Текст книги "Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для для тех, кому некогда"

8. Шар – идеальная форма

В космосе почти не бывает ничего острого и угловатого – кроме кристаллов и обломков камня. В природе часто встречаются предметы и существа удивительной формы, однако особенно много круглого: список всего шарообразного практически бесконечен, от мыльных пузырей до наблюдаемой Вселенной как таковой. Простые физические законы очень способствуют возникновению именно сфер, а не других геометрических форм. Это настолько очевидно, что мы, когда ставим мысленные эксперименты, зачастую предполагаем, что что-то имеет форму сферы, именно для того, чтобы уловить основные принципы и закономерности, даже если знаем, что на самом деле предмет совсем не шарообразен. Короче говоря, если не понимаешь, что происходит в случае сферы, нельзя претендовать на то, что разбираешься в базовой физике предмета.

Сферы в природе создаются под влиянием различных сил, например, поверхностного натяжения, которое хочет, чтобы предметы были как можно меньше по всем направлениям. Поверхностное натяжение жидкости, создающее мыльные пузыри, стискивает воздух со всех сторон. Цель пузыря – в считанные мгновения охватить заданный объем воздуха поверхностью минимальной площади. Так пузырь получится максимально прочным, поскольку мыльной пленке не придется растягиваться и становиться тоньше насущно необходимого. Простые вычисления, которые под силу старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера. Более того, можно было бы экономить миллиарды долларов ежегодно на упаковочных материалах, если бы всю упаковку и для перевозок, и в магазинах делали шарообразной. Скажем, содержимое большой коробки кукурузных колечек для завтрака легко уместилось бы в сферическую пачку радиусом в 12 сантиметров. Однако практические соображения берут верх: никто не хочет гоняться за шарообразными продуктами по проходам супермаркета, если они случайно упадут с полки.

На Земле изготавливать шарики можно промышленно – например, если капать отмеренные дозы расплавленного металла в глубокую шахту. Как правило, капля, немного поколыхавшись, принимает сферическую форму, но ей нужно еще некоторое время, чтобы застыть, прежде чем упасть на дно. На орбитальных космических станциях, где все предметы ничего не весят, можно просто аккуратненько брызгать отмеренными количествами расплавленного металла во все стороны, а потом спокойно ждать: шарики будут висеть в воздухе и остывать и в конце концов превратятся в идеальные сферы – поверхностное натяжение сделает за вас всю работу.

Простые вычисления, которые под силу даже старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера.

* * *

Крупные космические объекты становятся круглыми благодаря сговору энергии с гравитацией. Гравитация – это сила, которая заставляет вещество схлопываться по всем направлениям, но она не всегда побеждает, поскольку химические связи твердых тел очень прочны. Гималаи выросли против земного тяготения благодаря прочности кристаллических пород. Но прежде чем восхищаться величественными горами на суше, следует учесть, что расстояние от дна глубоководных океанских впадин до вершин высочайших гор составляет примерно двадцать километров, а диаметр Земли – около 12 000 километров. Так что все это гигантские высоты и глубины лишь с точки зрения крошечных людишек, копошащихся на поверхности, а как космический объект Земля на удивление гладкая. Если бы у вас был суперогромный великанский палец, и вы провели бы им по земной поверхности (вместе с горами и океанами), Земля показалась бы вам гладкой, словно бильярдный шар. Шикарные дорогие глобусы, на которых вылеплен земной рельеф, – это грубейшее преувеличение. Вот почему Земля из космоса выглядит точь-в-точь идеальной сферой – несмотря на все свои горы и долины, а также на то, что она слегка сплющена с полюсов.

К тому же земные горы – сущая ерунда по сравнению с горами на других телах Солнечной системы. Самая высокая гора на Марсе – гора Олимп – имеет высоту почти 20 километров и ширину у основания – почти 500 километров. По сравнению с ней гора Мак-Кинли на Аляске – низенький муравейник. Космический метод строительства гор очень прост: чем меньше гравитация на поверхности объекта, тем выше получаются горы. Земные горы не могут быть намного выше горы Эверест, иначе нижние слои скальных пород поддадутся и просядут под весом горы. Если гравитация на поверхности твердого тела достаточно низка, химические связи в скальных породах сопротивляются давлению собственного веса пород. А тогда возможна практически любая форма.

Две самые знаменитые небесные не-сферы – это Фобос и Деймос, спутники Марса, несколько похожие на апельсиновые дольки. На Фобосе, средний диаметр которого всего 22 километра, человек весом в 70 земных килограммов весил бы всего 115 граммов.

Две самые знаменитые небесные не-сферы – это Фобос и Деймос, спутники Марса, несколько похожие на апельсиновые дольки.

В космосе поверхностное натяжение всегда заставляет каплю жидкости принимать форму сферы. Если видишь маленькое твердое тело подозрительно шарообразной формы, резонно предположить, что оно приобрело ее в расплавленном состоянии. Если у капли или комка вещества очень большая масса, они могут состоять практически из чего угодно, а уж гравитация проследит, чтобы они стали шарообразными.

Фобос

Деймос

Большие и массивные облака газа в галактике могут слипаться и образовывать почти идеальные газовые сферы – звезды. Но если звезда оказывается слишком близко к другому объекту со значительной гравитацией, сфера искажается – вещество звезды отрывается от нее. Когда я говорю «слишком близко», то имею в виду «слишком близко к полости Роша другого объекта»: это область, названная в честь математика Эдуарда Роша, жившего в середине XIX века, который изучал гравитационные поля в окрестностях двойных звезд. Теоретически полость Роша – это объемная оболочка в виде гантели, окружающая любые два объекта, которые движутся по орбитам друг вокруг друга. Если газообразное вещество из одного объекта выходит из своей оболочки, оно падает на второй объект. Это сплошь и рядом случается у двойных звезд, когда одна из них разбухает, становится красным гигантом и переполняет свою полость Роша. Тогда форма красного гиганта перестает быть сферической и напоминает вытянутую конфету-трюфель. Более того, то и дело случается, что одна из звезд в паре – черная дыра, положение которой можно определить только по тому, как она обдирает свою компаньонку. Спирали газа, тянущиеся от гиганта через его полость Роша, разогреваются до колоссальных температур и сначала начинают светиться, а потом исчезают в недрах черной дыры.

* * *

Звезды галактики Млечный Путь образуют большой плоский диск. Соотношение диаметра к толщине у него составляет тысячу к одному, так что наша галактика площе самого плоского блина на свете. Это даже больше похоже на какую-нибудь тортилью. Нет, диск Млечного Пути точно не сфера, однако, вероятно, изначально наша Галактика тоже была шарообразной.

Как она стала плоской, понять нетрудно: представим себе, что когда-то Галактика была большим шарообразным облаком коллапсирующего газа, которое медленно вращалось. При коллапсе шар вращался все быстрее и быстрее – как фигуристы, когда они прижимают руки к телу, чтобы ускорить вращение. Галактика естественным образом сплющивалась с полюсов, а центробежные силы предотвращали коллапс в центре диска. Так что если бы колобок увлекся фигурным катанием – в раннем детстве, когда его еще не испекли, – плохой конец у сказки настал бы еще раньше.

Все звезды, сформировавшиеся в облаке Млечного Пути до коллапса, вращаются по широким высокоскоростным орбитам. Оставшийся газ, легко налипающий сам на себя, будто в воздухе сталкиваются две горячие зефирины, застревает в середине диска и отвечает за все последующие поколения звезд, в том числе и за Солнце. В наши дни Млечный Путь не схлопывается и не расширяется, поскольку представляет собой гравитационно созревшую систему, где звезды, вращающиеся по орбитам над и под диском, можно считать скелетом первоначального сферического газового облака.

В целом вращающиеся предметы уплощаются, и именно поэтому диаметр Земли от полюса до полюса меньше, чем диаметр у экватора. Не очень заметно, всего на 0,3 %, примерно на 40 километров. Однако Земля маленькая, по большей части твердая и вращается совсем не быстро. В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час. Сравним хотя бы громадную, стремительно вращающуюся газовую планету Сатурн. Сутки на Сатурне пролетают всего за десять с половиной часов, так что его экватор вращается со скоростью 35 000 километров в час, а диаметр от полюса к полюсу на целых 10 % меньше, чем в середине: эта разница заметна даже в маленький любительский телескоп.

В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у нее на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час.

Сплюснутые сферы принято называть сжатыми сфероидами, а сферы, вытянутые от полюса к полюсу, – вытянутыми сфероидами. В обычной жизни прекрасными, пусть и несколько гротескными примерами обеих геометрических форм служат гамбургер и хот-дог соответственно. Не знаю, как вам, а стоит мне отведать гамбургер, как я сразу же вспоминаю о Сатурне.

* * *

Чтобы оценить темп вращения далеких космических объектов, мы вычисляем силу действия центробежных сил. Возьмем, к примеру, пульсары. Вращаются они со скоростью больше тысячи оборотов в секунду, так что мы понимаем, что сделаны они не из обычных стройматериалов – иначе разлетелись бы в клочки. Более того, если бы пульсар вращался еще быстрее, ну, скажем, со скоростью 4500 оборотов в секунду, его экватор двигался бы со скоростью света, так что сразу понятно, что вещество пульсара не такое, как у других звезд. Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады. Чтобы достичь такой плотности, придется сжать все пустое пространство вокруг атомных ядер и между электронами, вращающимися по орбитам. При этом почти все электроны (отрицательно заряженные) окажутся прижаты к протонам (положительно заряженным) и получится шар из нейтронов (нейтрально заряженных) с невообразимой гравитацией на поверхности.

Чтобы представить себе пульсар, нужно мысленно утрамбовать массу Солнца в шар размером с Манхэттен. Сложно? Тогда попробуйте вообразить сто миллионов слонов в тюбике от губной помады.

При таких условиях горный кряж на нейтронной звезде может быть не выше толщины бумажного листка, а на восхождение на него у вас уйдет больше сил, чем на Земле – на восхождение на гору высотой пять тысяч километров. Короче говоря, там, где гравитация сильна, все высокое склонно проваливаться и заполнять низины – прямо-таки библейская картина: «приготовьте путь Господу, прямыми сделайте в степи стези Богу нашему; всякий дол да наполнится, и всякая гора и холм да понизятся, кривизны выпрямятся и неровные пути сделаются гладкими» (Исайя 40:4). Вот отличный рецепт изготовления сферы! Именно поэтому мы считаем, что пульсары – самые идеальные сферы во Вселенной.

* * *

При изучении богатых скоплений галактик их общая форма о многом говорит астрофизикам. Одни лохматые, другие растянуты тонкими волокнами, а третьи – словно огромные диски. Ни одно из этих скоплений не приняло стабильную с точки зрения гравитации сферическую форму. Некоторые из них так растянуты, что составляющие их галактики не смогли бы за 14 миллиардов лет – возраст Вселенной – пересечь их из конца в конец. Мы делаем вывод, что скопление таким родилось, поскольку у взаимного притяжения между галактиками не хватило времени, чтобы повлиять на форму скопления.

Однако есть и другие системы, например, красивое скопление Волос Вероники, с которым мы познакомились в главе о темном веществе, – они сразу говорят нам, что стали шарообразными благодаря гравитации. Поэтому все галактики в их пределах движутся в разных направлениях с равной вероятностью. Однако в таком случае скопление не может вращаться достаточно быстро, иначе оно бы сплющилось, как сплющилась галактика Млечный Путь.

Скопление Волос Вероники, как и Млечный Путь, представляет собой зрелую гравитационную систему. На астрофизическом жаргоне подобные системы называются релаксировавшими – это означает сразу многое, в том числе неожиданное обстоятельство, что средняя скорость галактик в таком скоплении служит прекрасной мерой общей массы, несмотря на то что в объектах, по которым вычисляется эта средняя скорость, содержится весьма малая часть этой массы. Именно поэтому гравитационно релаксировавшие системы так хорошо выдают наличие несветящегося темного вещества. Я вам больше скажу: если бы не релаксировавшие системы, мы бы, вероятно, и по сей день не открыли вездесущее темное вещество.

* * *

Самая большая и совершенная сфера на свете – всем сферам сфера – это вся наблюдаемая Вселенная. Куда бы мы ни посмотрели, галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Как мы узнали из первых глав, это знаменитый признак расширения Вселенной, который открыл Эдвин Хаббл в 1929 году. Если свести воедино эйнштейновскую относительность, конечность скорости света и пространственное разрежение массы и энергии как следствие расширения Вселенной, в каждом направлении от нас на каком-то расстоянии скорость удаления галактик достигает скорости света. На этом расстоянии и дальше свет от всех объектов теряет всю энергию, не успев долететь до нас. Поэтому Вселенная за пределами этой сферической «границы», в сущности, невидима и, насколько мы можем судить, непостижима.

Самая большая и совершенная сфера на свете – всем сферам сфера – это вся наблюдаемая Вселенная.

Согласно одному из вариантов не теряющей популярности идеи множественной Вселенной, ее составляют не отдельные Вселенные, а изолированные, не взаимодействующие друг с другом карманные пространства в пределах одной непрерывной ткани пространства-времени – как будто море, в котором плавают корабли, находящиеся друг от друга так далеко, что их круглые горизонты не пересекаются. С точки зрения каждого корабля (без дополнительных данных) он – единственный в океане, но на самом деле все корабли плавают по одной и той же воде.

* * *

Сферы – богатейший теоретический инструмент, позволяющий принципиально решать самые разные астрофизические задачи. Однако нельзя творить себе кумира из сферы. Мне то и дело вспоминается старый анекдот о том, как повысить надои. Специалист-скотовод скажет: «Рассмотрим рацион дойной коровы». Инженер предложит: «Рассмотрим конструкцию доильных аппаратов». А астрофизик с ходу начнет: «Рассмотрим сферическую корову в вакууме»…

В каждой шутке есть доля правды.

9. Незримый свет

Как странника приветствуй то, что странно.

Горацио, – на небе и земле

Есть многое, что и не снилось даже Науке.

У. Шекспир. «Гамлет» (пер. П. Гнедича)

^До 1800 года слово «свет» означало исключительно видимый свет (помимо своего второго значения «мир»). Однако в начале 1800 года английский астроном Уильям Гершель заметил тепло, которое мог вызвать лишь свет, невидимый человеческому глазу. Гершель был опытный экспериментатор – это он открыл планету Уран в 1781 году, а теперь исследовал соотношение между солнечным светом, цветом и теплом.

Начал он с того, что пропустил солнечный луч сквозь призму. В этом не было ничего нового. Это проделывал еще сэр Исаак Ньютон в XVII веке, что и позволило ему перечислить всем известные семь цветов спектра – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (да-да, «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Однако Гершель копнул еще глубже и задался вопросом, какова температура каждого цвета. Он поставил термометры в разные участки радуги – и оказалось, что, как он и ожидал, в полосах разного цвета термометры показывали разную температуру. (Надо отметить, что астрономы окончательно превратились в астрофизиков лишь в середине XIX века, когда спектрометр – орудие физика – начали применять для решения астрономических задач. А в 1895 году был основан престижный журнал «The Astrophysical Journal», подзаголовок которого гласил: «Международный обзор спектроскопии и астрономической физики».)

Уильям Гершель

Чтобы эксперимент был качественным, необходим «контроль», то есть измерение, при котором не ожидаешь пронаблюдать никакого эффекта, своего рода проверка того, что ты измеряешь, на «дуракоустойчивость». Скажем, если вы хотите узнать, как влияет пиво на тюльпаны, нужно вырастить второй тюльпан, точно такой же, как первый, но поливать его не пивом, а водой. Если оба засохнут – если вы убьете обоих – алкоголь тут ни при чем. Вот для чего нужна контрольная группа.

Гершель это знал и положил термометр вне спектра, рядом с красной полосой: казалось бы, там должна быть просто комнатная температура. Однако все оказалось иначе. Температура на контрольном термометре поднялась даже выше, чем в красной полосе.

Гершель писал:

Я делаю вывод, что и красный свет не дает максимального тепла; возможно, максимум лежит за пределами видимой рефракции. В таком случае излучаемое тепло должно по крайней мере отчасти, если не полностью, состоять – да будет мне позволено так выразиться – из незримого света; а следовательно, из лучей, исходящих от Солнца, но наделенных таким импульсом, что они уже не видимы глазу[2]2
  William Herschel, «Experiments on Solar and on the Terrestrial Rays that Occasion Heat», «Philosophical Transactions of the Royal Astronomical Society», 1800, 17.


[Закрыть].

С ума сойти!

Гершель непреднамеренно открыл инфракрасный свет – совершенно новую часть спектра «ниже» (именно это значит латинская приставка «инфра») красного, о чем и сказано в первой из четырех его статей на эту тему.

Открытие Гершеля для астрономии – все равно что открытие Антони ван Левенгука, который увидел «множество очень маленьких живых зверюшек, премило суетящихся» в капельке озерной воды (о чем и написал в Лондонское Королевское общество 10 октября 1676 года). Левенгук открыл одноклеточные организмы – биологическую Вселенную. Гершель – новый диапазон света.

И то, и другое пряталось от невооруженного глаза.

Идеи Гершеля тут же подхватили другие исследователи. В 1801 году немецкий физик и фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер открыл еще один диапазон невидимого света. Однако Риттер вместо термометра поместил по щепотке светочувствительного хлорида серебра в каждую полосу видимого спектра, а также в темную область возле фиолетового конца спектра. И, конечно, хлорид серебра в неосвещенной полосе потемнел сильнее, чем в фиолетовой.

А что следует за фиолетовым? Правильно – ультрафиолет, от латинского «ультра» – «дальше».

Если заполнить весь электромагнитный спектр от низкой энергии и низкой частоты до высокой энергии и высокой частоты, получится, что у нас есть радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый спектр (цвета радуги), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Современная цивилизация ловко нашла применение каждому из диапазонов и в быту, и в промышленности, так что теперь все они прекрасно нам знакомы.

* * *

Даже после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучения способы изучать небо изменились не сразу. Первый телескоп для наблюдения невидимой части электромагнитного спектра построили лишь через 130 лет. К тому времени уже давно открыли и радиоволны, и рентгеновское излучение, и гамма-излучение, а немецкий физик Генрих Герц уже давно показал, что разные виды света отличаются на самом деле лишь частотой волны в каждой из полос спектра. Более того, именно Герц первым понял, что на свете есть электромагнитный спектр. В его честь была названа единица частоты Герц – количество волн в секунду – описывающая любые вибрации, в том числе и звук.

Непонятно почему, но астрофизики, узнав, что существуют невидимые диапазоны света, далеко не сразу сообразили, что можно построить телескоп, чтобы наблюдать этот свет от космических источников. Свою роль, конечно, сыграло и то, что долго не могли придумать соответствующие детекторы. Однако отчасти, возможно, все объясняется человеческой заносчивостью: как это Вселенная посылает нам свет, который не видят наши дивные глаза? Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы. Телескоп – лишь инструмент, восполняющий недостатки наших органов чувств и позволяющий лучше познакомиться с далекими областями. Чем больше телескоп, тем более тусклые объекты можно в него разглядеть; чем лучше форма его зеркал, тем четче изображение; чем чувствительнее детекторы, тем плодотворнее наблюдения. Однако во всех случаях вся информация, которую дает телескоп астрофизику, прибывает на Землю на луче света.

Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы.

Однако небесные события не считаются с удобствами человеческой сетчатки. Напротив, они, как правило, испускают одновременно разное количество света в разных диапазонах. Так что без телескопов с детекторами, настроенными на весь спектр, астрофизики пребывали бы в блаженном неведении о некоторых феерических космических явлениях.

Возьмем, к примеру, взрывающуюся звезду – сверхновую. Это достаточно распространенное во Вселенной высокоэнергичное событие, сопровождающееся обильным выбросом рентгеновского излучения. Иногда такие взрывы сопровождаются вспышками гамма-лучей и ультрафиолета, да и видимого света сверхновая дает в изобилии.

Взорвавшийся газ успевает давно остыть, ударные волны рассеиваются, видимый свет тускнеет, а компактный «остаток» сверхновой продолжает светиться в инфракрасном диапазоне и испускать радиоимпульсы. Вот откуда берутся пульсары – самые надежные хронометры во Вселенной.

Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа. Хотя никто на Земле не наблюдал незримых рентгеновских или гамма-лучей от последних двух фейерверков, которые сверхновые устроили на территории нашей Галактики – в 1572 и 1604 годах, – есть много свидетельств об их невероятном видимом свете.

Диапазон длин волн (или частот), составляющий каждую полосу спектра света, сильно влияет на конструкцию устройств, которые его регистрируют. Вот почему невозможно подобрать такое сочетание телескопа с детектором, которое одновременно уловило бы все особенности подобных взрывов. Однако обойти эту проблему несложно: соберите все наблюдения интересующего вас объекта (можно позаимствовать результаты у коллег) во всех диапазонах света. А потом поставьте в соответствие интересующим вас невидимым полосам спектра видимые цвета и создайте одно мета-изображение, охватывающее все полосы. Именно это видит Джорди Ла Форж из телесериала «Звездный путь: Следующее поколение». Расширив таким образом диапазон своего зрения, вы ничего не упустите.

Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа.

Сначала нужно определить, какая именно полоса вызывает вашу астрофизическую симпатию, и уже потом можно начинать думать о размерах зеркала, о том, из каких материалов его делать, о том, какой оно должно быть формы и с какой поверхностью, и о том, какой понадобится датчик. Например, волна рентгеновского излучения очень короткая. Поэтому, чтобы уловить его, нужно супергладкое зеркало, иначе его дефекты исказят картину. Но если нужно уловить длинные радиоволны, зеркало можно сделать хоть из проволочной сетки, согнув ее вручную, поскольку дефекты сетки будут гораздо меньше длин волн, которые вас интересуют. Разумеется, вам нужно увидеть все детали вашего объекта, то есть наблюдать его с высоким пространственным разрешением, так что зеркало должно быть как можно больше – насколько вы можете себе позволить. Наконец, ваш телескоп должен быть гораздо больше длины волны света, который вы собираетесь уловить. Это особенно заметно, когда речь идет о радиотелескопах.

* * *

Радиотелескопы, первые в истории телескопы для наблюдения невидимого света, – диковинный подвид обсерваторий. Первый действующий радиотелескоп создал американский инженер Карл Янский в 1929–1930 годах. Это устройство немного напоминало передвижной ороситель для автоматизированного полива. Оно держалось на высоких прямоугольных металлических подпорках, скрепленных деревянными перекрестьями и снабженных лесами, и вертелось на месте, как карусель на колесиках. Янский использовал и запасные части от недорогого автомобиля «Жестяная Лиззи», он же «Форд-Т». Свою тридцатиметровую конструкцию Янский настроил на длину волны около 15 метров, что соответствует частоте 20,5 мегагерц. (Все волны подчиняются простой формуле: скорость = частота × длина волны. Если при постоянной скорости увеличиваешь длину волны, частота волны снизится – и наоборот, так что при умножении этих двух величин скорость всегда получается одна и та же. Этот закон справедлив для света, звука и даже фанатов на стадионах, делающих «волну», в общем, для всех бегущих волн.)

Карл Янский

С точки зрения начальства из Телефонных лабораторий Белла, которые поручили Янскому сделать телескоп, его задачей было изучать всевозможные шумы из естественных земных радиоисточников, мешавшие радиосвязи. Очень похоже на задание, которое Лаборатории Белла дали Пензиасу и Уилсону 35 лет спустя – выявить микроволновой шум в приемнике, что, как мы выяснили в главе 3, привело к открытию фонового космического микроволнового излучения.

Первый действующий радиотелескоп создал американский инженер Карл Янский в 1929–1930 годах. Это устройство немного напоминало передвижной ороситель для автоматизированного полива.

Года два Янский старательно следил за статическими шумами, которые регистрировал своим кустарным устройством, и обнаружил, что радиоволны дают не только местные грозы и другие известные природные источники на Земле: они исходят еще и из центра галактики Млечный Путь. Эта область неба попадала в поле зрения телескопа каждые 23 часа 56 минут – что совпадает с периодом обращения Земли, а следовательно, именно за это время центр Галактики снова попадает в точности на то же место на небе и оказывается под тем же углом и на той же высоте над горизонтом. Свои результаты Карл Янский опубликовал под названием «Электрические возмущения явно внеземного происхождения» (Karl Jansky, «Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin», Proceedings of the Institute for Radio Engineers 21, no. 10 (1933): 1387).

Это наблюдение знаменовало рождение радиоастрономии – но дальше она развивалась без Янского. Лаборатории Белла дали ему другое задание, лишив возможности пожинать плоды собственного эпохального открытия. Однако через несколько лет американский самоучка по имени Гроут Ребер из Уитона в штате Иллинойс построил радиотелескоп с девятиметровой металлической тарелкой в собственном дворе. В 1938 году Ребер совершенно независимо подтвердил открытие Янского, а затем пять лет посвятил созданию крупномасштабных карт радионеба.

Телескоп Ребера был беспрецедентным для своего времени, однако очень маленьким и грубым по сегодняшним стандартам. То ли дело современные радиотелескопы. Во дворе они уже не помещаются – более того, достигают исполинских размеров. Первым по-настоящему гигантским радиотелескопом на планете стал МК-1, запущенный в 1957 году: это цельностальная полноповоротная тарелка диаметром почти 80 метров, которая находится в Англии, в обсерватории Джодрелл-Бэнк под Манчестером. Буквально через два месяца после открытия МК-1 СССР запустил первый спутник, и оказалось, что тарелка из Джодрелл-Бэнк – именно то, что нужно, чтобы отслеживать на орбите этот крошечный шарик с оборудованием: получился прототип Сети дальней космической связи, которая сегодня позволяет нам следить за космическими зондами.

Самый большой радиотелескоп в мире был построен в 2016 году и называется «Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой» («Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope», или просто FAST). Он находится в Китае, в провинции Гуйчжоу, и по площади превосходит тридцать футбольных полей. Если инопланетяне когда-нибудь отправят нам сигнал, первыми об этом узнают китайцы.

Если инопланетяне когда-нибудь отправят нам сигнал, первыми об этом узнают китайцы.

* * *

У радиотелескопов есть разновидность – так называемые интерферометры, представляющие собой наборы антенн, расставленных рядами где-нибудь в сельской местности и работающих синхронно. В результате электронного совмещения сигналов всех антенн получается единое изображение радиоизлучающих космических объектов, обладающее сверхвысоким пространственным разрешением. Хотя неписаным девизом телескопов задолго до индустрии быстрого питания стали слова «Чем больше, тем лучше», радиоинтерферометры – настоящие великаны среди телескопов. Один из них – очень большой набор радиоантенн, расположенный близ Сокорро в штате Нью-Мексико – так и называется – Very Large Array – «Очень большая антенная решетка» и состоит из 27 двадцатипятиметровых антенн, расставленных на рельсах на протяжении 35 километров пустынной равнины. Эта обсерватория настолько, так сказать, космогенична, что играет роль заднего плана в нескольких научно-фантастических фильмов: «Космическая одиссея 2010» (1984), «Контакт» (1997) и «Трансформеры» (2007). Есть также Very Long Baseline Array – «Антенная решетка со сверхдлинными базами» – 10 двадцатисемиметровых антенн, расставленных на протяжении 7500 километров от Гавайев до Виргинских островов: они обеспечивают самое высокое разрешение среди всех радиотелескопов в мире.

Для исследования микроволнового излучения, сравнительно новой для интерферометров задачи, у нас есть «Атакамская большая антенная решетка миллиметрового диапазона» (Atacama Large Millimeter Array, ALMA), расположенная в далеких Андах на севере Чили. ALMA настроена на длины волн от долей миллиметра до нескольких сантиметров и дает астрофизикам возможность наблюдать с высоким разрешением космические явления, которые не видно в других диапазонах: например, позволяет изучать структуру схлопывающихся газовых облаков, когда они превращаются в инкубаторы для звезд. ALMA неспроста расположена в одном из самых засушливых регионов Земли – на четырех с половиной километрах выше уровня моря, гораздо выше влажных облаков. Вода хороша, когда готовишь еду в микроволновке, но для астрофизиков она враг, поскольку водяной пар в атмосфере Земли гасит чистые микроволновые сигналы со всей Галактики и из-за ее пределов. Эти два феномена, несомненно, связаны: вода – самая распространенная молекула в нашей пище, и микроволновые печки разогревают именно ее. Сложите два и два, и вы поймете, что вода поглощает микроволновые частоты. Поэтому, если нужно получить чистые наблюдения космических объектов, нужно минимизировать количество водяного пара между телескопом и Вселенной – и этого и добились создатели Атакамской решетки.