Инструменты астрофизики

Астрономия в целом и астрофизика в частности покоятся на трех «китах»: телескоп, фотокамера, спектрограф. Эти три прибора анализируют луч света, выведывая у него космические тайны. Конечно, с каждым годом астрофизики изобретают и другие полезные приборы: поляриметры, фотометры, детекторы инфракрасного, рентгеновского и гамма-излучения, детекторы космических лучей и нейтрино, детекторы гравитационных волн, – но основой астрофизики по-прежнему остаются оптический телескоп, фотокамера и спектрограф. Телескоп создает изображение далекого светящегося объекта, спектрограф показывает, из каких цветов оно состоит, а фотокамера запоминает то и другое.

Начнем с телескопа. Любой светящийся объект можно представить как множество светящихся точек. Все космические тела очень далеки от нас, поэтому от каждой их точки к нам приходят практически параллельные лучи света, к тому же очень тусклые. Задача телескопа – собрать как можно больше этих лучей и максимально сильно сконцентрировать их, чтобы каждая точка далекого объекта отобразилась бы точкой в изображении, построенном телескопом. Эту задачу выполняет объектив телескопа, который может состоять из одной или нескольких линз, либо из одного или нескольких зеркал, либо же из комбинации зеркал и линз.

Чем больше диаметр объектива, тем больше тусклого света он может собрать и быстрее построить изображение далекого объекта. Чтобы оценить возможности телескопа, сравним, например, зрачок нашего глаза и объектив обычного фотоаппарата. Диаметр нашего зрачка около 5 мм, а диаметр объектива фотокамеры около 50 мм. То есть площадь объектива фотокамеры в 100 раз больше. Поэтому нашему глазу для фиксации изображения днем требуется экспозиция около 1/10 секунды, а фотокамере – всего около 1/1000 с. Современные крупные телескопы имеют объектив диаметром около 5000 мм (а некоторые даже больше), поэтому их светособирающая площадь в 1 млн раз больше, чем у нашего зрачка. К тому же и экспозиция при фотографировании неба телескопом составляет не доли секунды, как у глаза, а минуты, часы и порою даже сутки. Поэтому телескоп способен увидеть очень тусклые и далекие космические объекты.

Конструкции телескопов постоянно совершенствуются и усложняются, поскольку астрономы предъявляют к ним все более высокие требования. Идеальный телескоп должен одновременно видеть все небо, различая все самые мелкие детали у всех сколь угодно удаленных и тусклых объектов во всем диапазоне электромагнитного спектра. Понятно, что это фантастическое требование никогда не будет выполнено в полном объеме. Поэтому конструкции телескопов эволюционируют в каждом из этих направлений по отдельности, подобно живым существам. Одни животные хорошо плавают, другие хорошо бегают, третьи хорошо летают. Так же и телескопы: одни из них видят большие области неба, но не очень четко; другие видят четко, но лишь крохотные клочки небосвода; одни видят в оптическом диапазоне, другие – в инфракрасном, третьи – в рентгеновском, и т. д.

Специализация телескопов сейчас настолько велика, что некоторые из них уже ничем не напоминают классический телескоп с его трубой, системой наведения (монтировкой), объективом и окуляром. Особенно это касается астрофизических инструментов. Ведь разные физические процессы проявляют себя разными видами излучений и частиц: одни испускают оптические кванты, другие – рентгеновское или гамма-излучение, третьи – радиоволны. В одних процессах рождаются протоны и нейтроны, в других – электроны и нейтрино, в третьих – гравитационные волны. Телескопы всех типов важны для астрофизики, но все же наибольший объем информации о Вселенной мы до сих пор получаем от оптических телескопов. О них и продолжим разговор.

Чтобы созданное объективом телескопа изображение зарегистрировать и запомнить, нужна камера с памятью. У человека эту роль исполняют сетчатка глаза и мозг. У современной электронной фотокамеры – светочувствительная пластинка (ПЗС-матрица из фотодиодов) и компьютер с его памятью (например, на флеш-карте), а в XIX и XX веках для этой цели служила фотографическая эмульсия, которая и регистрировала изображение, и хранила его.

В наших домашних альбомах еще сохранилось множество снимков, полученных на фотоэмульсии, а развитие астрофизики вообще было бы невозможно без ее использования. Люди давно мечтали научиться фиксировать моментальное изображение объектов в оптических лучах, и впервые это удалось сделать в первой половине XIX века с использованием фотографической эмульсии, нанесенной на твердую или эластичную поверхность. В середине XIX века этот метод быстро получил широкое распространение благодаря дешевизне и простоте применения.

Фотоэмульсия состоит из микроскопических (1 мкм) кристаллов бромистого серебра с небольшой примесью йодистого серебра, взвешенных в желатиновой основе. Фотон, поглощенный кристаллом, освобождает электрон, превращающий ион серебра в атом. Для получения отдельного стабильного кристалла необходимо образование от 10 до 20 атомов серебра, подобная группа атомов формирует отдельный центр чувствительности (зерно) в скрытом изображении. Чтобы изображение стало видимым, после экспонирования фотоэмульсию нужно проявить, то есть с помощью химического процесса из бромистого серебра выделить чистое серебро. Любопытно, что катализатором этого процесса служат атомы самого серебра. Таким образом, кристаллы, имеющие центры чувствительности, проявляются быстрее (полностью превращаясь в серебро), нежели неэкспонированные кристаллы бромистого серебра. Разумеется, весь процесс проявления организуется в полной темноте, на ощупь.

Поскольку в дальнейшем с фотоэмульсией работают на свету, необходимо после проявления сделать ее нечувствительной к свету. Поэтому, смыв остатки проявителя чистой водой, фотоэмульсию фиксируют при помощи другого химического процесса, во время которого происходит растворение и удаление из эмульсии непроявленного бромистого серебра. После этого эмульсию окончательно промывают дистиллированной водой и высушивают. Полученное фотографическое изображение воспроизводит объект съемки, причем большая плотность проявленных зерен серебра соответствует большей яркости объекта. Поэтому, поскольку металлическое серебро поглощает свет, фотографическое изображение оказывается негативным. Для получения нормального (позитивного) изображения необходимо перефотографировать негатив, то есть изготовить негатив негатива. Этот процесс называют фотопечатью. Обычно в быту позитивное изображение печатают на фотобумаге, то есть бумаге, покрытой слоем фотоэмульсии. Однако для большинства астрономических применений используются непосредственно негативы, полученные на фотопластинках.

Фотографическая пластинка – это тонкая стеклянная пластинка, на которую нанесен слой фотоэмульсии. В быту вместо дорогих фотопластинок чаще использовали фотопленку, нанося тонкий слой фотоэмульсии на прозрачную целлулоидную основу. Ее делали листовой (в виде прямоугольных пластин) и рулонной (лента, накрученная на катушку). Последняя была особенно популярна и использовалась в малоформатных камерах. Иногда ее использовали и в научных экспериментах. Но для астрономических работ жесткие фотопластинки были предпочтительнее фотографических пленок на целлулоидной основе. Это особенно важно для точных астрометрических измерений, поскольку стеклянные пластинки менее подвержены деформациям и лучше хранятся. Изображение, регистрируемое на фотоэмульсии, является черно-белым. Комбинация нескольких слоев из эмульсий с различной спектральной чувствительностью дает возможность получать цветные снимки. Но астрономы предпочитают делать монохромные снимки через различные светофильтры, а затем при желании синтезировать из них цветные, точно так же, как на экране цветного телевизора из трех монохромных изображений (RGB) получается цветное.

В каждой крупной обсерватории есть специальное хранилище – стеклянная библиотека, – где тщательно сохраняются все фотопластинки, отснятые астрономами на всех телескопах этой обсерватории. Ведь каждая пластинка содержит уникальные данные, потеряв которые, их уже не восстановишь. А совокупно на фотопластинках всех обсерваторий мира зафиксирована история Вселенной более чем за 100 лет. С этими стеклянными «страницами» обращаются крайне осторожно, как с бесценными документами. Когда в конце XX века появились высококачественные сканеры, все крупные обсерватории начали сканировать свои пластинки и через интернет делать их изображения доступными для всех астрономов – профессионалов и любителей. И эта огромная работа еще не закончена.

Фотографическая эмульсия имеет низкую квантовую эффективность (0,1–1 %), что частично объясняется значительным количеством фотонов, которые должны поглотиться в отдельном кристалле, прежде чем образуется устойчивый центр чувствительности. Скорость образования центров чувствительности в некоторой степени зависит от размеров кристаллов бромистого серебра; более чувствительные эмульсии имеют больший размер кристаллов. В то же время при большем размере кристаллов разрешающая способность эмульсии снижается, поэтому необходим разумный компромисс между скоростью образования зерен (чувствительностью) и разрешением (четкостью снимка). При длинных экспозициях чувствительность фотоэмульсии существенно снижается, поскольку происходит нарушение обратно пропорциональной зависимости между потоком света и временем, необходимым для его регистрации. Выпускается ряд специальных астрономических фотоэмульсий, для которых этот эффект снижен, но не исключен полностью.

Как ни хороша была классическая фотография, ее эпоха подошла к концу. В конце XX века фотопластинку заменили электронные приемники света. Их развитие происходило постепенно, параллельно с развитием химических методов фотографии. Сначала электронные детекторы превзошли фотопластинку по чувствительности к свету, затем – по ширине спектрального диапазона (электронные приборы научились видеть инфракрасное излучение), но долго уступали по способности рисовать четкую картинку и уж совсем не умели запоминать ее. Однако с появлением фотодиодных ПЗС-матриц и компьютеров с их способностью к быстрой обработке цифровых данных и практически безграничной памятью старая добрая фотопластинка окончательно сдалась. Но астрономы продолжают относиться к ней с уважением не просто как к почетному пенсионеру, а как к хранилищу бесценных данных, поскольку далеко еще не вся информация с фотопластинок переведена в цифровую форму.

Непременной частью современного оптического телескопа служит прибор для анализа спектрального состава света. В простейшем случае это может быть один или несколько светофильтров, пропускающих определенную область спектра. С их помощью можно узнать цвет объекта, который в первом приближении говорит о температуре его поверхности (чем голубее, тем горячее), а также о наличии межзвездной пыли между объектом наблюдения и телескопом (сквозь пыль легко проходят красные лучи, а голубые поглощаются). Но гораздо более детальную информацию извлекает из света спектрограф – прибор, подробно регистрирующий распределение фотонов по их энергии (т. е. цвету). Полоска спектра – настоящий паспорт звезды или другого оптического источника, рассказывающий нам о его химическом составе, температуре, давлении, движении в пространстве, вращении, напряженности магнитного поля и т. д. У оптического спектрографа есть несколько важнейших элементов: щель для выделения узкой полоски изображения, коллиматор (объектив) для создания параллельных пучков света от каждой точки щели, призма или дифракционная решетка для разложения пучка света в спектр, камера для фотографирования спектра. Но получить спектр значительно сложнее, чем просто сфотографировать объект, поскольку, раскладывая луч света на составляющие цвета, спектроскоп сильно ослабляет яркость каждого цвета. Для спектральных исследований тусклых объектов нужны большие телескопы.

С середины XX века важным инструментом астрофизики стал радиотелескоп, оказавшийся чрезвычайно полезным для исследования процессов в межзвездной среде, в магнитосферах планет, в активных ядрах галактик. Методами радиоастрономии в 1960-е годы были сделаны важнейшие открытия: квазары, реликтовое излучение, нейтронные звезды (радиопульсары).

Земная атмосфера препятствует наблюдению с поверхности планеты далекого инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения, приходящего из космоса. Поэтому новые возможности для астрофизики дала в 1960-е и 1970-е годы космическая техника, позволившая создать на околоземных орбитах автоматические и пилотируемые обсерватории с телескопами указанных диапазонов излучения. Произошедший в те годы переход от оптической астрономии к всеволновой изменил наши представления о Вселенной.

Хотя астрофизика является частью более общей науки – астрономии, ее саму часто подразделяют на ряд дисциплин. Деление проводят либо по методам, либо по объектам исследования. В первом случае говорят о радиоастрономии, рентгеновской астрономии, гамма-астрономии, нейтринной астрономии, инфракрасной астрономии, астрономической спектроскопии, гравитационно-волновой астрономии и т. д. Во втором случае выделяют физику планет, физику Солнца, физику звезд, физику межзвездной среды, физику галактик, космологию и т. д. В каждом из этих направлений астрофизика продвинулась очень далеко. Среди профессиональных астрофизиков уже сложилась такая узкая специализация, что, например, специалист по физике Солнца с трудом представляет себе проблемы физики межзвездной среды, а радиоастроном лишь в самых общих чертах понимает методы регистрации гравитационных волн. На границе между теоретической физикой и классической астрофизикой расположилась релятивистская астрофизика, изучающая на основе общей теории относительности (теории тяготения А. Эйнштейна) свойства сверхплотных космических тел – нейтронных звезд и черных дыр. Отдельную нишу занимает космология, использующая для объяснения самых общих и фундаментальных свойств Вселенной как канонические теории (ОТО, Стандартная модель физики элементарных частиц), так и их расширенные и даже альтернативные версии для их проверки и «отбраковки». Ясно, что в одной этой главе мы не сможем объять всю астрофизику, а лишь познакомимся с некоторыми важными ее направлениями.