На протяжении тысячелетий астрономия была посвящена изучению звезд и планет. Однако в XX веке во Вселенной были обнаружены природные ускорители и лазеры, свечение черных дыр и межзвездной пустоты. Эти открытия стали неожиданными, а первооткрыватели неизведанных явлений не всегда являлись профессиональными астрономами. Naked Science рассказывает историю радиоастрономии — науки, изучающей удивительные и зачастую невидимые явления.
Если бы биологи могли наблюдать за животными только в бинокль, лишившись возможности проводить вскрытия или брать образцы для анализа, насколько глубокие знания о животном мире мы бы могли получить? Подобная ситуация сложилась бы с исследователями Вселенной, поскольку мы не имеем возможности приблизиться к альфе Центавра или галактике Андромеды с нашим оборудованием. Астрономия – это наука, изучающая объекты, находящиеся за пределами досягаемости.
Астрономы с большим интересом собирают любые сведения о небесных объектах. Эти данные поступают в виде света, радиоволн, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения, заряженных частиц, нейтрино и гравитационных волн. Это действительно обширный перечень, который сформировался со временем. Сто лет назад свет был единственным средством связи между космосом и учеными. Радиоастрономия стала первым значительным достижением, позволившим выйти за рамки видимого диапазона.
Время неверия
В 1932 году американский инженер Карл Янский проводил поиск источника помех, мешавших радиосвязи на частоте 15 метров. Он не планировал заниматься исследованием Вселенной. Однако вскоре этот образованный специалист выяснил, что загадочный радиосигнал исходит не с Земли, а с неба. Спустя три года исследователь точно определил его расположение в центре Галактики. Таким образом, вклад Карла Янского в изучение космоса был завершен. Несмотря на это, в радиоастрономии до сих пор используется единица измерения плотности потока (мощности излучения, приходящегося на квадратный метр в одном герце диапазона частот), названная именем Янского.
Профессиональные астрономы, вероятно, заметили открытие инженера, но не оценили его значимость. На протяжении тысячелетий считалось, что единственный метод изучения небесных тел – это наблюдение за ними. Хотя телескоп существует уже несколько столетий, а с конца XIX века фотография постепенно заменяет визуальные наблюдения астронома через окуляр, идея о том, что небесные тела излучают радиоволны, казалась слишком смелой. К тому же, что можно было узнать о них, используя примитивное радиотехническое оборудование 1930-х годов?
Гроут Ребер был энтузиастом, верившим в перспективы радиоастрономии. Хотя по роду деятельности он являлся радиоинженером, а не астрономом, его пленила идея «прослушать» космическое пространство. В 1938 году он создал на заднем дворе радиотелескоп высотой девять с половиной метров, используя собственные средства. Именно Реберу принадлежат первенствующие радиокарты звездного неба и первый каталог космических источников радиоизлучения.
Радионебо оказалось на удивление разнообразным. Если бы у нас была возможность видеть радиоволны, над нами можно было бы увидеть три солнца: само Солнце (самый мощный радиоисточник в небе), центр нашей Галактики и Кассиопея А. Сейчас мы знаем, что Кассиопея А – это остаток сверхновой, расположенный примерно в 11 тысячах световых лет от Земли. Для Ребера это представлялось просто ярким пятном на радиокартах, однако он был убежден в перспективах радиоастрономии.
Мечи и орала
Завтра начиналась война, и для защиты от воздушного нападения необходимы были радары. Это подразумевало наличие крупных антенн, высокочувствительных приемников и малошумящих усилителей. Чтобы отслеживать вражеские самолеты, лучшие специалисты открыли принципиально новый способ изучения Вселенной.
Вселенная не осталась равнодушной и обратила на него внимание. В 1942 году английские инженеры проводили испытания новых радаров. При этом, совершенно исправное оборудование демонстрировало необычное поведение: оно «замечало» в безоблачном небе целую группу самолетов. В конечном итоге, эксперты выяснили причину: радар давал сбой только тогда, когда в зону его действия попадало Солнце. Таким образом, инженеры, мало знакомые с Ребере, вновь обнаружили естественное радиоизлучение светила, которое радар интерпретировал как отраженный от самолетов сигнал.
Профессиональные ученые проявили интерес к радионебу лишь после войны. Радиоастрономические радиотелескопы, часто созданные на базе переоборудованных военных локаторов, значительно превосходили первое устройство Ребера. Быстро формировались первые страны, лидирующие в области радионаблюдений: СССР, США, Великобритания и Австралия. Студенты, поступившие на астрономическое отделение механико-математического факультета МГУ в 1950 году, стали первыми в нашей стране, кто посещал лекции по радиоастрономии. К слову, этот курс вел один из пионеров науки Иосиф Самуилович Шкловский. Нам еще предстоит встретиться с ним.
Солнце и Луна
Первые радиоастрономы работали, как будто вслепую. До открытий Янского и Ребера никто не предполагал, что некоторые космические объекты излучают радиоволны. Это открытие неожиданно для астрономов. Но какие именно объекты во Вселенной являются источниками радиоизлучения? И каков принцип их работы?
В 1945 году на 1,35-сантиметровых волнах было зарегистрировано радиоизлучение Луны, которое, по всей видимости, являлось тепловым излучением. Любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает подобное излучение. Наиболее интенсивное инфракрасное излучение испускает Селена, хотя небольшая доля приходится и на сантиметровые волны. Примерно в этот же период Шкловский и, независимо от него, Виталий Лазаревич Гинзбург пришли к выводу, что радиоизлучение спокойного Солнца также имеет тепловую природу. Важно отметить, что термин «спокойного» используется для уточнения, поскольку во время солнечных вспышек в дело вступают и другие процессы.
Мифические радиозвезды
У Солнца, как и у любой другой звезды, максимальная интенсивность теплового излучения приходится на видимый свет. Значительно меньше энергии приходится на радиоволны. Солнце выглядит ярким на радионебе лишь благодаря своей близости к Земле. Формулы, описывающие мощность теплового излучения, были разработаны в начале XX века, и на их основе легко установить, что радиотелескопы, даже современные, не способны обнаружить обычную звезду. Именно поэтому на радионебе не наблюдается звездное скопление, привычное для визуальных наблюдений.
Что представляли собой космические радиоисточники, количество которых к концу 1940-х – началу 1950-х годов достигло десятков? Ученые высказывали предположение, что это могут быть уникальные звезды, излучающие большое количество радиоволн по причинам, не объясненным наукой. Такие гипотетические объекты получили название радиозвезд.
В 1948 году произошло значительное событие: радиоисточник Телец А был идентифицирован как Крабовидная туманность. Это остаток сверхновой, вероятно, той, что зафиксирована в китайских летописях в 1054 году. Крабовидная туманность стала первым радиоисточником, соотнесенным с известным небесным объектом, после центра Галактики, Солнца и Луны. Первой «радиозвездой», которая оказалась не звездой, а остатком от ее взрыва.
К 1953 году было установлено, что еще четыре объекта — Дева А, Персей А, Лебедь А и Печь А — являются галактиками, а не звездами. Таким образом, радиозвезды утратили свою актуальность, но благодаря Шкловскому появился термин «радиогалактика», который до сих пор используется.
Буква «А» обозначала самый мощный радиоисточник в соответствующем созвездии. Первоначально планировалось использовать обозначения Дева B, Дева С и подобные. Однако от этой системы классификации отказались, поскольку уже в середине 1950-х годов количество обнаруженных космических радиоисточников достигло тысяч.
Природа строит ускорители
К середине века астрономы уже имели представление о том, что космические радиоволны исходят от остатков сверхновых и определенных галактик. Однако какой физический механизм делает эти объекты источниками радиоизлучения?
В 1950-х годах, после изучения излучения Крабовидной туманности, Шкловский сделал вывод о его синхротронной природе. Это означало, что радиоволны испускаются электронами, движущимися по окружности в магнитном поле со скоростью, близкой к скорости света. Подобный эффект был известен физикам благодаря ускорителям частиц, называемым синхротронами. Со временем было установлено, что радиогалактики также излучают синхротронным излучением.
Выяснилось, что в радиогалактиках и Крабовидной туманности функционируют природные ускорители электронов. Источник электронов понятен: это обязательный элемент плазмы, включая космическую. Однако остается вопросом, откуда в космосе возникают столь мощные электромагнитные поля?
Изначально существовали две основные точки зрения. Согласно одной из них, при взаимодействии галактик к её названию добавляется приставка «радио-» (это объясняется тем, что сталкивающиеся газовые волны создают магнитное поле и синхротронное излучение). Другая гипотеза предполагала наличие аномалий в ядрах радиогалактик, но суть этих явлений оставалась неясной. Оказалось, что верна вторая версия, однако эта информация будет представлена позднее.
Пустота не совсем пуста
В 1951 году в Соединенных Штатах было зарегистрировано межзвездное излучение водорода на частоте 21 сантиметр, что ознаменовало собой значимое событие.
Атом водорода включает в себя ядро и один электрон. Спин электрона может быть ориентирован либо параллельно спину ядра, либо в противоположном направлении. В первом случае энергия электрона немного выше, чем во втором. Таким образом, при переходе атома из первого состояния во второе электрон излучает радиоволна длиной 21 сантиметр. Однако, в среднем, подобный переход происходит у каждого отдельного атома лишь раз в 11 миллионов лет. Для того чтобы это произошло, атом на протяжении всего этого времени не должен вступать в контакт с окружающими частицами, поскольку в противном случае энергия будет рассеяна в результате столкновения, а не высвобождена в виде излучения. Очевидно, что непосредственное наблюдение этого эффекта в лабораторных условиях не представляется возможным.
Космос – это совершенно другая реальность. Атомы распределены в космическом пространстве с чрезвычайно низкой плотностью, и в течение десятков миллионов лет в таком состоянии ничего примечательного не происходит. Этот факт был отмечен Хендриком ван де Хюлстом еще в 1945 году, когда он был студентом, а впоследствии стал известным ученым.
Отдельный атом сам по себе не является радиостанцией. Однако Галактика чрезвычайно велика, и более половины массы межзвездного газа составляет атомарный водород. Можно ли будет зафиксировать его общее излучение с помощью радиотелескопов? В 1949 году Шкловский провел расчеты и пришел к выводу, что это возможно. Однако его утверждения не нашли поддержки у коллег. По словам самого Иосифа Самуиловича, этому помешал скептицизм видного теоретика Льва Давидовича Ландау и занятость наблюдателей. В результате открытие сделали американские радиоастрономы, обойдя советских.
Благодаря 21-сантиметровой радиоволне астрономам удалось составить карты Млечного Пути и продемонстрировать его спиральную структуру (первая достоверная карта была создана в 1958 году). Эта волна продолжает способствовать изучению нашей и других галактик.
Черные дыры светятся
В начале 1960-х годов английские астрономы с использованием интерферометра установили подробно рассказывал, что это такое), что некоторые радиоисточники по угловому размеру сопоставимы со звездами. Вновь появился термин «радиозвезда», который на некоторое время вышел из употребления. В 1963 году Мартин Шмидт сопоставил оптические и радионаблюдения и продемонстрировал, что в оптический телескоп эти «радиозвезды» выглядят как очень слабые объекты, напоминающие звездочки. Однако их красное смещение настолько велико, что расстояния до них сопоставимы с размерами наблюдаемой Вселенной. Таким образом, эти объекты не являются близкими и тусклыми, как звезды, а находятся на огромных расстояниях, и поскольку мы их видим, то они должны обладать чрезвычайно высокой светимостью (в десятки и сотни триллионов солнц). Вот как важно для астронома уметь определять расстояния. «Изначально эти объекты были классифицированы как квазизвездные источники радиоизлучения, известные как квазары.
Сразу после открытия Игорь Дмитриевич Новиков, Яков Борисович Зельдович и Эдвин Солпитер выдвинули гипотезу, которая в настоящее время признана общепринятым фактом. Квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, аккрецирующие плотное вещество. Под действием гравитации это вещество формирует диск, вращающийся вокруг черной дыры с колоссальной скоростью (вблизи горизонта событий она приближается к скорости света). Потоки материи взаимодействуют, и возникающее трение приводит к их нагреву до сотен миллионов градусов. В результате газ и пыль переходят в состояние плазмы, где формируются мощные магнитные поля. Это создает оптимальные условия для синхротронного излучения!
Аналогичный процесс обеспечивает энергией и ядра радиогалактик, хотя там черные дыры не столь велики и активны. Центр Млечного Пути также излучает в радиодиапазоне по схожей причине.
Эхо взрыва
В 1964 году американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сделали открытие реликтового излучения. В процессе работы они обнаружили радиошум, распространяющийся со всех сторон, и долгое время не могли определить его природу. В конечном итоге, астрономы, ознакомившись со статьей коллег, планировавших поиск реликтового излучения, поняли, что они уже обнаружили его.
Это излучение часто называют эхом Большого взрыва, что является поэтичным, но не вполне точным описанием. Сразу после Большого взрыва Вселенная характеризовалась чрезвычайно высокой температурой. Вещество и излучение были тесно связаны, и фотоны постоянно взаимодействовали с частицами материи. Однако быстрое расширение пространства привело к распределению энергии по увеличивающемуся объему и, как следствие, к охлаждению вещества. Когда Вселенной исполнилось 300 тысяч лет, электроны начали объединяться с ядрами, образуя атомы, и Вселенная стала прозрачной для излучения. С тех пор оно свободно распространяется в космическом пространстве. Расширение пространства изменило некогда коротковолновое излучение, преобразовав его в радиоволны. Шкловский предложил название «реликтовое излучение», которое закрепилось в отечественной научной среде. В англоязычной литературе его чаще называют микроволновым фоном. Астрономы продолжают детально изучать «реликт», поскольку это позволяет узнать, каким был состояние Вселенной всего через 300 тысяч лет после ее возникновения, до образования первых звезд и галактик.
И снова водород
После одного открытия последовало другое. В том же 1964 году Роман Леонидович Сороченко выявил еще один тип излучения межзвездного водорода — рекомбинационные радиолинии. Этот процесс основан на классическом явлении, которое впервые было описано Бором: при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий атом испускает квант энергии. Однако, при переходе с второго уровня на первый испускается ультрафиолетовый фотон, а, к примеру, с 91-го уровня на 90-й (именно этот переход был зафиксирован Сороченко) — радиоволна. Энергетические уровни, участвующие в рекомбинации, расположены близко друг к другу, поэтому энергетический зазор между ними невелик.
Еще в 1959 году советский ученый Николай Семенович Кардашев, ученик Шкловского, теоретически предсказал существование рекомбинационных радиолиний межзвездного водорода (в той же работе он был близок к предсказанию открытия пульсаров, о которых пойдет речь позже). Эти линии — характерное космическое явление. Электрон, находящийся на уровнях 90 и выше, расположен очень удаленно от ядра. Действительно, размер атома может увеличиваться до долей миллиметра! «Сбежавший» электрон настолько слабо связан с ядром, что отрывается от него при любом небольшом воздействии. И, разумеется, в земных условиях такое воздействие легко найти. Однако межзвездная пустота — это среда, где царит спокойствие.
Природа изобретает лазеры
В 1965 году межзвездная среда преподнесла новый сюрприз. Американский астроном Харнольд Уивер зафиксировал на волне длиной 18 сантиметров спектральную линию, не имеющую соответствий ни с одним известным веществом. Эта таинственная субстанция получила название мистериум. Однако вскоре выяснилось, что «мистериум» представляет собой гидроксил – молекулу OH, которая в межзвездной среде проявляет себя скорее как молекула, чем как радикал. При этом излучение происходит весьма необычным образом. Уивер открыл первый природный мазер (радиолазер). Современные астрономические представления связывают источник энергии такого мазера со звездой, окруженной туманностью. Лучи звезды обеспечивают энергией туманность, содержащую гидроксил, и она излучает в виде мазерной вспышки. После открытия гидроксильных мазеров были обнаружены водяные космические мазеры, а также мазеры на метаноле и монооксиде кремния. В 1979 году был открыт первый мегамазер. Мегамазеры обнаруживаются на межгалактических расстояниях и, вероятно, получают энергию от сверхмассивных черных дыр, расположенных в центрах галактик.
В 1967 году Джоселин Белл и Энтони Хьюиш сделали открытие пульсаров — нейтронных звезд, обладающих мощнейшими магнитными полями во Вселенной. Это объекты размером с город, но с массой, равной массе Солнца. 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!
Эпоха великих радиоастрономических открытий
Период с 1950 по 1970 год стал для радиоастрономов временем беспрецедентных открытий, которые, вероятно, не повторятся. Получив в свое распоряжение первые радиотелескопы, ученые активно изучали доступные объекты, зачастую откладывая более детальное изучение на будущее. Этот период напомнил бы опытным специалистам стремительный прорыв фронта: «Не тратить время на незначительные цели, двигаться вперед максимально быстро». За эти два десятилетия были идентифицированы все ключевые типы космических радиоизлучающих объектов: галактические ядра, нейтронные звезды (включая те, что образовались в результате взрывов сверхновых), межзвездный водород, мазеры и реликтовое излучение.
Несмотря на то, что объекты обнаружены, это не означает, что они полностью исследованы. В науке каждый полученный ответ вызывает множество новых вопросов. Поэтому радиотелескопы продолжают наблюдать за пульсарами, мазерами, другими радиоисточниками, в том числе и за Солнцем. Радиоастрономы сравнивают данные, полученные радиотелескопами, с информацией, полученной другими методами. Например, нейтронные звезды можно исследовать и с помощью рентгеновских телескопов, и, начиная с недавнего времени, путем наблюдения гравитационных волн. Каждый метод обладает собственными возможностями и ограничениями, как в притче о мудрецах и слоне. И только совокупность этих методов позволяет собрать полную картину Вселенной.
Гроут Ребер дожил до XXI века. Он был свидетелем того, как радиоастрономия прошла путь от хобби увлеченного энтузиаста до источника значимых открытий, а затем стала надежным инструментом для изучения космоса. Современные гигантские радиотелескопы ведут свой род от «тарелки», сооруженной радиоинженером на заднем дворе.