Текст книги "Что ищут «археологи космоса»?"

Автор книги: Александр Николаев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

3. Охота за большим косинусом

Многие аспекты теории «горячей» Вселенной, развитые отечественными и зарубежными учеными предсказывают существование неоднородности – анизотропии – в микроволновом фоновом излучении на уровне сотой и даже тысячной доли процента. Второе десятилетие подряд на 600-метровом радиотелескопе АН СССР, или сокращенно РАТАН-600, и других крупнейших радиотелескопах планеты предпринимаются отчаянные попытки обнаружить мелкомасштабную анизотропию реликтового излучения, что помогло бы астрофизикам и космологам разобраться, как шло развитие отдельных «кирпичиков» нашей Вселенной. Чувствительность имевшихся приборов позволяет оценить лишь верхний предел неоднородности: 10 ^-4–10 ^-5. Однако не меньший интерес представляет рассмотрение и таких вопросов: как происходило развитие первичного огненного шара? Всегда ли Вселенная расширялась с одинаковым темпом? Наконец, как Земля и Солнечная система движутся относительно «первичной» Вселенной?

Ответить на эти вопросы можно, если знать, как распределяется радиояркостная температура фонового излучения на небесной сфере. Иными словами, насколько однородно или неоднородно реликтовое излучение, подчиняется ли оно, скажем, законам тригонометрического косинуса или каким-либо иным? На жаргоне астрофизиков новое научное направление получило название «охота за большим косинусом в небе».

Название, конечно, шутливое. А вот поиски были развернуты нешуточные.

Не будем перечислять всех подчас весьма изощренных экспериментов, к которым прибегали исследователи многих стран, пытаясь измерить реликтовое излучение. Главное условие всех опытов – поистине космическая точность, чувствительность измерений. Об уровне требований, предъявляемых к приборам, красноречиво говорит такое сравнение. Чтобы определить метеорологическую обстановку в каком-либо районе Земли, приходится определить температуру земной суши и поверхности океана с точностью до градуса; приборам, диагностирующим состояние здоровья человека, необходимо измерять температуру его тела с точностью до 0,1 градуса. Но чтобы решить задачу, связанную с «самочувствием» Вселенной, радиоастрономам было бы желательно знать температуру с точностью до стотысячной доли градуса. Последнее же означает, что если ложку кипятка размешать в бассейне холодной воды, то в этом случае температура как раз и «подскочит» на такую долю градуса!

Ну а в дальнейшем эту самую «ложку кипятка» экспериментаторы должны суметь разглядеть на фоне «Ниагарского водопада», горячей воды, низвергаемой с небес Солнцем, атмосферой, летящими в небе самолетами и т. д. и т. п.

Пытаясь избежать помех, американские и итальянские радиоастрономы стали проводить наблюдения с борта самолета, аэростатных гондол, поднятых на высоту до 20 км. Однако и в этом случае точность и эффективность опытов были очень низки. Так, за 15 лет исследований реликтового излучения, проводимых с самолетов и аэростатов, американские радиоастрономы работали в режиме измерения лишь 240 ч, то есть на год подготовки приходилось менее суток «чистого» наблюдательного времени.

Известный советский астроном Н. С. Кардашев еще в конце 60-х годов высказал идею об изучении реликтового излучения с помощью радиотелескопов, поднятых на борт искусственных спутников Земли. Преимущества нового способа исследования были очевидны и вскоре общепризнанны: выбором соответствующей, с очень высоким апогеем спутниковой орбиты можно избавиться от тепловых помех Земли, ее атмосферы и т. п. А самое главное – за год работы с помощью ИСЗ можно получить такой же объем информации, как и при наземных экспериментах продолжительностью почти в полвека!

Итак, идея была ясна в подробностях, спутники на такие орбиты запустить можно, установка радиотелескопа на них технической сложности также не представляла… Дело было лишь за специальным параметрическим усилителем, работающим в паре с бортовым радиотелескопом. И такой прибор, способный регистрировать тепловой контраст участков небесной сферы в десятитысячную долю градуса, был в короткое время создан В. Корогодом, А. Косовым, Д. Скулачевым под руководством И. Струкова.

Что можно сказать о приборе, способном измерить разность мощностей излучения в 10 ^-27Вт?

Чтобы лучше прочувствовать трудности, которые возникают при подобного рода экспериментах, достаточно привести слова одного из итальянских исследователей анизотропии фонового излучения Ф. Мельхиорри: «Исследовавшиеся сигналы имеют тот же порядок величины, что и естественное тепловое излучение мыши, находящейся в 50 км от детектора».

Чтобы понять, много это или мало, сравним ее с сигналом минимальной мощности, которую может принять идеальный, то есть абсолютно нешумящий усилитель.

На первый взгляд может показаться, что идеальная измерительная установка, из которой «извлечены» все источники внутренних шумов, способна принимать любой, сколь угодно малый сигнал. Однако это не так: парадоксальным оказывается само предположение о создании нешумящего усилителя, поскольку оно ведет к нарушению принципа неопределенности.

В самом деле, минимальная порция энергии, на которую реагирует приемная система, не может быть меньше энергии одного фотона. Поскольку приемное устройство регистрирует не более фотона в секунду, то для рабочей частоты 37 Гц это соответствует пороговой мощности примерно 3 x 10 ^-23Вт. Выходит, идеальный усилитель должен работать с излучением в 1000 раз более слабым, чем его пороговая мощность? Как сказал по этому поводу один из физиков, это все равно, что в лупу часовщика рассматривать вирус или пытаться взлететь на аэробусе, оснащенном движком от «кукурузника». Заметим, кстати, что мы рассмотрели случай с прибором идеальной чувствительности. Настоящий же, созданный для эксперимента «Реликт» параметрический усилитель имел, само собой разумеется, в несколько раз больший шумовой уровень.

И все-таки карта распределения интенсивности реликтового излучения на небесной сфере была построена.

4. Что нашли «археологи космоса»

Чтобы выделить слабый сигнал, безнадежно утонувший в шумах аппаратуры, конструкторы уникальных приборов прибегли к весьма остроумному способу, который не раз выручал археологов, имеющих дело со старыми документами, со стертыми или утраченными надписями и т. д. и т. п. Документ несколько раз фотографируют в различных спектральных диапазонах. Затем полученные изображения складывают друг с другом. Случайные помехи – шумы! – пропадают, а вот характерные детали, пусть даже и невидимые на каждом отдельном снимке, складываясь, усиливают друг друга. Точно так же действовало и приемное устройство, разработанное физиками специально для эксперимента «Реликт»: шумы, даже превышающие слабый полезный сигнал, удается уменьшить, благодаря многократным наблюдениям за одним и тем же участком. Уровень помех по сравнению с полезным сигналом при этом уменьшался как корень квадратный из числа измерений.

По условиям эксперимента уровень шума нужно уменьшить ни много ни мало в 1 млн. раз. Число измерений, совершаемое каждую секунду, пропорционально, как известно, полосе принимаемых частот. Приемное устройство бортового радиотелескопа благодаря полосе шириной в 400 МГц позволяло в течение года работы обследовать 1500 элементов небесной сферы 4300 млрд. раз. Погоня за количеством имела своей целью резкое улучшение качества приема космологического фона: уровень аппаратурных шумов удалось уменьшить в 2 млн. раз.

Некоторое представление о том, какие чисто технические трудности пришлось преодолевать молодым ученым при создании уникального прибора, дает следующий пример, иллюстрирующий создание одного из устройств, входящих в состав не самого сложного – контактного устройства.

Представьте себе лунку, сделанную в полупроводниковом кристалле диаметром 3 мкм, и позолоченную пружинку толщиной с человеческий волос и длиной всего 0,5 мм. Пружинку изгибают по сложному профилю и, заострив с одного конца, попадают ею в лунку так, чтобы обеспечить надежный электрический контакт. 40 млрд. раз в секунду через это устройство будет проскакивать электрический разряд с фантастической плотностью 10 ⁹А/м ². Это в несколько раз выше, чем в канале ствола молнии!

Характерная деталь: микроскопический контакт должен работать даже в экстремальных условиях без малейшего сбоя в течение нескольких лет, причем заточенное жало пружинки не должно и на микрон сдвинуться в сторону ни при выводе спутника «Прогноз» на орбиту, ни в других экстремальных условиях.

Итак, эксперимент завершен. И хотя обработка результатов будет еще продолжаться, я прошу Игоря Струкова сказать несколько слов о его итогах.

– Выполнение наблюдения позволяет сделать предварительные суждения о характере перемещения нашей Галактики в пространстве. Со скоростью около 515 км/с она движется в направлении ближайшего скопления галактик в созвездии Девы. Угол между вектором скорости и направлением на галактические скопления составляет приблизительно 50°.

Одним из самых интересных и неожиданных результатов явилось то, что интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 мм оказалась значительно выше, чем по ранее сделанным оценкам. Это, по-видимому, связано с существованием гигантских объемов ионизированного водорода, расположенных в спиральных областях нашей Галактики. Такие области, заполненные плазмой и ослабляющие проходящее сквозь них излучение, получили название Н II области. Масса наиболее крупных из них превосходит Солнце в сотни тысяч раз, температура достигает 10 000 К.

Подмечена такая любопытная закономерность. Чем меньше Н II – область, тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено. Ряд областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов, другие видны только в радиодиапазоне. Установить причины их возникновения и найти разгадку столь необычной зависимости плотности плазмы от размеров области – дело дальнейшего.

Самым же главным достижением эксперимента «Реликт» является безукоризненная работа уникального радиотелескопа, превосходящего по своим характеристикам все зарубежные аналоги. Удалось добиться настолько высокой его чувствительности, что он различал две точки на небесной сфере, если их температура разнилась всего лишь на десятитысячные доли градуса. Судя по сообщениям зарубежной печати, чувствительность созданного советскими учеными радиометра вдвое выше, чем у подобного прибора на американском спутнике СОВЕ, запуск которого еще только планируется. «Прогноз-9» подтвердил высокую однородность распределения по небу яркости реликтового излучения. Никаких, даже слабых, эффектов, предусматриваемых другими моделями Вселенной, обнаружено не было, что уже ставит эти модели под сомнение.

Сегодня идет подготовка нового проекта – «Реликт-2». Существенной особенностью новых исследований крупномасштабной анизотропии реликтового излучения станет охлаждение приемника излучения и антенны, что повысит чувствительность аппаратуры еще втрое-четверо по сравнению с достигнутой в проекте «Реликт-1».

При столь высокой чувствительности основной радиотепловой помехой станет излучение Солнца, Земли и Луны. Чтобы этого избежать, космический аппарат планируется вывести в окрестность гак называемой точки либрации. В этой точке, удаленной на расстояние полутора миллионов километров от Земли, спутник будет находиться в состоянии относительного равновесия.

И тогда космические эксперименты предоставят в наше распоряжение информацию о ряде космологических особенностей Вселенной, зашифрованных в реликтовом излучении, о распределении на небесной сфере скоплении и сверхскоплений галактик, а может быть, и о новых космических радиоисточниках.

Уран, его 15 лун и 11 колец

«Странным был этот заброшенный в пространстве, удаленный от Солнца почти на три миллиарда километров маленький спутник Урана – Оберон. Или Громовая Луна, как называли его видавшие виды астролетчики.

Тускло-багровый шар, окруженный неглубокой, пропитанной темным дымом атмосферой… В море расплавленной лавы, покрывающей поверхность планеты, плавали огненные острова. Через жерла вулканов вырывался огонь, питаемый слишком высокой радиоактивностью недр Оберона.

Громовая Луна справедливо считалась адским местом. Страшным и одновременно привлекательным. Ибо на Обероне был найден левиум – самое таинственное, редкое и удивительное вещество во Вселенной. Сказочный левиум, обладающий, как мы сказали бы теперь, свойством антигравитации».

Таким предстал Оберон – одна из лун в системе Урана в научно-фантастической повести американского писателя Э. Гамильтона «Сокровища Громовой Луны», опубликованной у нас в стране тридцать лет назад. Нет, ни левиума, ни планет с высокой радиоактивностью нынешние разведчики космоса – «Пионеры», «Зонды», «Маринеры», «Марсы», «Вояджеры», «Веги» не обнаружили. Но открыли они многое другое, тысячекратно обогатив наши, сложившиеся в основном во времена оптической астрономии представления о Меркурии, Марсе, Венере, Юпитере, Сатурне, их спутниках и малых телах Солнечной системы.

В январе 1986 года телекамеры находящегося на пролетной траектории «Вояджера-2» сфотографировали Уран и систему его спутников с расстояния в 81 тыс. км…

* * *

…2 ч 45 мин находились на пути к Земле сигналы от передатчика космического зонда. Пройдя расстояние, измеряемое в 19,2 а. е., они так ослабли, что принимавшим их центрам дальней космической радиосвязи пришлось вначале их складывать, прежде чем приступить к обработке.

Впрочем, и после накопления импульсы были столь слабы, что для того чтобы гигантским наземным комплексам было легче отделить «зерна» информации от «плевел» помех, темп передачи каждого снимка пришлось растянуть по времени почти до 4 мин.

Увы, несмотря на многочисленные ухищрения, рассмотреть поверхность этой планеты-гиганта, почти вчетверо превосходящей по диаметру Землю, так и не удалось. Впрочем, это не очень сильно обескуражило астрономов, и без того сомневавшихся, дадут ли снимки с космического зонда более подробную информацию, чем, скажем, съемки с помощью телескопов, поднимаемых на аэростатах в верхние слои атмосферы. Ибо высокий уровень облачности Урана смазывает детали общей его поверхности.

Напомним, что долгое время астрономам, рассматривавшим диск Урана даже в самые совершенные оптические приборы, буквально не за что было глазом зацепиться. Даже факт вращения этой сжатой с полюсов и, следовательно, сильно раскрученной планеты удалось установить не прямыми наблюдениями, а лишь по периодическому изменению ее блеска да по величине доплеровского смещения спектральных линий. Оказалось, что в отличие от Земли и других планет Уран, подобно Венере, вращается по часовой стрелке. Сутки на Уране, считалось ранее, равны 10,8 ч. Этот результат был поставлен под сомнение последними оптическими измерениями эффекта Доплера: новое значение (24±3) ч. После расшифровки и информации «Вояджера» можно утверждать, что продолжительность суток на Уране составляет 16,5–17 ч. Подсказало этот вывод вращение облачного слоя.

И еще деталь, характерная только для Урана, вращающегося вокруг своей оси как бы лежа на боку. Сейчас, когда у нас весна, солнечные лучи падают на полюс планеты почти отвесно. Правда, Уран, находящийся на периферии Солнечной системы, получает очень мало тепла и света – в 370 раз меньше, чем Земля. Инфракрасные датчики установили, что температура его верхнего облачного слоя – минус 212 °C, нижнего – минус 192 °C. Причем облака наружного слоя – а они состоят, по-видимому, из метана и других углеводородов – движутся в зависимости от широты с разной скоростью, достигающей 350 км/ч.

Этот парадоксальный факт, свидетельствующий о существовании на Уране мощных ветров, требует от ученых дополнительного объяснения: ведь на седьмой по счету планете Солнечной системы температурный контраст между полярными и экваториальными районами незначителен. К числу необъясненных пока загадок планеты относится и то, что постоянно освещенное Солнцем полушарие оказалось холоднее, чем находящееся в тени. Кроме того, с помощью ультрафиолетового детектора на солнечной стороне зарегистрировано атмосферное явление, названное электросиянием. Проведенные расчеты показали, что потока солнечной энергии недостаточно для его возникновения…

Магнитометры «Вояджера» обнаружили у Урана магнитное поле, о котором до сих пор не было никаких данных. Его напряженность примерно на 15% меньше, чем у Земли. Что касается магнитных полюсов, то по отношению к географическим, а точнее будет сказать, к уранографическим полюсам, они смещены на 55°. Также установлено, что это поле отличается крайней переменчивостью: оно постоянно меняется не только на протяжении 84-летнего уранового года – периода обращения вокруг Солнца, но и на протяжении урановых суток.

Ряд данных, полученных аппаратурой космического зонда, позволяет считать, что планета имеет расплавленное ядро, окруженное мощным, достигающим 8 тыс. км слоем воды, перегретой до нескольких тысяч градусов. Это не значит, что она кипит, потому что подвергается гигантскому сжатию со стороны атмосферы.

На снимках самого Урана видны вихри и четко очерченные характерные пятна – по-видимому, «ячейки бурь», а может быть, и области конденсации метана и аммиака, из которых в основном состоит атмосфера. В ней, кроме того, присутствуют гелий (10–15%) и даже ацетилен; не исключено, что последний образуется из метана под влиянием излучения Солнца. Последующие реакции с участием ацетилена приводят к образованию коричневых частиц, придающих характерный оттенок одному из колец и расходящихся от темного пятна над полюсом. Кроме того, на диске Урана заметно отдельное облако, наблюдаемое в виде яркой полосы вблизи края планеты. Что оно собой представляет? Одно из изображений, позволяющее выяснить особенности движения атмосферы, получено после тщательной обработки снимков, сделанных с использованием фиолетового, голубого и оранжевого фильтров. Введение искусственных, или, как говорят физики, неестественных цветов, помогает выявить ряд дополнительных деталей. Исследователей особенно волновал вопрос: что могут представлять собой отдельные округлые образования, видимые в нижней части диска.

Выяснилось, что это тени, вызванные пылью, попавшей в оптическую систему камеры. Не исключено, делают вывод специалисты, что процессы машинной обработки изображений, необходимые для выявления слабозаметных деталей поверхности планеты, также приводят к подобным искажениям.

К необычным особенностям Урана относится и открытая в 1977 году система колец, состоящих из множества непрозрачных и, по-видимому, очень темных колец. В отличие от колец Сатурна эти узкие, нитевидные образования, не видимые в отраженном свете, б'ыли обнаружены только по сильному ослаблению блеска звезд, оказавшихся при орбитальном движении Урана (по отношению к земному наблюдателю) позади колец; удаленность последних от центра планеты составляет от 1,6 до 1,85 ее радиуса.

Фотография колец Урана была сделана с расстояния около 4,17 млн. км. Ширина большинства из них – несколько километров. Видны все девять известных колец. Между ними различимы размытые полосы, обусловленные обработкой изображения с помощью ЭВМ. Для получения контрастной цветовой информации о затемненных и еле различимых кольцах Урана были сделаны шесть их снимков с длительностью экспозиции 15 с.

А чтобы резче оттенить границы каждого кольца, изображения, полученные с использованием светофильтров, совмещались и усреднялись.

Наиболее ярким выглядит расположенное сверху кольцо Эпсилон. Оно светлого цвета. Ближе к Урану – кольца Дельта, Гамма и Эта. У них голубовато-зеленые оттенки. Кольца Альфа и Бета – более светлых тонов. И наконец, последняя группа из трех колец, получивших цифровые наименования 4, 5 и 6, светится слабым белым светом. Теперь вместе с вновь открытыми известно 11 колец Урана. Ученые, используя цветовую информацию, смогли выяснить природу и происхождение материала колец, состоящих, как полагают, из темных ледяных глыб в среднем метрового размера.

Траектория полета станции пролегала вблизи всех пяти известных спутников Урана: Миранды, Ариэля, Умбриэля, Титании и Оберона. Но телекамеры «Вояджера-2» рассмотрели еще десять, гораздо меньших по размеру – от 14 до 72 км в поперечнике – лун темного цвета. Сначала вместо имен они получили лишь временные обозначения: 1985 U-1, 1986 U-1 …, 1986 U-9. Сейчас семь из этих новооткрытых спутников названы именами американских астронавтов, погибших при катастрофе «Челленджера».

Наибольшее внимание ученых сразу приковали к себе две маленькие «луны» – 1986 U-7 и 1986 U-8. Эти аспидно-черного цвета спутники, расположенные непосредственно у самого наружного кольца планеты по обе его стороны, отнесены к типу «спутников-пастухов», активно влияющих на формирование колец, в которых, как отмечается, гораздо меньше пыли, чем в кольцах Сатурна.

На фотографиях больших лун хорошо различимы кратеры метеоритного, по всей вероятности, происхождения, а также возникшие вследствие необычной внутренней активности долины и разломы. Вдоль некоторых из них вытекает из трещин какое-то вещество и, похоже, замерзает на поверхности.

На Обероне, скажем, отмечается множество светлых кратеров с расходящимися от них во все стороны лучами. Полагают, что образовались они при метеоритной бомбардировке, когда от удара лед, скрытый под темной корой, обнажился. Здесь же ученые отметили гору высотой около 5 км, а также загадочную темную область.

Резко отличается от других больших лун Миранда. Этот ближайший к Урану спутник диаметром около 500 км напоминает как бы деформированную в результате космического катаклизма сферу: с одной стороны она раздута, с другой – сплющена. На ее фотографии чередуются цветные и черные полосы, образующие «шевроновый» рельеф. Их пересекают синусоидальные «царапины». На поверхность как бы наложен «узор» из ударных округлой формы кратеров диаметром до 5 км. Разрешающая способность снимка – в кадр попала площадь диаметром 220 км – около 600 м. Вполне возможно, что на Миранде, как и на спутнике Юпитера Ио, происходят тектонические явления.

На Титании – самой крупной луне (диаметр 1600 км), сфотографированной с расстояния в 369 тыс. км, специалисты отчетливо различали детали размером до 13 км. Ее древняя поверхность густо испещрена кратерами. Для нее характерны глубокие долины длиной до 1500 и шириной до 75 км. Обращенные к Солнцу склоны ярко освещены. В нижней части диска – кратер диаметром свыше 200 км. Его пересекает сравнительно молодая долина шириной более 200 км. В верхней части диска отчетливо виден ударный кратер диаметром 300 км.

Наиболее загадочным спутником Урана предстал Умбриэль. В самом деле, соседние Ариэль и Титания буквально испещрены шрамами метеоритного и тектонического происхождения, а на светло-пепельном лике этой луны, представляющей собой отличную космическую мишень диаметром 1100 км, планетологам не удалось обнаружить ни признаков геологической активности, ни даже следов столкновений с метеоритами. На ровном, «тщательно ухоженном» диске отчетливо видно лишь странное, фантастической яркости кольцо. Отчего же эта луна так прекрасно сохранилась? Благоприятные космические условия или косметические ухищрения… инопланетной технологии?

Но – досужие догадки в сторону. Для того чтобы получить лучшую из сделанных «Вояджером-2» цветных фотографий поверхности Ариэля, специалистам пришлось прибегнуть к компоновке этого изображения, используя отдельные фотографии южного полушария Ариэля, сделанные через зеленый, голубой и фиолетовый фильтры с расстояния в 170 тыс. км. Большая часть видимой поверхности, на которой различимы детали до 3 км, густо покрыта кратерами и пересечена трещинами, а также неровными долинами и рвами. Некоторые из наиболее крупных долин частично заполнены сравнительно молодыми образованиями, на которых кратеров не столь много. Ярко освещенные области представляют собой в основном края небольших кратеров. Большинство кратеров неразличимы из-за их малости, хотя один из них, диаметром около 30 км, хорошо виден в средней части снимка. Подобные молодые образования на Ариэле формировались, вероятно, в течение длительного геологического (читай – ариэлогического) периода. Несмотря на то что диаметр этой луны Урана составляет всего 1200 км, она, по мнению планетологов, претерпела в прошлом значительные геологические преобразования.

Выполнив научную программу, «Вояджер-2» прибег к навигационному маневру, предложенному Ф. Цандером еще в 20-е годы и позволяющему сократить расход топлива и время перелета.

Реактивным двигателем траектория зонда была скорректирована так, что, подобно трамплину, мощное гравитационное поле Урана отбросило его в сторону Нептуна. Таким образом, изменив направление полета, «Вояджер-2» 24 августа 1989 года должен пролететь в 7500 км от облачного слоя еще одной планеты загадок. А что далее? По образному выражению американского астрофизика К. Сагана, этот межпланетный зонд ждет межзвездное будущее.