Слушая Вселенную: будущее радиоастрономии

В судьбоносный день 1886 года 29-летний профессор экспериментальной физики Технического института Карлсруэ Генрих Рудольф Герц в присутствии жены готовил в затемненной аудитории демонстрацию эксперимента по прохождению импульсного тока через открытый колебательный контур. Закончив сборку, он включил индукционный генератор, чтобы полюбоваться красивым искровым разрядом. Случилось так, что рядом лежало медное незамкнутое кольцо с острием на одном конце и шариком на другом. Либо сам Герц, либо его молодая супруга заметили, что искра одновременно проскочила как в контуре, так и внутри этой щели.

Позднее историки науки выяснили, что до Герца это явление наблюдали по крайней мере пятеро физиков. Однако лишь он так заинтересовался загадочным эффектом, что приступил к его исследованию. В результате Герц пришел к выводу, что экспериментально получил электромагнитные волны, предсказанные в начале 1860-х создателем классической электродинамики Джеймсом Максвеллом.

Сенсационное открытие «волн Герца» (как их тогда называли) вызвало интерес к выявлению их космических источников. Судя по всему, первым такая идея осенила Томаса Эдисона. В 1890 году его ассистент Артур Кеннелли написал директору Ликской обсерватории, что его шеф хочет зарегистрировать длинноволновое излучение Солнца с помощью нескольких проводов, обрамляющих кусок железной руды. Судя по всему, этот экзотический детектор так и не собрали (да он бы и не сработал). Впоследствии Кеннелли стал выдающимся электротехником, профессором Гарварда и Массачусетского технологического. В 1902 году он и англичанин Оливер Хевисайд одновременно выдвинули гипотезу, что высоко в атмосфере имеется ионизированный слой (который позднее, в 1920-х, был обнаружен и назван в их честь слоем Хевисайда-Кеннелли). Но основателем радиоастрономии Кеннелли так и не стал.

В 1897—1900 годах поисками солнечного радиоизлучения занимался в Ливерпуле известный английский физик Оливер Лодж. Детектор Лоджа в принципе мог воспринимать проходящее через ионосферу сантиметровое излучение. Однако чувствительность прибора была невысока, и к тому же он был недостаточно защищен от электрических помех. Ничего не удалось и немецким астрофизикам Иоганну Вилсингу и Юлиусу Шейнеру, которые тоже охотились за солнечными радиоволнами. Наконец, ими интересовался Гульельмо Маркони — и тоже безрезультатно.

В XX столетии поиск космических радиосигналов полностью прекратился. Возможно, это случилось потому, что в конце 1900 года Макс Планк обнародовал знаменитую формулу, описывающую спектр абсолютно черного тела. В соответствии с формулой Планка радиоизлучение нагретой примерно до 6000 К поверхности Солнца даже в сантиметровом диапазоне (не говоря о волнах большей длины) столь слабо, что его нельзя обнаружить с помощью существовавших приборов. Правда, этот вывод относится исключительно к тепловому радиоизлучению, однако прочие механизмы генерации космических радиоволн в те времена просто не рассматривались. В общем, по той или иной причине радиоастрономия тогда так и не состоялась.

В 1927 году компания «Белл» запустила первый в мире трансатлантический радиотелефон. Связь была несовершенной из-за множества помех, и 23-летнему физику Карлу Янскому поручили выяснить их причину. Чтобы решить эту задачу, он смонтировал в Холмделе в штате Нью-Джерси десять вертикальных прямоугольных рамочных антенн, соединил их в единую цепь и установил на вращающуюся 30-метровую раму. Эта система была настроена на прием сигналов на частоте 20,5 МГц (14,6 м).

В 1930 году Янский нашел два очевидных и предсказуемых источника помех — близкие и дальние грозы. Но в его наушниках постоянно слышалось слабое шипение, причина которого не поддавалась объяснению. К 1932 году Янский обнаружил, что загадочные помехи изменяются с периодичностью звездных суток (23 часа 56 минут) и, следовательно, возникают за пределами Солнечной системы. В дальнейшем выяснилось, что излучение приходит из Млечного Пути — иными словами, из плоскости нашей Галактики.

Ученому повезло: как раз тогда плотность солнечных пятен держалась на минимуме и по ночам ионосфера хорошо пропускала 15-метровые волны. В период активного Солнца «карусель Янского» была бы бесполезной.

Открытие межзвездных волн, как их называл Янский, вызвало немалый шум — в мае 1933 года о нем сообщила даже «Нью-Йорк Таймс». Ученый пытался убедить руководство «Белл» построить 30-метровую тарелочную антенну и серьезно заняться космическими радиосигналами. Но менеджеры щедрости не проявили и перебросили Янского на другой проект. У астрономических обсерваторий тоже не было лишних денег и желания тратиться на радиоаппаратуру. Изложив свои результаты в четырех статьях (двух — в инженерном журнале, одной — в Popular Astronomy и одной — в Nature), Янский распрощался с радиоастрономией.

Тем не менее дело Янского не пропало. На его работы обратили внимание физик из Мичиганского университета Джон Краус и молодой радиоинженер Гроут Ребер. Первый уже в 1933 году соорудил небольшой радиотелескоп с отражающей антенной, но не смог ничего поймать из-за низкой чувствительности приемника. После Второй мировой он основал радиоастрономическую обсерваторию при Университете Огайо и написал ставший классическим учебник по новой науке. А Ребер в 1937 году построил на пустыре рядом с родительским домом первый в мире радиотелескоп с поворотной параболической антенной, приступил к регулярным наблюдениям и в 1942 году опубликовал карту радионеба Северного полушария. В том же 1942 году англичанин Джеймс Хей поймал солнечные радиосигналы; в 1942—1943 годах радионаблюдения Солнца вели Ребер и Джеральд Саутворт, известный американский радиоинженер, изобретатель волновода. Тогда же разработчики немецких радаров заметили отражение радиоволн от поверхности Луны, о чем стало известно лишь после войны.

Бурное развитие радиоастрономии началось после Второй мировой войны (этому сильно способствовало освоение технологий, возникших в ходе работы над радиолокаторами). Сначала в Великобритании, а потом и в других странах начали строить телескопы с антеннами размером в десятки метров — сперва неподвижными, а затем и поворотными. Вскоре появились системы из нескольких связанных радиотелескопов — радиоинтерферометры. Такие нововведения в сочетании с новой аппаратурой для усиления и фильтрации радиосигналов значительно улучшили чувствительность радиотелескопов и их угловое разрешение. Радиоастрономия постепенно превращалась в «большую» науку, способную не только регистрировать космические источники радиоволн, но преобразить все исследования небесных явлений. В 1960-х годах она стала столь же серьезной научной дисциплиной, что и оптическая астрономия.

Вот лишь один пример, демонстрирующий ее прогресс. Самый крупный оптический телескоп середины XX века, 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории, при оптимальных атмосферных условиях обеспечивал угловое разрешение порядка 0,5 угловой секунды (в наши дни благодаря адаптивной оптике и цифровой видеоаппаратуре его разрешение почти достигло теоретического предела в 0,02 с). Работающая на принципе оптического интерферометра телескопическая система Южной Европейской обсерватории дает разрешение в 1 мс — в 500 раз лучше. Теперь посмотрим, как выросли наблюдательные возможности радиоастрономии. Некогда крупнейший в мире Транзитный телескоп британской обсерватории Джодрелл Бэнк (введен в действие в 1947 году, диаметр параболической антенны 66 м) позволил добиться рекордного по тому времени разрешения в 1 градус. Действующая с мая 1993 года американская сеть из десяти интегрированных радиотелескопов Very Long Baseline Array (восемь антенн на континентальной территории США, одна на Гавайях и одна на карибском острове Сен-Круа) дает разрешение вплоть до 0,0002 угловой секунды. То есть разрешающая способность радиотелескопов выросла в 18 млн раз! И это без учета прогресса приборного оснащения радиотелескопов и компьютеризации их работы, начало которой пришлось на 1960-е. А в скором времени появятся совершенно фантастические системы, соединяющие межконтинентальные сети наземных радиотелескопов с радиоаппаратурой на космических платформах. По расчетам, предел разрешения таких наземно-космических радиоинтерферометров дойдет до десятимиллионных (или даже стомиллионных!) долей секунды.

«Главная заслуга радиоастрономии — то, что она неизмеримо расширила возможности получения информации о космическом пространстве. Астрономы десятки веков смотрели на мир сквозь узкое окошко видимого света и его ближайшего окружения. Появление радиотелескопов позволило выйти за эти рамки и открыло путь к современной всеволновой астрономии, — рассказал "TechInsider" Фред Ло, директор американской Национальной радиоастрономической обсерватории. — Радиотелескопы зарегистрировали синхротронные излучения, возникающие при движении релятивистских электронов в мощных магнитных полях, окружающих сверхмассивные черные дыры в галактических ядрах. Эти дыры закручивают и втягивают окружающий космический газ, выбрасывая при этом в пространство два джета, две разнонаправленные струи заряженных частиц. Если джет движется по направлению к Земле, мы наблюдаем источник, который называется квазаром. Когда джеты перпендикулярны направлению на Землю, мы называем такой источник радиогалактикой. Если джеты сильно взаимодействуют с ионизированным газом вокруг черной дыры, галактика светит как в радиодиапазоне, так и в инфракрасной области, видимом свете, ультрафиолете и рентгене (такие галактики называют сейфертовскими). Именно радиоастрономии мы в первую очередь обязаны тем, что в основном поняли природу активных галактических ядер, окружающих черные дыры. Ранее считалось, что космические процессы по большей части питаются энергией термоядерного звездного синтеза и звездных взрывов. В последние десятилетия мы осознали гигантскую роль гравитационной энергии, источником которой служат как раз черные дыры. Это очень серьезный прорыв, подлинная научная революция».

«На второе место я бы поставил становление молекулярной картины Вселенной, — продолжает доктор Ло. — Радиоастрономия открыла исполинские облака космического водорода, не говоря уже о более сложных молекулах. Оптическая астрономия прекрасно отслеживает звезды, но может сказать совсем немного о межзвездной среде. Радиоастрономия позволяет также наблюдать гравитационные сгущения холодных газовых облаков, в ходе которых рождаются звезды и формируются галактики. Конечно, были и другие замечательные достижения, скажем, открытие пульсаров и микроволнового реликтового излучения — тоже заслуга радиоастрономов».

Конечно, предсказывать будущее достаточно сложно, но, по мнению Фреда Ло, прогресс радиоастрономии будет, как и раньше, определяться обновлением ее инструментария: «В Чили на севере пустыни Атакама на высоте 5 км строится ALMA — сеть из нескольких десятков интегрированных 12-метровых антенн. В этом международном проекте задействована и наша Национальная радиоастрономическая обсерватория. Он стал осуществляться в 2003 году, а в 2012-м ALMA вступит в действие. Эта обсерватория будет работать на миллиметровых и субмиллиметровых волнах с угловым разрешением в одну десятую угловой секунды. Она сможет значительно обогатить наши знания о динамике молекулярного газа в центре нашей Галактики, о формировании прото-звезд и протопланетных дисков, об атмосферах экзопланет и о многом-многом другом. Мы собираемся также модернизировать принадлежащую нашей обсерватории радиоинферометрическую систему VLA в штате Нью-Мексико.

Чувствительность ее аппаратуры возрастет десятикратно, а угловое разрешение на верхнем частотном пределе в 50 ГГц достигнет 0,004 угловой секунды. Это будет поистине фантастический инструмент, и мы ждем от него многого. В частности, информации о том, что происходило в темную эпоху Вселенной, когда материя в ее известных формах уже возникла и стабилизировалась, но первые звезды еще не родились. Есть еще немало интересных проектов будущих обсерваторий, всего не перечислишь. Скажем, китайские ученые планируют в ближайшем будущем построить крупнейший в мире радиотелескоп с неподвижной антенной диаметром в полкилометра».