Что можно узнать про межгалактическое магнитное поле?

Беседа с ведущим научным сотрудником Института ядерных исследований РАН и главным редактором ТрВ-Наука Борисом Штерном. Вопросы задавал Максим Борисов. Видеоверсия интервью — youtu.be/SRTDfWcQzis.

— Добрый день. Мы разговариваем на территории Института ядерных исследований РАН с главным редактором газеты «Троицкий вариант — Наука» и ведущим научным сотрудником ИЯИ РАН Борисом Штерном. У нас разговор пойдет о такой теме, как межгалактическое магнитное поле. Есть ли какие-то успехи в этом направлении, удалось чего-то достичь?

— Я внезапно врубился в эту проблему вместе с Игорем Ткачёвым — не помню, что натолкнуло. Мы ничего не знаем про межгалактическое магнитное поле. Нет ни общепринятой теории его происхождения, ни более-менее точной оценки его величины. Есть разные гипотезы. Реликтовое магнитное поле, заполняющее всё пространство, в принципе, могло бы появиться еще на стадии инфляции. Но в стандартной электродинамике этого не получается — надо изобретать дополнительные взаимодействия. Другой вариант — фазовые переходы в ранней Вселенной, когда менялась физика — расщеплялись слабые и электромагнитные взаимодействия или кварки объединялись в нуклоны. Но там тоже надо что-то изобретать, чтобы появилось значимое реликтовое поле. Но если говорить не о космологическом, а об астрофизическом магнитном поле вне галактик, то тут ничего изобретать не надо, хотя остаются большие неопределенности.

Более реальный вариант — это магнитное поле, которое «выдувается» из галактик. Там есть разные механизмы: замагниченные струи плазмы от черных дыр; от квазаров, бьющих в межгалактическое пространство; галактический ветер. Наконец, просто комптон-эффект: галактики светят, фотоны толкают электроны в межгалактическом пространстве, вызывая ток. Это напоминает то, как высотный ядерный взрыв дает мощный электромагнитный импульс. Здесь примерно то же самое, только слабо и медленно, но в огромном масштабе. Оценки колеблются на порядки. Какая там величина и как его измерить? Один из способов измерения связан с космическим гамма-телескопом Fermi, который регистрирует гамма-кванты, и они приходят к нам от каких-то там объектов, скажем, далеких блазаров. Вот мы знаем: здесь блазар. Это черная дыра, которая светит своим пучком, своим джетом на нас. И у нас есть хорошая статистика фотонов, прилетевших от этого блазара ,— она лежит в открытом доступе в базе данных Fermi.

Мы видим размытый из-за углового разрешения образ точечного источника гамма-квантов. А если есть магнитное поле, то что происходит? Есть фотоны очень больших энергий, которые излучает блазар, — больше тераэлектронвольта, несколько ТэВ. Они, в принципе, далеко не летают, потому что пространство заполнено светом галактик, и фотон от этого самого блазара реагирует с этим светом, рождая электрон-позитронную пару, — у него достаточно энергии, чтобы на инфракрасном или оптическом фотоне родить пару е⁺, е^–. Теперь эта пара летит куда-то там дальше и подталкивает фотоны реликтового излучения, которых очень много — 400 штук в кубическом сантиметре. Получив толчок, перебросивший его в гамма-квант ГэВной энергии, фотон летит дальше и попадает, опять же, в детектор Fermi.

Теперь смотрите: если есть магнитное поле, то электрон или позитрон в нем чуть развернется и даст фотон немного в другом направлении. Происходит нечто вроде рассеяния фотонов. И это значит, что образ этого блазара будет слегка размыт — получится гало. То есть мы видим фотоны, которые прилетели не прямо к нам, а как будто бы рассеянные через вот это рождение пары.

Люди уже искали «расползания» вот этих образов блазаров — гало. И вроде бы нашли, и вот появилась первая работа Александра Кусенко с коллегами. Их тут же быстро опровергли. В опровержении участвовали Игорь Ткачёв, Пётр Тиняков, Андрей Неронов из нашего института. Они показали, что галактические объекты, которые никак не могут расползаться, имеют образы ровно столь же размытые, т. е. их угловой профиль совпадает. Потом много людей с этим возилось: кто-то видел, а кто-то не видел. Те, кто видел, сравнивал это с другими недалекими объектами, у которых не должно быть этих ТэВных гамма-квантов. Вроде, они обрели небольшой эффект.

А что мы придумали? Никакой блазар со своим пучком в точности на нас не направлен — вероятность такого просто ничтожно мала. Он всегда смотрит немножко в сторону — пускай, всего на 2° — этого достаточно. Допустим, что джет блазара направлен от нас чуть-чуть влево. От него больше гамма-квантов летит от нас влево. И там, слева, они перерассеиваются и попадают к нам. Вправо тоже летят, но меньше. Это зависит от угла раствора джета. Это значит, что мы видим образ этого блазара съехавшим немножко вбок, влево. Или вправо — в зависимости от ориентации джета, которую мы пока не знаем. Значит, надо искать вот этот сдвиг. Я посчитал эффект методом Монте-Карло, и оказалось, что эта вещь гораздо чувствительней, чем «расплывание» образа. И там не задействованы никакие угловые разрешения прибора — съехал и съехал. Это вещь, можно сказать, чистая.

И вот мы начали искать и сразу увидели огромный, но странный эффект: все образы съехали в одну сторону. Ну, стали разбираться: оказалось, это просто-напросто систематика данного гамма-телескопа. То есть он всё время немножко сдвигает по углу все фотоны. Эффект маленький — меньше 1/100°, десятки угловых минут. Но всё в одну сторону — т. е. это какая-то неприятная систематика, которую они то ли поленились устранить, то ли просто сочли неважной, потому что этот эффект маленький. Но здесь он сильно вредит. Ну, в конце концов всё это учли.

Когда начинаешь искать эффект, очень легко обмануть самого себя: подбирая параметры поиска, в результате находишь не эффект, а самую большую статистическую флуктуацию в сторону эффекта. Лучшая гарантия от самообмана — брать выборку, выражаемую круглыми числами, и не менять ее.

Мы взяли ровно 1000 самых ярких объектов из каталога Fermi. Из них 166 оказались блазарами нужного типа — лацертидами. Взяли порог обрезания по энергии фотонов 1 ГэВ и поле зрения, в котором ищем эффект, — круг 1° вокруг положения объекта. Взяли половину с самым низким фоном и отбросили все объекты с близкими фоновыми источниками. В результате осталось 59 блазаров. Отобрали из них те, где усредненный образ смещен относительно истинного положения с достоверностью не менее 98%. Таких объектов оказалось 8, причем среди них есть один со статистической значимостью 5 σ, еще два — около 4 σ. Суммарная статистическая достоверность огромная, но можем ли мы утверждать, что открыли межгалактическое магнитное поле? Пока что нет.

Может так статься, что мы попросту обнаружили некий сложный фон — слабые неидентифицированные источники или градиент фона. Сделаем простейшие статистические тесты, опубликуем статью — и будем копать дальше. Найдем или нет, как говорится, фифти-фифти — есть соответствующий анекдот про блондинку и динозавра. Там может всплыть еще один очень интересный эффект, но об этом пока рано.

— В принципе, там же есть какое-то текущее ограничение на эти межгалактические магнитные поля?

— Есть ограничение сверху, оно четкое и довольно высокое — примерно 1 нГс. Но оно «железное». Люди просто видят…

— Скорее всего, гораздо меньше, да?

— Верно, скорее всего, гораздо меньше. Наногаусс — это эффект вращения плоскости поляризации: смотрят на объект, который испускает поляризованное радиоизлучение, и вектор поляризации на разных частотах по-разному поворачивается. Отсюда оценивается это магнитное поле. Есть довольно четкая оценка снизу ~10^–17 Гс, потому что если какой-то объект вспыхивает, то вот этот самый эффект, удлиняя путь некоторых фотонов при 10^–17 Гс, дает измеримую задержку фотона. То есть угловое смещение там совершенно ничтожное, но задержка вполне измеримая, и ее нет, этой задержки… А то, что мы копаем, — это от 10^–14 до 10^–16 Гс. Вот это диапазон, где этот метод чувствителен. И, к сожалению, в этом диапазоне сейчас нет никаких других методов и других инструментов, кроме телескопа Fermi.

— А вообще, альтернативы ведь есть какие-то? Вот, например, с помощью заряженных частиц самых высоких энергий? То есть исследования там еще не закончены, открытий никаких нет, но какие-то вот идеи существуют?..

— Да. Но это сложно. Что здесь вредит? Если энергия не слишком большая, то вредит галактическое магнитное поле. Оно заворачивает частицу — и непонятно, откуда она прилетела. Если энергия выше типа 10^–19 эВ, то галактическое поле отклоняет ее уже не слишком сильно, и частица немножко «помнит» направление, откуда она пришла. И теперь вопрос: а откуда? Значит, должны быть какие-то источники… И мы должны видеть, смещены ли эти источники.

— Тут вопрос об источниках. Ведь как раз для самых высоких энергий — этих самых заряженных частиц и ядер — и не удается отыскать никаких источников¹…

— Ну, этих частиц просто мало, и, действительно, источников не видно. Реальные источники, конечно, есть наверняка, но для того, чтобы их выделить, статистика слишком маленькая. Но люди там всё равно исхитряются: допустим, нам не видно каких-то источников, но вот есть какие-то области на небе, откуда прилетело много протонов сверхвысоких энергий, — может, мы оттуда что-то увидим? Ну и т. д. Но пока четких результатов здесь нет.

— Там какая-то идея, состоящая в том, чтобы нащупать как раз что-то по ограничениям на отклонения…

— Ну да, мы-то как раз про это и говорим. Если увиден какой-то смещенный след от какого-то источника — понятно, да? — мы говорим: «А! Это результат межгалактического магнитного поля».

— А почему именно Fermi? Из-за того, что там больше всего статистики, потому что подходящий диапазон? Что-то другое у каких-то обсерваторий посмотреть совсем нельзя?

— Нельзя. Альтернатива Fermi только одна — черенковские телескопы. Это полная безнадежность. Почему? У них очень высокий порог регистрации — реально где-то 100 ГэВ. Значит, с этим порогом регистрации, чтобы в конце был 100-ГэВный гамма-квант, породивший его самый начальный фотон должен быть чудовищной энергии типа 200 ТэВ. А иначе просто не хватит энергии запустить вторичный фотон выше 100 ГэВ. И такие фотоны типа 200 ТэВ или 100 ТэВ вообще далеко не летают. Они конвертируются на реликтовых фотонах, которых 400 штук в кубическом сантиметре. И поэтому эти фотоны реагируют прямо близко к источнику. И поэтому они не могут дать больших боковых смещений — потому что те, которые реагируют с инфракрасным светом — там фотонов меньше, — успевают далеко улететь, и получается большое боковое смещение. А здесь нет. И несмотря на то, что у этих черенковских телескопов огромная эффективная площадь (здесь квадратный метр, а там гектар, а то и гектары), они ничего не могут увидеть, потому что смещение ничтожно, а угловое разрешение у них такое же примерно, как у Fermi.

— Какие в результате перспективы? Что-то еще ждать от Fermi?

— Да. Сейчас других вариантов нет. Fermi уже набрал большую статистику. Мы использовали данные не самые свежие, но более-менее свежие. Во-первых, надо взять самые свежие данные. Во-вторых, это у нас была только первая прикидка. Сейчас мы опубликуем препринт, скажем, что метод такой есть, метод хороший, но результаты пока неоднозначные. И дальше будем копать уже более подробно, более тщательно, отбирать по-другому, проводить по-другому статистические тесты, увеличивать по-другому величину выборки. И, глядишь, что-нибудь найдем, а если не найдем, то мы, по крайней мере, попытались. (Смеется.)

— Я, в общем-то, задал все вопросы, какие пришли на ум. У вас, может быть, есть какие-то еще идеи исследований? Или сейчас полностью поглощены этой темой?

— Мы сейчас о магнитных полях говорим или о чем-то еще?

— Может быть, и еще о чем-то…

— Идей полно, но времени нет. По поводу магнитных полей — я не знаю. Есть еще, в принципе, рентгеновский диапазон. Промежуточный диапазон выпадает: вот МэВы, а мы сейчас смотрим выше ГэВа. Выше ГэВа там уже приличная угловая точность — доли градуса. Одна десятая градуса, две десятых градуса… Дальше идет очень плохой диапазон ниже. И он идет вплоть до килоэлектронвольт. То есть это получается дыра больше трех порядков. Диапазон, где плохое угловое разрешение, где нет методов хорошо измерить направление. А вот там киловольты, там работают зеркала рентгеновские, и получается уже нормальный телескоп с разрешением хуже оптического, но уже сравнимый с оптическим. Можно ли там что-то наблюдать? Опять же, эффект смещения образа каких-то объектов и так далее… Я не знаю. Вот так вот навскидку это не придумаешь, но, по крайней мере, это тоже надо посмотреть, например в данных eROSITA, что на борту обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма»².

— Может быть, запланировать или подсказать какой-то эксперимент специально для того, чтобы было оптимально?

— Это очень-очень простой рецепт: бери больше — кидай дальше. Просто увеличенный Fermi, да…

— Не нужно как-то особо модифицировать установку?..

— Да, просто делать ее больше.

— Специально для этого не имеет смысла что-то запускать, просто будет попутный результат от дальнейшего развития космических телескопов?

— Совершенно верно, да. Там еще сразу куча попутных задач — это просто вопрос денег. Бери больше — кидай дальше.

— А планируются ли какие-то грядущие подходящие эксперименты — рентгеновские, орбитальные?

— А вот нет. Идут разговоры о новом поколении, но только разговоры. Китайцы могут сделать увеличенную версию Fermi. По крайней мере, они об этом заговаривают, но на какой стадии их проект, я не знаю. И чёрт его знает, будут ли у них открытые данные. Потому что Fermi, как и всё у NASA, открыт миру. Весь мир работает с их данными — пожалуйста, всё открыто и в Сети — бери и качай.

— Может быть, китайцев как-то заинтересовать коллаборацией?

— Ну, может быть. Если они сделают десятикратную версию Fermi, то я думаю, что через годы результаты на эту тему будут еще лучше.

— То есть, в принципе, тогда будут перспективы получить именно однозначный результат?

— Да, и тут еще вот что важно. Я сказал, что благоприятен один диапазон, который мы видим, — от 10^–14 до 10^–16 Гс. Но кто сказал, что поле везде одинаково? Оно может быть сильно неоднородным. Где-то выше, где-то ниже, а где-то попадает в точку. Поэтому на самом деле шансы засечь поле большие, но не везде. Я надеюсь, что убедительный результат можно получить даже с Fermi. Вот у нас есть 8 кандидатов на эффект, найдем еще. Если статистическая значимость этих объектов будет со временем расти, то можно будет сказать: ага, вот что-то очень похоже на сигнал, а фон тут ни при чем.

— Ну, будем тогда ожидать…

— Будем, но с этим еще надо повозиться.

¹ См. интервью с Михаилом Кузнецовым «Источник частицы ультравысокой энергии близок к нашей галактике» в ТрВ-Наука № 404 от 21.05.2024.

² eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) — рентгеновский телескоп, построенный Институтом внеземной физики Общества Макса Планка, входит в состав космической обсерватории «Спектр-РГ» вместе с российским телескопом ART-XC. См. интервью с Михаилом Павлинским «Наша половина небес» в ТрВ-Наука № 283 от 16.07.2019.