Текст книги "Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии"

Ясными ночами, когда солнце окончательно зашло за горизонт, мы с коллегами возвращаемся к своим телескопам и устраиваемся на ночь в теплой диспетчерской, где установлены компьютеры для управления открытием и поворотом купола, поворотами телескопа, настройкой и фокусированием зеркала, а также камерами, которые записывают данные. Сами данные собираются в цифровом виде благодаря ПЗС-матрицам, практически мгновенно появляются на компьютерах диспетчерской и сохраняются на жестких дисках сразу после их получения.

Управление телескопом почти всегда находится в руках оператора телескопа, который работает в паре с астрономом в течение всей ночи. В зависимости от обсерватории и характера конкретной работы оператору телескопа требуется астрономическое или инженерное образование (или даже оба) и серьезная подготовка: он должен хорошо понимать, как поддерживать телескоп в рабочем состоянии в самых разных условиях. Некоторые операторы в Лас-Кампанас работают там десятилетиями. Один из них, Эрман Оливарес, по совместительству профессиональный карикатурист, его работы публикуются в национальной газете и украшают стены столовой.

Карикатура Эрмана Оливареса, изображающая ветреную ночь в обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Надпись на испанском языке: «Здравствуйте! Это канадский наблюдатель у телескопа, не могли бы вы сообщить мне скорость ветра, пожалуйста?» (© Herman Olivares)

Астроном выбирает, куда направить телескоп, и обрабатывает данные после их поступления, но именно от оператора телескопа зависит, удастся ли ему все это осуществить. Оператор отвечает за состояние купола, телескопа, зеркала и инструментов: именно он подтверждает, что все работоспособно, готово открыться (или не открываться) и подготовлено к ночным наблюдениям. Астроном может изучить устройство телескопа в теории, заранее ознакомиться с конкретным оборудованием и самостоятельно справиться с такими задачами, как настройка отдельного прибора или запуск и остановка фотосъемки, но именно оператор – технический эксперт, который отвечает за фактическое управление телескопом в любой момент.

Поскольку технические проблемы находятся в умелых руках оператора, астрономам остается составлять планы наблюдений на ночь, и эти планы часто невероятно подробные. После первых моих наблюдений родственники и друзья спрашивали меня, обнаружила ли я что-нибудь новенькое за ночь. Как будто все представляли одну и ту же картину: астроном стоит у телескопа с гигантской подзорной трубой наготове, чтобы немедленно нацелить ее в небо при первых же признаках чего-то неожиданного, например потрясающего взрыва звезды или прилета кометы. Хотя неожиданности иногда и случаются, гораздо более типичная ночь наблюдений – когда астроном приходит с тщательно разработанным планом, в котором точно указано, как он собирается провести ближайшие восемь часов, в соответствии со списком объектов, отсортированных по важности, или яркости, или расположению на небе, и подробно расписанный порядок наблюдения каждого из них.

Чтобы навести телескоп на конкретный объект, обычно выбирают его из списка небесных координат, заранее предоставленного астрономом. Затем оператор дает куполу команду повернуться, телескопу – вращаться и маневрирует этими двумя гигантскими монстрами, пока компьютеры обсерватории не сообщат, что они направлены в нужное место на небе.

Из-за этого метода – вводишь координаты, а телескоп сам находит искомый объект – появилось самое удручающее несоответствие между реальными возможностями астрономов и представлениями наших друзей: мы не в состоянии почти ничего распознать на небе без телескопа.

Правда, некоторым это все-таки удается (обычно преподавателям на вводных лабораторных занятиях по астрономии либо тем, кто в детстве очень любил рассматривать звездное небо), но, как правило, максимум, на что мы способны, – это отыскать наиболее известные созвездия, припомнить различия между летними и зимними созвездиями и наудачу предположить, какие планеты могут быть видны на небе. К сожалению, очень многие считают, что астроном должен быть ходячей энциклопедией звездного неба. Мне не раз приходилось разочаровывать людей, которые спрашивали, как называется такая-то звезда, и получали в ответ невразумительное «э-э-э», или друзей, которым я на вопрос, что это там виднеется за планета, говорила: «Ну, не знаю, может, Юпитер?» В защиту астрономов скажу, что компьютеры телескопов уже на световые годы обгоняют нас в этой области, потому что способны с помощью орбитальной динамики и длиннющих уравнений определить положение звезд на небе с точностью, намного превышающей все, что мы можем различить невооруженным глазом. Тем не менее для большинства людей становится полной неожиданностью, что многие астрономы почти ничего не могут найти в небе этим самым глазом.

Телескоп почти идеально наводится автоматически на нужную точку в небе, остается лишь немного скорректировать его положение, чтобы направить именно туда, куда вам нужно, прежде чем начать съемку. Телескоп, наведенный на желаемый участок, начинает посылать изображения с небольшой направляющей камеры – она закреплена на телескопе и делает серию быстрых снимков, чтобы оператор и астроном могли посмотреть, куда направлен телескоп. У астронома обычно наготове карты неба (распечатанные из обширных цифровых архивов или сохраненные на ноутбуке), чтобы сравнить то, что он ожидает увидеть, с тем, что видит на самом деле. Как правило, это превращается в игру «найдите десять отличий» и сопровождается множеством интересных наклонов головы. Не раз я ловила себя на том, что поворачиваю распечатку или ноутбук под странными углами в соответствии с ориентацией телескопа и пытаюсь решить, вижу ли я именно этот треугольник звезд, указывающий, что мой объект находится поблизости. Трудность еще и в том, что тусклые объекты часто не фиксируются при быстрой съемке направляющей камерой и появляются только в реальных данных, после гораздо более длительной выдержки. Так что лучше потратить несколько минут на то, чтобы перепроверить и скорректировать положение телескопа, чем обнаружить, что он два часа снимает не то, что нужно. Напрасно тратить телескопное время и так уже почти преступление, но наблюдать не тот объект – это еще хуже, чем не наблюдать вовсе.

Разумно проводить время у телескопа важно не только с научной, но и с финансовой точки зрения. Строительство телескопа обходится дорого, иногда в сотни миллионов долларов: на эти деньги обустраивают местность, обычно удаленную, возводят все здания обсерватории и, разумеется, изготавливают огромные, тщательно отполированные зеркала и современные научные приборы, из которых состоит сам телескоп. Функционирование телескопа также требует больших вложений, от зарплаты персонала до электроснабжения. Большинство обсерваторий финансируется за счет грантов и средств, предоставляемых университетами, исследовательскими консорциумами и такими организациями, как НАСА и Национальный научный фонд. Астрономы, которым выделяют ночи для наблюдений, как правило, не платят за эту привилегию из своего кармана. Тем не менее стоимость одной ночи на телескопе часто приводят, чтобы наглядно показать, насколько ценно телескопное время. Если учитывать как затраты на строительство, так и текущие эксплуатационные расходы, то эксплуатация лучших мировых телескопов обходится от 15 000 до 55 000 долларов за ночь, при этом их единственная прибыль – это научные успехи, которые становятся возможны благодаря им.

Ограниченное время сеанса, внушительная стоимость ночи, особая ценность чистого ясного неба, список объектов для наблюдения – все это делает процесс наблюдения ощутимо волнующим и даже тревожным. Крайне важно переключаться с одного объекта на следующий как можно быстрее, чтобы приступить к сбору данных, не теряя ни секунды, и в то же время нельзя пожертвовать точностью. Из-за этого астроном-наблюдатель часто нервничает, спеша проверить положение телескопа. Но в конце концов мы, несмотря на тиканье часов и бешено колотящееся сердце, убеждаем себя, что наверняка совершенно точно смотрим на нужную точку в космосе и можно открывать затвор камеры и приступать к записи данных. И тогда телескоп фиксирует свою цель и плавно следует за ней, пока планета вращается, а мы ждем, когда съемка завершится, чтобы снова начать все сначала.

Когда съемка заканчивается, на экран приходят долгожданные данные с телескопа, и выглядят они… прямо скажем, ужасно. Великолепные разноцветные изображения галактик, сверкающих звезд и газовых пузырей получаются только после серьезной обработки. Но в кино их показывают уже «готовыми», поэтому, кстати, желающих посмотреть на настоящие научные снимки часто ждет огромное разочарование. На самом деле астрономам не приходится видеть ярко-красные стрелки и мигающие оповещения на экране, которые сообщали бы: «Обнаружена новая звезда!», «Зафиксирован рекордный уровень плутония!» или вообще: «О боже, мы все умрем!» – разве что какой-нибудь предприимчивый ученый напишет код и удобный пользовательский интерфейс, которые позволят автоматически сделать все это на необработанных данных.

Фиксация данных в астрономии, грубо говоря, сводится к двум способам: визуализации и спектроскопии. Визуализация в данном случае означает фотографирование ночного неба. Обычно мы делаем снимки с помощью фильтров, которые строго контролируют длину волны получаемого излучения, позволяя только синему, зеленому или красному свету проходить через камеру телескопа к детектору. Это позволяет нам очень точно фиксировать, сколько света излучает звезда в определенном узком диапазоне длин волн. Делая снимки в нескольких диапазонах длин волн, а затем комбинируя их, мы получаем прекрасные цветные изображения и с помощью этих данных можем многое узнать об изучаемом объекте. Подобные изображения позволяют увидеть форму галактики, распределение газа в туманности, степень яркости звезды и точное положение всех этих объектов на небе.

Спектроскопия значительно менее фотогенична, но не менее эффективна с научной точки зрения. Микроскопически выровненная отражающая поверхность или призма автоматически раскладывает свет, полученный от объекта, на волны разной длины. (Хороший пример – эффект радуги, который можно увидеть на обороте компакт-диска.) Синий свет с самой короткой длиной волны направляется в крайнюю левую часть ПЗС-матрицы, свет с наибольшей длиной волны – в правую часть, а промежуточные длины волн распределяются посередине. Разложение света и затем определение, сколько его мы получаем на каждой длине волны, даст нам спектр объекта; это делает прибор под названием спектрограф, который, по сути, делает снимок спектра. Спектр прекрасно позволяет анализировать химический состав объекта, поскольку свет, поглощаемый или излучаемый определенными молекулами или атомами, имеет точно известную длину волны. Самый яркий свет от водорода будет казаться желтоватым, ионизированный кислород дает голубой цвет, ионизированный кальций образует три красные линии, а совокупный спектр любого объекта можно считывать как уникальный отпечаток пальца, дающий краткое представление о физических свойствах и химическом составе любого наблюдаемого объекта. С помощью спектра также можно измерить, с какой скоростью объект движется в пространстве и вращается, или даже определить, как далеко он находится.

Данные визуализации и спектроскопии требуют серьезной последующей обработки, прежде чем можно будет извлечь из них научную информацию. Необработанные данные на ПЗС перекрывает какофония бесполезных данных. Электрические помехи от детектора, свет от луны и нашей собственной атмосферы, который телескоп уловил вместе с наблюдавшейся звездой, и даже такие мелочи, как рассеянные тепловые сигнатуры или сверхчувствительный (или недостаточно чувствительный) пиксель на ПЗС-матрице, – все это застилает реальные данные туманом плохих сигналов. Для решения этой проблемы проводится редукция данных, то есть сокращение их объема, что позволяет вычистить все лишнее и добраться до научных данных, которые нам действительно необходимы. Это требует невероятной точности: важно не выбросить полезный сигнал и не оставить в данных мусор, а при этом еще и сохранить целостность данных. Публикацию красивых астрономических изображений неспециалисты иногда встречают недовольными комментариями: «Это же все обработано!» Естественно, все обработано – как палеонтологи, склонившись над хрупкими останками динозавра, показавшимися из земли, бережно счищают с них грязь и песок крошечными кисточками, чтобы обнажить окаменелую кость, так и мы удаляем с наших данных электронный «песок», чтобы увидеть все четко и ясно.

Все вышесказанное означает, что открытия редко совершаются непосредственно у телескопа: как правило, данные требуется тщательно изучить, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы. Тем не менее опытные астрономы могут быстро выполнить предварительную редукцию прямо у телескопа, чтобы сразу оценить, какие данные удалось получить. Именно здесь проявляется преимущество цифровых данных: вместо того чтобы трястись над единственной стеклянной фотопластинкой, как над хрупкой костью динозавра, астрономы могут позволить себе роскошь просто скопировать данные в отдельный файл, а затем, продолжая аналогию, обдуть нашу кость динозавра из садового пылесоса, то есть быстро прогнать полученные данные через программное обеспечение, которое тут же уберет столько мусора, что можно будет сразу предварительно оценить результат наблюдения. Это бесценно, потому что дает нам возможность проверять наши данные практически в реальном времени и при необходимости корректировать время съемки и настройки телескопа, чтобы улучшить результат наблюдения, а значит, и научные данные.

Астроному, который хорошей ночью сидит за исправно работающим телескопом, легко включиться в простой и радостный ритм, переходя от объекта к объекту в строгом соответствии со списком и даже успевая между перемещениями телескопа по-быстрому делать редукцию данных, чтобы убедиться, что он на правильном пути. Астроном Майк Браун метко назвал этот вид деятельности «самой захватывающей скучной работой в мире»[3]3
  Michael Brown, интервью автору, 24 июля 2018.


[Закрыть], и это удивительно точно. Хорошая ночь наблюдения может быть очень скучной, когда все идет по плану.

В то же время трудно полностью отрешиться от того, что вы занимаетесь астрономией. Файлы, которые вы спокойно копируете на ноутбук, чтобы затем порыться в них, состоят из нулей и единичек, порожденных попаданием фотонов на ПЗС-матрицу, прикрепленную к задней панели огромного телескопа, гудящего у вас над головой посреди глухой пустыни. Эти фотоны, возможно, вырвались с окраин галактики или внешних слоев далекой звезды миллионы лет назад и все это время мчались в космосе сквозь межгалактические пустоты и мимо далеких туманностей, чудом избегая столкновений с другими объектами, будь то гигантские звезды или крошечные межзвездные пылинки. И в конце своего пути эти фотоны пробились сквозь атмосферу Земли, из всех возможных мест на планете упали именно на зеркало вашего телескопа, многократно отразились и в итоге попали в камеру – чтобы вы могли чуть больше узнать о том, откуда они прилетели.

В следующий раз, когда посмотрите на небо, вспомните, что такой же путь совершает свет от каждой звезды, на которую вы смотрите, прежде чем попасть вам в глаза.

Путешествие фотонов и грандиозные тайны Вселенной, на которые они проливают свет, – волнующая и захватывающая история. Эту романтическую идею хорошо держать в голове, когда вы готовитесь провести ночь за наблюдением.

На романтике можно продержаться часов до трех ночи. Как правило, дальше вы уже мысленно посылаете подальше всю красоту Вселенной и начинаете задаваться вопросом, действительно ли небесный свет так же прекрасен, как мягкая подушка.

В последние часы наблюдения в голове уже туман, особенно если это первая ночь из серии наблюдений (03:00 первой ночи – именно тот час, когда блеск в глазах исчезает у любого впервые ведущего наблюдение студента и он начинает жадно поглядывать на ближайшую плоскую поверхность). Ночь кажется длинной и нескончаемой, а Вселенная как-то слишком нависает над головой, пока вы с хмурым лицом продираетесь сквозь свой план. Все хуже получается анализировать данные и все лучше – читать книгу, блуждать по интернету или болтать с коллегами обо всем подряд. Многие наблюдатели работают небольшими группами, и разговоры у телескопа в три часа ночи ничем не отличаются от любого разговора, происходящего в три часа ночи в любом другом месте между людьми, ошалевшими от недосыпа: то произносится много лишнего, то нить беседы теряется, то все замолкают, осоловело моргая.

В том числе из-за ночного тумана в голове крайне важно выбрать подходящую музыку для сеансов наблюдения. Почти каждый астроном скажет, что правильная музыка – критически значимый компонент процесса наблюдения, вплоть до того, что саундтрек становится чуть ли не талисманом. У многих наблюдателей есть музыка, которую они слушают только за телескопом, или плейлисты для разных этапов ночи. Как правило, чем позже становится, тем более энергичную музыку они предпочитают, и тот, кто в начале ночи ставит Боба Дилана, с приближением рассвета переходит на AC/DC.

Хотя некоторые просто включают Spotify и надевают наушники, особенно когда ведут наблюдение в одиночку, но существует традиция составлять общий плейлист, который все вместе слушают в теплой комнате. При работе в группе всегда нужно придумать, как угодить разным вкусам и в правильных пропорциях подобрать музыку, которая нравится всем, и менее известную музыку «для расширения кругозора». Что касается первой, то наблюдатели обычно вместе подпевают ариям из оперетт Гилберта и Салливана, операторы радостно притопывают в такт, когда астрономы ставят ритм-энд-блюз из семидесятых или Брюса Спрингстина, и все вместе торжественно включают на полную громкость Radiohead или музыкальную тему из «Звездных войн», когда открывается купол. Что же до музыки «для расширения кругозора», то я благодаря этой традиции в ночи первых своих наблюдений открыла для себя жанр фолк в лице группы Indigo Girls и Юты Филлипса, а один мой друг выучил весь репертуар раннего Луи Армстронга, потому что его научный руководитель на сеансах наблюдения ставил исключительно подборку армстронговских альбомов «Hot Fives And Sevens».

Впрочем, не всегда с музыкой все так благополучно. Один астроном в шутку доводил своего друга, типичного байкера, работавшего оператором телескопа, заунывной балладой Feelings Морриса Альберта – мало того, что сам астроном включал ее на каждом сеансе наблюдения, он еще и подговорил других наблюдателей делать то же самое. А астроном Дара Норман рассказала, как однажды вела наблюдение в группе с несколькими другими астрономами, и каждый из них по очереди подбирал музыку; она решила встряхнуть коллег и добавила в плейлист пару вещей Джея Хокинса по прозвищу «Вопящий» (пионера шок-рока с элементами вуду), но первая композиция заиграла, когда ее самой не было в комнате, и по возвращении Дару встретили весьма озадаченными взглядами.

Есть и музыкальные суеверия: например, некоторые всегда начинают с определенной песни или жанра, которые, по их мнению, «притягивают» хорошую погоду, либо всегда заканчивают ночь одной и той же музыкой. Впечатляет широкий диапазон музыкальных вкусов астрономов. (Также стоит отметить, что астрономов с музыкальными наклонностями неожиданно много: начиная от любителей побренчать по вечерам и заканчивая астрономом и рок-звездой Брайаном Мэем, гитаристом группы Queen.) Единственное, в чем сходятся все астрономы, которых я спрашивала о музыкальном сопровождении наблюдений, так это что нельзя доверять тем, кто всю ночь ставит только нежную классику (от которой засыпаешь), и тем, кто вообще не слушает музыку.

Благодаря кофе, нескольким последним кусочкам интересных данных и разумной дозе хеви-метала удается продержаться до конца ночи – а ночь астронома заканчивается, когда солнце уже почти показалось на небе. Возвращение в общежитие обсерватории – это всегда немного сюрреалистично. Не важно, насколько разбитым вы себя чувствовали в последние пару часов ночи, на обратном пути вы всегда немного возбуждены. У вас благополучно прошла ночь, вас ждут новые захватывающие данные, и, когда вы идете или едете в общежитие, вы поневоле обращаете внимание на то, как просыпается мир вокруг. В комнате общежития вы задергиваете жизненно необходимые астроному светозащитные шторы (лучшие из них закрывают все окно не хуже металлических ставней и не пропускают внутрь ни единого лучика) и падаете в постель, пытаясь убедить мозг, что пора спать. Пять или шесть часов спустя вы просыпаетесь в полдень, чтобы либо сесть на автобус, идущий с горы обратно в аэропорт, либо заново начать готовиться к наблюдению.

Именно такой должна была стать та ветреная ночь в Лас-Кампанас, но я продолжала сидеть в закрытом куполе вместо того, чтобы перескакивать с объекта на объект, загружать данные и прогонять их через программу под ласковый голос Джеймса Тейлора. Я сидела и сердито смотрела на датчик скорости ветра.

Я покинула обсерваторию еще затемно, а это всегда плохой знак. В 4:30 мы с оператором сошлись на том, что на сегодня с нас хватит. Ветер не собирался стихать, и, даже если бы это произошло, у нас уже не осталось времени открыть купол, настроить телескоп и нацелиться на объект так, чтобы получить хоть какие-то полезные данные до восхода солнца. На этом мое время наблюдения закончилось. Из-за ветра над чилийскими Андами вышло так, что я преодолела 8000 километров ради того, чтобы две ночи просидеть в закрытом куполе, глядя на нетронутый список объектов и понимая, что мое единственное время у телескопа за целый год буквально унесло ветром.

Я зашагала по дороге, бросив последний грозный взгляд через плечо на телескоп, все еще уютно, как в раковине, запечатанный в куполе, в то время как я боролась с ветром, дергавшим меня за куртку и джинсы. Я проделала весь путь напрасно.

Через несколько шагов я начала замечать окрестности. Луны не было – я запросила (и потеряла) две ночи темного времени суток для наблюдений, – и купола маячили тенями позади, но почему-то я могла смутно разглядеть дорогу под ногами. Столовая и общежития вдалеке были погружены в кромешную тьму; я была слишком далеко, чтобы различить низко висящие над дорожками неяркие красные фонари, благодаря которым можно добраться из здания в здание, не нарушая адаптацию зрения к темноте. Однако я различала здания, и изгибы гор вокруг меня, и еле видные очертания высоких предгорий на востоке. Ночи полагалось быть совершенно темной, и я не сразу осознала, почему вообще что-то вижу в этот час. А когда осознала – встала как вкопанная.

Я видела все при свете звезд.

Буйство звезд над головой по ночам в Южном полушарии впечатляет, особенно тех, кто привык к северному небу. Из-за наклона земной оси жители северной половины планеты видят окраину нашего Млечного Пути, те же, кому посчастливилось оказаться на юге, смотрят прямо на усеянный звездами центр нашей Галактики. Через южное небо тянется дугой блестящая лента галактического света. Звезды нашей Галактики настолько близко расположены друг к другу и ярки, что легко увидеть, где их заслоняют межзвездные облака – скопления газа, закрывающие от нас свет миллионов звезд, – которые инки-звездочеты называли «темными созвездиями» и видели там, например, жабу, охотящуюся лису и ламу с детенышем.

А учитывая, что на вершине с обсерваторией, вдали от шоссе и городов, в интересах науки предписывается поддерживать полную темноту, отсюда зрелище южного неба не просто красиво, а захватывает дух. Даже за пределами сверкающего потока Млечного Пути звезд так много, что кажется, будто небо заполнено ими до отказа. В местах с большим световым загрязнением мы можем мысленно соединить видимые звезды в созвездия, а пространство между ними кажется нам пустым; но чем темнее становится, тем больше звезд мы можем различить в этих «пустых» местах. А когда ночью так темно, как в Лас-Кампанас, то видно столько звезд, что небо обретает глубину. Яркие звезды, льющие на нас фотоны, видны сразу, менее яркие, более тусклые и совсем тусклые как будто находятся на разных уровнях, а еще дальше, за ними, угадываются среди темноты еще более далекие звезды. А еще здесь можно различить цвет звезд, который в других местах почти не заметен невооруженным глазом. Холодные бело-голубые, нежно-желтые и бледные оранжево-красные, они похожи на драгоценности, рассыпанные из шкатулки.

Не знаю, как долго я стояла там, запрокинув голову, затаив дыхание и застыв перед Вселенной. Может, минуту, а может, час. Ветер продолжал хлестать, но звезды надо мной удерживали меня на месте.

Вот и ответ. Вот что меня сюда привело.