåäèñëîâèå ðåäàêòîðà

под руководством Ф. Райнеса и К. Коуэна удалось зарегистрировать антинейтрино от мощного ядерного реак тора Саванна-Ривер (США).
20 ноября 1946 года Б. М. Понтекорво прочел лекцию, в которой были изложены основы хлор-аргонного метода регистрации нейтрино. Тем самым были заложены наблюдательные основы нейтринной астрономии. В 1965 году 
В. А. Кузьмин предложил идею галлий-германиевого нейтринного детектора.
Первый эксперимент по регистрации солнечных нейтрино высоких энергий 
на базе хлор-аргонного детектора был осуществлен в 1967 году группой Р. Дэвиса (США). Эксперименты по регистрации солнечных нейтрино низких энергий от прямого протон-протонного термоядерного цикла ведутся в настоящее 
время в России и в Италии. Открытие осцилляций нейтрино в 2003 году позволило решить проблему дефицита солнечных нейтрино и в деталях подтвердить правильность модели внутреннего строения Солнца на базе термоядерных 
источников энергии.
В 1987 году вспыхнула сверхновая звезда в ближайшей к нам галактике — 
в Большом Магеллановом облаке. От нее со значительной достоверностью был 
зарегистрирован поток нейтрино в трех лабораториях мира, включая Баксанскую нейтринную лабораторию российских ученых на Северном Кавказе.
К настоящему времени завершается строительство уникальных установок 
для регистрации космических нейтрино (Байкальский нейтринный эксперимент, 
установка Ice-Cube на южном полюсе и т. п.). Это позволит использовать нейтринный канал астрономических наблюдений во всей полноте.
В нашей книге описаны современные методы и результаты нейтринных исследований объектов Вселенной и изложены соответствующие планы и перспективы.
В 2015 году ученые получили уникальную возможность использовать для 
исследования Вселенной принципиально новый канал информации — канал гравитационных волн. На американских лазерных гравитационно-волновых антеннах обсерватории LIGO были открыты сигналы от слияния черных дыр в двойных системах.
В состав интернационального авторского коллектива LIGO (свыше 1000 ученых из 15 стран) вошли представители физического факультета МГУ имени 
М. В. Ломоносова, группа, возглавляемая В.Б. Брагинским, а также группа из института прикладной физики РАН под руководством Е. А. Хазанова.
Идея использовать оптический лазерный интерферометр для регистрации 
гравитационных волн была впервые высказана М. Е. Герценштейном и В. И. Пустовойтом в работе 1962 года, задолго до первых опытов Дж. Вебера (США), 
пытавшегося зарегистрировать гравитационные волны на твердотельный антенне (1968 год). В России исследования в этом направлении были инициированы Я. Б. Зельдовичем как реакция на противоречивость результатов Дж. Вебе

. . . , . . , . . . . . . .
-LIGO . , . . .
2017 -VIRGO. -LIGO VIRGO -, .
, -, , . , , -, — , , , . .
 -.
, .
: , , , -. — , «». , : (), .
, , -, . , , , .

, 2018 ,
. . ра. Работы М. Е. Герценштейна, В. И. Пустовойта, В. Б. Брагинского и В. Н. Руденко по исследованию гравитационных волн всегда поддерживал и стимулировал 
В. Л. Гинзбург.
Инициаторами создания лазерной гравитационно-волновой обсерватории 
LIGO были американские ученые К. Торн, Р. Вайсс и Р. Дривер.
В 2017 году в режим наблюдений вступила итальянская лазерная гравитационно-волновая обсерватория VIRGO. Совместные гравитационно-волновые наблюдения на обсерваториях LIGO и VIRGO позволили зарегистрировать всплески 
гравитационно-волнового излучения от слияния черных дыр в двойных системах, 
а также от слияния нейтронных звезд.
Замечательно то, что гравитационно-волновой всплеск от слияния нейтронных 
звезд сопровождался соответствующим всплеском электромагнитного излучения 
в гамма, рентгеновском, оптическом и радиодиапазонах. Это, с одной стороны, 
позволило окончательно установить надежность гравитационно-волновых наблюдений, с другой — детально изучить физику процессов нуклеосинтеза, сопровождающих слияние нейтронных звезд, а также показать, что скорость распространения 
гравитационных волн в точности совпадает со скоростью света. Ученые всего мира 
с нетерпением ждут новых захватывающих результатов в этой исключительно перспективной области исследований.
В нашей книге изложены методы и результаты гравитационно-волновых исследований и описаны перспективные проекты в этой актуальнейшей области астрофизики.
Книга представляет собой совместный труд более двадцати ведущих ученых, 
работающих в различных областях астрономии и астрофизики.
В первой части книги изложены методы исследования Вселенной в различных 
каналах: электромагнитном, нейтринном, канале космических лучей, гравитационно-волновом канале. Во второй — кратко описаны новейшие достижения астрономии и астрофизики, на основе которых сформирована современная «Картина 
Мира». Внимательный читатель заметит, что порядок расположения глав в первой 
части книги соответствует трём видам физических взаимодействий: электрослабому (которое при низких энергиях расщепляется на электромагнитное и слабое 
взаимодействие), сильному и гравитационному.
Насколько нам известно, это первая книга в нашей стране о многоканальной 
астрономии и, по-видимому, одна из первых в мире. Она будет полезна студентам 
и аспирантам, учителям средних школ и школьникам старших классов, а также 
любителям астрономии и всем любознательным читателям, интересующимся достижениями современной науки.
Авторы благодарят Н. Д. Уткина за помощь в редакторской работе над книгой.

Москва, май 2018 года,
А. М. Черепащук

Ââåäåíèå
9
Ââåäåíèå

Введение

Оптическим (или видимым) диапазоном электромагнитных волн в астрономии принято считать область электромагнитного спектра с длинами волн от 
400 до 760 нм, т.е. свет, воспринимаемый человеческим глазом. В различных 
книгах и статьях границы оптического диапазона могут варьироваться вплоть 
до 350–1050 нм, что примерно соответствует диапазону чувствительности основных, на сегодняшний день, приемников излучения оптического диапазона — 
приборов с зарядовой связью (ПЗС). 
Земная атмосфера, к счастью, практически прозрачна в оптическом диапазоне, и если на небе нет облаков, мы можем наблюдать Солнце, Луну, звезды, планеты, кометы и другие небесные тела (рис. 1). В оптическом диапазоне 
пропускание атмосферы Земли на практике ограничивается лишь слабыми линиями поглощения кислорода и рядом линий других незначительно влияющих 
элементов, что позволяет почти беспрепятственно вести наблюдения с поверхности Земли. Помимо линий поглощения в атмосфере также присутствуют аэрозоли — мелкие пылевые частицы, поглощающие или рассеивающие часть света, идущего от небесных тел. 
Помимо частичного поглощения, волновой фронт в оптическом диапазоне, идущий от космических объектов, изучаемых в 

Оптический диапазон

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

Рис. 1. Кривые пропускания атмосферы 
Земли в средних широтах на уровне моря. 
Оптический диапазон отмечен серым прямоугольником. 

© À. À. Áåëèíñêèé, Ñ. À. Ïîòàíèí, 2018

Îïòè÷åñêèé äèàïàçîí  
10
Îïòè÷åñêèé äèàïàçîí  

, . , 0",5–2" (), , :

= 1,22 ×/D.

14 1 ! , , ,  .
. , — , . : 
• ;
• , ;
• — , ; 
• — ();
• — /.

XVII , , . 
1609 
, . : — — . . 
, «», : , , , . 

, . , 0",5–2" (), , :

= 1,22 ×/D.

14 1 ! , , , .
. , — , . : 
• ;
• , ;
• — , ; 
• — ();
• — /.

XVII , , . 
1609 , . : — — . . 
, «», : , , , . 

горах, условия на которых отличаются большим количеством ясных ночей и низкой степенью турбулентности атмосферы в большую часть года.

трубу, а позже в том же году – трубу с восьмикратным увеличением. Первые зритель
10
Îïòè÷åñêèé äèàïàçîí  
10
Îïòè÷åñêèé äèàïàçîí  

, . , 0",5–2" (), , :

= 1,22 ×/D.

14 1 ! , , , .
. , — , . : 
• ;
• , ;
• — , ; 
• — ();
• — /.

XVII , , . 
1609 , . : — — . . 
, «»,  : , , , .