Читать книгу "Параллельные миры. Об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем космоса - Митио Каку"

На протяжении всей истории астрономы воевали за то ограниченное время, которое им разрешалось проводить за наблюдениями у объективов величайших телескопов мира. Они ревностно отстаивали драгоценные часы, отведенные им на наблюдения, проводя долгие ночные часы за работой в холодных сырых помещениях. Этот устаревший способ наблюдения был чрезвычайно неэффективен и часто служил причиной ожесточенных споров среди астрономов, которые чувствовали себя ущемленными со стороны «верхушки», монополизировавшей время работы за телескопами. С появлением интернета и высокоскоростных компьютеров ситуация меняется.

Сегодня многие телескопы полностью автоматизированы; их работой могут управлять астрономы с различных континентов, находящиеся за тысячи миль от самих телескопов. Результаты этих сложных звездных обзоров могут быть оцифрованы и размещены в интернете, а полученные данные можно подвергнуть обработке с помощью суперкомпьютеров. Одним из примеров применения этого цифрового метода может служить SETI@home – проект, запущенный в Калифорнийском университете в Беркли и занимающийся изучением сигналов, несущих признаки внеземного разума. Большое количество данных, полученных радиотелескопом Аресибо в Пуэрто-Рико, разбивается на маленькие части и через интернет отсылается на персональные компьютеры по всему миру. Преимущественно эти данные попадают к любителям, непрофессионалам. Программа, выполненная в форме скринсейвера, анализирует данные на предмет сигналов внеземного разума в те моменты, когда компьютер не задействован пользователем. При помощи этого метода исследовательская группа создала величайшую компьютерную сеть в мире, связывающую около 5 млн персональных компьютеров во всех уголках земного шара.

Наиболее выдающимся примером современного исследования Вселенной при помощи цифровых технологий является Слоановский обзор неба – наиболее амбициозный из всех, когда-либо имевших место. Подобно проведенному ранее Паломарскому обзору неба, при котором использовались фотопластинки старого образца, хранившиеся в громоздких стопках, Слоановский обзор ставит целью создание точной карты небесных объектов. При помощи данного обзора удалось построить трехмерные карты далеких галактик в пяти цветах, включая красное смещение более миллиона галактик.

Результатом Слоановского обзора неба является крупномасштабная карта структур во Вселенной, в несколько сотен раз превосходящая все предыдущие. На ней будет в мельчайших деталях представлена четверть всего небосвода, а также определено положение и яркость 100 млн небесных объектов. Кроме того, в результате этого обзора будет определено расстояние до миллиона с лишним галактик и около 100 000 квазаров. Итоговое количество информации, выясненной в ходе Слоановского обзора неба, составит 15 Тбайт, что вполне может соперничать с количеством информации в Библиотеке Конгресса[48].

Сердцем Слоановского обзора является 2,5-метровый телескоп на юге штата Нью-Мексико, к которому подсоединена одна из лучших в мире камер. Прибор снабжен 30 чувствительными электронными световыми сенсорами – приборами с зарядовой связью – площадью около 13 см² каждый, помещенными в вакуум. Каждый сенсор охлажден до –80 °C при помощи жидкого азота и содержит 4 млн пикселей. Таким образом, весь свет, улавливаемый телескопом, может быть немедленно оцифрован, после чего данные доступны для компьютерной обработки. Стоимость проекта – менее 20 млн долларов, что в сто раз меньше стоимости проекта телескопа «Хаббл», но тем не менее при помощи такого обзора создается потрясающая картина Вселенной.

Итак, некоторые из оцифрованных данных выкладываются в интернет с тем, чтобы астрономы по всему миру могли изучить их. Таким образом можно задействовать интеллектуальный потенциал ученых всего мира. Слишком часто в прошлом у исследователей из стран третьего мира не было доступа к последним научным журналам и самым свежим данным, полученным при помощи телескопов. Сегодня благодаря интернету эти ученые могут загружать данные обзоров неба, читать статьи по мере их появления в сети, а также публиковать свои статьи и распространять их со скоростью света.

Слоановский обзор уже меняет методы астрономических исследований. Полученные при помощи обзора результаты основаны на анализе сотен тысяч галактик, что было совершенно немыслимо всего лишь несколько лет назад. К примеру, в мае 2003 года команда ученых из Испании, Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 250 000 галактик на предмет доказательства существования темной материи. Из этого огромного количества они выбрали 3000 галактик, вокруг которых вращаются звездные скопления. Применив законы механики Ньютона для изучения движения этих спутников, они рассчитали количество темной материи, которое должно окружать центральную галактику. Уже одним этим они опровергли альтернативную теорию (последняя была впервые предложена в 1983 году; она пыталась объяснить звездные орбиты неправильной формы в галактиках путем корректировки самих законов Ньютона: возможно, темной материи нет вообще; возможно, своим предполагаемым существованием она обязана всего лишь ошибке в законах Ньютона. Данные обзора ставят эту теорию под сомнение).

В июле 2003 года еще одна команда ученых из Германии и Соединенных Штатов заявила, что они изучили 120 000 близлежащих галактик, используя Слоановский обзор для раскрытия отношений между галактиками и черными дырами, находящимися в них. Вопрос заключается в следующем: что возникло раньше – черная дыра или галактика, в которой эта черная дыра находится? Результат проведенного исследования показывает, что образование галактик и черных дыр тесно связано и, вероятно, они образовались вместе. Исследование продемонстрировало, что из 120 000 изученных в ходе обзора галактик 20 000 содержат черные дыры, которые продолжают расти (в отличие от черной дыры в галактике Млечный Путь, которая, кажется, находится в состоянии покоя). Полученные результаты показывают, что галактики, содержащие черные дыры, которые все еще растут в размерах, намного больше галактики Млечный Путь, а расширяются они путем поглощения относительно холодного газа из галактики.

Компенсация температурных флуктуаций

Еще одним способом возрождения оптических телескопов является использование лазеров для компенсации атмосферного искажения. Звезды мерцают не потому, что они вибрируют, они мерцают главным образом из-за очень малых температурных флуктуаций в атмосфере. Это означает, что в открытом космосе, вдали от нашей атмосферы, астронавты видят звезды, сияющие ровным, неизменным светом. Хотя красота ночного неба в большой степени связана с мерцанием звезд, для астрономов это просто кошмар: из-за этого явления снимки небесных тел получаются расплывчатыми (Я помню, как в детстве смотрел на размытые изображения Марса и мне очень хотелось каким-нибудь образом получить очень четкие снимки Красной планеты. «Если бы только можно было исключить возмущения атмосферы путем перенаправления световых лучей, – думал я, – то, возможно, разрешилась бы загадка о существовании внеземной жизни».)

Одним из способов компенсировать размытость является использование лазеров и высокоскоростных компьютеров для того, чтобы свести на нет это искажение. В этом методе применяется «адаптивная оптика», которую впервые задействовала моя однокурсница по Гарварду Клер Макс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, а также другие ученые, использовавшие телескоп имени Уильяма Майрона Кека на Гавайях (самый большой в мире), а также меньший трехметровый телескоп Шейна в Ликской обсерватории в Калифорнии. Пустив, например, лазерный луч в открытый космос, можно измерить очень малые температурные флуктуации в атмосфере. Эта информация анализируется при помощи компьютера, который затем несколько корректирует положение зеркала телескопа, что позволяет компенсировать это искажение звездного света. Таким путем можно в значительной мере исключить возмущения атмосферы.