Читать книгу "Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда - Нил Деграсс Тайсон"

Первый действующий радиотелескоп создал американский инженер Карл Янский в 1929–1930 годах. Это устройство немного напоминало передвижной ороситель для автоматизированного полива.

Года два Янский старательно следил за статическими шумами, которые регистрировал своим кустарным устройством, и обнаружил, что радиоволны дают не только местные грозы и другие известные природные источники на Земле: они исходят еще и из центра галактики Млечный Путь. Эта область неба попадала в поле зрения телескопа каждые 23 часа 56 минут – что совпадает с периодом обращения Земли, а следовательно, именно за это время центр Галактики снова попадает в точности на то же место на небе и оказывается под тем же углом и на той же высоте над горизонтом. Свои результаты Карл Янский опубликовал под названием «Электрические возмущения явно внеземного происхождения» (Karl Jansky, «Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin», Proceedings of the Institute for Radio Engineers 21, no. 10 (1933): 1387).

Это наблюдение знаменовало рождение радиоастрономии – но дальше она развивалась без Янского. Лаборатории Белла дали ему другое задание, лишив возможности пожинать плоды собственного эпохального открытия. Однако через несколько лет американский самоучка по имени Гроут Ребер из Уитона в штате Иллинойс построил радиотелескоп с девятиметровой металлической тарелкой в собственном дворе. В 1938 году Ребер совершенно независимо подтвердил открытие Янского, а затем пять лет посвятил созданию крупномасштабных карт радионеба.

Телескоп Ребера был беспрецедентным для своего времени, однако очень маленьким и грубым по сегодняшним стандартам. То ли дело современные радиотелескопы. Во дворе они уже не помещаются – более того, достигают исполинских размеров. Первым по-настоящему гигантским радиотелескопом на планете стал МК-1, запущенный в 1957 году: это цельностальная полноповоротная тарелка диаметром почти 80 метров, которая находится в Англии, в обсерватории Джодрелл-Бэнк под Манчестером. Буквально через два месяца после открытия МК-1 СССР запустил первый спутник, и оказалось, что тарелка из Джодрелл-Бэнк – именно то, что нужно, чтобы отслеживать на орбите этот крошечный шарик с оборудованием: получился прототип Сети дальней космической связи, которая сегодня позволяет нам следить за космическими зондами.

Самый большой радиотелескоп в мире был построен в 2016 году и называется «Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой» («Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope», или просто FAST). Он находится в Китае, в провинции Гуйчжоу, и по площади превосходит тридцать футбольных полей. Если инопланетяне когда-нибудь отправят нам сигнал, первыми об этом узнают китайцы.

Если инопланетяне когда-нибудь отправят нам сигнал, первыми об этом узнают китайцы.

* * *

У радиотелескопов есть разновидность – так называемые интерферометры, представляющие собой наборы антенн, расставленных рядами где-нибудь в сельской местности и работающих синхронно. В результате электронного совмещения сигналов всех антенн получается единое изображение радиоизлучающих космических объектов, обладающее сверхвысоким пространственным разрешением. Хотя неписаным девизом телескопов задолго до индустрии быстрого питания стали слова «Чем больше, тем лучше», радиоинтерферометры – настоящие великаны среди телескопов. Один из них – очень большой набор радиоантенн, расположенный близ Сокорро в штате Нью-Мексико – так и называется – Very Large Array – «Очень большая антенная решетка» и состоит из 27 двадцатипятиметровых антенн, расставленных на рельсах на протяжении 35 километров пустынной равнины. Эта обсерватория настолько, так сказать, космогенична, что играет роль заднего плана в нескольких научно-фантастических фильмов: «Космическая одиссея 2010» (1984), «Контакт» (1997) и «Трансформеры» (2007). Есть также Very Long Baseline Array – «Антенная решетка со сверхдлинными базами» – 10 двадцатисемиметровых антенн, расставленных на протяжении 7500 километров от Гавайев до Виргинских островов: они обеспечивают самое высокое разрешение среди всех радиотелескопов в мире.

Для исследования микроволнового излучения, сравнительно новой для интерферометров задачи, у нас есть «Атакамская большая антенная решетка миллиметрового диапазона» (Atacama Large Millimeter Array, ALMA), расположенная в далеких Андах на севере Чили. ALMA настроена на длины волн от долей миллиметра до нескольких сантиметров и дает астрофизикам возможность наблюдать с высоким разрешением космические явления, которые не видно в других диапазонах: например, позволяет изучать структуру схлопывающихся газовых облаков, когда они превращаются в инкубаторы для звезд. ALMA неспроста расположена в одном из самых засушливых регионов Земли – на четырех с половиной километрах выше уровня моря, гораздо выше влажных облаков. Вода хороша, когда готовишь еду в микроволновке, но для астрофизиков она враг, поскольку водяной пар в атмосфере Земли гасит чистые микроволновые сигналы со всей Галактики и из-за ее пределов. Эти два феномена, несомненно, связаны: вода – самая распространенная молекула в нашей пище, и микроволновые печки разогревают именно ее. Сложите два и два, и вы поймете, что вода поглощает микроволновые частоты. Поэтому, если нужно получить чистые наблюдения космических объектов, нужно минимизировать количество водяного пара между телескопом и Вселенной – и этого и добились создатели Атакамской решетки.

* * *

На ультра-коротковолновом конце электромагнитного спектра находятся высокочастотные и высокоэнергичные гамма-лучи с длинами волн, измеряемыми в пикометрах (приставка «пико-» означает одну триллионную часть). Они были открыты в 1900 году, но из космоса их удалось уловить лишь в 1961 году при помощи телескопа новой конструкции, установленного на борту спутника НАСА «Эксплорер-XI». Все, кто пересмотрел научно-фантастического кино, знают, что гамма-лучи вредны для здоровья. От них, чего доброго, станешь зеленым и мускулистым или паутина поползет от запястий, да мало ли. Но еще их очень трудно поймать. Сквозь обычные линзы и зеркала они проходят, не задерживаясь. Тогда как же их наблюдать? В начинку телескопа на «Эксплорере-XI» входил так называемый сцинтиллятор, который в ответ на попадающие в него гамма-лучи испускает электрически заряженные частицы. Если измерить энергию частиц, можно сказать, какого рода высокоэнергичный свет их создал.

Эксплорер-XI

Через два года СССР, Великобритания и США подписали Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, поскольку именно в этих средах ядерные отходы легко распространяются и загрязняют территорию за пределами государства, которое провело испытания. Но в то время шла холодная война, и никто никому не доверял. США поступили согласно принципу «доверяй, но проверяй», особенно актуальному в военное время, и запустили новую серию спутников – «Вела» – задачей которых было улавливать вспышки гамма-лучей, которые возникли бы, если бы СССР тайно проводили ядерные испытания. Спутники и правда регистрировали вспышки гамма-лучей – практически ежедневно. Однако русские были ни при чем. Гамма-лучи приходили из глубокого космоса – и, как потом установили ученые, это были визитные карточки коротких, но мощных взрывов далеких звезд, то и дело происходящих во Вселенной: так родилось новое направление в моей научной дисциплине – гамма-астрономия.