19
Обсерватории в космическом пространстве

Небесные путешествия в целях изучения внеземных миров имеют долгую историю. Мы уже знакомились с произведениями Цицерона и Макробия, Данте и Чосера, и даже Кеплера, – везде законы перелета были покрыты глубокой тайной. Сын епископа, священник Фрэнсис Годвин, который впоследствии сам стал епископом Лландаффа (Уэльс), а затем Херефорда (по английскую сторону границы), был не слишком строгим последователем этой традиции. Однако он попытался прибавить ей правдоподобия, опубликовав в 1638 г. коперниканскую фантазию «Человек на Луне или Необыкновенное путешествие, совершенное Домиником Гонсалесом, испанским искателем приключений, или Воздушный посол». Его герой Гонсалес переносится на Луну в упряжи, увлекаемой перелетными гусями, и находит там утопию, где лунные женщины обладают такой красотой, что у мужчин не возникает желания совершить прелюбодеяние. Чистая выдумка. Книга выдержала множество изданий и даже стала источником вдохновения лондонской театральной труппы, поставившей в 1706 г. пьесу Томаса Дерфи «Чудеса Солнца», в которой использовались в том числе макеты летящих гусей. Однако началом высотной астрономии мы обязаны не гусям, а воздушным шарам. Наполненные горячим воздухом, водородом, а позже – гелием, они использовались в интересах многих отраслей науки, начиная с самых первых полетов, совершенных братьями Монгольфье. Два брата, Жозеф Мишель и Жак Этьенн, в своих первых экспериментах 1782 г. предпочитали использовать водород, но реального успеха достигли только с нагретым воздухом. Первый полет с участием человека был совершен 20 ноября 1783 г.

Мы уже упоминали о двух астрономах, путешествовавших на воздушных шарах. Жансен использовал его для совершения успешного побега из Парижа в 1870 г., но в его намерения не входило наблюдать солнечное затмение с воздушного шара. С другой стороны, Доротея Клюмпке совершила в 1899 г. путешествие для наблюдения метеорного дождя Леониды. Первые астрофизические данные, добытые с помощью воздушного шара, были получены почти случайно. Ранние исследования радиоактивности незадолго до и сразу же после начала XIX в. обнаружили ее присутствие в воде и в атмосфере. Например, удалось обнаружить, что экранированные, но заряженные электроскопы, установленные на улице, постепенно теряют свой заряд при облучении радиацией. Общее мнение сводилось к тому, что причиной этого было излучение, исходящее от радиоактивных элементов, находящихся в почве, или от производимых ими радиоактивных газов. Несколько измерений степени ионизации на различных высотах продемонстрировали ее снижение, и это было объяснено способом, который представлялся наиболее простым, – через поглощение ионизирующей радиации промежуточными слоями воздуха. Прозвучал призыв к осуществлению более тщательного исследования с помощью воздушного шара.

В 1911 и 1912 гг. физик Виктор Франц Гесс из венского Радиевого института совершил серию из десяти подъемов на воздушном шаре для проведения экспериментов, которые разрушили это общее предположение. 7 августа 1912 г. он совершил свой наиболее знаменательный полет совместно с пилотом воздушного шара и метеорологом. Полет длился около шести часов, за это время они пролетели от Аусига на Эльбе до Пискова и поднялись на высоту более пяти километров. В полете Гесс снимал показания с трех электроскопов, измеряя уровень радиации, вызывавшей ионизацию атмосферы. Согласно общераспространенным убеждениям, ее источником служили скальные породы земной коры. После снижения радиации в течение первых 150 метров подъема шара, как он обнаружил, ее уровень медленно рос по мере того как шар набирал высоту, так что когда они поднялись на 5000 метров, радиация достигла уровня, в два раза превышающего ее значение у поверхности Земли. Ранее он установил, что на заданной высоте она остается постоянной как днем, так и ночью, и поэтому не может вызываться прямыми солнечными лучами. В конечном счете он исключил Солнце из числа источников, совершив полет на воздушном шаре во время солнечного затмения. (Впоследствии его вывод подвергся некоторой модификации.) Гесс опубликовал свои открытия в конце года, придя к выводу, что это было высокопроникающее излучение, попадающее в атмосферу из‐за пределов Солнечной системы, а не из Земли под нами, как думали многие.

Благодаря этим экспериментам Гесс счастливым образом оказался основателем астрономии космических лучей. Полученные им результаты неоднократно подтвердил Вернер Кольхёрстер, уже в 1913 г. поднявшийся на воздушном шаре для проведения измерений на высотах более девяти километров. К середине 1920‐х гг. это явление получило широкое признание, хотя и не под нынешним своим названием. (Выражение «космические лучи» пущено в оборот Р. Э. Милликеном в 1925 г.) В 1936 г. Гесс получил Нобелевскую премию по физике. Незаурядность оказалась недостаточным качеством, чтобы защитить себя после аншлюса – аннексии Австрии нацистской Германией в 1938 г. Строгий католицизм Гесса привел к его смещению с должности профессора в Грацском университете. Он переехал в Соединенные Штаты и продолжил там свою работу, найдя для некоторых из своих экспериментов хорошее применение большой высоте Эмпайр-стейт-билдинга.

Межвоенный период отмечен многими важными работами, проведенными в области космической радиации, и оно оказалось крайне важным инструментом в понимании физики элементарных частиц. Например, Роберт Милликен, получивший Нобелевскую премию в 1923 г. за измерение заряда электрона, использовал воздушные шары вооруженных сил Соединенных Штатов для проведения измерений, подобных сделанным Гессом. Немного позже Милликен создал теорию, согласно которой лучи Гесса могли быть фотонами с очень высокой энергией, рождающимися в ходе синтеза легких элементов из водорода. В 1929 г. Вернер Кольхёрстер и Вальтер Боте провели эксперименты со счетчиками Гейгера, продемонстрировав, что бо́льшая часть космической радиации состоит из заряженных частиц очень высокой энергии – зачастую более чем в тысячу раз превышающей радиоактивность лабораторных препаратов. Другими высокими достижениями в области исследования космических лучей стали произведенная Бруно Росси демонстрация того, что первичные частицы могут производить ливни вторичных, и выдающееся открытие Карлом Дэвидом Андерсоном в числе вторичных частиц позитрона (положительно заряженного электрона) в его камерах Вильсона. («Первичными» космическими лучами называют те, что приходят из‐за пределов атмосферы. После вторжения в нее они сталкиваются с атомными ядрами, производя «атмосферные ливни» вторичных лучей.)

Вскоре теория высокоэнергетичных фотонов (гамма-квантов) Милликена была опровергнута экспериментами, проведенными под руководством А. Х. Комптона армией его ассистентов. Как они обнаружили, интенсивность космических лучей на полюсах Земли выше, чем на экваторе, и таким образом удалось показать, что первичные лучи должны быть заряженными частицами, отклоняемыми магнитным полем Земли. Это породило множество проблем: если это электроны или протоны, они должны поглощаться в атмосфере гораздо быстрее, чем это происходило на самом деле. Ситуацию удалось спасти Андерсону, который снова воспользовался экспериментами с космическими лучами в интересах фундаментальной физики. В 1937 г. его эксперименты с камерой Вильсона выявили новую вторичную частицу – μ-мезон (или мюон), способную замедлить расчетное поглощение. Связь этой частицы с мезонной теорией, разработанной ранее японским физиком Хидэки Юкава, слишком сложна для обсуждения здесь; достаточно будет сказать, что частицу Андерсона первоначально отождествили с частицей, известной сегодня как π-мезон (или пион), предложенной Юкава в качестве переносчика ядерных сил. Ошибочность этого предположения была продемонстрирована в 1949 г., когда эксперименты, проведенные Сесилом Ф. Пауэллом и его коллегами в Бристольском университете, выявили реакцию, в которой пион превращался в мюон и невидимое нейтрино. (Затем мюон распадался на электрон и два нейтрино. Все это удалось заметить благодаря использованию в регистрирующем устройстве фотографической эмульсии. Нейтрино представляют собой фундаментальные частицы, обладающие спином, очень малой массой или не имеющие ее, а также лишенные заряда. Они являются предметом невероятно интенсивных исследований астрономии XXI в.)

Возвращаемся к началу этой богатой новой темы и методам исследования верхней атмосферы: немецкий физик Эрих Р. А. Регенер, авторитетный специалист в области физики атмосферы и стратосферы, нашел новое интересное применение непилотируемых воздушных шаров для доставки приборов в целях исследования радиации, идущей из космоса. (В 1909 г. Регенер получил весьма точное значение заряда электрона, и сегодня обычно его вспоминают именно по этому поводу. Милликен произвел свои измерения чуть ранее в том же году, но использованные ими методы различались.) В начале 1930‐х гг. в целях измерения космической радиации Регенер запускал непилотируемые воздушные шары, сделанные из каучука, а позже – из целлофана, некоторые из них достигали высоты 30 километров. В 1933 г. он совершил подъем лично, и в данном случае ему удалось обнаружить связь между вспышками на Солнце и исключительно высоким уровнем ионизации атмосферы. Это стало важным открытием, поскольку оно показало, что звезды (если они настолько похожи на наше Солнце) должны быть источниками космической радиации. Непилотируемые воздушные шары, разработанные для нужд метеорологии, являлись стандартным средством доставки оборудования для изучения космических лучей, особенно после Второй мировой войны.

Позже, когда нужно было избежать блокирующего воздействия земной атмосферы на коротких волнах, с гораздо большим успехом использовались самолеты обычной конструкции. Серьезная работа началась в 1966 г., когда Фрэнк Лоу и Карл Гиллеспи в ходе четырнадцати полетов на бомбардировщике Дуглас A-3B измеряли яркостную температуру Солнца (например, в миллиметровом диапазоне). Годом позже НАСА выделило финансирование на исследование планет с авиалайнера Конвэр 990, получившего название «Галилео». В 1973 г. он потерпел крушение с большими человеческими жертвами. Его преемнику «Галилео II» также не повезло, поскольку он сгорел на взлетной полосе в 1985 г., но на сей раз никто не погиб. С 1968 г. НАСА финансировало Обсерваторию Лирджет, поднимавшую 30-сантиметровый рефлектор на высоту 15 километров. Это был прототип, вероятно, наиболее успешного предприятия такого типа, а именно – Воздушной обсерватории «Койпер» (ВОК), которая размещалась на модифицированном четырехмоторном военном реактивном транспортном самолете C-141. Начав свою работу в 1974 г., ВОК обычно несла на борту команду, включающую в себя от трех до семи специалистов, чей эксперимент проводился, оператора основного телескопа, оператора телескопа-гида и компьютерного оператора. Продолжительность полета могла достигать шести или семи часов. Обычно ВОК взлетала с аэродрома Моффетт в Калифорнии, но в некоторых случаях – с аэродромов на Гавайях, в Австралии и в Японии. В этом проекте удалось преодолеть громадные технические проблемы, особенно в вопросе достижения стабилизации (посредством применения гироскопов и особых техник пилотирования) и в вопросе устранения последствий воздушной турбулентности в поле зрения инструментов.

В 1970‐х гг. обсерватории на летательных аппаратах применялись в нескольких странах, в число которых входили Великобритания, Западная Германия, Индия и Япония. Изучение космической радиации развивалось полным ходом, равно как и планетные исследования. Используя ВОК, удалось осуществить замечательную серию исследований спектров планетных атмосфер. С ее помощью в 1977 г. были открыты кольца Урана (одновременно с открытием на наземном оборудовании вызываемого ими покрытия звезд), и, как и другие обсерватории на летательных аппаратах, она собрала много информации о собственном излучении планет. Например, от Юпитера, Сатурна и Нептуна, как выяснилось, поток излучения больше, чем, как это следует из вычислений, если бы это был только отраженный солнечный свет, из чего следовало наличие у них внутренних источников энергии. У Урана такого эффекта не обнаружено. Однако вскоре описываемый тип высотной астрономии ушел на второй план, уступив место космическим аппаратам. Приведем пример успеха, достигнутого в течение следующих трех десятилетий: в 2005 г. совместными усилиями космического телескопа «Хаббл» и телескопов «Кек» на Гавайях удалось обнаружить двенадцатое и тринадцатое кольца Урана (наиболее удаленное из них имеет ярко-голубой цвет, как и наиболее удаленное кольцо Сатурна – в обоих случаях это является следствием малого размера частиц колец).