Глава шестнадцатая

Окна во Вселенную

Если верить рекламе, человеческий глаз – это чуть ли не самый поразительный орган в нашем теле, и об этом мы уже упоминали в части I. У большинства из нас перечень его небывалых черт возглавляют способность фокусироваться на близких и далеких предметах, приспосабливаться к широкому диапазону яркости и различать цвета. Но давайте вспомним, какой широкий диапазон излучения остается для нас невидимым – и тут уж волей-неволей придется признать, что люди как биологический вид практически слепы. А слух – кого мы им удивим, скажите на милость?! Летучие мыши с легкостью дадут нам сто очков вперед: чувствительность их слуха превосходит нашу на порядок. А если бы человеческое обоняние было сравнимо с собачьим, то контрабанду на таможне в аэропорту вынюхивал бы Фред, а не Рекс.

Вся история открытий, которые совершало человечество, пронизана безудержным желанием преодолеть врожденную ограниченность наших органов чувств. Именно это желание и помогает нам открывать новые окна во Вселенную. Например, начиная с 60-х годов прошлого века, когда первые советские и американские космические аппараты были отправлены на другие планеты и на Луну, стандартным инструментом космической экспансии стали зонды с компьютерным управлением, которые мы вполне можем называть роботами. У роботов в космосе масса очевидных преимуществ перед людьми: их дешевле запускать, они могут проводить высокоточные эксперименты без неудобного скафандра, кроме того, с традиционной точки зрения они не живые, а значит, не могут погибнуть в результате космической аварии. Однако пока еще компьютеры не могут обладать ни человеческим любопытством, ни человеческими озарениями, они пока еще не научились синтезировать информацию и распознавать случайные находки и открытия, даже если уткнутся в них носом (и даже если не уткнутся), и поэтому роботы остаются всего лишь орудиями, придуманными для того, чтобы делать открытия, которые мы уже ожидаем.

К сожалению, очень может быть, что самые важные вопросы о природе мироздания мы еще просто не задавали.

Более всего нам удалось усовершенствовать наши убогие органы чувств, когда мы научились заглядывать в невидимые части так называемого электромагнитного спектра. В конце XIX века немецкий физик Генрих Герц проделал эксперименты, которые помогли объединить в рамках одной системы понятий различные формы излучения, которые раньше считали не связанными между собой. Радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет и ультрафиолет оказались близкими родственниками из семейства света – как выяснилось, они отличаются друг от друга всего лишь энергией. Полный спектр, в том числе все его части, открытые после работ Герца, простирается от низкоэнергичной области, которую мы называем радиоволнами, а далее в порядке возрастания энергии спектр переходит последовательно в микроволновое, а затем в инфракрасное излучение, в видимый свет (который охватывает семь цветов радуги – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), в ультрафиолет, рентгеновское излучение и гамма-лучи.

Современные ученые ничем не уступают Супермену с его рентгеновским зрением. Он, конечно, немного покрепче среднего астрофизика, зато нынешние астрофизики «видят» во всех основных частях электромагнитного спектра. Не будь у нас такого супер-зрения, мы были бы слепы и невежественны: многие астрофизические явления видны только через определенные окна, а в других окнах от них не видно и следа.

* * *

А теперь заглянем во все эти окна во Вселенную по очереди – и начнем с радиоволн, для которых нужны совсем не те датчики, что находятся у человека в сетчатке.

В 1932 году Карл Янский, сотрудник Телефонных лабораторий Белла, вооружившись радиоантенной, первым «увидел» радиосигналы, исходившие из внеземного источника: он открыл центр галактики Млечный Путь. Радиосигнал от этого источника так интенсивен, что если бы человеческий глаз воспринимал только радиоволны, центр галактики был бы одним из самых ярких объектов на небе.

При помощи хитроумных электронных устройств можно передавать особым образом закодированные радиоволны, а затем превращать их в звуки. Это гениальное изобретение получило известность как «радио». Так что благодаря усовершенствованию зрения мы, в сущности, улучшили еще и слух. Однако любой источник радиоволн, как и практически любой другой источник энергии, можно использовать так, чтобы он заставлял вибрировать диафрагму динамика, хотя журналисты иногда неверно понимают этот простой факт. Например, когда было открыто радиоизлучение с Сатурна, астрономам оказалось несложно придумать радиоприемник, оборудованный подобным динамиком. В нем радиоволновой сигнал преобразуется в слышимые звуковые волны, из-за чего один журналист заявил, что-де с Сатурна «доносятся звуки» и его обитатели хотят нам что-то сказать.

Теперь мы располагаем гораздо более чувствительными и хитроумными радиодетекторами, чем Карл Янский, и исследуем не только Млечный Путь, но и всю Вселенную. К первым данным о радиоволнах относились с недоверием, пока они не получили подтверждение благодаря наблюдениям на обычных телескопах – лишнее подтверждение нашему предрассудку, что «лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». К счастью, большинство радиоизлучающих объектов испускают и какой-то видимый свет, так что от ученых не всегда требовалась слепая вера. Впоследствии радиотелескопы привели нас к целой сокровищнице открытий, в том числе, с их помощью были открыты квазары, которые до сих пор во многом остаются для нас загадкой (слово «квазар» – это вольное сокращение от «quasi-stellar radio source» – «квазизвездный радиоисточник») и относятся к числу самых далеких объектов в известной Вселенной.

Богатые газом галактики испускают радиоволны с помощью атомов водорода, которые находятся там в изобилии (атомы водорода составляют свыше 90 % всех атомов во Вселенной). При помощи больших массивов радиотелескопов, связанных друг с другом быстрой электроникой, можно получать изображения газа, содержащегося в галактиках, с высоким пространственным разрешением, которое позволяет обнаружить всевозможные неочевидные особенности распределения водорода – вихри, сгустки, бреши, волокна. Задача картографирования галактик во многом похожа на ту, что стояла перед географами XV и XVI веков, чьи попытки передать очертания континентов, несмотря на все искажения, отражали отважное стремление человечества описать миры, остававшиеся физически недосягаемыми.

* * *

Если бы человеческий глаз воспринимал микроволновое излучение, это окно спектра позволило бы вам видеть сигнал от радара в руках дорожного инспектора, спрятавшегося в кустах на обочине автомагистрали. А телефонные вышки прямо-таки сияли бы ослепительным светом. Однако отметьте, что внутренность микроволновки у вас в кухне выглядела бы по-прежнему, поскольку дверца с вделанной в нее сеткой отражает микроволны обратно и не дает им вырваться наружу. Так она не дает стекловидному телу ваших любопытных глаз испечься вместе с едой.

Широко применять микроволновые телескопы для изучения Вселенной стали лишь с конца 60-х годов. Они позволяют нам заглянуть в холодные плотные облака межзвездного газа, которые затем схлопываются и образуют звезды и планеты. Тяжелые элементы в этих облаках охотно образуют сложные молекулы, чьи характерные признаки в микроволновой части спектра ни с чем не спутаешь, поскольку они соответствуют точно таким же молекулам, которые есть на Земле.

С некоторыми космическими молекулами мы давно познакомились у себя дома:

NH₃ (аммиак),

H₂O (вода).

Есть среди них и смертоносные:

CO (угарный газ),

HCN (синильная кислота).

Кое-какие напоминают о больнице:

H₂CO (формальдегид),

C₂H₅OH (этиловый спирт).

А кое-какие ни о чем не напоминают:

N₂H+ (диазиниум),

CHC₃CN (цианодиацетилен).

Всего в космосе обнаружено почти 130 видов молекул, в том числе глицин – аминокислота, служащая строительным материалом для белка, а следовательно, и для жизни в том виде, в каком мы ее знаем.

Именно микроволновому телескопу мы, безусловно, обязаны самым важным открытием в астрофизике за всю ее историю. Жар, оставшийся от Большого Взрыва, положившего начало Вселенной, уже остыл до температуры примерно в три градуса по абсолютной шкале Кельвина. (Мы еще поговорим подробнее о том, что нуль градусов по абсолютной температурной шкале соответствует самой низкой возможной температуре, поэтому отрицательных температур на ней нет. Абсолютный нуль соответствует –273 градусам по Цельсию, а комнатная температура – примерно 300 градусов по Кельвину.) В 1965 году реликты Большого Взрыва случайно открыли сотрудники Телефонных лабораторий Белла Арно Пензиас и Роберт Уилсон, за что и получили Нобелевскую премию. Эти реликты представляют собой вездесущий и всеобъемлющий океан излучения, в котором преобладают радиоволны.

Пожалуй, это открытие – эталон научного везения. Пензиас и Уилсон ставили перед собой очень скромную цель – найти источники земного происхождения, которые интерферируют с микроволновыми линиями связи, – а нашли неоспоримое свидетельство, что теория происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва верна. Это все равно что удить уклеек, а поймать голубого кита.

* * *

Если двинуться дальше по электромагнитному спектру, мы попадем в инфракрасный диапазон. Для человека он тоже невидим, зато прекрасно знаком любителям фаст-фуда: картошку-фри в ожидании покупателей держат под инфракрасными лампами, чтобы не дать ей остывать по нескольку часов. Эти лампы испускают и видимый свет, однако их активный ингредиент – именно многочисленные невидимые инфракрасные фотоны, которые и впитывает готовое блюдо. Если бы человеческая сетчатка воспринимала инфракрасный свет, то в обычных домах по ночам, с выключенным светом, были бы видны все предметы, температура которых превышает комнатную, – в том числе утюг (если он был включен и еще не успел остыть), металл вокруг горелок на плите, трубы горячей воды и обнаженная кожа всех людей, которые попадут в поле зрения. Конечно, это далеко не такая информативная картина, как в видимом свете, однако два-три творческих способа пустить полученные сведения в дело вы наверняка придумаете – например, поглядеть на свой дом зимой и увидеть, где крыша или окна пропускают тепло.

В детстве я был уверен, что ночью, при выключенном свете, в инфракрасном диапазоне видны чудовища, которые прячутся в шкафу в спальне, но только при условии, что они теплокровные. Однако всем известно, что ночные чудовища – чаще всего рептилии, и кровь у них холодная. Поэтому инфракрасное зрение ничуть не поможет разглядеть чудовище: оно сольется со стенами и полом.

Во Вселенной инфракрасное окно особенно полезно при изучении плотных облаков, в которых прячутся звездные питомники. Новообразованные звезды зачастую прячутся за завесой остаточного газа и пыли. Эти облака поглощают почти весь видимый свет таящихся в них звезд и переизлучают его в инфракрасном диапазоне, поэтому окно видимого света здесь не поможет. Видимый свет поглощается межзвездными пылевыми облаками, а инфракрасный проходит их насквозь с минимальными изменениями, что особенно полезно при изучении объектов, находящихся в плоскости нашей галактики Млечный Путь, поскольку именно оттуда видимый свет звезд почти не доходит. А здесь, у нас дома, инфракрасные спутниковые снимки земной поверхности, помимо всего прочего, показывают, где проходят теплые океанские течения вроде Северного Пассатного течения, которое обтекает Британские острова (лежащие гораздо севернее всего штата Мэн) и лишает их возможности сделаться шикарным лыжным курортом.

Энергия, испускаемая Солнцем, температура на поверхности которого составляет около 6000 градусов по Кельвину, охватывает большую часть инфракрасного спектра, однако в основном приходится на видимую его часть, как и чувствительность человеческой сетчатки, – если вдуматься, именно поэтому мы так хорошо видим при дневном свете. Если бы не это спектральное соответствие, мы имели бы полное право жаловаться, что чувствительность нашей сетчатки пропадает впустую.

Обычно мы не считаем, что видимый свет обладает какой-то особенной проходимостью, но сквозь воздух и стекло он проходит практически беспрепятственно. Однако ультрафиолетовую часть спектра обычное стекло не пропускает, поэтому стеклянные окна мало чем отличались бы от кирпичной стены, будь наши глаза чувствительны только к ультрафиолету.

Ультрафиолет в изобилии производят звезды, которые в три-четыре раза горячее Солнца. К счастью, эти звезды ярко излучают и в видимой части спектра, поэтому их открытие не зависело от доступа к ультрафиолетовым телескопам. Озоновый слой в нашей атмосфере поглощает львиную долю ультрафиолета, рентгеновских и гамма-лучей, которые на него попадают, поэтому подробный анализ самых горячих звезд возможен лишь с орбиты Земли или еще более далеких от нас точек. Так что эти высокоэнергичные окна спектра – относительно молодой раздел астрофизики.

* * *

Первую Нобелевскую премию по физике получил немецкий физик Вильгельм Рентген в 1901 году, и это событие словно бы знаменовало начало нового века расширенного зрения. И ультрафиолет, и рентгеновское излучение позволяют обнаружить один из самых экзотических объектов во Вселенной – черные дыры. Черные дыры не испускают никакого света, их гравитация так сильна, что удерживает даже свет, поэтому их существование можно зарегистрировать косвенно, по энергии, испускаемой веществом, которое падает по спирали на поверхность черной дыры со звезды-компаньона или из межзвездной среды. Все это сильно напоминает водоворот в сливе ванной. При температурах более чем в двадцать раз превышающих температуру поверхности Солнца, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение становится преобладающей формой энергии, испускаемой веществом непосредственно перед тем, как оно падает в черную дыру.

Сам акт научного открытия отнюдь не предполагает, что ты либо заранее, либо пост-фактум знаешь, что именно открыл. Так было и с микроволновым реликтовым излучением, так происходит и сейчас с гамма-всплесками. Как мы увидим в части VI, в гамма-окно видны загадочные всплески высокоэнергичных гамма-лучей, разбросанные по всему небу. Их удалось открыть благодаря космическим гамма-телескопам, но происхождение и причина этих всплесков пока остаются неизвестными.

Если обобщить понятие зрения и включить в него и детектирование субатомных частиц, нельзя не упомянуть о нейтрино. Неуловимое нейтрино – это субатомная частица, которая образуется каждый раз, когда протон превращается в нейтрон и позитрон, антивещественный партнер электрона. Казалось бы, какое-то волшебство, а тем не менее этот процесс происходит в ядре Солнца примерно сто миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов (10³⁸) раз в секунду. Затем нейтрино преспокойно покидают Солнце – будто его и нет. Нейтринный «телескоп» позволил бы прямо заглянуть в солнечное ядро, рассмотреть непрерывно происходящий там термоядерный синтез, о котором ни одна полоса электромагнитного спектра ничего не скажет. Однако поймать нейтрино необычайно трудно, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом, так что хороший и эффективный нейтринный телескоп – это пока что лишь мечта, возможно, и недостижимая.

Когда мы научимся регистрировать гравитационные волны – это еще одно пока не открытое окно во Вселенную, – то сможем распознавать космические катастрофы. Однако сейчас, когда я пишу эти строки, гравитационные волны, существование которых как ряби на ткани пространства-времени было предсказано еще в 1916 году в рамках общей теории относительности Эйнштейна, пока что не зарегистрированы ни от одного источника. Физики из Калифорнийского технологического института разрабатывают особый детектор гравитационных волн, который состоит из двух вакуумных труб длиной по 4 километра, соединенных под прямым углом. В трубах находятся лазеры. Если мимо проходит гравитационная волна, путь света в одной из труб будет на время чуть-чуть отличаться по длине от пути света в другой трубе. Этот эксперимент известен как LIGO – Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория. Чувствительности установки хватит, чтобы регистрировать гравитационные волны от звезд, столкнувшихся более чем в 100 миллионах световых лет от нас. Легко представить себе, что настанут времена, когда гравитационные события во Вселенной – столкновения, взрывы, коллапс звезд – будут рутинно наблюдаться при помощи подобных устройств. Более того, когда-нибудь нам, возможно, удастся распахнуть это окно пошире, заглянуть за матовую завесу микроволнового реликтового излучения – и увидеть само начало времен.