Книга: Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда
Назад: 8. Шар – идеальная форма
Дальше: 10. Между планет
9. Незримый свет
Как странника приветствуй то, что странно.Горацио, – на небе и землеЕсть многое, что и не снилось даже Науке.У. Шекспир. «Гамлет» (пер. П. Гнедича)
До 1800 года слово «свет» означало исключительно видимый свет (помимо своего второго значения «мир»). Однако в начале 1800 года английский астроном Уильям Гершель заметил тепло, которое мог вызвать лишь свет, невидимый человеческому глазу. Гершель был опытный экспериментатор – это он открыл планету Уран в 1781 году, а теперь исследовал соотношение между солнечным светом, цветом и теплом.
Начал он с того, что пропустил солнечный луч сквозь призму. В этом не было ничего нового. Это проделывал еще сэр Исаак Ньютон в XVII веке, что и позволило ему перечислить всем известные семь цветов спектра – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (да-да, «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Однако Гершель копнул еще глубже и задался вопросом, какова температура каждого цвета. Он поставил термометры в разные участки радуги – и оказалось, что, как он и ожидал, в полосах разного цвета термометры показывали разную температуру. (Надо отметить, что астрономы окончательно превратились в астрофизиков лишь в середине XIX века, когда спектрометр – орудие физика – начали применять для решения астрономических задач. А в 1895 году был основан престижный журнал «The Astrophysical Journal», подзаголовок которого гласил: «Международный обзор спектроскопии и астрономической физики».)
Уильям Гершель
Чтобы эксперимент был качественным, необходим «контроль», то есть измерение, при котором не ожидаешь пронаблюдать никакого эффекта, своего рода проверка того, что ты измеряешь, на «дуракоустойчивость». Скажем, если вы хотите узнать, как влияет пиво на тюльпаны, нужно вырастить второй тюльпан, точно такой же, как первый, но поливать его не пивом, а водой. Если оба засохнут – если вы убьете обоих – алкоголь тут ни при чем. Вот для чего нужна контрольная группа.
Гершель это знал и положил термометр вне спектра, рядом с красной полосой: казалось бы, там должна быть просто комнатная температура. Однако все оказалось иначе. Температура на контрольном термометре поднялась даже выше, чем в красной полосе.
Гершель писал:
Я делаю вывод, что и красный свет не дает максимального тепла; возможно, максимум лежит за пределами видимой рефракции. В таком случае излучаемое тепло должно по крайней мере отчасти, если не полностью, состоять – да будет мне позволено так выразиться – из незримого света; а следовательно, из лучей, исходящих от Солнца, но наделенных таким импульсом, что они уже не видимы глазу.
С ума сойти!
Гершель непреднамеренно открыл инфракрасный свет – совершенно новую часть спектра «ниже» (именно это значит латинская приставка «инфра») красного, о чем и сказано в первой из четырех его статей на эту тему.
Открытие Гершеля для астрономии – все равно что открытие Антони ван Левенгука, который увидел «множество очень маленьких живых зверюшек, премило суетящихся» в капельке озерной воды (о чем и написал в Лондонское Королевское общество 10 октября 1676 года). Левенгук открыл одноклеточные организмы – биологическую Вселенную. Гершель – новый диапазон света.
И то, и другое пряталось от невооруженного глаза.
Идеи Гершеля тут же подхватили другие исследователи. В 1801 году немецкий физик и фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер открыл еще один диапазон невидимого света. Однако Риттер вместо термометра поместил по щепотке светочувствительного хлорида серебра в каждую полосу видимого спектра, а также в темную область возле фиолетового конца спектра. И, конечно, хлорид серебра в неосвещенной полосе потемнел сильнее, чем в фиолетовой.
А что следует за фиолетовым? Правильно – ультрафиолет, от латинского «ультра» – «дальше».
Если заполнить весь электромагнитный спектр от низкой энергии и низкой частоты до высокой энергии и высокой частоты, получится, что у нас есть радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый спектр (цвета радуги), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Современная цивилизация ловко нашла применение каждому из диапазонов и в быту, и в промышленности, так что теперь все они прекрасно нам знакомы.
* * *
Даже после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучения способы изучать небо изменились не сразу. Первый телескоп для наблюдения невидимой части электромагнитного спектра построили лишь через 130 лет. К тому времени уже давно открыли и радиоволны, и рентгеновское излучение, и гамма-излучение, а немецкий физик Генрих Герц уже давно показал, что разные виды света отличаются на самом деле лишь частотой волны в каждой из полос спектра. Более того, именно Герц первым понял, что на свете есть электромагнитный спектр. В его честь была названа единица частоты Герц – количество волн в секунду – описывающая любые вибрации, в том числе и звук.
Непонятно почему, но астрофизики, узнав, что существуют невидимые диапазоны света, далеко не сразу сообразили, что можно построить телескоп, чтобы наблюдать этот свет от космических источников. Свою роль, конечно, сыграло и то, что долго не могли придумать соответствующие детекторы. Однако отчасти, возможно, все объясняется человеческой заносчивостью: как это Вселенная посылает нам свет, который не видят наши дивные глаза? Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы. Телескоп – лишь инструмент, восполняющий недостатки наших органов чувств и позволяющий лучше познакомиться с далекими областями. Чем больше телескоп, тем более тусклые объекты можно в него разглядеть; чем лучше форма его зеркал, тем четче изображение; чем чувствительнее детекторы, тем плодотворнее наблюдения. Однако во всех случаях вся информация, которую дает телескоп астрофизику, прибывает на Землю на луче света.
Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы.
Однако небесные события не считаются с удобствами человеческой сетчатки. Напротив, они, как правило, испускают одновременно разное количество света в разных диапазонах. Так что без телескопов с детекторами, настроенными на весь спектр, астрофизики пребывали бы в блаженном неведении о некоторых феерических космических явлениях.
Возьмем, к примеру, взрывающуюся звезду – сверхновую. Это достаточно распространенное во Вселенной высокоэнергичное событие, сопровождающееся обильным выбросом рентгеновского излучения. Иногда такие взрывы сопровождаются вспышками гамма-лучей и ультрафиолета, да и видимого света сверхновая дает в изобилии.
Взорвавшийся газ успевает давно остыть, ударные волны рассеиваются, видимый свет тускнеет, а компактный «остаток» сверхновой продолжает светиться в инфракрасном диапазоне и испускать радиоимпульсы. Вот откуда берутся пульсары – самые надежные хронометры во Вселенной.
Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа. Хотя никто на Земле не наблюдал незримых рентгеновских или гамма-лучей от последних двух фейерверков, которые сверхновые устроили на территории нашей Галактики – в 1572 и 1604 годах, – есть много свидетельств об их невероятном видимом свете.
Диапазон длин волн (или частот), составляющий каждую полосу спектра света, сильно влияет на конструкцию устройств, которые его регистрируют. Вот почему невозможно подобрать такое сочетание телескопа с детектором, которое одновременно уловило бы все особенности подобных взрывов. Однако обойти эту проблему несложно: соберите все наблюдения интересующего вас объекта (можно позаимствовать результаты у коллег) во всех диапазонах света. А потом поставьте в соответствие интересующим вас невидимым полосам спектра видимые цвета и создайте одно мета-изображение, охватывающее все полосы. Именно это видит Джорди Ла Форж из телесериала «Звездный путь: Следующее поколение». Расширив таким образом диапазон своего зрения, вы ничего не упустите.
Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа.
Сначала нужно определить, какая именно полоса вызывает вашу астрофизическую симпатию, и уже потом можно начинать думать о размерах зеркала, о том, из каких материалов его делать, о том, какой оно должно быть формы и с какой поверхностью, и о том, какой понадобится датчик. Например, волна рентгеновского излучения очень короткая. Поэтому, чтобы уловить его, нужно супергладкое зеркало, иначе его дефекты исказят картину. Но если нужно уловить длинные радиоволны, зеркало можно сделать хоть из проволочной сетки, согнув ее вручную, поскольку дефекты сетки будут гораздо меньше длин волн, которые вас интересуют. Разумеется, вам нужно увидеть все детали вашего объекта, то есть наблюдать его с высоким пространственным разрешением, так что зеркало должно быть как можно больше – насколько вы можете себе позволить. Наконец, ваш телескоп должен быть гораздо больше длины волны света, который вы собираетесь уловить. Это особенно заметно, когда речь идет о радиотелескопах.
* * *
Радиотелескопы, первые в истории телескопы для наблюдения невидимого света, – диковинный подвид обсерваторий. Первый действующий радиотелескоп создал американский инженер Карл Янский в 1929–1930 годах. Это устройство немного напоминало передвижной ороситель для автоматизированного полива. Оно держалось на высоких прямоугольных металлических подпорках, скрепленных деревянными перекрестьями и снабженных лесами, и вертелось на месте, как карусель на колесиках. Янский использовал и запасные части от недорогого автомобиля «Жестяная Лиззи», он же «Форд-Т». Свою тридцатиметровую конструкцию Янский настроил на длину волны около 15 метров, что соответствует частоте 20,5 мегагерц. (Все волны подчиняются простой формуле: скорость = частота × длина волны. Если при постоянной скорости увеличиваешь длину волны, частота волны снизится – и наоборот, так что при умножении этих двух величин скорость всегда получается одна и та же. Этот закон справедлив для света, звука и даже фанатов на стадионах, делающих «волну», в общем, для всех бегущих волн.)
Карл Янский
С точки зрения начальства из Телефонных лабораторий Белла, которые поручили Янскому сделать телескоп, его задачей было изучать всевозможные шумы из естественных земных радиоисточников, мешавшие радиосвязи. Очень похоже на задание, которое Лаборатории Белла дали Пензиасу и Уилсону 35 лет спустя – выявить микроволновой шум в приемнике, что, как мы выяснили в главе 3, привело к открытию фонового космического микроволнового излучения.
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.
В 1994 году гамма-обсерватория имени Комптона сделала открытие, столь же неожиданное, что и открытия спутников «Вела»: частые вспышки гамма-лучей у самой поверхности Земли. Эти вспышки получили логичное название «атмосферные гамма-вспышки». Что это – ядерная катастрофа? Очевидно, нет, раз вы сейчас читаете эти строки. Не все природные гамма-вспышки одинаково смертоносны, более того, не все они имеют космическое происхождение. В данном случае не менее пятидесяти подобных вспышек ежедневно происходят в атмосфере Земли над грозовыми облаками за долю секунды до обычной молнии. Откуда они берутся, пока загадка, но самые правдоподобные гипотезы гласят, что во время электрической бури свободные электроны разгоняются до околосветовых скоростей, а потом тормозятся около ядер атомов атмосферы и рождают гамма-лучи.
* * *
Сегодня телескопы наблюдают все невидимые части спектра – иногда с Земли, но в основном из космоса, где обзору не мешает поглощающая земная атмосфера. Теперь мы наблюдаем события от низкочастотных радиоволн в десяток метров длиной от пика до пика и до высокочастотных гамма-лучей, длина волны которых не превосходит одну квадрильонную долю метра. Такая богатая палитра полос спектра обеспечивает неисчерпаемый источник астрофизических открытий. Хотите выяснить, сколько газа таится между звезд в галактиках? Радиотелескопы знают это лучше всех. Без микроволновых телескопов ничего невозможно узнать о фоновом космическом излучении, невозможно понять, что такое Большой взрыв. Интересно подсмотреть, что делается в звездных инкубаторах, расположенных в глубинах галактических газовых облаков? Обратите внимание на то, что делают инфракрасные телескопы. Занимаетесь излучением из окрестностей обычных и сверхмассивных черных дыр в центре какой-нибудь галактики? К вашим услугам ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Хотите полюбоваться высокоэнергичным взрывом гигантской звезды массой в сорок солнц? Следите за развитием событий в гамма-телескопы.
Со времен экспериментов Гершеля с солнечными лучами, «невидимыми глазу», мы проделали долгий путь и теперь можем исследовать Вселенную как она есть, а не какой она кажется. Гершель бы нами гордился. Мы обрели подлинное космическое зрение, лишь увидев невидимое – ослепительную сокровищницу объектов и явлений, происходящих во всем космосе и во все времена, какая в минувшие века и не снилась науке.
Назад: 8. Шар – идеальная форма
Дальше: 10. Между планет
