Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Но это не было выдумкой: настало время исследовать небесные радиоволны. Во время Второй мировой войны антенные технологии сделали огромный шаг вперед, и после войны огромное количество антенн осталось без работы. Астрономы воспользовались этой возможностью, и в конце 1940-х годов родилась радиоастрономия. Кроме Янского и Рёбера нужно отметить еще Мартина Райла (19181984) из Кембриджского университета, который стал одним из первых исследователей в этой новой области науки и получил Нобелевскую премию. Астроном Ян Оорт, о котором мы уже говорили в связи с его исследованиями Галактики, также очень рано понял значение радиоволн как нового инструмента для исследования Вселенной.
Выяснилось, что интенсивность радиоизлучения примерно одинакова на различных частотах — в этом случае говорят о непрерывном спектре. Рёбер считал, что источником излучения служат электроны, которые в ионизованной среде, проходя вблизи атомных ядер, движутся по искривленной траектории. Но наблюдения не подтвердили эту идею: такое «тормозное излучение» действительно имеет непрерывный спектр, но его характерная форма и точка обрезания не соответствуют радионаблюдениям. Райл и Оорт считали, что радиоволны приходят от звезд, которые отличаются от Солнца тем, что по какой-то причине обладают очень мощным радиоизлучением; но и они ошиблись.
Загадка радиошума начала проясняться, когда Карл Кипенхойер (1910–1975) в 1950 году предположил связь между космическими лучами и радиошумами. В том же году Ханнес Альвен (Швеция) и Николаи Херлофсон (Норвегия) предположили, что причиной шума является распространение космических лучей со скоростью, близкой к скорости света. Такое синхротронное излучение наблюдается и в ускорителях частиц, где магнитные поля заставляют заряженные частицы двигаться по кругу. В космосе высокоэнергичные электроны вращаются в магнитных полях, испуская радиоизлучение; в принципе, то же самое происходит при колебании электронов в антенне радиопередатчика (рис. 26.3). Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009, Нобелевская премия 2003 года) и Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1986) были среди тех ученых, кто развил теорию синхротронного излучения.
Рис. 26.3. Электроны, обращаясь вокруг магнитных силовых линий, испускают синхротронное излучение.
Спектральные линии радиоизлучения.В 1944 году молодой голландский студент Хенк ван де Хюлст (1918–2000) по совету Оорта занялся исследованием того, могут ли быть спектральные линии в радиоизлучении. Спектральные линии доказали свое значение в оптической астрономии, где их используют для изучения движения звезд и галактик, а также и многих других свойств этих объектов. Радиоизлучение со спектральными линиями открыло бы новое окно во Вселенную.
Ван де Хюлст обнаружил, что переход атома водорода между его двумя энергетическими уровнями может привести к излучению на длине волны около 21 см, что попадает в область радиоволн. При этом электрон не прыгает с одной орбиты на другую, а лишь чуть-чуть меняет свое положение. Как уже было сказано, у электрона есть свойство, называемое спином, которое можно представить себе как вращение вокруг оси. Ядро атома водорода — протон — тоже имеет свой спин. Спины протона и электрона могут быть параллельны или антипараллельны; в первом случае атом водорода находится в возбужденном состоянии. Когда из возбужденного состояния атом переходит в свое основное состояние, он излучает фотон, энергия которого равна энергии возбуждения. Поскольку эта энергия очень мала, соответствующая частота излучения низка (1420,4 МГц), а длина волны велика и составляет, если точно, 21,1 см (рис. 26, 4).
Рис. 26.4. Испускание излучения с длиной волны 21 см при переходе атома водорода из возбужденного состояния в основное.
Водород — самый распространенный элемент Вселенной, поэтому нет недостатка в потенциальных излучателях на радиоволне 21 см. Атомы водорода могут переходить в возбужденное состояние при взаимных столкновениях. Примерно через и млн лет это возбуждение «разряжается», и рождается квант с длиной волны 21 см. Несмотря на то что каждый атом излучает так редко, в Галактике настолько много атомов водорода, что вместе они могли бы дать мощный сигнал. Действительно, в 1951 году сигнал был обнаружен в наблюдениях, проведенных в США и Нидерландах. Источником излучения оказались холодные межзвездные облака, на существование которых раннее указывали лишь косвенные данные.
Если оптическая астрономия позволила выяснить распределение звезд в Галактике, то радиоастрономия дала возможность узнать, как распределен в пространстве другой ее важнейший компонент — межзвездный газ. Уже к 1958 году была составлена радиокарта Галактики с четкими признаками ее спиральной структуры. Эту работу проделали Ян Оорт, Фрэнк Керр (1918–2000) и Гарт Вестерхаут. В 1951 году Керр приступил к программе наблюдений южного неба в линии 21 см и начал составлять карту Магеллановых Облаков. Так впервые была зафиксирована радиолиния в спектре другой галактики.
Водород не единственный излучатель спектральных линий в радиодиапазоне. Молекула ОН, состоящая из одного атома водорода и одного атома кислорода, была обнаружена в космосе в 1963 году по ее спектральной линии 18 см. Затем в 1968 году нашли излучение молекул воды и аммиака, после чего поток новых открытий молекул в космосе уже не прекращался. В 1970-е годы по спектральным линиям ежегодно обнаруживали около пяти новых молекул, так что сейчас их число около 150. Тем временем накапливались данные о межзвездных облаках разного типа. Наиболее обильными местами обнаружения молекул в космосе являются молекулярные облака. В них при относительно высокой плотности газа и происходят сложные химические реакции. Молекулярное облако может быть весьма массивным: массивнее чем 100 000 звезд.
Радиогалактики обнаружены.А что представляют собой радиоисточники за пределами нашей Галактики? В Кембриджском университете и в других местах, особенно в Австралии, составляли списки новых радиоисточников. В Первом Кембриджском каталоге, появившемся в 1950 году, Райл и его коллеги собрали информацию о 50 радиоисточниках. Четыре года спустя появился Второй каталог с 1936 источниками, а Третий каталог 1959 года содержал уже 471 источник. До сих пор самые яркие радиоисточники называют по их номеру в Третьем Кембриджском каталоге (3С). Например, ярчайший радиоисточник в созвездии Лебедь известен под именем 3С 405. Для южного неба такую же работу проделала радиоастрономическая обсерватория в Парксе (Австралия). Кроме того, ярчайшие источники часто называют по имени созвездия, в котором они располагаются: например, 3С 405 имеет второе имя — Лебедь А.
Но составление каталогов и наименование радиоисточников еще не дают нам возможности судить об их природе. С самого начала перед исследователями встали две основные проблемы: первая — низкая точность определения положения источника на небе; вторая — отсутствие у типичных источников спектральных линий, которые можно было бы использовать для определения красного смещения. Нетрудно сфотографировать небо в направлении радиоисточника, но на снимке будет так много разных объектов, близких и далеких, что обычно невозможно определить, который из них является источником радиоизлучения. Поэтому отождествление радиоисточников с оптическими объектами стало особой проблемой, потребовавшей больших усилий для своего решения.
Первый радиоисточник отождествили в Сиднее (Австралия) Джон Болтон с коллегами: радиоисточник Телец А совпал с Крабовидной туманностью — остатком сверхновой 1054 года. Дева А и Кентавр А оказались связаны с довольно близкими к нам галактиками (М87 и NGC 5128). Они стали первыми примерами радиогалактик, мощно излучающих в радиодиапазоне. А затем сюрприз преподнес Лебедь А.
На радиокарте Рёбера источник Лебедь А был пятном настолько большого размера, что любой из тысяч расположенных в этой области неба объектов мог оказаться источником радиоизлучения. Отождествить Лебедь А не удавалось до 1951 года, когда наконец Грехем Смит из Кембриджского университета определил его положение с точностью в 1 минуту дуги (с такой точность Тихо Браге наблюдал невооруженным глазом!). Смит послал координаты Вальтеру Бааде, работавшему в Паломарской обсерватории и имевшему регулярный доступ к новому, крупнейшему тогда в мире, 5-метровому телескопу. Бааде решил в ближайшую же ночь сфотографировать область Лебедя А заодно со своими основными наблюдениями. На следующий день он проявил фотопластинку и начал ее просматривать:
«Как только я взглянул на пластинку, то сразу понял, что там есть что-то необычное. По всему фото были видны галактики общим числом около 200, и самая яркая из них находилась в центре картинки. У нее были заметны приливные возмущения, следы гравитационного притяжения двух ядер. Раньше я не видел ничего подобного. Это настолько заняло все мои мысли, что, возвращаясь на автомобиле вечером домой, я вынужден был остановиться, чтобы подумать».
