Что ищут «археологи космоса»?: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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^-27 Вт?

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^-23 Вт. 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 10⁹ А/м². 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.