Текст книги "Астрономия за 1 час"

1.5. Инструменты астрономов: эволюция телескопов и новейшие методы дистанционного изучения космоса

Телескоп, созданный Галилеем, представлял собой простую трубку с линзами, которая позволяла приближать объекты в несколько раз. Приборы такого типа позже стали называть рефракторами. Сегодня нечто подобное телескопу Галилея можно увидеть в театре – театральные бинокли очень похожи на первые образцы, сделанные в XVII в. Галилеем.

Первые усовершенствования телескопа касались его размеров. Сначала он «рос» в ширину, астрономы пытались увеличить приближение объектов, используя более крупные линзы. Главным недостатком рефракторных телескопов была хроматическая аберрация – размытость, нечеткость изображения и появление на нем цветных пятен и полос. Чтобы ее уменьшить, телескопы стали делать более длинными; приборы могли достигать нескольких десятков метров. Революционное решение проблемы четкости нашел Исаак Ньютон: вместо собирающей свет линзы он стал использовать зеркало. Так в начале XVIII в. появился рефлекторный телескоп.

В конце XVIII в. были созданы двухлинзовые объективы для рефракторов, и проблема хроматической абберации была решена. Следующий прорыв состоялся через 100 лет, когда для зеркала рефлекторов стали использовать стекло. Это позволило строить телескопы с огромными зеркалами, дающими значительное увеличение. Начало XX в. ознаменовалось строительством крупных обсерваторий по всему миру, диаметр телескопов-рефлекторов в них достигал 2,5 м.

Новые приборы привели к новым открытиям. Картина Вселенной значительно расширилась: астрономы увидели, что на небе не тысячи, как считалось ранее, а миллиарды звезд; все они являются частью галактики Млечный Путь, на окраине которой, в одном из спиральных рукавов, находится наша Солнечная система. И подобных галактик во Вселенной огромное количество.

Крупнейший на сегодняшний день телескоп-рефлектор находится в России, на Северном Кавказе. Он работает с 1976 г., диаметр его зеркала составляет 6 м. Самый большой телескоп в мире имеет зеркало диаметром чуть больше 10 м, он был установлен на горной вершине одного из Канарских островов в 2007 г. Как и в других современных рефлекторах, в нем использована адаптивная оптика, устраняющая искажения, и трансформируемая система зеркал.

В планах ученых строительство в 2020 г. грандиозного сооружения – Гигантского Магелланова телескопа. В его системе будут присутствовать семь зеркал, каждое из которых будет весить около 20 тонн и иметь диаметр больше 8 метров. При помощи этого мощнейшего за всю историю астрономии телескопа планируется найти ответ на многие загадки Вселенной, включая темную материю и темную энергию.

Современные рефракторы мало отличаются от своих двухлинзовых предшественников, правда для изготовления линз сейчас используется улучшенное оптическое стекло, что дает возможность поднять качество изображения на довольно высокий уровень. Среди рефракторов нет гигантов, подобных самым крупным рефлекторам, так как изготовить стеклянную линзу диаметром больше метра затруднительно.

Кроме рефлекторов и рефракторов существует и компромиссный вариант оптического телескопа – зеркально-линзовые системы. Зеркало используется в них для фокусировки излучения, линзы – для коррекции изображения. Такие телескопы применяются преимущественно в астрометрии – разделе астрономии, который занимается определением местонахождения небесных объектов.

До появления радиоастрономии ученые исследовали космос лишь в видимых лучах спектра. Радиотелескопы, появившиеся в середине XX в., позволили исследовать электромагнитное излучение космических объектов, в том числе и очень удаленных, в диапазоне радиоволн. Строение радиотелескопа напоминает строение подобного оптического прибора, только вместо зеркала или линзы, собирающих свет, в нем используется антенна, собирающая электромагнитные волны. Существует мнение, что это замечательное изобретение помогло астрономам совершить столько же открытий, сколько было совершено за все предыдущие века.

Благодаря радиоастрономии стало возможным исследование межзвездного газа и галактических ядер, сверхновых звезд и пульсаров и многих других тайн космоса.

Кроме радиоволн, существуют и другие виды электромагнитного излучения, и каждый из них используется для исследования космоса. Инфракрасная астрономия анализирует инфракрасные лучи, приходящие из глубин Вселенной. Так как значительная их часть поглощается атмосферой нашей планеты, приборы, работающие в данном диапазоне, обычно размещают на спутниках. Инфракрасные телескопы особенно эффективны для изучения холодных объектов – остывающих звезд, планет, расположенных за пределами Солнечной системы, космических молекулярных облаков, газопылевых звездных дисков.

Приборы, фиксирующие ультрафиолетовое излучение, применяются для изучения соответствующего спектра космических лучей. С их помощью можно получить информацию о плотности, температуре и химическом составе объекта. Ультрафиолетовая астрономия занимается в основном наблюдением за далекими звездами и галактиками.

Основные источники рентгеновского излучения в космическом пространстве – это нейтронные звезды, квазары (активные ядра галактик), остатки сверхновых, скопления галактик и черные дыры. Для их исследования применяют рентгеновские телескопы. Так как земная атмосфера является препятствием для прохождения этого вида лучей, место их работы – искусственные спутники Земли.

Астрономию нашего времени часто называют всеволновой – потому что она может исследовать все известные виды излучений, приходящие к нам из космоса, а также внеатмосферной – потому что значительная часть исследований проводится за пределами земной атмосферы. Телескопы, установленные на различных видах космической техники, ежедневно обогащают наши знания о строении Вселенной.

1.6. Все не так просто: модели Вселенной от Эйнштейна до теории струн

Классическое учение о Вселенной времен Ньютона рассматривало мироздание как нечто статичное. Астрономы исследовали звезды, планеты и другие небесные тела, их образование, движение, перемены, происходящие с ними. Но о том, что сама Вселенная тоже имеет определенные стадии развития, они не задумывались.

Вопрос об эволюции Вселенной возник после открытий Эйнштейна. В 1917 г. он впервые опубликовал работы, посвященные общей теории относительности, согласно которой гравитацию создает само пространство-время, она является его геометрическим свойством. Общая теория относительности Эйнштейна содержала в себе уравнение тяготения, которое можно было решить разными способами – это и породило множество моделей Вселенной.

Первую модель предложил сам Эйнштейн в том же 1917 г. в статье «Космологические соображения к общей теории относительности». Согласно этой модели, Вселенная однородна, ее физические характеристики не зависят от направления, распределение материи осуществлено равномерно, силу притяжения (гравитацию) компенсирует сила отталкивания. В модели Эйнштейна Вселенная все еще оставалась стационарной, он даже ввел в свою теорию космологическую постоянную.

Некоторое время эта модель казалась приемлемой, но новые открытия самого автора заставили ученых взглянуть на проблему по-другому. Вскоре голландский астроном Биллем де Ситтер представил научному миру свой вариант решения уравнения тяготения. Этот вариант оставался приемлемым, даже если во Вселенной вовсе не было материи. С появлением материи и, следовательно, массы, происходило отталкивание, что вело к расширению системы.

Идею о расширяющейся Вселенной развил советский ученый Александр Фридман. Он создал теорию нестационарной Вселенной и обнаружил, что модель стационарной Вселенной Эйнштейна является ее частным случаем. Таким образом Фридман доказал, что общая теория относительности вовсе не подразумевает конечности пространства, как считалось ранее. Из расчетов Фридмана следовало: так как Вселенная расширяется, должно наблюдаться красное смещение (сдвиг линий спектра химических элементов в сторону длинных волн красного цвета), пропорциональное расстоянию. Этот эффект был обнаружен Эдвином Хабблом в 1929 г., таким образом теория расширяющейся Вселенной получила экспериментальное подтверждение.

Эйнштейн, который поначалу не соглашался с выкладками Фридмана, позднее признал свою неправоту и назвал космологическую постоянную, введенную в уравнения, своей самой большой ошибкой. В настоящее время, с появлением понятия темной энергии, ученые вернулись к этой постоянной. Возможно, она позволит объяснить сущность этого загадочного явления.

Следствием решения уравнений Фридмана могут быть три варианта. В первом варианте средняя плотность материи равна некоторой критической величине; Вселенная, которая поначалу была точкой, постоянно расширяется. Пространство в этой модели плоское, его можно описать геометрией Евклида (элементарной геометрией), и бесконечное. Расширение Вселенной будет вечным, но в бесконечном удалении его скорость будет приближаться к нулю.

Во второй модели плотность и излучение Вселенной меньше критических. Пространство в этом случае также будет бесконечно расширяться, это расширение никогда не закончится и не уменьшится; скорости удаления галактик не будут стремиться к нулю. Пространство в этой модели обладает кривизной и описывается геометрией Лобачевского: параллельные прямые в этом варианте Вселенной могут пересекаться.

Третье решение уравнений Фридмана приводит к модели Вселенной, где средняя плотность вещества больше критической. В этом случае расширение Вселенной, имеющее место в настоящий момент, когда-нибудь закончится и сменится сжатием, что в конечном итоге закончится сингулярной точкой (точкой с бесконечной плотностью и температурой). Это состояние, в противоположность Большому взрыву, называют Большим хрустом. Пространство третьей модели Вселенной, конечно, обладает положительной кривизной и по форме близко к трехмерной гиперсфере. Его закономерности описывает сферическая геометрия Римана: параллельные прямые в этом пространстве невозможны.

На сегодняшний день большая часть ученых считает наиболее вероятной первую модель Вселенной, так как средняя плотность вещества, по последним данным, меньше критической. Но вполне вероятно, что при исследованиях были учтены не все виды материи, и данные о плотности могут со временем измениться.

Для описания зарождения развития Вселенной была создана теория Большого взрыва. Согласно этой теории, Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности: она была сжата в точку с бесконечной плотностью, ее размеры равнялись нулю. Что было до этого и почему произошел «взрыв» – неизвестно, математический аппарат теории Большого взрыва не позволяет рассмотреть состояние, предшествовавшее сингулярности.

Большой взрыв – это стремительное, практически мгновенное расширение пространства до бесконечности.

С первых мгновений своего существования Вселенная начала остывать и расширяться, этот процесс продолжается до сих пор. Концентрированная энергия постепенно преобразовалась в вещество, которое под действием закона тяготения и других сил сформировало все объекты Вселенной. По приблизительным расчетам астрономов, возраст нашей Вселенной составляет около 13 миллиардов лет.

Наибольшее распространение получила модель Вселенной, где теория Большого взрыва объединена с теорией горячей Вселенной. То есть температура в момент мгновенного расширения была очень высокой. Но существует и другая модель – холодного Большого взрыва. Согласно ее постулатам, расширение происходило при абсолютном нуле температуры.

Несмотря на то что теория Большого взрыва считается общепринятой, в ней имеется множество нерешенных вопросов и проблем. Для ответов на некоторые из них была создана инфляционная модель Вселенной. Она рассматривает очень короткий промежуток времени сразу после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем впоследствии. Согласно этой теории, на очень ранних стадиях своего существования Вселенная обладала полями, создающими инфляционное расширение.

В результате развития инфляционной модели появились так называемые «теории всего», или единые теории поля, – попытки объединить физику и математику и в нескольких формулах описать все мироздание. В первую очередь, должны быть описаны фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (удерживающее элементарные частицы внутри атома) и слабое ядерное (проявляющееся в реакциях радиоактивного распада). Кроме того, в рамках «теории всего» необходимо объяснить существование всех элементарных частиц и построить теорию квантовой гравитации, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику.

На звание единой теории есть несколько претендентов, и первый из них – теория струн. Главный объект изучения этой теории находится глубоко внутри атома. Ядро каждого атома состоит из нейтрально заряженных нейтронов и положительно заряженных протонов. Они, в свою очередь, состоят из мельчайших частиц, кварков, имеющих множество разновидностей. Теория струн предполагает, что микроскопические элементарные частицы представляют собой струны, находящиеся в состоянии постоянного колебания. Таким образом, то, что в традиционной физике считается траекторией движения частиц, сторонники теории струн считают траекторией колебания струны.

Математические расчеты показали, что теория струн работает только в том случае, если предположить, что вместо привычных трех или четырех измерений существует десять: девять пространственных и одно временное. «Лишние» измерения существуют лишь на квантовом уровне, в свернутом в микроскопических масштабах виде. Астрономы и математики пытаются применить теорию струн к моменту зарождения Вселенной, и это приводит к неожиданным результатам. Получается, что в момент Большого взрыва Вселенная должна была иметь какой-то минимальный размер (в стандартной модели он был нулевым). Кроме того, большое количество пространственно-временных измерений меняет картину эволюции Вселенной, и это требует объяснений. Более современная модификация теории струн называется теорией суперструн, она имеет пять вариантов, отличающихся видами суперсимметрии, связывающей элементарные частицы.

Альтернативой теории струн и суперструн является теория бран, или М-теория. Брана – это многомерная мембрана, базовая составляющая теории. Согласно данной теории, пространство-время пятимерно, оно состоит из четырех пространственных измерений и одного временного. Область четырехмерного пространства ограничена двумя три-бранами – стенами трехмерных пространств. Одна из таких стен и есть наше привычное мироздание. Между двумя стационарными стенами есть одна блуждающая, в тот момент, когда она столкнулась с нашей стеной, и произошел Большой взрыв.

Среди современных космологических теорий стоит отметить циклические, которые гласят, что Большой взрыв – это не рождение Вселенной из небытия, а одна из стадий ее существования. Вселенная расширяется до определенного предела, потом начинается сжатие, доходит до точки сингулярности, после чего снова следует Большой взрыв.

Часть II. Победа над силой тяготения: человек в космосе

2.1. Мечты о космосе: летательная машина Николая Кибальчича и «ракетные поезда» Константина Циолковского

С тех пор как люди поняли, что звезды и планеты – это не светящиеся точки, перемещающиеся по сферическому небосводу, а огромные космические тела, они стали мечтать о путешествиях за пределы Земли. Поначалу эти идеи относились к области фантастики, но уже в XIX–XX вв. появились разработки, близкие к тем, которые позволили осуществить запуск космических аппаратов.

Еще Иоганн Кеплер, первооткрыватель законов движения планет, мечтал о полете на Луну. Своей мечте астроном посвятил книгу «Сон». Об этом же писал французский поэт Сирано де Бержерак. Для запуска на спутник Земли он предлагал использовать ящик с пороховыми ракетами – так сочинитель XVII в. предвосхитил будущие открытия покорителей космоса. Первое правдоподобное описание внеземного путешествия предложил Жюль Берн в своих романах «С Земли на Луну» и «Вокруг Луны». Писатель был знаком с основами физики и небесной механикой Ньютона, поэтому читатели сразу поверили, что полет на Луну возможен.

Приблизительно в то же время, когда Жюль Берн писал свои фантастические книги, инженеры и изобретатели придумывали реальные способы подняться в космос. Российский военный инженер Третский, служивший на Кавказе, в 1849 г. представил в армейский комитет рукопись с описанием трех разных видов аэростатов, управляемых сжатым воздухом, газом и пороховыми ракетами. Его расчеты были убедительными, но эксперты их отвергли, посчитав саму идею фантастической.

Еще один военный, адмирал русского флота Николай Соковнин, в 1860-х гг. придумал реактивный дирижабль. В своей книге «Воздушный корабль» он писал: «Воздушный корабль должен летать способом, подобным тому, как летит ракета». Роль реактивной струи в двигателе, придуманном Соковниным, выполнял воздух, который засасывался из атмосферы и сжимался при помощи дополнительно установленного двигателя. Эта схема очень близка к современному турбореактивному двигателю, применяемому в авиации.

Совсем другой подход к вопросу полетов был у артиллерийского офицера Николая Телешова. Это изобретение позже назвали «ракетоплан», а сам он называл его «система воздухоплавания». В то время, когда самолетов и понятия о них не существовало в принципе, Телешов разработал прообраз современного по форме и внутреннему наполнению летательного аппарата с воздушно-реактивным двигателем. Российская Академия наук и Военное министерство отклонили проект Телешова, и он запатентовал свое изобретение во Франции и Великобритании.

Сергей Неждановский был еще одним российским инженером, чьи изобретения опередили свое время и не были поняты современниками. Он предлагал использовать для полетов взрывчатое вещество. «Продукты его горения извергаются через прибор вроде инжектора, – писал Неждановский. – Раструб, выпуская воздух с наивыгоднейшей скоростью, достигает экономии в горючем материале и увеличивает время полета». В другом проекте Неждановский обращался к весьма прогрессивной идее жидкостного реактивного двигателя – подобная схема применяется в современных ракетах.

Изобретателем первого ракетного летательного аппарата считают Николая Кибальчича.

Кибальчич не приспосабливал ракету к уже существующим воздушным средствам передвижения, как это делало большинство его предшественников, а создал оригинальный, полностью ракетный корабль. Свой проект Кибальчич писал в тюрьме, в 1881 г., за несколько дней до казни. Он был революционером и состоял в террористической группировке организации «Земля и воля». Знания, полученные во время учебы в Институте инженеров путей сообщения и в результате самостоятельного обучения, Кибальчич использовал для изготовления взрывчатых веществ. При помощи его бомб было совершено покушение на императора Александра II. В результате покушения император погиб, а Кибальчича приговорили к смерти через повешение.

Начиненная порохом ракета взлетает вверх благодаря закону противодействия, открытому Ньютоном: газы от горящего пороха стремительно перемещаются вниз, а трубка ракеты отталкивается от них и устремляется вверх. До изобретения двигателя внутреннего сгорания, продвинувшего вперед авиацию, сила пороха и других взрывчатых веществ (динамита, нитроглицерина) была самой мощной из известных. Кибальчич, изготавливавший бомбы собственного изобретения, хорошо это понимал. Он пришел к следующему выводу: чтобы сделать энергию газов, образующихся при горении взрывчатки, «долгоиграющей», нужно добиться того, чтобы она возникала постепенно, в течение какого-то промежутка времени.

Реактивный летательный аппарат Кибальчича, изображенный на сделанной им схеме, представлял собой пустотелый цилиндр, герметично закрытый сверху и укрепленный при помощи двух стоек на платформе. «Расположим по оси этого цилиндра кусок прессованного пороха и зажжем его, – пишет изобретатель. – При горении образуются газы, которые будут давить на всю внутреннюю поверхность цилиндра. Но давления на боковую поверхность цилиндра будут взаимно уравновешиваться, и только давление газов на закрытое дно цилиндра не будет уравновешено противоположным давлением, так как с противоположной стороны газы имеют свободный выход через отверстие. Если цилиндр поставлен закрытым дном кверху, то при известном давлении газов цилиндр должен подняться вверх».

Прессованный порох должен подаваться в цилиндр постепенно, порциями, что обеспечивало бы длительное образование энергии газов, толкающих ракету. Это обеспечивается неким автоматическим приспособлением – прообразом современных систем подачи топлива в ракетах. Управление летательным аппаратом обеспечивается за счет поворота цилиндра, устойчивость ему придают регуляторы в форме крыла.

В 1881 г. проект Кибальчича не получил хода, по политическим причинам его публикацию сочли неуместной. Его рассекретили лишь в 1917 г., когда создатель теоретической космонавтики Константин Циолковский активно работал над научно обоснованной идеей космического полета. Циолковский разработал несколько решений межпланетных ракет, одно из них было очень близко к проекту Кибальчича. Вот как он его описывал: «Представим себе такой снаряд: металлическая продолговатая камера, снабженная светом, кислородом, поглотителями углекислоты… Камера имеет большой запас веществ, которые при своем смешении тотчас же образуют взрывчатую массу. Вещества эти, правильно и равномерно взрываясь в определенном для этого месте, текут в виде горячих газов по расширяющимся трубам. В расширенном конце, сильно разредившись и охладившись от этого, они вырываются наружу через раструбы с громадною скоростью… Люди в этом аппарате смогут при помощи особого руля направлять его в любую сторону. Это будет настоящий управляемый космический корабль, на котором можно умчаться в беспредельное мировое пространство, перелететь на Луну, к планетам… Пассажиры смогут, управляя горением, увеличивать скорость своего звездолета с необходимой постепенностью, чтобы возрастание ее было безвредно».

Этот космический аппарат ученый называл «дирижабль-звездолет», на чертежах он выглядел как огромная ракета с несколькими отсеками, задняя часть предназначалась для горючего, передняя – для пассажиров и оборудования, поддерживающего жизнеобеспечение.

Циолковский понимал, что первая задача космического полета – вырваться за пределы атмосферы, преодолеть земное притяжение. Для этого звездолет должен развить значительную скорость, но все же она не должна быть чрезмерной, чтобы люди могли выдержать перегрузки. Скорость, по задумке изобретателя, будет набираться постепенно. Когда летательный аппарат окажется за пределами атмосферы, он может либо превратиться в спутник и вращаться вокруг Земли по орбите, либо отправиться дальше, увеличив скорость. Циолковский предусматривал и возможность возвращения дирижабля-звездолета на Землю, для этого ему нужно было вернуться в атмосферу.

Схема ракетного корабля Циолковского

Для первого этапа космического путешествия – преодоления атмосферы – Циолковский разработал многоступенчатые ракеты.

Самый простой вариант представлял собой тандем из двух ракет – земной и космической, вторая должна находиться внутри первой. После того как земная ракета наберет нужную скорость, она отсоединяется, путь продолжает космическая ракета меньшего размера.

Другие варианты – ракетные «поезда» и «эскадрильи». «Поезд» из нескольких ракет набирает скорость таким образом: сначала свое топливо сжигает первая ракета, она отсоединяется, начинается использование горючего второй ракеты и т. д. «Эскадрильи» отличались способом соединения ракет, он был не последовательным, а параллельным. Многоступенчатое устройство ракеты позволяло уменьшить массу последней части, которая летела в космос, и осуществлять разгон постепенно.

Константин Циолковский не смог осуществить детальную разработку своих проектов, это были лишь эскизы, но они содержали огромное количество конструкторских решений, подобные которым были осуществлены при создании реальных космических кораблей и спутников. Главная же заслуга ученого состоит в том, что он одним из первых заговорил о реальности межпланетных путешествий и смог с научной точки зрения обосновать их возможность.