Занимательная астрофизика - Виктор Комаров

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.

Второй вестник Вселенной

В самом начале этой книги упоминалось об открытии, оказавшемся большой неожиданностью для исследователей Вселенной, — открытии квазаров. Спустя несколько лет автор этого открытия, малоизвестный до того голландский астроном М. Шмидт, работавший в США, с некоторой грустью говорил:

— Каждому ученому в жизни, в среднем, в лучшем случае удается совершить одно значительное открытие. Я свое уже совершил…

Многие историки науки склонны считать, что нередко в больших научных открытиях, особенно наблюдательных и экспериментальных, присутствует известный элемент везения. Определенный резон в подобных утверждениях, видимо, есть. Сами по себе открытия всегда неожиданны, иначе они не были бы открытиями. Но возникают они не на пустом месте: их подготавливает весь предшествующий ход развития науки и, прежде всего, совершенствование методов научных исследований. Открытия назревают! Если воспользоваться расхожим выражением — они носятся в воздухе. И тогда разыгрывается невидимая лотерея: кто первый? Хотя, разумеется, в отличие от обычных лотерей, здесь одного везения недостаточно — нужны наблюдательность, настойчивость, способность увидеть в обычном необычное, наконец, дерзость мысли, позволяющая сделать иногда весьма неожиданные выводы. Сто человек могут располагать всей необходимой для открытия информацией, но девяносто девять из них пройдут мимо…

Шмидту тоже в известной степени повезло. Повезло в том, что конец 50-х и начало 60-х годов стали периодом бурного расцвета радиоастрономии. Исследователи Вселенной интенсивно осваивали новый канал для получения информации о космических процессах. Радионаблюдения не только помогли обнаружить во Вселенной неизвестные ранее явления — они указали на удивительные свойства некоторых уже известных по оптическим наблюдениям космических объектов, до этого считавшихся обычными и потому не привлекавших внимание астрономов.

Таковы были обстоятельства, предопределившие возможность открытия квазаров. Мало обладать теми или иными способностями. Надо еще чтобы время подготовило необходимые условия для их успешного применения. Вот что скрывается за «фасадом» везения в науке…

Но почему радионаблюдения Вселенной не проводились раньше? Ведь в земной атмосфере наряду с «оптическим окном прозрачности» существует и «радиоокно».

Использовать это окно очень долгое время не удавалось, потому что космическое радиоизлучение по сравнению со световыми лучами несет с собой ничтожную энергию. И уловить его можно лишь при помощи чрезвычайно чувствительных приемников радиоволн. Однажды в обсерватории Кембриджского университета в Англии была организована выставка, посвященная радиоастрономии. Одним из экспонатов этой выставки служил обыкновенный стол, на котором лежала кипа бумажных листков. Посетителям предлагалось взять один из листков. Сделав это, он мог прочитать на нем следующие слова: «Взяв со стола эту бумажку, вы затратили больше энергии, чем радиотелескопы всего мира приняли за всю историю радиоастрономии».

Впервые радиосигналы космического происхождения были приняты еще в 1931 г. американским инженером К. Янским. Они шли из области Млечного Пути. Однако для дальнейшего развития радиоастрономии требовались соответствующие технические средства. А в начале 30-х годов таких средств не было. Они появились только в следующем десятилетии.

После окончания второй мировой войны радиоастрономмия стала бурно развиваться. И в этом нет ничего удивительного, потому что радиоволны в качестве «вестника космических миров» обладают целым рядом замечательных свойств. Так, они могут свободно проникать сквозь пыль, облака, межзвездную среду — там, где видимый свет пройти не может. Благодаря этому космические радиоволны позволили ученым заглянуть в самые потаенные уголки Вселенной, недоступные обычным телескопам.

Но, пожалуй, самое главное состоит в том, что радиоволны приносят сведения о бурных физических процессах, протекающих в космосе. Именно благодаря радионаблюдениям были открыты так называемые нестационарные явления, во многом изменившие наши представления о Вселенной.

Уже давно было известно, что любой космический объект, — будь то галактика, звезда, планета или туманность, — если только его температура выше абсолютного нуля, должен излучать электромагнитные волны — так называемое тепловое радиоизлучение. Это излучение порождается тепловым движением частиц излучающего тела.

Интенсивность теплового излучения различна в разных участках спектра в зависимости от степени нагретости тела — его температуры. Распределение излучаемой нагретым телом энергии по всему электромагнитному спектру характеризуется функцией Планка, отражающей зависимость интенсивности излучения от длины волны тел, нагретых до определенной температуры. Из сравнения кривых Планка для тел с разной температурой видно, что с уменьшением температуры тела падает общая интенсивность излучения, а максимум интенсивности смещается в сторону более длинных волн. Раскаленные тела излучают много света и тепла, но энергия излучения в радиодиапазоне у них невелика. Слабо нагретые тела, например, живые организмы, излучают главным образом в инфракрасной области. Поэтому живые существа, в том числе человек, являются весьма маломощными «радиостанциями», их радиоизлучение может быть обнаружено только с помощью высокочувствительных лабораторных радиоприемных устройств…

Одна из заманчивых особенностей исследований, проводимых в лаборатории Вселенной, — возможность обнаружения большого числа непредсказуемых эффектов, т. е. таких явлений, которые нельзя было предвидеть путем логических выводов на основе существующего знания. В этом отношении современная астрономия значительно опережает другие естественные науки. Именно такая «неожиданность» и произошла при изучении Крабовидной туманности, расположенной в созвездии Тельца. В 1949 г. радиоастрономы обнаружили, что Крабовидная туманность является чрезвычайно мощным источником нетеплового радиоизлучения. Изучение этого явления привело ученых к открытию очень важного механизма, порождающего электромагнитное излучение многих космических объектов.

Согласно законам физики, заряженные частицы, в том числе электроны, в магнитном поле должны двигаться вдоль направления поля по винтовым траекториям, как бы накручиваясь на магнитные силовые линии. Можно сказать, что под воздействием внешнего магнитного поля траектория движения электрона искривляется в соответствии с хорошо известным каждому школьнику правилом левой руки. И чем больше напряженность магнитного поля, тем меньше радиус витка такой спирали. А частица, движущаяся по криволинейной траектории, должна отдавать свою энергию в виде электромагнитного излучения.

Это явление было давно предсказано теоретически, а затем экспериментально наблюдалось в специальных установках — ускорителях частиц — синхротронах и бетатронах. По названию одной из этих установок подобный механизм излучения получил название синхротронного.

Энергия синхротронного излучения распределяется по длинам волн неравномерно. Положение ее максимума на шкале электромагнитных волн зависит от энергии частицы и напряженности магнитного поля. Электроны, разгоняемые в синхротронах и бетатронах до скорости, близкой к световой (такие электроны называются релятивистскими), начинают интенсивно светиться («светящийся» электрон). При тех условиях, которые создаются в земных лабораторных установках, максимум излучения этих релятивистских электронов лежит в оптической части спектра. Такое излучение обладает целым рядом интересных особенностей. Оно сосредоточено в узком конусе, направленном в сторону движения электрона. Чем больше скорость, а следовательно, и энергия электрона, тем этот конус уже, излучение сосредоточено в более остром угле. Релятивистский электрон является как бы микроскопическим, направленно излучающим прожектором.

Межзвездные магнитные поля очень слабы; их напряженность не превышает сотых долей эрстеда. Поэтому радиус витка спирали космического релятивистского электрона, движущегося в таком поле, очень велик, и максимум энергии соответствующего синхротронного излучения попадает в область радиоволн метрового диапазона. Таким образом, в условиях межзвездного пространства релятивистские электроны — это уже не маленькие прожекторы, а крошечные остронаправленные радиоантенны. Совокупное движение релятивистских электронов в Галактике, сопровождающееся радиоизлучением, образует, например, одну из составляющих галактического фона излучения.