Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

Все это, вместе взятое, привлекает сегодня к науке о Вселенной особое внимание не только специалистов, но и самых широких кругов людей.

Глава I. От астрономии оптической к астрономии всеволновой

Научное оружие астрономов

Возможно, вам приходилось обращать внимание на одно любопытное обстоятельство. Когда в научных или серьезных научно-популярных изданиях появляются сообщения об открытии нового космического объекта или явления, они обычно излагаются в предположительной форме: «можно думать», «вероятно», «есть основания предполагать» и т. п. В чем дело? Не слишком ли ученые осторожны, не занимаются ли они своего рода перестраховкой?

Такова уж специфика работы исследователей Вселенной! Им нередко приходится сталкиваться с неопределенностями. Эти неопределенности возникают потому, что причины тех или иных наблюдаемых космических явлений могут быть в принципе истолкованы по-разному.

Конечно, с подобными ситуациями сталкиваются и физики, и химики, и биологи. Но астрономам проверить, какое объяснение ближе к истине, значительно сложнее. Это связано прежде всего с тем, что объекты, интересующие исследователей Вселенной, расположены на огромных удалениях от Земли.

Лишь в последние годы, благодаря применению космических аппаратов, появилась возможность доставлять измерительную аппаратуру непосредственно на поверхность Луны и ближайших планет Солнечной системы. Все же остальные космические объекты приходится изучать на расстоянии. Астрономия — наука дистанционная. Основным ее методом является исследование различных излучений, приходящих на Землю из космических глубин…

По вечерам многие занимают место у экранов телевизоров. Телевизионный приемник дает возможность увидеть события, происходящие в разных уголках планеты. Вас часто отделяют от передающих станций сотни и тысячи километров. Но ваши телевизионные приемники связаны с этими станциями невидимыми электромагнитными волнами. В специально преобразованном, как говорят физики, закодированном виде, они несут с собой «видеосигналы» и звуковое сопровождение: голос диктора, музыку, пение.

Электромагнитные волны могут быть носителями различной информации: телеграфных сигналов азбуки Морзе, звуков человеческой речи, музыки, изображений, команд управления на расстоянии приборами и механизмами или сообщений о показаниях измерительной аппаратуры, как это, например, имеет место при передаче научных сведений с искусственных спутников Земли и автоматических межпланетных станций.

Вложить информацию в электромагнитное излучение может не только человек — это делает и сама природа. Космические тела являются источниками всевозможных электромагнитных волн. Свойства этих волн тесно связаны с источниками излучения, с их природой и физическим состоянием, с протекающими на них процессами.

Но для того, чтобы воспользоваться этой богатейшей информацией, необходимо, во-первых, уловить и зарегистрировать интересующее нас космическое излучение, а во-вторых, разгадать тот код, с помощью которого природа зашифровала свои тайны…

Первым вестником космических миров был видимый свет. Однако свет — не единственный вестник Вселенной. Космическое пространство пронизано самыми различными излучениями и физическими полями. Это и электромагнитные волны и потоки элементарных частиц, магнитные и гравитационные поля. Они несут разнообразнейшую информацию о физических процессах в космосе.

Электромагнитные излучения в зависимости от длины волны обладают весьма разнообразными свойствами. Самые длинноволновые излучения — радиоволны. К ним примыкает более коротковолновый инфракрасный диапазон. Далее располагается видимый свет, а за ним ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.

Световые кванты обладают энергией от 2 до 3 электрон-вольт[1]). Энергия квантов инфракрасного излучения составляет десятые и сотые доли электронвольта, а субмиллиметровых радиоволн — сотые и тысячные доли.

Что же касается излучений более высокочастотных, чем видимый свет, то по мере увеличения частоты и соответственно уменьшения длины волны их энергия заметно возрастает. У квантов ультрафиолетового излучения она лежит в пределах от 10 эВ до 0,1 кэВ, а рентгеновского — от 0,1 кэВ до сотен кэВ. Энергией в сотни и более кэВ обладают кванты гамма-излучения. При этом различают гамма-кванты малых энергий от 0,1 МэВ до десятка МэВ, высоких энергий — до нескольких ГэВ и сверхвысоких энергий — вплоть до 1012 эВ и даже выше[2].

Природа так устроила человека, что у него нет органов чувств, способных воспринимать (за исключением видимого света) все эти излучения и различные физические поля, И в этом, видимо, есть глубокий смысл. Вспомним хотя бы, какие неприятности доставляют нам всевозможные шумы, сопровождающие жизнь современного общества. А если бы мы воспринимали шумы не только звуковые, а магнитные, гравитационные, нейтринные и т. д. и т. п.? Наше существование, вероятно, превратилось бы в сплошной ад. Так что природа поступила мудро, оградив нас от подобных неприятностей. К тому же значительная часть космических излучений задерживается воздушной оболочкой Земли и до поверхности нашей планеты не доходит. На рис. 1 показано, до каких высот могут проникать различные излучения в земной атмосфере. Но знать, что несут с собой эти шумы и различные виды излучений, ученым просто необходимо. И когда во второй половине XX в. были созданы необходимые научно-технические предпосылки, исследователи Вселенной не преминули этим воспользоваться. Сперва возникла радиоастрономия, а с появлением космических аппаратов, способных выносить измерительные приборы за пределы плотных слоев земной атмосферы, астрономия стала стремительно превращаться во всеволновую науку. Неизмеримо расширились объем и разнообразие информации о космических явлениях. А это означало, что не за горами новые интересные открытия. И они не заставили долго себя ждать.

Астрономы «смотрят» на небо

Человек начал изучать Вселенную с того, что видел на небе. И на протяжении многих веков астрономия оставалась чисто оптической наукой.

Наш глаз — весьма совершенный оптический прибор, созданный природой. Он способен улавливать даже отдельные кванты света. С помощью зрения человек воспринимает более 80 % информации о внешнем мире. И все же возможности человеческого глаза во многом ограничены. Поэтому знания о Вселенной значительно расширились и углубились, когда на помощь глазу астронома-наблюдателя пришел телескоп, который и по сей день остается основным инструментом исследователей Вселенной.

Телескоп — прибор, собирающий свет далеких небесных тел. Чем больше площадь объектива телескопа, тем большее количество света он собирает. Даже простейший телескоп Галилея собирал в 144 раза больше света, чем глаз, а современные гигантские телескопы собирают света в сотни тысяч и миллионы раз больше нашего глаза. Самым крупным из них является созданный советскими учеными 6-метровый зеркальный телескоп Специальной астрофизической обсерватории (САО) АН СССР на Северном Кавказе.

Вторая функция телескопа состоит в том, что он позволяет различить мелкие детали изучаемых объектов или увидеть раздельно сливающиеся для глаза объекты. Чем меньше угловые размеры этих деталей (чем ближе друг к другу объекты), тем выше разрешающая способность данного инструмента.

Разрешающая способность оптического телескопа определяется отношением λ/D, где λ — длина волны принимаемого излучения, a D — диаметр входного отверстия инструмента.

Реальная же разрешающая способность значительно ниже теоретически возможной. Это объясняется тем, что вихревые движения в атмосфере, воздействуя на проходящие сквозь нее световые лучи, искажают изображение.

Вполне возможно, что телескопы недалекого будущего станут еще более крупными и диаметр их зеркал достигнет 10 метров. Обсуждается даже проект телескопа с 25-метровым зеркалом.

Однако существует еще один путь, который может оказаться и более эффективным и более экономичным. Дело в том, что современная электронно-вычислительная техника позволяет не только регистрировать сигналы, принимаемые оптическими телескопами, но и синтезировать такие сигналы от нескольких инструментов. Поэтому не исключено, что телескопостроители в будущем отдадут предпочтение не телескопам с гигантскими зеркалами, а многозеркальным системам, состоящим из нескольких инструментов с зеркалами средних размеров.

Но, пожалуй, самые большие надежды астрономы возлагают на орбитальные телескопы, которые предполагается выводить на космические орбиты, за пределы плотных слоев земной атмосферы. Такие инструменты будут обладать перед своими наземными собратьями по меньшей мере двумя ценнейшими преимуществами. Во-первых, орбитальным телескопическим наблюдениям не будет мешать атмосфера, размывающая изображения, а во-вторых, на космических высотах значительно снизится фон свечения ночного неба. Оба эти обстоятельства, вместе взятые, позволят наблюдать очень слабые оптические объекты, недоступные наземным обсерваториям.