Радиотелескоп в сарае. Часть 4. Что посылает сигналы?
Ранее мы кратко рассмотрели, как после открытия Карлом Янским космического радиоизлучения развивались инструменты радиоастрономии. С первого любительского радиотелескопа Гроута Ребера до современных 100-метровых полноповоротных или 500-метровых неподвижных антенн, радиоинтерферометров с планетарными или космическими расстояниями между приемниками — инструменты радиоастрономии проделали огромный путь за весьма короткое время. Вместе с ними росла и астрономия, получая от электромагнитного излучения все больше и больше информации о строении Вселенной. Тут можно отметить, что радиоастрономия принесла не менее трех Нобелевских премий.
В этой части речь пойдет о космических источниках радиоволн, а более всего об одном из них, давшем нам очень много данных о строении Галактики. Будет несколько сложнее, чем в предыдущих частях, и с точки зрения физики не все абсолютно беспредирчиво, но помните высказывание Паули, вынесенное в пролог.
В одной из прошлых статей упоминалось, что тела, имея не нулевую абсолютную температуру, являются источниками электромагнитного излучения. Этот факт легко принять, если вспомнить, что сильно нагретые предметы светятся, как, например, нить в старых лампах освещения. Тепло чуть менее нагретых тел мы не видим, но можем чувствовать на расстоянии (инфракрасное излучение). И свет, и инфракрасное излучение, и радиоволны есть электромагнитное излучение. В телах источниками излучения являются комбинации колебаний электронов, молекул и атомов.
Макс Планк, потратив в конце XIX века 5 лет на исследование излучения от тел, решил ввести искусственный математический прием в расчеты, ранее уже применявшийся в физике — рассмотреть энергию волн не как непрерывную величину, а как меняющуюся дискретно, или квантами—наименьшими порциями, как, например, деньги в кармане могут прирастать лишь минимум на одну копейку. Причем энергию кванта Планк принял обратно пропорциональной длине волны. Чувства ученого нам уже не узнать, когда выяснилось,что полученная формула правильно описывает спектр излучения без использования дальнейших математических действий. Планк,как водится ученому человеку, сомневался и долго не решался обнародовать это открытие. В разговорах с сыном он утверждал, что чувствует — либо это открытие первого ранга, сравнимое, быть может, лишь с Ньютоновой механикой, либо полнейшая ошибка. Но, наконец, произошло событие, ставшее «спусковым крючком» для теории— в конце 1900 г. в немецком физическом обществе экспериментаторы Фердинанд Курльбаум и Генрих Рубенс читали доклад о новых прецизионных измерениях спектра излучения тела и сетовали на то, что их сведения невозможно сравнить с теоретическими из-за отсутствия корректной теории этого излучения. Планк приглашает Рубенса к себе домой на чашечку чая, и параллельно они сравнивают свои результаты. Обнаруживается превосходное согласие теории и эксперимента. Так родилась квантовая физика, давшая как много хорошего, так и не мало плохого в XX веке. Через несколько лет родится релятивистская теория, еще через 10 лет — теория гравитации. И до сих пор одной из неразрешенных главных проблем физики станет отсутствие их объединения — единой теории.
Следствием формулы Планка стала закон излучения, который говорит о том, что тела излучают электромагнитные волны всех длин, но неравномерно — каких-то меньше, каких то больше, имея максимум излучения, зависящий от температуры тела. Чем выше температура, тем короче излучаемая волна. Например, при комнатной температуре тело излучает тепловое излучение, которое в основном является инфракрасным и невидимым. При более высоких температурах количество инфракрасного излучения увеличивается, и его можно почувствовать как тепло, а также излучается больше видимого излучения, поэтому тело светится видимым красным светом. При более высоких температурах тело становится ярко-жёлтым или бело-голубым и испускает значительное количество коротковолнового излучения, включая ультрафиолетовое и даже рентгеновское. Поверхность Солнца (~6000°С) испускает большое количество как инфракрасного, так и ультрафиолетового излучения; максимум его излучения сосредоточен в видимом спектре. Именно этот факт предопределил, что наш глаз видит именно этот диапазон — эволюции было проще сделать орган для восприятия наиболее распространенного излучения — ради относительной простоты, наименьшей чувствительности.
Именно теория Планка вместе с предсказанием Хевисайдом ионосферы предопределила скептическое отношение науки к радиоастрономии в первой трети прошлого века. Напомним, что по закону Планка поверхность Солнца должна излучать радиоволны скупо, с очень низкой интенсивностью, ниже, чем могла обнаружить радиоаппаратура в конце XIX - начале XX веков. Но из прошлых статей вы знаете, что Солнце — очень яркий радиоисточник (впервые это заметили с помощью радаров во время второй мировой войны, а первое описание в научной литературе дал Гроут Ребер в 1944 г.). Почему же тогда оно интенсивно излучает радиоволны?
Дело в том, что существует и нетепловое излучение, т.е. излучение электромагнитных волн, не соответствующее вышеописанной закономерности. Тепловое излучение того же Солнца имеет непрерывный спектр, если разложить солнечный свет призмой, то мы увидим радугу. Но если тот же опыт проделать с люминисцентной или неоновой лампочкой, то мы увидим дискретный спектр — набор узких разноцветных полосок. Указанные лампы холодные, то есть имеют комнатную температуру, но при этом излучают свет — вот вам и нетепловое излучение.
Причиной дискретного спектра является атомный переход электрона. Из школы мы знаем, что атом состоит из ядра и обращающихся вокруг него электронов. Причем число электронов у каждого химического элемента строго свое и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Электрон занимает в атоме строго фиксированные орбиты. Разные орбиты характеризуются и разной энергией электрона. Чем дальше электрон от ядра — тем больше его энергия. Перевести электрон на более высокую орбиту можно, если атому передать каким-либо способом энергию, например, внешним электромагнитным излучением, столкновением с другим атомом, электрическим или магнитным полем и пр. Если энергии, переданной любым из этих способов, достаточно, то электрон перейдет на более высокую орбиту. Там он пробудет недолго — всего одну стомиллионную долю секунды, и вернется обратно на свою «домашнюю» орбиту, а энергию отдаст в виде электромагнитного излучения, чаще как видимый свет. Излучаемый свет имеет длины волн, характерные строго для данного атома, то есть химического элемента. Именно эти волны в виде тонких полосок и видны на дискретном спектре. Правда, и поглощает атом излучение со строго определенной длиной волны. Это свойство излучения позволило астрофизикам в свое время определить, например, состав Солнца по спектрам.
На самом деле причин возникновения нетеплового излучения несколько. Часть из них была открыта именно благодаря радиоастрономии, так как открываемые относительно холодные источники радиоволн в космосе требовали объяснения причин излучения. Мы, однако, углубляться в них не будем, так как нас интересует в первую очередь познание Галактики в целом, а для этого еще немножко углубимся в строение электронных орбит в атоме водорода — самого простого, но в то же время самого распространенного элемента во Вселенной.
Еще в конце XIX века ученые наблюдали, что кажущиеся непрерывными линии спектра атомов некоторых химических элементов на самом деле состоят из двух или более близко стоящих тончайших линий. Такую структуру назвали логичным словом — сверхтонкой. Наблюдать ее позволило повышение разрешающей способности оптических устройств, для чего исследователи-экспериментаторы,такие как Альберт Майкельсон, Шарль Фабри, Отто Люммер и др. шли на беспрецедентные меры, что заслуживает отдельного обсуждения.
Расщепление линий, то есть сверхтонкую структуру нельзя объяснить исходя из рассмотренных орбит электрона. Но это можно сделать, если предположить, что каждая орбита лишь кажется единой, а на самом деле является двумя или более близко расположенными. Расщепление орбиты на несколько, так сказать, и дает расщепление излучаемых линий атомом.
Далее рассмотрим лишь первую, основную орбиту электрона в атоме. Она расщепляется только на два близко расположенных подуровня. То есть электрон в основном состоянии может быть как на чуть более высокой орбите, так и на чуть более низкой.
Но что есть причина того, что электрон в основном состоянии может занимать пусть близко расположенные, но разные орбиты? Ведь разные положения предполагают и разную энергию электрона. В 1924 году Вольфганг Паули (снова физик-немец) предположил, что расщепление спектральных линий связано с взаимодействием магнитных полей атомного ядра и электронов. Откуда у них магнитное поле?
В 1925 году американцы Сэмюэл Гаудмист и Джордж Уленбек открыли наличие момента импульса у электрона, названного спином. Другими словами, с нашей обыденной точки зрения электрон вращается вокруг своей оси, хотя на деле трудно понять, что значит вращение вокруг оси точечной частицы — у точки нет направления. Магнитное поле вокруг себя создает как движущийся заряд, так и вращающийся вокруг собственной оси, т.е. у электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое должно быть у вращающегося заряженного шарика. Спин — величина, имеющая направление. Спином обладает и атомное ядро. Когда спин ядра и спин электрона сонаправлены, энергия электрона немного выше, и он расположен на чуть более высокой основной орбите. Если спины направлены в противоположные стороны, то энергия электрона ниже, и он находится на чуть более низкой орбите.
А если электрон в атоме захочет перевернуться на «другой бок»? На высокий основной уровень просто так с нижнего он перейти не сможет — энергия должна прийти извне, например, от столкновения с другим атомом или от света. Но попав туда, спустя в среднем 11 миллионов лет (сравните это со стомиллионной долей секунды при обычном переходе!) электрон «спустится» обратно на низкий основной уровень. При этом избыток энергии, как в случае и с обычными переходами, будет предан электромагнитной волне, но не свету — энергии слишком мало, а радиоволне с длиной 21 см.
Прежде чем продолжим о «волшебной» для радиоастрономии волне 21 см, хотелось бы дополнить тему сверхтонкого перехода парой других применений. Сверхтонкая структура энергетических уровней атома цезия используется в современном определении единицы времени — секунды, да и вообще, самые точные часы — атомные — используют сверхтонкий переход как принцип работы. Без них не было бы много чего, например, GPS/Глонасс в смартфоне. Ну и изучение элементарных частиц, точнее, определение их спина производится тоже путем измерений сверхтонких переходов.
Как уже отмечалось, водорода во Вселенной очень много. Часть его содержится в звездах, планетах (газовых гигантах), а часть — в виде разряженного межзвездного газа, из которого, собственно, и образуются первые (и куда возвращаются в итоге). То, что свободные атомы водорода в разреженном межзвездном газе могут излучать радиоволну при сверхтонком переходе, предсказал Хендрик ван де Холст в 1945 г. Это было большим открытием, так как оно сулило перспективу обнаружения скопления водорода, невидимого в свете. Однако ввиду редкости излучения волны каждым атомом, открытие было воспринято скептически, пока в 1948 г. Иосиф Шкловский не показал, что интенсивность этого излучения все же достаточна для обнаружения, хотя и «без излишков». 1 км³ водорода при плотности 1 атом/см³ излучает всего 3 кванта в секунду — интенсивность радиоизлучения межзвёздной среды на единицу объёма ничтожно мала. К примеру, мощность излучения всего нейтрального водорода Солнечной системы в пределах орбиты Плутона не превышает 100 Вт, из которых в антенну на Земле, конечно же, попадет ничтожнейшая доля. Однако в галактических масштабах мощность радиоизлучения нейтрального водорода становится заметной (например, мощность излучения всего нейтрального водорода нашей Галактики в десятки раз больше светимости Солнца), что позволяет обнаруживать его на галактических расстояниях.
Шкловский призывал экспериментаторов к обнаружению радиоволн от нейтрального водорода, однако, к сожалению, среди ученых в СССР это не получило особого отклика, и первенство обнаружения ушло американцам, серьезно боявшимся не успеть.
В 1951 г. Гарольд Ивен под руководством Эдварда Парцеля из Гарвардский университета впервые обнаружил линию излучения межзвездного водорода. Линией мы будем ее называть по аналогии с видимыми линиями в дискретном спектре. Вопросу открытия излучения водорода Ивен посвятили свою диссертацию. По началу он не особо и надеялся ее обнаружить — ставил целью хотя бы показать,что излучение ниже установленного предела возможностей используемой им аппаратуры.
Был Гарольд Ивен неплохим радиоинженером, и на ограниченные средства от гранта в 500 долларов смог соорудить небольшой радиотелескоп. Работал он над ним только по выходным, так как в будни был занят другими делами. Антенна была выбрана рупорная самодельная, так же Ивен впервые создал оригинальный режим работы аппаратуры, позволявшей регистрировать полезный сигнал на фоне шумов. В итоге через год после начала работ, 25 марта 1951 г. излучение водорода на длине волны 21 см было обнаружено. С этого момента история познания Галактики разделилась на «до» и «после».
О том, как в сарае повторить успех Ивена и как его открытие в итоге позволило нарисовать красочные картинки Галактики мы поговорим в другой раз, а пока отразим степень фундаментальности радиоизлучения нейтрального водорода.
Когда появился проект запуска к внешним планетам Солнечной системы первых автоматических межпланетных станций (АМС), разогнанных до третьей космической скорости (то есть впоследствии улетящих в межзвездное пространство), Карл Саган предложил прикрепить к ним послание внеземным цивилизациям. Первыми такими АМС стали «Пионер-10» и «Пионер-11», запущенные в 1972 и 1973 г., затем знаменитые «Вояджер-1» и «Вояджер-2» (1977 г.) — все они несут на борту послания.
Не вдаваясь в подробности этих посланий, подумаем над одной проблемой, вставшей перед их автором. Как передать рост человека, расстояние от Солнца и прочие линейные размеры другой цивилизации? Метры они не поймут — это величина, выбранная человечеством произвольно. Тут-то на помощь и приходит излучение сверхтонкого перехода нейтрального атома водорода — на каждом из четырех посланий есть фрагмент, задающий масштаб. В этом фрагменте схематично изображен атом водорода в двух состояниях (с параллельным и антипараллельным спином), и полоска между ними. Длина полоски задает длину излучения, равную 21 см — она и является масштабом: через длину этой полоски заданы все остальные размеры в послании.
Радиоизлучение на длине волны 21 см (частота около 1420 МГц), обусловленное сверхтонким переходом между двумя состояниями нейтрального атома водорода, различающихся взаимной ориентацией магнитных моментов электрона и протона, является универсальной физической величиной во Вселенной. Предполагается, что любая технологически развитая цивилизация, достигшая технологического уровня земной цивилизации, будет излучать в радиодиапазоне для контактов с другими цивилизациями на этой универсальной частоте.
В 1959 г. в международном научном журнале «Nature» была опубликована статья Дж. Коккони и Ф. Мориссона «Поиски межзвёздных сообщений». В этой статье было показано, что даже при тогдашнем уровне развития радиоастрономии можно было рассчитывать на обнаружение внеземных цивилизаций при условии, что они обитают на не слишком далёких от нас планетах, в планетных системах звёзд солнечного типа. С этой статьи началась программа поиска внеземного разума, названная SETI — Search for Extraterrestrial Intelligence.
В 1971 году NASA предложило взять на себя финансирование проекта SETI, но сделала это в весьма ограниченном масштабе. В рамках программы были сделаны упоминавшиеся послания «Пионеров» и «Вояджеров», произведена отправка радиосообщения с помощью телескопа «Аресибо» и проводился поиск посланий с помощью некоторых других радиотелескопов, до сих пор не увенчавшийся успехом. Лишь 15 августа 1977 г. во время работы на радиотелескопе «Большое ухо» в Университете штата Огайо был зарегистрирован сигнал «Wow!» («Ого», эмоционально назван оператором телескопа Джерри Эйманом) — практически единственный сигнал за историю человечества, характеристики которого соответствовали теоретически ожидаемым от сигнала внеземного происхождения. Ни повторные поиски, ни анализ помех так и не позволили установить источник сигнала.
Кстати, первенство в отправке радиопослания в космос принадлежит нашей стране — в 1962 г. из Евпаторийского центра дальней космической связи был отправлены слова «Мир», «Ленин», «СССР» азбукой Морзе.
В 1995 году программа SETI обратилась к частным средствам. Был основан некоммерческий Институт SETI и запущен проект «Феникс»; проект предусматривает изучение тысячи ближайших звёзд солнечного класса в радиодиапазоне. В этом проекте используются чрезвычайно чувствительные приборы, способные уловить излучение обычного аэродромного радиолокатора с расстояния в 200 световых лет. Начиная с 1995 года Институт SETI с бюджетом 5 миллионов долларов в год просканировал уже больше тысячи звёзд, но ощутимых результатов по-прежнему нет.
Астрономы из Университета Калифорнии в 1999 г. запустили в действие проект SETI@home. Идея проекта — привлечь к работе миллионы владельцев персональных компьютеров, чьи машины большую часть времени просто бездействуют. Те, кто участвует в проекте, скачивают из интернета и устанавливают на своём компьютере пакет программ, которые работают в фоновом режиме. Эти программы участвуют в расшифровке сигналов, принятых радиотелескопом. До настоящего момента к проекту присоединились 5 млн пользователей из более 200 стран мира; вместе они потратили электричества больше чем на миллиард долларов, но каждому пользователю участие в проекте стоило недорого. Это самый масштабный коллективный компьютерный проект в истории; он мог бы послужить образцом для других проектов, где требуются большие вычислительные мощности. Тем не менее до сих пор проект SETI@home также не обнаружил ни одного разумного сигнала.
Так или иначе, программа SETI продолжается. Одноименный институт к 2011 г. на частные средства даже построил первую очередь специального радиотелескопа — Телескопной решётки Аллена (ATA), наиболее подходящего для целей SETI.
О том, как соорудить свой радиотелескоп для регистрации радиоволны длиной 21 см, и о том, как с его помощью собственноручно понять, что Галактика действительно выглядит как на красочных картинках — в следующих частях.
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, и поэтому его радиолиния является как бы природным эталоном частоты, эталоном, к которому с неизбежностью должна прийти всякая развивающаяся цивилизация. Иосиф Шкловский