Сколько солнц на радионебе: как астроном-любитель перевернул наш взгляд на Вселенную

#образование #радиоастрономия #интересное #космос #астрономия #наука

Тысячелетиями астрономия была наукой о звездах и планетах. Но в XX веке во Вселенной обнаружились природные ускорители и лазеры, свечение черных дыр и межзвездной пустоты. Этих открытий никто не ждал, а первопроходцы неведомых земель даже не были профессиональными астрономами. Naked Science рассказывает историю радиоастрономии — науки о чудесном и зачастую невидимом.

Представьте себе, что биологи изучают животных исключительно путем разглядывания в бинокль. Приходится только мечтать о том, чтобы анатомировать какую-нибудь зверюшку или хотя бы взять кровь для анализа. Много ли в этом случае мы знали бы о животном царстве? А ведь исследователи Вселенной именно в таком положении. Мы не можем отправиться со своими приборами к альфе Центавра или галактике Андромеды. Астрономия — это наука о недоступном.

Именно поэтому астрономы жадно ловят любую информацию о небесных телах. Она приходит в виде света, радиоволн, инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, заряженных частиц, нейтрино и гравитационных волн. Внушительный список, не правда ли? Но это сегодня он так велик. Еще сто лет назад единственным мостом между космосом и изучающим его человеком был свет. Радиоастрономия стала первым прорывом за грань видимого.

Американский инженер Карл Янский в 1932 году не думал об исследовании Вселенной. Он всего лишь искал источник помех, затруднявших радиосвязь на длине волны 15 метров. Довольно быстро этот высокообразованный человек разобрался, что загадочный радиоисточник находится не на Земле: он сияет с неба. Через три года исследователь окончательно отождествил его с центром Галактики. На этом вклад Карла Янского в исследование космоса и закончился. Тем не менее принятая в радиоастрономии единица плотности потока (мощности излучения, падающего на квадратный метр в одном герце диапазона частот), до сих пор называется янским.

Профессиональные астрономы если и заметили открытие инженера, то не придали ему значения. Тысячелетиями считалось, что единственный способ изучать небо — смотреть на него. Правда, уже несколько столетий как появился телескоп, а с конца XIX столетия глаз живого астронома у окуляра медленно, но верно вытесняла фотография. Но идея, что небесные тела представляют собой радиостанции, казалась слишком радикальной. Да и много ли можно было узнать о них с примитивной радиотехникой 1930-х годов?

Человека, который поверил в будущее радиоастрономии, звали Гроут Ребер. По профессии он был радиоинженером, а не астрономом, но идея «прослушать космос» очаровала его. В 1938 году он на собственные средства построил на заднем дворе девяти с половиной метровый радиотелескоп. Реберу принадлежат первые радиокарты неба и первый каталог космических радиоисточников.

Радионебо оказалось полным сюрпризов. Если бы мы умели видеть радиоволны, над нами сияло бы три солнца. Это собственно Солнце (самый яркий радиоисточник в небе), центр Галактики и Кассиопея А. Как мы теперь знаем, Кассиопея А — остаток сверхновой на расстоянии около 11 тысяч световых лет от Земли. Для Ребера это было всего лишь яркое пятно на радиокартах, но он твердо верил в радиоастрономическое завтра.

А завтра была война, и она требовала радаров для противовоздушной обороны. А значит, больших антенн, чувствительных приемников и малошумящих усилителей. Лучшие технические умы прорубили новое окно во Вселенную ради отслеживания вражеских самолетов.

И Вселенная не преминула в него заглянуть. В 1942 году английские инженеры испытывали новые радары. Совершенно исправная техника вела себя странно: она «видела» в пустом небе целую армаду самолетов. В конце концов специалисты догадались, в чем дело: локатор капризничал, только когда в его поле зрения попадало Солнце. Так инженеры, едва ли слыхавшие о Ребере, переоткрыли естественное радиоизлучение светила, которое радар принимал за отраженный от самолетов сигнал.

После войны радионебом наконец заинтересовались профессиональные ученые. Благо радиотелескопы, зачастую переделанные из военных локаторов, были куда лучше первого творения Ребера. На карте стремительно появлялись первые радиоастрономические державы: СССР, США, Великобритания, Австралия. Студенты, поступившие на астрономическое отделение мехмата МГУ в 1950 году, были первыми, кому в нашей стране читали лекции по радиоастрономии. Между прочим, этот курс читал один из первопроходцев этой науки Иосиф Самуилович Шкловский. Нам еще предстоит встретиться с ним.

Первые радиоастрономы продвигались на ощупь. До открытий Янского и Ребера никому не приходило в голову, что некоторые космические объекты испускают радиоволны. Этот факт в буквальном смысле свалился на астрономов с неба. Но какие именно небесные тела представляют собой радиостанции? И как они работают?

В 1945 году было обнаружено радиоизлучение Луны на 1,35- сантиметровых волнах. С ним все было более или менее понятно: это тепловое излучение. Всякое тело испускает такое излучение просто потому, что его температура выше абсолютного нуля. Интенсивнее всего Селена испускает инфракрасные волны, но и сантиметровым кое-что достается. Примерно в те же годы Шкловский и независимо от него Виталий Лазаревич Гинзбург установили, что и радиоизлучение спокойного Солнца — тепловое. Оговорка «спокойного» здесь важна: во время солнечных вспышек включаются и другие механизмы.

Однако у Солнца, как и у любой другой звезды, максимум теплового излучения приходится на свет. Радиоволнам достается совсем мало энергии. Солнце ярко сияет на земном радионебе только потому, что находится буквально у нас под носом. Формулы для мощности теплового излучения известны с начала XX века, и по ним нетрудно рассчитать, что радиотелескопы (даже современные) просто не в состоянии заметить типичную звезду. Поэтому на радионебе и нет ничего похожего на привычную звездную россыпь.

Тогда что же представляют собой космические радиоисточники, которых в конце 1940-х — начале 1950-х годов насчитывались уже десятки? Ученые предполагали, что это некие особые звезды, которые, по неизвестным науке причинам, испускают много радиоволн. Эти гипотетические объекты назывались радиозвездами.

В 1948 году произошло большое событие: радиоисточник Телец А отождествили с Крабовидной туманностью. Это остаток сверхновой, предположительно той самой, что попала в китайские летописи в 1054 году. Крабовидная туманность стала первым радиоисточником после центра Галактики, Солнца и Луны, соотнесенным с известным небесным телом. Первой «радиозвездой», оказавшейся совсем не звездой, а остатком от ее взрыва.

К 1953 году отождествили еще четыре объекта: Дева А, Персей А, Лебедь А и Печь А. Все они оказались галактиками, а не звездами. Радиозвезды отправились в отставку, зато с легкой руки Шкловского появился термин «радиогалактика», использующийся и поныне.

К слову, буква «А» означает самый яркий радиоисточник в созвездии. Предполагалось, что будут еще Дева B, Дева С и так далее. От этой системы обозначений вскоре отказались, так как уже в середине 1950-х счет космическим радиоисточникам пошел на тысячи.

Итак, к середине века астрономы уже знали, что космические радиоволны приходят от остатков сверхновых и некоторых галактик. Но какой физический процесс превращает эти объекты в радиостанции?

В 1950-х, изучив излучение Крабовидной туманности, Шкловский пришел к выводу, что оно синхротронное. Другими словами, источник радиоволн — электроны, кружащие в магнитном поле на околосветовых скоростях. Физики сталкивались с этим эффектом в ускорителях частиц — синхротронах. Позже выяснилось, что излучение радиогалактик тоже синхротронное.

Получалось, что в радиогалактиках и Крабовидной туманности работают природные ускорители электронов. Откуда берутся электроны, понятно: это непременный компонент любой плазмы, в том числе и космической. А вот откуда в космосе столь мощные электромагнитные поля?

Первопроходцы колебались между двумя версиями. По одной из них, галактика получает префикс радио- при столкновении с другой галактикой (волны сталкивающегося газа порождают магнитное поле и синхротронное излучение). По другой гипотезе, дело в ядрах радиогалактик, в которых происходит «что-то интересное», но что именно — опять же никто не знал. Верной оказалась вторая версия, но об этом речь впереди.

Тем временем произошло еще одно эпохальное событие. В 1951 году в США обнаружили излучение межзвездного водорода на волне 21 сантиметр.

Поясним, о чем речь. Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. Спин (момент импульса) электрона может быть направлен параллельно спину ядра или противоположно ему. В первом случае энергия электрона несколько больше, чем во втором. Поэтому при переходе атома из первого состояния во второе электрон испускает радиоволну длиной 21 сантиметр. Правда, с каждым отдельным атомом такой переход происходит в среднем раз в 11 миллионов лет. И все это время атом не должен сталкиваться с соседями, иначе энергия будет потрачена на столкновение, а не на излучение. Понятно, что наблюдать этот эффект в лаборатории невозможно.

Космос — иное дело. Атомы разбросаны по космическому пространству так редко, что в десятках миллионов лет покоя нет ничего особенного. На этот факт еще в 1945 году указывал Хендрик ван де Хюлст, тогда студент, а впоследствии знаменитый ученый.

Конечно, отдельный атом не ахти какая радиостанция. Но ведь Галактика огромна. И более половины массы межзвездного газа приходится на атомарный водород. Будет ли его совокупное излучение различимо для радиотелескопов? В 1949 году Шкловский рассчитал, что да, будет. Но коллеги не прислушались к его словам. Как вспоминал сам Иосиф Самуилович, помешал скепсис корифея теоретической физики Льва Давидовича Ландау и занятость наблюдателей. Американские радиоастрономы увели открытие из-под носа у советских.

Именно благодаря 21-сантиметровой волне астрономы создали карты Млечного Пути и показали, что Галактика имеет спиральную структуру (первая приличная карта была составлена в 1958 году). Эта волна и поныне помогает исследовать нашу и другие галактики.

В начале 1960-х английские астрономы выяснили с помощью интерферометра (Naked Science подробно рассказывал, что это такое), что некоторые радиоисточники по угловому размеру близки к звездам. Вновь всплыл подзабытый термин «радиозвезда». В 1963 году Мартин Шмидт соотнес оптические и радионаблюдения и показал, что в оптический телескоп эти «радиозвезды» действительно выглядят как очень слабые звездочки. Вот только их красное смещение так велико, что расстояния до них сравнимы с масштабами видимой Вселенной. То есть эти объекты — не близкие и тусклые, как звезды, а очень далекие, и раз уж мы их все-таки видим, очень яркие (светимостью в десятки и сотни триллионов солнц). Вот как важно для астронома уметь определять расстояния. «Новичков» назвали квазизвездными источниками радиоизлучения, или квазарами.

Почти сразу после открытия Игорь Дмитриевич Новиков, Яков Борисович Зельдович и Эдвин Солпитер предложили гипотезу, которая сегодня считается установленным фактом. Квазары — это сверхмассивные черные дыры, на которые падает плотный поток вещества. Тяготение закручивает это вещество в диск, вращающийся вокруг черной дыры с огромной скоростью (вблизи горизонта событий она сравнима со световой). Потоки материи сталкиваются друг с другом, и трение разогревает их до сотен миллионов градусов. Естественно, газ и пыль при этом превращаются в плазму, а в ней возникают мощные магнитные поля. Идеальные условия для синхротронного излучения!

К слову, такой же процесс питает и ядра радиогалактик, разве что черные дыры там не такие большие и прожорливые. Да и центр Млечного Пути сияет в радиодиапазоне по той же самой причине.

В 1964 году американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон открыли реликтовое излучение. Они наткнулись на некий идущий отовсюду радиошум и долго не могли понять, в чем дело. В конце концов астрономы прочитали статью своих коллег, готовящихся искать реликтовое излучение, и сообразили, что они его уже нашли.

Это излучение часто называют эхом Большого взрыва, что поэтично, но не совсем верно. Сразу после Большого взрыва Вселенная была очень горячей. Вещество и излучение были перемешаны, фотоны то и дело наталкивались на частицы материи. Но пространство быстро расширялось, энергия распределялась по все большему объему, и вещество остывало. Когда Вселенной было 300 тысяч лет, электроны объединились с ядрами в атомы, и Вселенная стала прозрачна для излучения. С тех пор оно и блуждает по космосу. Расширение пространства превратило некогда коротковолновое излучение в радиоволны. Шкловский назвал это излучение реликтовым, и термин прижился в нашей стране. В англоязычной литературе его предпочитают называть просто микроволновым фоном. Астрономы и поныне тщательно изучают «реликт», ведь это позволяет понять, какой была Вселенная всего через 300 тысячелетий после рождения, задолго до появления первых звезд и галактик.

Открытие следовало за открытием. В том же 1964 году Роман Леонидович Сороченко открыл еще один вид излучения межзвездного водорода — рекомбинационные радиолинии. В его основе классическое явление, рассмотренное еще Бором: электрон в атоме переходит с верхнего уровня на нижний и испускает квант излучения. Вот только при переходе со второго уровня на первый испускается ультрафиолетовый фотон, а, скажем, с 91-го на 90-й (именно этот переход наблюдал Сороченко) — радиоволна. Высокие уровни близки друг к другу, так что энергетический зазор между ними маленький.

Между прочим, еще в 1959 году наш соотечественник, ученик Шкловского Николай Семенович Кардашев теоретически предсказал рекомбинационные радиолинии межзвездного водорода (в той же диссертации он без пяти минут предсказал открытие пульсаров, о которых речь впереди). Такие линии — типично космическое явление. Электрон на уровнях 90+ находится очень далеко от ядра. Шутка ли: размер атома увеличивается до долей миллиметра! «Загулявшийся» электрон так слабо связан с ядром, что отрывается от него при малейшем возмущении. И, конечно, в земных условиях такое возмущение быстро найдется. А вот межзвездная пустота — это царство покоя.

В 1965 году межзвездная среда преподнесла еще один сюрприз. Американский астроном Харнольд Уивер обнаружил на 18-сантиметровой волне спектральную линию, которую он не смог соотнести ни с одним веществом. Уивер назвал таинственную субстанцию мистериумом. Но довольно скоро выяснилось, что «мистериум» — это гидроксил, молекула OH (в условиях межзвездной среды это скорее молекула, чем радикал). Только излучает он очень необычным способом. Уивер открыл первый природный мазер (радиолазер). Как теперь полагают астрономы, источник энергии такого мазера — звезда, окруженная туманностью. Лучи звезды накачивают энергией туманность, богатую гидроксилом, и она «разряжается» в мазерной вспышке. Вслед за гидроксильными были открыты и водяные космические мазеры, а также мазеры на метаноле и монооксиде кремния. А в 1979 году был открыт первый мегамазер. Мегамазеры видны на межгалактических расстояниях и накачку получают, вероятно, от сверхмассивных черных дыр в центрах галактик.

Наконец, в 1967 году Джоселин Белл и Энтони Хьюиш открыли пульсары — нейтронные звезды, сильнейшие во Вселенной магниты, объекты размером с город и массой с Солнце. Naked Science уже рассказывал эту историю, так что не будем повторяться. К слову, через некоторое время пульсар обнаружился и в Крабовидной туманности. Вот откуда там берется магнитное поле и синхротронное излучение!

Для радиоастрономов 20 лет между 1950-м и 1970-м годами — время открытий, равных которым нет и, наверное, уже не будет. Человечество, только что получившее первые радиотелескопы, жадно срывало низко висящие плоды, часто оставляя детали на потом. Ветеранам это могло бы напомнить прорыв фронта: «В бой с мелкими гарнизонами не вступать, как можно быстрее двигаться вперед». За 20 лет были открыты все основные типы космических радиостанций: галактические ядра, нейтронные звезды (в том числе в остатках сверхновых), межзвездный водород, мазеры и реликтовый фон.

Но «открыты» не значит «исчерпывающе изучены». В науке каждый найденный ответ порождает десятки новых вопросов. Именно поэтому радиотелескопы до сих пор вглядываются и в пульсары, и в мазеры, и в остальные радиоисточники, даже в старое доброе Солнце. Радиоастрономы сопоставляют добытую радиотелескопами информацию с фактами, полученными другими способами. Например, те же нейтронные звезды можно изучать и с помощью рентгеновских телескопов, и, с недавних пор, путем наблюдения гравитационных волн. Каждый метод имеет свои возможности и ограничения, как в притче о мудрецах и слоне. И только вместе они позволяют собрать мозаику по имени Вселенная.

Гроут Ребер дожил до XXI века. На его глазах радиоастрономия превратилась из увлечения чудака-энтузиаста сначала в источник грандиозных открытий, а потом в испытанное средство исследования космоса. Современные гигантские радиотелескопы ведут свой род от «тарелки», сооруженной радиоинженером на заднем дворе.