Радиотелескоп в сарае. Часть 2. Как мы можем познавать космос

Космонавтика дала возможность активного изучения космических объектов Солнечной системы автоматическими межпланетными станциями, однако в статье речь пойдет о познании глубокого космоса — всего, что находится за пределами нашей Солнечной системы, куда еще ни один земной аппарат не долетал. Эти далекие пространства мы можем изучать лишь пассивно, принимая различное излучение содержащихся в них объектов.

С древности, с доисторических времен люди смотрели на ночное небо, и часто в более лучших условиях, чем современный человек. Не было тогда ни искусственных выбросов в атмосферу, ни искусственных источников света, кроме одинокого костра. Рисунки на стенах пещер Ласко во Франции, а так же на некоторых найденных костях мамонтов, датируемые периодом от 33 000 до 10 000 лет назад, могут быть графическим изображением некоторых созвездий. Обнаруженное в 2004 г. поле Уоренна, являющегося, скорее всего, календарным памятником, датируется около VIII тысячелетия до н. э. Точная ориентация египетских пирамид по сторонам света является доказательством высокого уровня мастерства в наблюдении за Солнцем, достигнутого в III тысячелетии до н. э. в Древнем Египте. Подобных примеров можно приводить много.

Неудивительно, что астрономия является одной из самых древних наук — ее истоки можно найти практически сразу с началом письменности —в Месопотамии, «стране между реками» Тигр и Ефрат. В Китае в конце III — начале II тыс. до н. э. уже были должности придворных астрономов. Любой цивилизации астрономия была необходима чисто практически — в первую очередь ради создания временной шкалы — календаря, а также навигации, духовных и религиозных практик, планирования сельскохозяйственных работ. Так, разлив Нила обычно приходился ко времени первого восхода над горизонтом ярчайшей звезды неба — Сириуса, что, конечно, было использовано как для предсказаний столь важного в жизни Древнего Египта события, так и создания календаря, делившего год между двумя восходами звезды. Астрономия была первой наукой, имевшей математическую основу и применявшей сложные методические процедуры.

В эпоху Возрождения астрономия отделилась от прежде ей сопутствующей астрологии — верх берут точные науки, грядет революция Коперника и множество новых открытий. Развиваются технологии, астрономам становятся доступны все более сложные и чувствительные приборы, сама астрономия начинает делиться на астрофизику, космогонию, космологию…

Как обобщить метод, которым все это время познавался космос? Конечно, это можно сделать по-разному, но я бы хотел обратить внимание на то, что наблюдения в рассмотренный период ведутся путем регистрации света — того самого света, который мы и без приборов глазами видим от звезд, планет, туманностей. С помощью глаз мы вообще воспринимаем 90% информации об окружающем нас мире. А много ли мы видим от всего, что могли бы? Что бы это понять, для начала придется разобраться с волной и одним из параметров, характеризующим ее — длиной. Волна есть распространение колебания чего-либо в пространстве. Одна из самых наглядных волн — так называемая гравитационная — многим привычная волна на поверхности озера или моря. Такая волна распространяет в разные стороны колебание уровня воды. Если волны накатываются на берег часто одна за другой, мы говорим, что частота волны большая. При этом на поверхности воды гребни соседних волн будут располагаться близко друг к другу, а это и есть длина волны. Чем чаще волны накатываются на берег, тем, наоборот, меньше длина волны.

Свет тоже является волной, но вместо колебания уровня воды, как в озере, колеблется нечто более сложное — электрическое и магнитное поле, являющиеся, однако, как и вода, материей с точки зрения физики. Поэтому, такие волны мы называем электромагнитными. С магнитным полем осознанно сталкивался практически любой человек, примагничивая сувенир к холодильнику, с электрическим тоже, правда, менее осознанно — например, при электризации синтетической одежды на теле. Теперь, если оба эти поля совместить и вынудить колебаться (циклически изменяться по своей силе), можно получить и электромагнитную волну. Будет ли эта волна светом — зависит от ее длины. Взглянем на шкалу электромагнитых волн ниже. Она делит их на типы в соответствии с возрастанием длины волны. Самые короткие волны испускают атомы в ядерных реакциях, например, при взрыве ядерной бомбы или в реакторе АЭС. О чуть более длинных слышал каждый — рентгеновское излучение широко используется в медицине. После него идет ультрафиолетовое излучение, вызывающее у нас загар летом, потом, собственно видимый свет, за ним — инфракрасное излучение, воспринимаемое как тепло от нагретых тел. Волны с длиной порядка 10 см используются в микроволновых печах и радарах, с длиной порядка 1 м — в телевидении и телефонии, все что длиннее — в радио. И вообще, все последние перечисленные волны называют радиоволнами. Нужно понимать, что деление это сугубо условное, введенное лишь для удобства — природа всех электромагнитных волн (излучений) одинакова, и вокруг нас они присутствуют от естественных источников в полном спектре.

Возвращаемся к вопросу, с которого начали рассматривать волны — много ли мы видим от общего их числа? Уже по шкале понятно, что видимый свет занимает весьма узкую полоску на фоне всего электромагнитного спектра. Однако попытки вычислить это в процентах обречены на провал. Шкала электромагнитных волн не имеет четких границ ни сверху, ни снизу. Можно, конечно, за нижний предел взять так называемую планковскую длину —наименьший отрезок пространства, при котором работают современные теории, а за верхний — размер видимой вселенной, но тогда в процентах мы получим число, неотличимое от нуля. Если же принять за границы спектра длины волн, которые мы можем использовать практически, то ситуация станет не многим лучше — мы видим 0.00…1% от всего спектра электромагнитных волн, где вместо многоточия нужно поставить 10 нулей. Иначе говоря, мы глазами воспринимаем просто пренебрежимо малую долю всего излучения, наполняющего пространство вокруг нас.

Вернемся теперь к теме познания космоса. Во всеобъемлющей Вселенной, конечно, есть источники электромагнитной волны любой длины. Как думаете, видели бы мы их все с вами, если б наши глаза были восприимчивы ко всему спектру? Увы, нет. Дело в том, что наша атмосфера заботливо укрывает нас от большей части излучений из космоса — не все из них одинаково полезны. Так, загар от длинноволновой части ультрафиолетового излучения может быть хорош, но вряд ли вы бы захотели, что бы Солнце обжигало глаза коротковолновой частью ультрафиолета, как сварочная дуга. От такого несчастья как раз и защищает атмосфера, выборочно пропуская лишь часть излучения, приходящегося на небольшой кусочек ультрафиолетового, весь видимый и часть инфракрасного спектра. Это так называемое оптическое окно прозрачности атмосферы. Оно по своей спектральной ширине лишь ненамного превышает диапазон чувствительности человеческого глаза. Помимо него существует радиоокно — атмосфера пропускает достаточно широкий спектр длин волн радиоизлучения.

Если оптическое окно в виде регистрации глазом (невооруженным или вооруженным телескопом) использовалось с древности по наше время, а с регистрацией на фотопластинки инфракрасного и ультрафиолетового диапазона — с XIX века, то что же с радиоокном? Первые приемники радиоизлучения, пока еще простые и низкочувствительные, появились в конце того же XIX века, первые электронные с большей чувствительностью — в начале XX века. Были ли использованы появившиеся технологии приема радиоволн к познанию Вселенной? Оказывается, попытки были лишь в самом начале эры радио и весьма робкие.

В 1897–1900 годах поисками радиоволн от Солнца занимался английский физик Оливер Лодж. Приемник Лоджа в принципе мог воспринимать сантиметровые волны. Однако чувствительность прибора была невысока, и к тому же он был недостаточно защищен от электрических помех. Ничего не удалось и немецким астрофизикам Иоганну Вилсингу и Юлиусу Шейнеру, которые тоже охотились за солнечными радиоволнами. Наконец, ими интересовался Гульельмо Маркони — и тоже безрезультатно. В XX столетии поиск космических радиосигналов полностью прекратился.

Примечательны две следующие истории. В конце 1900 года Макс Планк обнародовал знаменитую формулу, описывающую радиоизлучение от нагретых тел. Она предсказывала, что горячая поверхность Солнца излучает радиоволны столь слабо, что его нельзя обнаружить с помощью существовавших приборов. Правда, этот вывод относится исключительно к тепловому радиоизлучению, однако прочие механизмы генерации космических радиоволн в те времена просто не рассматривались.

В 1902 г. английский учёный-самоучка, инженер, математик и физик Оливер Хэвисайд высказал идею о существовании ионизированного слоя над поверхностью Земли, отражающего радиоволны (слой Кеннелли — Хевисайда, подтвержден в 1923 г.). Тогда же он высказал свою крылатую мысль «Радиоастрономия вряд ли может существовать…» . Если кто не знает, в науке, как и прочих областях деятельности, мнение авторитетного человека может стать на какое-то время неким абсолютом, затмевающим порой здравый смысл. Эта тема достойна отдельной статьи. Видимо, что-то подобное произошло и в начале прошлого века и спровоцировало, наряду с предсказанием Планка, забвение попыток приема радиоволн из космоса на 30 лет.

1 of 3

Немножко отвлечемся от истории и пофантазируем. Что, если бы мы могли надеть некие «радиоочки», подобные прибору ночного видения, но переводящие в воспринимаемый нами видимый свет не инфракрасное излучение нагретых тел, а радиоволны? Взглянув на небо, мы бы увидели его наполненным множеством объектов, как и привычное нам ночное небо наполнено звездами. Только это было бы все, что угодно — галактики, пульсары, остатки сверхновых звезд, черные дыры (одна из них находится в центре Млечного Пути), Юпитер… — но только не звезды. Кроме одной — нашего Солнца, в радиодиапазоне оно светило бы ярче всех прочих объектов, как и в случае со светом. Правда, кроме Солнца мы бы увидели еще два таких же ярких объекта, которые не видим в обычном случае. Имя им — «Кассиопея А» и «Лебедь А». Названия даны в соответствии с созвездиями, в которых находятся эти объекты. Первый из них является остатками сверхновой — то есть последствий смерти звезды, второй — радиогалактикой.

1 of 4

На деле, однако, мы скорее всего бы ослепли от количества энергии, приходящих через «радиоочки» к нам в глаза — радиоволны хотя и переносят меньше энергии, чем свет, но радиодиапазон очень широк. Плюс сделать такое устройство подобным прибору ночного видения невозможно — оно было бы очень огромным, так как чем больше длина волны, тем больше должно быть приемное устройство для нее (в нашем случае антенна). Если мы хотим сохранить разрешающую способность «радиоочков» такой же, как и у глаз, то ее антенны будут во столько же раз больше глаза, во сколько радиоволна длиннее световой. Это фундаментальное ограничение. Таким образом, если мы хотим четко принимать картинку на радиоволне длиной, скажем, 1 метр, то диаметр антенны будет больше зрачка человеческого глаза в 1,5 миллиона раз, то есть около 15 километров. Мда, такие очки не наденешь на голову.

Вернемся теперь к «радиоокну» атмосферы. Как мы выяснили, 30 лет после предсказания ионосферы никто даже не пытался поймать радиосигнал из космоса. Кто же был первым и почему, наконец, это было сделано? Можно ответить: Карл Янский и «совершенно случайно». Работая в «Лаборатории Белла» (Bell Labs — фирма, основанная изобретателем телефона Александром Беллом) он занимался исследованием источников помех, мешающих трансатлантической радиотелефонной связи, запущенной в 1927 г.

1 of 4

Янский построил направленную антенну, предназначенную для приема радиоволн с длиной волны около 14,6 метров. Ее размер составлял 30 метров в диаметре и достигал 6 метров в высоту. Вращая антенну, можно было определить направление принимаемого сигнала. Интенсивность сигнала регистрировалась с помощью аналоговой системы записи на бумаге, расположенной в небольшом сарае рядом с антенной.

После нескольких месяцев записи сигналов со всех направлений Янский, в конце концов, разделил их на три типа помех: близлежащие грозы, далёкие грозы и слабые помехи или «шипение» неизвестного происхождения. Он потратил более года на изучение источника помех третьего типа. Местоположение максимальной интенсивности менялось раз в день, что привело Янского к предположению, что он регистрирует излучение Солнца.

Однако после нескольких месяцев наблюдения за сигналом его источник сместился от положения Солнца. Янский тогда определил, что сигнал повторяется с циклом в 23 часа 56 минут —продолжительности звездных суток; времени, за которое «фиксированные» астрономические объекты, такие как звёзды, проходят перед антенной каждый раз, когда Земля совершает оборот. Сравнивая свои наблюдения с астрономическими картами, Карл пришёл к выводу, что излучение исходило от Млечного Пути и было наиболее сильным в направлении центра галактики, в созвездии Стрельца. Ученому тогда повезло: как раз тогда плотность солнечных пятен держалась на минимуме и по ночам ионосфера хорошо пропускала 15-метровые волны. В период активного Солнца «карусель Янского» для обнаружения внеземных волн была бы бесполезной.

Открытие Карла Янского получило широкую огласку, о нём написали в «Нью-йорк таймс», он дал интервью в специальной программе NBC «Радиозвуки среди звёзд». Чуть позже, в 1935 г. Янский предположил, что странные радиосигналы испускаются межзвёздным газом. Он хотел продолжить изучение радиоволн Млечного Пути, но не нашёл поддержки ни у астрономов, для которых это было совершенно новым явлением, ни у Bell Labs, которые во время великой депрессии не могли оправдать затраты на исследования явления, которое не оказывало существенного влияния на трансатлантические системы связи. Изложив свои результаты в четырех статьях, Янский распрощался с радиоастрономией.

Карл Янский прожил лишь 44 года. Как однажды сказал Уильям А. Имбриале: «Если бы Янский не умер в столь раннем возрасте, он, несомненно, получил бы Нобелевскую премию. Его случайное открытие положило начало новой области астрономии — радиоастрономии».

Радиоастрономия, однако, сделав, можно сказать, первые случайные шаги, вновь ушла в забвение еще на 5 лет, а если иметь ввиду профессиональных исследователей, то и на все лет 20. О дальнейшей ее истории будет рассказано в следующей части.