Открытие космического радиоизлучения.

Что бы изложить круг вопросов связанных с космическим радиоилучением, можно обратиться за справкой:
Вы сразу почувствуете весь объем.

XI. Многоаспектная всеволновая астрономия в рамках классической релятивистской картины мира

1930.19.II - открытие Плутона (К. Томбо, США).

1930 - окончательное доказательство существования межзвездного поглощения света, с оценкой его величины (Р. Дж. Трюмплер, США);

1931 - открытие космического радиоизлучения (К. Янский, США): Берман, Занстра - объяснение физики планетарных туманностей: гипотеза Милна: остаток взрыва новой - белый карлик.

1932 - уточнение расстояния Солнца от центра Галактики (Б. П. Герасимович); постановка проблемы создания Каталога слабых звезд (КСЗ) для изучения структуры Галактики и звездных движений (Б. П. Герасимович и Н. И. Днепровский); организация в СССР службы Солнца (Е. Я. Перепелкин, Пулково); изобретение зеркально-линзовой системы телескопа (Б. Шмидт, Эстония-Германия); каталог Шепли-Эймз ярких галактик (сыгравший важную роль в выявлении крупномасштабной структуры Метагалактики). 1932-1933 - методы определения расстояний до планетарных туманностей, температур их ядер, классификация форм (Б. А. Воронцов-Вельяминов).

Начало 30-х гг. - возрождение идей скоплений и сверхскоплений галактик (X. Шепли, Э. Хаббл, М. Хьюмасон, В. де Ситтер); заключение о существовании во Вселенной скрытой массы на основе применения теоремы вириала к скоплениям галактик (Ф. Цвикки, США). 1932-

1951 - повторное обнаружение частей пояса ярких галактик, перпендикулярного Млечному Пути, некогда открытого В. Гершелем (X. Шепли. К. Сейферт).

1932 - идея возможности нейтронных звезд (Л. Д. Ландау, СССР).

1933 - разработка теории лучистого равновесия планетарных туманностей и теории возбуждения метастабильных уровней в газовых туманностях (В. А. Амбарцумян).

1934 - гипотеза о том, что остатком взрыва сверхновой должна быть нейтронная звезда (В. Бааде, Ф. Цвикки, США); теория протяженных атмосфер звезд («теория Козырева - Чандрасе-кара»); первое детальное исследование Be-звезд, в том числе проблемы истечения вещества из них и состояния вещества в расширяющихся оболочках (Б. П. Герасимович); открытие для новоподобных звезд зависимости «амплитуда изменения блеска - период» и предсказание вспышки Т Северной Короны (П. П. Паренаго, Б. В. Кухаркин, Москва. - Подтвердилось в 1946 г.),.

1935-1936 - разработка методов статистического исследования звездных систем и обоснование «короткой шкалы» возраста Галактики (согласующейся с релятивистской теорией) (В. А. Амбарцумян).

1936 - первая классификация новых звезд (Герасимович); обнаружение различного относительного содержания 13С и 12С в звездах разных классов (Э. Мак-Келлар, Канада).

1936-1937 - массовые репрессии советских астрономов в эпоху культа личности (Б. В. Нумеров, Н. А. Козырев, Д. И. Еропкин, П. И. Яшнов, Н. В. Комендантов, И. А. Балановский, В. Ф. Газе, Н. И. Днепровский. Е. Я. Перепелкин, М. М. Мусселиус. Б. П. Герасимович). 1936-1940 - вывод элементов земного эллипсоида (Ф. Н. Красовский).

1937 - теория термоядерных реакций синтеза (H®He) как источника внутризвезднои энергии (Г. Бете, США; К. Вейцзеккер, Германия); сооружение первого параболического радиотелескопа и подтверждение результата Янского о радиоизлучении Галактики (на волне 1,8 м), догадка об излучении диффузной материи (Г. Ребер, США) - начало радиоастрономии; разработка эффективного метода определения пространственной плотности звезд на основе звездных подсчетов с учетом межзвездного поглощения (метод Вашакидзе - Оорта); обнаружение молекул СН в межзвездной среде (П. Свинге, Бельгия; Л. Розенфельд, США); идея крупномасштабного галактического магнитного поля (X. О. Альвен, Швеция); идея неиерархической крупномасштабной структуры Вселенной (аналогияс «мыльной пеной», где скопления галактик играют роль«пузырей») (Ф. Цвикки, США).

1937-1940 - теория звездной эволюции на основе ядерных источников энергии (Дж. Гамов, США).

1938 - критика космогонической гипотезы Джинса (Г. Рессел, окончательное доказательство несостоятельности этой приливной гипотезы, - Н. Н. Парийский, 1943).

1938-1939 - открытие двух типов ядерных реакций синтеза H®He: протон-протонного цикла (К. Критчфилд, Англия; К. Вейцзеккер) и углеродно-азотного (Г. Бете). 1939 - нейтринная теория взрыва сверхновых (Дж. Гамов); вывод на основании ОТО неизбежности черной дыры (Р. Оппенгеймер, X. Снайдер, США). 1939-1941 - разработка физической теории движения метеорных тел в атмосфере и установление верхней границы геоцентрической скорости метеоритообразующих из них (Б. Ю. Левин).

1939- 1942 - основы космической электродинамики (X. Альвен, Швеция).

1939 - нач. 40-х гг. - два новых метода определения электронной температуры планетарных туманностей (В. А. Амбарцумян, В. В. Соболев).

1940 - открытие молекул CN, NH в межзвездной среде (Э. Мак-Келлар, Канада); создание теории поглощения света в Галактике (П. П. Паренаго).

1940-1942 - выделение галактик с активными ядрами как качественно нового загадочного феномена (К. Сейферт, - «сейфертовские галактики»); открытие возбужденного состояния молекул межзвездного циана (Мак-Келлар, - в дальнейшем объяснено реликтовым излучением).

1941 - изобретение менисковой оптической системы телескопа (Д. Д. Максутов). 1941-1942 - расшифровка «корония», как многократно ионизированных атомов Fe, Ni и др. (Б. Эдлен, Швеция). 1942 - Крабовидная туманность - остаток взрыва сверхновой 1054 года (Н. Мейолл, Я. Оорт); первая радиокарта неба (Ребер); открытие теплового радиоизлучения Солнца (Дж. С. Хей и Дж. Стюарт).

1942-1947 - динамическая теория зодиакального света (В. Г. Фесенков).

1943 - заключение о поляризации излучения в затменных двойных с компонентом раннего класса («эффект Соболева - Чандрасекара»).

1943-1944 - разделение звезд Галактики на подсистемы, имеющие эволюционный смысл (звездные населения) (В. Бааде, Б. В. Кукаркин).

1944 - наиболее ранее сообщение об открытии теплового радиоизлучения Солнца (Г. Ребер); разложение на звезды центральных частей М31 и ее эллиптических спутников М32 и NGC 205 (Бааде);теоретическое предсказание радиоизлучения нейтрального водорода на l=21 см в межзвездном пространстве (X. К. ван де Хюлст, Нидерланды); первая краткая публикация космогонической гипотезы О. Ю. Шмидта («Метеоритная теория происхождения Земли и планет»).

1945 - теория определения фигуры реальной Земли (геоида) (М. С. Молоденский). 1945 - начало составления Кембриджских каталогов дискретных радиоисточников в результате радиообзоров северного неба с антеннами высокой разрешающей способности методом апертурного синтеза (М. Райл с сотрудниками, Англия); подтверждение эффекта красного смещения в радиодиапазоне (Райл).

1946 - радиолокация н обнаружение радиоизлучения Луны; радиолокация метеорных потоков (доказательство возможности дневного их наблюдения) (Дж. Хей, Дж. Стюарт), получение УФ-спектра Солнца (Р. Таузи, США) и открытие его рентгеновского излучения (X. Фридман, США); создание радиоинтерферометра (Дж. Пози, М. Райл); теория «горячей Вселенной» (Дж. Гамов); обнаружение магнитного поля у звезды (78 Девы) и его переменности (X. У. Бэбкок, США); открытие первого дискретного космического радиоисточника Лебедь А (Дж. Хей, С. Пирсоне, Дж. Филлипс, Англия); получение первых ИК-спектров планет и звезд (Дж. Koйnep); интерпретация радиоизлучения «спокойного» Солнца как теплового излучения верхней атмосферы (В. Л. Гинзбург, И. С. Шкловский, СССР; Д. Мартин, Англия).

1947 - открытие глобул (Б. Бок, Рэйли, США); основание обсерватории Маунт Паломар (США). 1947-1948 - открытие «звездных О- и В-ассоциаций» как областей продолжающегося звездообразования (В. А. Амбарцумян. Б. Е. Маркарян). 1948 - предсказание остаточного (от первичного взрыва) излучения во Вселенной с T @5K (Дж. Гамов, Р. Альфер и Р. Герман); обнаружение ядра Галактики с помощью ИК-фотографии (В. Б. Никонов, А. А. Калиняк, В. И. Красовский); открытие межзвездной поляризации света (У. А. Хилтнер, Дж. Холл, США; В. А. Домбровский. СССР); обоснование наблюдаемости космического радиоизлучения в линии 21 см (И. С. Шкловский, СССР); выход первого издания «Общего каталога переменныхзвезд» (ок. 11 тыс. объектов) (под ред. Б. В. Кукаркина и П. П. Паренаго).

1948-1949 - введение в строй нового крупнейшего в мире 200-дюймового рефлектора на Маунт Паломар. 1949 - обоснование наблюдаемости межзвездных молекул ОН, СН и других в радиодиапазоне с расчетом радиолиний (Шкловский); открытие уникального астероида, орбита которого заходит за орбиту Меркурия, - Икар (Бааде). 1949-1951 - детальная разработка космогонической гипотезы О. Ю. Шмидтом.

1949-1953 - открытие обилия эмиссионных водородных туманностей в галактиках (Г. А. Шайн и В. Ф. Газе).

1950 - гипотеза о существовании на периферии Солнечной системы (100-150 тыс. а. е.) сферического слоя кометных тел - «кометное облако Оорта» (Я. Оорт; ранее близкие идеи были высказаны В. Г. Фесенковым, а затем Э. Ю. Эпиком); открытие радиоизлучения М31, сравнимого с галактическим (Р. Браун и К. Хэзард, Англия).

XX век, третья четверть

1951 - обнаружение предсказанного радиоизлучения Н с l=21 см (X. Юэн, Э. Парселл, США и независимо К. Мюллер, Я. Оорт, Нидерланды);

1951 - 1952 - выявление спиральной структуры Галактики по распределению звезд ранних классов (У. Морган, С. Шарплесс и Д. Остерброк, США) и по радиоастрономическим данным (Оорт, ван де Хюлст, Шкловский).

1952 - обнаружение технеция в спектрах холодных звезд (П. Меррилл. США); первый пересмотр (удвоение) шкалы межзвездных расстояний, определяемых по цефеидам (Бааде); предсказание теплового радиоизлучения зон ионизированного водорода в Галактике (Шкловский), выделение класса очень вытянутых волокнистых туманностей и правильная интерпретация их формы как свидетельства существования Галактического магнитного поля (Шайн, Газе).

1953 - первое отождествление дискретного радиоисточника с оптическим - Крабовидной туманностью - остатком сверхновой (Бааде, Р. Минковский); открытие Местного сверхскопления галактик - «Сверхгалактика Вокулера» (Ж. де Вокулер, Австралия); идея синхротронного механизма радиоизлучения в непрерывном спектре дискретных источников (Шкловский); модель галактического происхождения космических лучей (В. Л. Гинзбург); создание точной UBV-системы звездной фотометрии (У. Морган, X. Джонсон, Д. Хэррис, США).

1954 - открытие сверхкороны Солнца (В. В. Виткевич, СССР); открытие предсказанной И. М. Гордоном (Харьков) сильной линейной поляризации оптического излучения бесструктурной составляющей Крабовидной туманности (как следствия синхротронности излучения) (В. А. Домбровский и М. А. Вашакидзе, СССР).

1955-1956 - открытие радиоизлучения Юпитера (К. Франклин и Б. Берк, США), Венеры (К. Майер, Т. Мак-Каллаф, Р. Слоунекер, США), кометы Аренде-Ролана (США, Бельгия).

1957.4. X - запуск первого искусственного спутника Земли (ИСЗ) (СССР, рук. проекта С. П. Королев, двигатели ракеты конструкции В. П. Глушко); 1957 - открытие регулярных магнитных полей в сверхкороне Солнца (В. В. Виткевич, Б. Н. Пановкин); первая современная формулировка антропного принципа (Г. М. Идлис, А. Л. Зельманов); вывод В. А. Амбарцумяна об активности ядер галактик как следствие его нетрадиционной космогонии; второй пересмотр шкалы межгалактических расстоянии (Э. Сэндидж, США); установка крупнейшего полноповоротного параболического радиотелескопа в обсерватории Джодрелл-Бэнк Манчестерского университета (Англия).

1958 - открытие радиационных поясов Земли (Дж. Ван Аллен, США); обнаружение признаков продолжающейся вулканической активности на Луне в кратере Альфонс (Я. А. Козырев, Пулково).

1959 - радиолокация Солнца (США); 14.IX - первая (жесткая) посадка АМС («Луна-2») на Луну, доказавшая отсутствие у Луны магнитного поля; 4-Х - первый облет Луны с фотографированием ее обратной стороны (СССР).

1959 - предсказание сверхтекучести вещества нейтронных звезд (А. Б. Мигдал, СССР).

1960 - первые попытки поиска искусственных радиосигналов на волне 21 см от ближайших звезд (Ф. Дрейк, США). 1961.12.IV - первый полет человека в космическое пространство (Ю. А. Гагарин, рук. проекта С. П. Королев).

1961 - открытие космического g-излучения (диффузного); ввод в строй 2,6-метрового рефлектора им. Шайна (Крымская астрофизическая обсерватория АН СССР, до 1975 г. - крупнейший в Европе).

1961-1964 - радиолокация Венеры, Меркурия, Марса и Юпитера (установлены период и обратный характер вращения Венеры, уточнены физические свойства поверхностей планет, уточнена а. е.: ±2 км, - СССР, США).

1962 - открытие первого галактического источника рентгеновского излучения (Р. Джаккони, X. Гурский, Ф. Паолини, Б. Росси, США) - начало рентгеновской астрономии;7.III - первый ИСЗ для исследования Солнца (серии OSO, США); 16.III - первый ИСЗ серии «Космос» (СССР); 14.XII - первые исследования Венеры с КА «Маринер-2» при пролете планеты (запуск 27.VIII, - США). 1962 - классификация гипотетических космических цивилизаций по уровню их энергетической мощи (Н. С. Кардашев). 1963 - открытие квазаров ( М. Шмидт, США);открытие рентгеновского излучения Крабовидной туманности (X. Фридман и др., США); обнаружение предсказанных Шкловским линий межзвездного гидроксила (ОН) (США); открытие нового класса галактик - с УФ-избытком излучения ядер нетеплового характера (Б. Е. Маркарян, СССР); обнаружение Н в атмосфере Меркурия (Н. А. Козырев); оценка температуры в центре Юпитера (до 200 тыс. град. - Козырев);

1963..13.IX - первая лазерная локация Луны (КрАО АН СССР).

1964 - теоретическое обоснование возможности обнаружения имевшейся аппаратурой «остаточного излучения», предсказанного Дж. Гамовым (А. Г. Дорошкевич, И. Д. Новиков, СССР); предсказание, что компактный радиоисточник в центральной части Крабовидной туманности является сверхнамагниченной быстровращающейся нейтронной звездой (Н. С. Кардашев); гипотеза симметричной Вселенной, сочетающей «мир» и «антимир», и теория нетривиальной пространственно-временной топологии Вселенной (Г. И. Наан, СССР).

1965 - открытие реликтового радиоизлучения с температурой 2,7 К, подтвердившее гипотезу «горячей Вселенной» (А. Пензиас и Р. Вильсон, США); 18.III - первый выход человека в открытый космос (А. А. Леонов);

15.VII - открытие луноподобного (с обилием кратеров) характера поверхности Марса и окончательное крушение гипотез о возможности развитых форм жизни на этой планете в настоящее время («Маринер-4»).

1965 - открытие «квазагов» (Э. Сэндидж, США); предсказание высокоэнергетического нейтринного излучения при коллапсе звезд (Я. Б. Зельдович, О. X. Гусейнов);

1965.16.XII - запуск искусственного спутника Солнца «Пионер-4» (США); создание метода радиоинтерференционных наблюдений на независимых антеннах со сверхдлинными (межконтинентальными) базами (Л. М. Матвеенко. Г. Б. Шоломицкий, Н. С. Кардашев). 1966 - открытие первого точечного источника космических лучей (Дж. Дати, США); открытие дискретных источников g-излучения (X. Фридман, Дж. Дати, США); отождествление рентгеновского источника Скорпион Х-1 с остатком сверхновой.

1966.3.II - первая мягкая посадка на поверхность Луны и передача лунной фотопанорамы («Луна-9», СССР); 31.III - первый в мире искусственный спутник Луны «Луна-10» и получение с помощью установленного на нем g спектрографа данных о химическом составе лунных пород (ГЕОХИ АН СССР);3.VI - основание Специальной астрофизической обсерватории (САО) АН СССР на Сев. Кавказе; расчет из космологических данных верхней границы массы нейтрино (С. С. Герштейн, Я. Б. Зельдович). Начало 60-70-е гг. - развитие концепции «черных дыр» и попытки объяснения ими активности ядер галактик, феноменов в тесных двойных звездах, центральных частях звездных скоплений и т. д. (Дж. Уилер, Ч. Мизнер, К. Торн и др., США; Я. Б. Зельдович, И. Д. Новиков, Р. А. Сюняев, Шварцман, СССР). Вторая пол. 60-х - сер. 70-х гг. - развитие теории возникновения крупномасштабной структуры Метагалактики в рамках теории «горячей Вселенной» на основе новой нелинейной теории гравитационной неустойчивости (теория «блинов») (Я. Б. Зельдович и его школа), 1967 - открытие пульсаров (Дж. Белл, Э. Хьюиш, Англия); первое исследование атмосферы Венеры со спускаемого аппарата «Венера-4», идея объяснения барионной асимметрии Вселенной несохранением СР-инвариантности и барионного заряда (А. Д. Сахаров).

1967-1980 - гидродинамическая теория гравитационного коллапса звездных ядер в нейтронную звезду с учетом переноса энергии нейтринным излучением (В. С. Имшенник, Д. К. Надежин. Л. Н. Иванова); расчет параметров возникающего при этом нейтринного всплеска (Имшенник, Надежин, Г. В. Домогацкий, Р. А. Эрамжан).

1968 - космологическая оценка числа сортов нейтрино (В. Ф. Шварцман, СССР. САО); 24.XII - первый облет Луны человеком(«Аполлон-8», космонавты Ф. Борман, Дж. Ловелл, А. Андерс, США).

1969.20- 21.VII - первая посадка человека на Луну с выходом на лунную поверхность(«Аполлон-11», космонавты Н. Армстронг, Э. Олдрин, США);

1969 - метод определения термодинамических параметров атмосфер планет (Л. М. Обухов, СССР); 1970 - первая доставка грунта Луны на Землю («Луна-16», СССР); 17.XI - начало работы на Луне радиоуправляемого с Земли «Лунохода-1». 1970 - предсказание рентгеновского излучения пульсаров, входящих в двойные системы (В. Ф. Шварцман); изобретение «спекл-интерферометрии» (А. Лабейри, Франция); установка ИК-телескопа (380 см) на обсерватории Мауна-Кеа (Гавайи, США); ввод первого многоэлементного радиотелескопа (Вестерборк, Нидерланды);

1970.12.XII-запуск первого ИСЗ для рентгеновских исследований («Ухуру», США). 1971 - открытие рентгеновских пульсаров (США); открытие неокисляемости ультрадисперсных форм простых веществ, в частности Fe, Ti, Si, на поверхности космических тел (А. П. Виноградов. В. Л. Барсуков, Н. М. Жаворонков и др.); 2.XII - первая мягкая посадка на Марс («Марс-3», СССР). 1971-1972 - теория дисковой аккреции вещества нормальной звезды на релятивистские объекты (нейтронная звезда или черная дыра) в двойных системах (Н. И. Шакура, Р. А. Сюняев, СССР), для объяснения компактных рентгеновских источников, позволившая открыть двойные рентгеновские системы.

1972.22.VII - посадка АМС «Венера-8», изучение атмосферы и поверхности планеты (СССР). 1973.16.I - начало работы на Луне «Лунохода-2»: в течение 5 лунных суток прошел 37 км, исследована яркость лунного неба в визуальном и УФ-диапазонах (СССР).

1973-1985 - обнаружение в первичных космических лучах частиц с энергией до 5*10-19 эВ (Н. Н. Ефимов, Д. Д. Красильников, С. И. Никольский, Г. Б. Христиансен, СССР).

1974 - вывод о неизбежности «испарения» черных дыр (С. Хокинг, Англия); открытие глобальных пульсации Солнца с Р=160 мин и амплитудой изменения радиуса ±10 км (А. Б. Северный, В. А. Котов, Т. Т. Цап, КрАО).1974 - независимая формулировка антропного принципа (Б. Картер, Англия).1975 - открытие вспышечных источников рентгеновского излучения - «барстеры» (США); открытие гигантских «пустот» (многие десятки мегапарсеков) в распределении галактик в Метагалактике (Дж. Кинкарчни, Г. Руд, США);первый в мире численный расчет на ЭВМ двумерной модели эволюции распределения гравитирующего вещества в ранней Вселенной и вывод о тенденции к образованию крупномасштабной филаментарно-сетчатой структуры (С. Ф. Шандарин, А. Г. Дорошкевич, Москва): вывод о небольшом замедлении расширения Метагалактики по измерению лучевых скоростей и расстоянии далеких галактик, новая оценка Н (55±6 мк/с*Мпк, -Э. Сэндидж, Г. Тамман, США); 22 и 25.Х - спускаемые аппараты первых искусственных спутников Венеры - «Венера-9» и «Венера-10», совершив мягкую посадку, впервые передали на Землю фотопанораму планеты (СССР).

XX век, последняя четверть

70-80-е гг. - развитие концепции ячеисто-филаментарной крупномасштабной структуры Вселенной (Я. Б. Зельдович, С. Ф. Шандарин, Я. Эйнасто и др. - СССР; Дж. Муди, Э. Тернер, Дж. Готт и др. - США); предсказание эффекта понижения яркостной температуры реликтового излучения в направлении скоплений галактик (эффект Зельдовича - Сюняева), что позволяет независимо оценить H и возраст нашей Вселенной.

1976. 20.VII и 4.IX - передача фотоснимков поверхности Марса, снимков Фобоса и Деймоса, эксперименты по поиску признаков жизни на Марсе (АМС «Викинг-1» и «Викинг-2», США);

1976 - ввод в строй самого крупного в мире оптического рефлектора (конструктор Б. К. Иоаннисиани, САО, СССР).

1977 - открытие колец у Урана;открытие крупнейшего филаментарного сверхскопления галактик (Я. Э. Эйнасто с сотрудниками, СССР);

1977.1.XI - открытие уникальной малой планеты - между орбитами Сатурна и Урана (Хирон) (Ч. Кауэл, США);

1977.20.VIII - запуск АМС «Вояджер-2» (проведено исследование в пролете систем внешних планет: Юпитера (1979), Сатурна (1981), Урана (1986), Нептуна (1989), далее уход из Солнечной системы); ввод в строй радиотелескопа РАТАН-600 (конструктор О. Н. Шиврис, САО АН СССР) (с его помощью открыта радиогрануляция на Солнце в см-диапазоне, обнаружено радиоизлучение Ио и Европы);

ввод в строй 300-тонного сцинтилляционного телескопа Баксанской нейтринной обсерватории (ИЯИ АН СССР). 1978 - открытие уникального галактического объекта - с релятивистскими выбросами (SS 433) (Б. Маргон, США); 22.VI - открытие спутника у Плутона (Харон) (Дж. У. Кристи, США); 26.XI - выведение орбитальной обсерватории «Эйнштейн» для обзоров неба в рентгеновском диапазоне (США).

1979-1981 - снимки Юпитера, обнаружение кольца Юпитера («Вояджер-1,-2», США);ввод нового телескопа - многозеркального с автоматической настройкой (МЗТ) с эквивалентным D=4,5 м для ИК-наблюдений (США).

Рубеж 70-80-х гг. - создание теории инфляционной Вселенной (А. Гут, США; А. Д. Линде, СССР).

1981 - цветные панорамные снимки поверхности Венеры («Венера-13, -14», СССР); получение ячеисто-филаментарной структуры в первой расчетной трехмерной модели эволюции системы гравитирующих точек (Л. А. Клыпин., С. Ф. Шандарин, СССР).

1982 - полный разрез Галактики в см-диапазоне с помощью Ратан-600: обнаружение новой популяции радиоисточников и «ряби» в фоновом излучении Галактики (Ю. Н. Парийский и др.). 1983.25.I. - запуск ИСЗ IRAS для ИК-обзоров неба (исследовано 96% его площади в диапазоне 12-100 мкм, составлен каталог ок. 250 тыс. дискретных ИК-источников, в том числе открыто 5 новых комет. - США, Нидерланды, Англия).

1983-1984 - высокоточное картографирование и радиояркостное исследование северного полушария поверхности Венеры (обнаружение загадочных «тепловых ям» глубиной до 200К) при помощи радиоаппаратуры, разработанной в ОКБ МЭИ (рук. Л. Ф. Богомолов ): локатора бокового обзора«Полюс» (конструкторы Н. В. Жерихин. Г. А. Соколов и др.) и радиометрической системы«Омега-В» (конструкторы В. А. Назаркин, В. И. Еремеев и др.) (искусственные спутники Венеры, АМС «Венера-15,-16»).

1985.11.IX - первое исследование кометного вещества при пролете сквозь хвост и голову кометы Джакобини - Циннера на расстоянии 8 тыс. км от ее ядра (исследования магнитного и электрического полей, плазмы и пылевых частиц, взаимодействия кометы с солнечным ветром. - КА ICE, США).

1986.24.1 - получение изображении Урана, его спутников и колец, открытие 10 новых спутников и еще одного кольца, исследование магнитосферы(«Вояджер-2»); 8-14.III - исследование кометы Галлея при пролете сквозь ее голову («Вега-1», «Вега-2», «Джотто»).

Фоновое космическое излучение


В ходе наблюдений за Вселенной на микроволновом уровне было открыто, что во все стороны идет достаточно однородное излучение, известное как радиационный космический фон. Космологи объясняют его как эхо Большого взрыва, но для этого еще нужны основательные доказательства.

ОТКРЫТИЯ. В 1948 году американский физик русского происхождения Джордж Гамов и его молодые коллеги Ральф Эльфер и Роберт Герман выдвинули теорию, что Вселенная возникла 10-20 млрд лет назад при очень высоких температуре и плотности, как и предполагает теория Большого взрыва; тогда расширение должно охладить излучение до 5 градусов выше абсолютного нуля (-2/3,15 °С), а его спектр будет выглядеть как спектр "черного тела", то есть аналогично излучению любого тела, находящегося в полном термическом равновесии при данной температуре.
Любопытно, что это излучение было открыто совершенно случайно в 1964 году, о чем на следующий год сообщили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, работавшие в американской "Белл телефон лабораторис". Ученые вели работу с помощью антенны, построенной для связи с телекоммуникационными спутниками "Эко", когда неожиданно обнаружили фоновый электрический шум, который непрерывно испускался во всех направлениях. Поначалу они подумали, что это помехи, наведенные близко расположенным передатчиком. Но проверка окрестных территорий не обнаружила ни одного источника микроволнового излучения. Исследователи пришли к заключению, что причина шума в излучении, видимо, равномерно поступающем из космоса, а точнее - из далеких недр Вселенной от источника с реальной температурой около 3,5 К , а длина волны составляет 7 см. Температура была выше теоретически ожидаемой, и поэтому исследователи не торопились с обнародованием своего открытия.
За открытие фонового космического излучения Пензиас и Вильсон получили в 1 978 году Нобелевскую премию в области физики вместе с группой астрономов Принстонского университета - Диком, Пибблзом, Роллом и Уилкинсом, которые в том же 1964 году занимались радиоастрономическими исследованиями, как раз пытаясь обнаружить излучение.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ФОНОВОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. Согласно теории большого взрыва, когда температура первородной Вселенной опускается примерно до 3000 К, элементарные частицы могут образовывать атомы водорода и гелия. Внезапное исчезновение свободных электронов приводит к излучению, которое свободно распространяется в виде фотонов при микронной длине волны.
С этого момента Вселенная становится прозрачной для излучения. До рекомбинации тепловое равновесие между энергией и материей следовало закону Планка о черном теле. Вселенная была непрозрачной оптически. После рекомбинации излучение продолжало точно следовать закону "черного тела", хотя уже больше не находилось в равновесии с материей. Длина волны испущенного излучения сдвигается к красному с расширением Вселенной, пока не достигает диапазона микроволн. Поэтому температура излучения черного тела, обратно пропорциональная длине волны, уменьшается по достижении примерно 3 К.
Слабое излучение, наблюдаемое сегодня, - это информация о давно прошедших событиях, потому что свет из галактики вышел очень давно, когда возраст Вселенной составлял 300 или 500 тысяч лет, а плотность была 1000 атомов на см3.

ХАРАКТЕРИСТИКИ. Пензиас и Вильсон открыли, что интенсивность излучения одинакова во всех направлениях с погрешностью в 3%. Такая однородность была присуща и первородной Вселенной. Однако нам известно, что Вселенная неоднородна: есть галактики и скопления галактик, расположенные вокруг огромных пустых "сфер".
Неоднородность Вселенной, наступившая по прошествии времени после Большого взрыва, должна наложить отпечаток и на фоновое излучение. Поэтому, чтобы обнаружить действительную деформацию, самое главное - с особой точностью измерить спектр этого излучения. Чтобы избежать искажения приходящей на Землю волны сантиметрового диапазона, вносимого поглощением и испусканием излучения молекулами земной атмосферы, 18 ноября 1989 года НАСА запустило спутник "Кобе" (Cosmic microwave Background Explorer).
Уже через 9 мин после запуска были получены прекрасный спектр черного тела, никогда раньше не наблюдавшегося в природе, и еще одно подтверждение теории Большого взрыва, потому что только в столь особых условиях космическое излучение может "преданно" следовать закону излучения черного тела. Полученная погрешность составила 0,005%. Еще более интересное открытие было сделано в 1992 году, когда на "Кобе" был помещен детектор. Наблюдались небольшие колебания по отношению к среднему излучению, равные почти сотой доле, которые соответствуют более горячей зоне. Обнаруженные колебания температуры составили порядка 0,000030 К при средней температуре 2,73 К. Согласно утверждениям космологов, такие флуктуации возникают во Вселенной из-за неоднородности, приведшей впоследствии к образованию галактик. Для ее изучения разрабатываются и реализуются различные задачи для спутников.

Многие объекты Вселенной, включая Солнце, планеты, туманности, галактики, а в особенности такие необычные объекты, как, например, пульсары и квазары, излучают радиоволны, которые можно принимать с помощью современной техники. Измерением и анализом радиоизлучения космических источников занимается специальный раздел астрономии — радиоастрономия.
Радиоволны, как и видимый свет, представляют собой электромагнитные колебания, но длина волны у них неизмеримо больше, чем у световых волн. Радиоастрономы обычно работают в диапазоне длин волн от нескольких миллиметров до 15-20 м. Более длинноволновое и более коротковолновое излучение не пропускает земная атмосфера, и для его приёма необходимо выносить аппаратуру в космос.
От изобретения радио до открытия космического радиоизлучения прошло несколько десятилетий. Причина в том, что радиоизлучение космических объектов исключительно слабое, поэтому для его исследования необходимы очень чувствительные приборы и огромные приёмные антенны — радиотелескопы.

РОЖДЕНИЕ НОВОЙ НАУКИ

Впервые космическое радиоизлучение обнаружил в 1932 г. американский инженер Карл Янский. Он тогда исследовал радиопомехи, мешавшие работе трансатлантического беспроводного телефона. Для этих целей была построена большая однонаправленная антенна: специальная металлическая рама, закреплённая на поворотном устройстве — карусели. Размеры конструкции составляли 30,5 м в длину и 3,7 м в высоту. Антенну можно было сориентировать в нужном направлении и изучать приходящее радиоизлучение. Работа велась на волне 14,6 м.
Янский быстро выяснил, что треск и щелчки в наушниках, мешавшие связи, были вызваны ближними и дальними грозовыми разрядами. Но кроме этих помех он уловил постоянное негромкое шипение, которое усиливалось и ослабевало с периодом 23 ч 56 мин. Это время равно звёздным суткам — периоду обращения Земли вокруг собственной оси. Направленность антенны Янского была довольно низкой, он мог определять положение источника радиоизлучения с точностью лишь около 30°. Тем не менее Янский установил, что «паразитное» радиоизлучение приходит из космоса — от Млечного Пути, причём наибольшая интенсивность его наблюдается в направлении центра нашей Галактики. Результаты своих исследований Янский опубликовал в статье «Электрические помехи внеземного происхождения».
Открытие Янского не сразу было замечено астрономами. Только в 1939 г. другой американский радиоинженер, Гроут Ребер, построивший на собственные средства антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м, снова зарегистрировал радиоизлучение Млечного Пути на волне 1,87 м. В течение пяти лет Ребер проводил систематические измерения и в 1942 г. издал первую радиокарту всего северного неба. На ней кроме обнаруженного Янским мощного радиоисточника в центре Галактики отмечено ещё несколько более слабых источников. Они находятся в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Большого Пса, Кормы и Единорога.
В отличие от Янского, который поместил статью в техническом журнале, Ребер направил свою работу в ведущее астрономическое издание — «Астрофизический журнал» («Astro-physical Journal»). Статья Ребера привлекла, наконец, внимание астрономов и радиофизиков, и сразу после окончания Второй мировой войны новая наука — радиоастрономия — стала быстро развиваться.

ЭПОХА ОТКРЫТИЙ

Астрономы и инженеры поняли, что для измерения космического радиоизлучения нужны радиотелескопы гораздо больших размеров, чем антенны Янского и Ребера. Уже в 1947 г. в Великобритании, в университете города Манчестера, был построен неподвижный параболический радиотелескоп диаметром 66 м. В 1950 г. с его помощью удалось зафиксировать слабое радиоизлучение от туманности в созвездии Андромеды, которая является соседней с нами спиральной галактикой. В 1957 г. вблизи Манчестера, в местечке Джод-релл-Бэнк, сооружён поворачивающийся 76-метровый радиотелескоп. В 1961 г. вступил в строй 64-метровый радиотелескоп в Парксе (Австралия), а в 1962 г. — 92-метровый меридианный радиотелескоп на обсерватории Грин-Бэнк в США.
Увеличение размеров радиотелескопов повысило их чувствительность, а также привело к улучшению углового разрешения (оно характеризует угловые размеры самых мелких наблюдаемых деталей). Разрешение тем выше, чем меньше отношение длины волны к диаметру телескопа. Таким образом, благодаря большому диаметру радиоантенны можно получить более «резкое» изображение радиоисточника на данной длине волны.
Уже в 50-е гг. для достижения более высокого углового разрешения астрономы стали использовать радиоинтерферометры — системы из нескольких радиотелескопов, соединённых электрическими связями. Благодаря этому удалось определить точные координаты радиоисточника
Кассиопея А и отождествить источник Лебедь А с удалённой двойной галактикой. Австралийские исследователи с помощью морского интерферометра, в котором вместо второго радиотелескопа использовался сигнал, отражённый от морской поверхности, отождествили несколько новых радиоисточников: Телец А — с Крабовидной туманностью, Центавр А и Деву А-с далёкими галактиками.
Эти открытия, следовавшие одно за другим, обескураживали астрономов. Почему ближайшая галактика в созвездии Андромеды излучает в радиодиапазоне в миллион раз меньше энергии, чем далёкая галактика в созвездии Лебедя? Как объяснить радиоизлучение Млечного Пути — места концентрации звёзд, газа и пыли в нашей Галактике? Простое сложение излучения звёзд Млечного Пути не давало нужного результата, поскольку обычные звёзды типа нашего Солнца в спокойном состоянии излучают очень мало энергии в радиодиапазонс. Радиоизлучение Солнца к тому времени было измерено и хорошо изучено. Пришлось признать, что астрономические объекты устроены во многом не так, как казалось на основании одних только оптических исследований. Уже к концу 50-х гг. стало ясно, что радиоастрономы открыли новую, невидимую Вселенную.
В 60-е — начале 70-х гг. были открыты квазары, пульсары, межзвёздные мазеры, реликтовое радиоизлучение, обнаружены взрывы звёзд, столкновения целых звёздных систем — галактик. Получила развитие теория механизмов радиоизлучения — теплового, синхротронного, мазерного.
В настоящее время радиоастрономия находится на переднем фронте астрофизических исследований. Обладая самыми чувствительными приёмниками излучения, она изучает наиболее далёкие объекты во Вселенной. Современная радиоастрономия обеспечивает и наивысшее угловое разрешение — способность видеть мельчайшие детали строения небесных радиоисточников. Высокочувствительные и высококачественные радиоастрономические исследования разнообразных уникальных и во многом ещё загадочных объектов Вселенной, несомненно, принесут новые захватывающие открытия.

МЕХАНИЗМЫ РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ НЕБЕСНЫХ ТЕЛ

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. Чем выше температура тела, тем более коротковолновое излучение преобладает в его спектре. Закон распределения энергии в спектре теплового излучения был сформулирован немецким физиком Максом Планком и назван в его честь законом Планка. При температуре 6000 К максимум излучаемой энергии приходится на оптический диапазон. Таков спектр излучения поверхности Солнца. Более горячая звезда излучает большую часть энергии в ультрафиолетовом диапазоне, менее горячая — в инфракрасном. Для того чтобы спектр имел максимум в сантиметровом диапазоне радиоволн, температура источника должна быть всего 3 К (-270 °С).
Сопоставив интенсивность радиоизлучения от исследуемого источника на нескольких длинах волн, можно установить, выполняется ли для него закон Планка (т. е. является ли это излучение тепловым), и если да, то какова температура источника. Измерения показали, например, что радиоизлучение Солнца соответствует значительно более высоким температурам, чем температура его видимой поверхности. Так, температура, определённая по радиоизлучению в сантиметровом диапазоне, оказалась равной примерно 10 000 К, а в метровом диапазоне — 1 000 000 К. Это объясняется тем, что радиоизлучение Солнца возникает в верхних слоях его атмосферы, называемых короной (в оптических лучах она видна только во время полного солнечного затмения). Разогретая до миллиона градусов солнечная корона проявляет себя как источник теплового радиоизлучения.
Тепловыми космическими радиоисточниками являются и тела Солнечной системы (Луна, планеты и их спутники), и облака межзвёздного газа, нагретого ультрафиолетовым излучением горячих звёзд. Но, как правило, мощность этого излучения невелика.
СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Син-хротронное излучение порождается электронами, движущимися с релятивистскими скоростями (т. е. близкими к скорости света) в магнитном поле. Такое излучение впервые обнаружили в ускорителе частиц — синхротроне. Заряженная частица движется в магнитном поле не по прямой, а по винтовой линии. Размер витков зависит от заряда частицы, её массы и напряжённости магнитного поля. Вращаясь, частица постепенно теряет энергию, которая уходит на излучение электромагнитных волн. Излучение релятивистской частицы сосредоточено в узком конусе, направленном вдоль вектора её мгновенной скорости, и имеет более высокую частоту, чем нерелятивистское излучение. Излучение отдельных частиц, обладающих различными скоростями, складывается и образует наблюдаемое синхротронное излучение. Это излучение нетеплового характера, его интенсивность возрастает с увеличением длины волны.
Впервые теория синхротронного излучения была применена для объяснения нетеплового высокоширотного радиоизлучения нашей Галактики. Именно оно было обнаружено при первых радионаблюдениях. Ещё в 1950 г. шведские учёные X. Альвен и Н. Герлофсон высказали гипотезу, что радиоизлучение Галактики является синхротронным излучением космических электронов, движущихся с околосветовыми скоростями в межзвёздных магнитных полях. Их гипотеза блестяще подтвердилась. Синхротронную природу имеет и большинство внегалактических радиоисточников. Это самый распространённый механизм космического радиоизлучения. Его примеры — излучение остатков вспышек сверхновых (Крабовидная туманность, Кас-сиопея А), а также радиоизлучение планеты Юпитер.
РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ НЕЙТРАЛЬНОГО ВОДОРОДА НА ВОЛНЕ 21 СМ. Как тепловое, так и синхротронное радиоизлучение имеют непрерывный спектр. Они рождаются при движении свободных электронов. Но связанный, т. е. входящий в состав атома или молекулы, электрон также может излучать при переходе с одной орбиты на другую (из одного энергетического состояния в другое). При этом излучение имеет определённую длину волны, зависящую от разности энергий исходного и конечного состояния, и представляет собой узкую спектральную линию. Чем больше разность энергий, тем короче длина волны излучаемой спектральной линии.
Чтобы спектральная линия попала в радиодиапазон, необходим переход между очень близкими энергетическими состояниями. В 1945 г. такой переход для атома водорода нашёл нидерландский астрофизик Хендрик ван де Хюлст. Он показал, что когда атом водорода самопроизвольно переходит из состояния с одинаковыми направлениями осей вращения электрона и протона в состояние с противоположными направлениями их осей, то должна излучаться спектральная линия в радиодиапазоне с длиной волны 21 см. Ожидаемую интенсивность этой предсказанной ван де Хюлстом радиолинии рассчитал Иосиф Самуилович Шкловский в 1948 г.
Уже в 1951 г. радиолиния нейтрального водорода с длиной волны 21 см была обнаружена почти одновременно тремя исследовательскими группами в США, Австралии и Нидерландах. Радиоастрономические измерения в линии 21 см стали эффективным средством изучения Вселенной, ведь до этого нейтральный водород, составляющий более половины массы галактического межзвёздного вещества, оставался ненаблюдаемым.
Измерения в линии 21 см позволили определить плотность, температуру и скорость движения облаков межзвёздного водорода в нашей и соседних галактиках.
РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ РАДИОЛИНИИ. Линия 21 см излучается облаками холодного нейтрального водорода, в которых атомы находятся на самом низком — основном — энергетическом уровне, т. е. электрон обращается вокруг протона по ближайшей к нему орбите. Кроме основного состояния у атома имеется бесконечный ряд возможных так называемых возбуждённых состояний, когда электрон обращается вокруг протона по более удалённой орбите с некоторым номером п. Для основного состояния п = 1. В возбуждённом состоянии атом не может находиться долго. В конце концов электрон возвращается на основную орбиту путём одного или нескольких переходов, каждый раз испуская излучение соответствующей длины волны. Переходы между орбитами с большими номерами (к примеру, с номера 110 на 109-й) соответствуют излучению в радиодиапазоне, которое называется реком-бинационным.
Возможность наблюдения реком-бинационных радиолиний предсказал русский астроном Николай Семёнович Кардашёв в 1959 г. Эти линии дают богатую информацию о физических условиях в газовых туманностях и в межзвёздной среде. Рекомби-национные линии обнаружены не только у водорода, но также у атомов гелия и углерода, причём углеродные радиолинии наблюдались при переходах между орбитами с рекордно большими номерами — более 700. Длины волн таких линий составляют около 30 м. Они открыты украинским радиоастрономом А. И. Коноваленко на 2-километровом синфазном радиотелескопе УТР-2 вблизи Харькова.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЛИНИИ И МАЗЕР-НОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. О существовании молекул в межзвёздной среде было известно из наблюдений линий межзвёздного поглощения в спектрах далёких звёзд. Но такие линии, к сожалению, попадают преимущественно в ультрафиолетовый участок оптического диапазона, для которого земная атмосфера недостаточно прозрачна. Поэтому детальные исследования межзвёздных молекул стали возможны только с развитием радиоастрономии. На принципиальную возможность радиоастрономических наблюдений межзвёздных молекул обратил внимание И. С. Шкловский ещё в 1949 г. Он рассчитал длины волн ожидаемых радиолиний молекулы гид-роксила (ОН). И хотя этих молекул в межзвёздной среде в 10 млн раз меньше, чем водорода, четыре радиолинии ОН были найдены в 1963 г. на длинах волн, близких к 18 см.
В 1965 г. американские астрономы обнаружили в направлении туманности Ориона очень яркую и чрезвычайно узкую радиолинию в 18-сантиметровом диапазоне. Хотя точное значение длины волны совпадало с одной из четырёх линий ОН, интенсивность линии была столь высока, что учёные вначале приписали её какому-то неизвестному веществу, которое они назвали «мистериум», что значит «таинственный». Однако дальнейшие исследования показали, что линия принадлежит всё-таки молекулам гидроксила, а её аномальные свойства обусловлены особым механизмом излучения. Источник этого излучения именуют мазером по начальным буквам английского названия: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление микроволн за счёт вынужденного излучения».
Чтобы работал мазерный механизм усиления излучения, число молекул, находящихся на высоком энергетическом уровне, должно быть больше, чем на низком. В нормальных условиях всё как раз наоборот: большинство молекул или атомов пребывает на нижнем энергетическом уровне. Тем не менее оказалось, что при определённых условиях в межзвёздных облаках естественным путём может сложиться такое необычное распределение молекул по энергетическим состояниям. Оно и обеспечивает мазерное радиоизлучение.
Мазерное излучение наблюдается не только для молекул ОН, но и для многих других. Наиболее мощные мазеры обнаружены для молекул водяного пара на волне 1,35 см. Сейчас известно несколько сот источников мазерного излучения в линиях гид-роксила и водяного пара в областях звездообразования и вблизи красных старых звёзд. Мазерный механизм работает в плотных межзвёздных облаках, где число частиц в кубическом сантиметре пространства может достигать миллиона или даже миллиарда.

РАДИОВСЕЛЕННАЯ. СПОКОЙНОЕ И БУРНОЕ СОЛНЦЕ.

Солнце — самый яркий радиоисточник на небе, но только потому, что оно намного ближе к Земле, чем другие объекты. Если Солнце поместить на расстоянии ближайших звёзд, то его можно будет увидеть невооружённым глазом, но не удастся заметить даже на самых крупных радиотелескопах. В радиодиапазоне Солнце излучает лишь очень небольшую часть своей энергии. Что же представляет собой это излучение?
Радиоизлучение Солнца делится на два вида: излучение спокойного Солнца и радиовсплески. Радиоизлучение спокойного Солнца наблюдается в минимумах солнечной активности, которая имеет в среднем 11-летний цикл. Это излучение возникает главным образом в протяжённой солнечной атмосфере. Проявления активности Солнца — выбросы плазмы, наблюдаемые в оптике в виде вспышек и протуберанцев, — сопровождаются радиовсплесками, т. е. резким и кратковременным увеличением интенсивности радиоизлучения в миллионы раз.
Сами выбросы плазмы движутся с огромными скоростями и через какие-то десятки минут достигают района Земли. Они воздействуют на земную ионосферу, зажигают полярные сияния, вызывают магнитные бури, нарушают коротковолновую радиосвязь. К счастью, магнитное поле Земли отклоняет поток заряженных частиц и запирает их в «ловушке» — магнитосфере. Но находящиеся на околоземной орбите космонавты могут пострадать от повышенной радиации. В общем, наблюдения за активностью Солнца и прогнозирование этой активности имеют большое практическое значение. Преимущество радиослужбы Солнца по сравнению с оптической состоит в том, что она работает при любой погоде.
ПУЛЬСАРЫ. История открытия пульсаров весьма поучительна. В первые годы своего развития радиоастрономия больше всего страдала от недостаточной «остроты зрения». Изображения радиоисточников выглядели расплывчатыми, как бы несфокусированными. Годились в дело любые методы, помогавшие отличить протяжённые источники типа остатков сверхновых от компактных, каковыми являются ядра галактик и квазары. Один из таких способов состоит в наблюдениях мерцаний радиоисточников.
В ясную ночь можно заметить, что яркие звёзды, особенно находящиеся вблизи горизонта, быстро меняют свой блеск — мерцают. Это связано с особенностями прохождения света сквозь атмосферу: неоднородности воздушной среды искажают пучок лучей, и глаз наблюдателя получает то больше, то меньше света. Однако планеты — Венера, Юпитер, Марс — не мерцают. Дело в том, что планеты представляют собой на небе не точку, а протяжённый диск. Мерцания отдельных точек диска усредняются, и мы видим постоянный блеск. Таким образом, по мерцаниям можно отличить компактный источник излучения от протяжённого. В радиодиапазоне мерцания наблюдаются на неоднородностях межпланетной плазмы, которая выбрасывается из атмосферы Солнца.
В середине 60-х гг. радиоастрономы Великобритании решили провести первый полный обзор северного полушария неба по выявлению мерцающих радиоисточников на волне 75 см. Для этого была сооружена специальная антенная решётка из параллельных рядов медной проволоки. Работу по анализу наблюдений поручили аспирантке Кембриджского университета Джослин Балл. Её научным руководителем и организатором всей программы был Энтони Хьюиш.
Мерцания на околосолнечной плазме наблюдаются только в дневное время, когда радиоисточник находится на угловом расстоянии 30-60° от Солнца. Но Джослин решила не выключать самописец, регистрирующий радиоизлучение, даже ночью. День за днём она аккуратно просматривала записи, фиксируя мерцающие радиоисточники. И однажды она нашла быстропеременный источник — «помеху», которая наблюдалась глубокой ночью, когда мерцающих источников не должно было быть. Вскоре Джослин обнаружила, что «помеха» повторяется через 23 ч 56 мин. Вспомнили открытие Янского? Да, этот период соответствует одним звёздным суткам. Значит, источник находится за пределами Солнечной системы.
Хьюиш, Бэлл и другие члены кембриджской группы сделали специальную запись «помехи» с повышенной скоростью самописца. Они увидели, что странный сигнал представляет собой периодические короткие импульсы, точность повторения которых просто феноменальна. Поначалу астрономы даже считали, что обнаружили сигналы внеземной цивилизации. Поэтому несколько месяцев открытие держали в строгом секрете. Первые специальные записи периодического сигнала были сделаны 28 ноября 1967 г., а публикация об открытии появилась лишь в феврале 1968-го. За это время Джослин нашла в своих записях ещё несколько подобных источников. По импульсному характеру излучения они и были названы пульсарами. За открытие и интерпретацию радиоизлучения пульсаров Энтони Хьюишу присуждена Нобелевская премия по физике.
В настоящее время установлено, что пульсары представляют собой нейтронные звёзды, образовавшиеся после вспышек сверхновых. Нейтронная звезда — очень экзотический объект. Масса её в полтора раза больше солнечной, а радиус всего около 10 км. Она генерирует узконаправленный поток радиоизлучения. В результате вращения нейтронной звезды этот поток попадает в поле зрения внешнего наблюдателя через равные промежутки времени — так образуются импульсы пульсара (см. статью «Необычные объекты: нейтронные звёзды и чёрные дыры»).
Постоянство периода пульсации объясняется стабильностью вращения нейтронных звёзд. Некоторые пульсары даже используются для контроля за точностью часов.
Сегодня известны уже сотни пульсаров. Ближайшие из них расположены на расстоянии около 100 световых лет от Солнца. Нейтронные звёзды — пульсары — это заключительная фаза эволюции массивных звёзд.
ГИГАНТСКИЕ РАДИОГАЛАКТИКИ. Радиоисточником является практически каждая галактика. Основной поток радиоволн порождается энергичными электронами, которые движутся в слабых магнитных полях межзвёздного пространства. Свой вклад в радиоизлучение вносят и остатки сверхновых звёзд, и газовые туманности, нагретые молодыми звёздами. Но в целом галактики — довольно слабые «радиостанции». Нормальная галактика излучает в радиодиапазоне на несколько порядков меньше энергии, чем в оптической или инфракрасной области спектра. Однако встречаются поразительные исключения — галактики, мощность радиоизлучения которых в тысячи и десятки тысяч раз выше, чем у нашей Галактики или сходных с ней систем. Поэтому они получили название радиогалактик.
На расстоянии около 16 млн световых лет от нас, в созвездии Центавра, находится эллиптическая галактика, имеющая обозначение NGC 5128. Это самая близкая к нам галактика с мощным радиоизлучением. С ней связан один из наиболее ярких радиоисточников на небе — Центавр А. Галактика NGC 5128 была хорошо известна и до открытия этого радиоисточника. Обычно в эллиптических галактиках мало пыли и газа (см. статью «Многообразие галактик»), а вот NGC 5128 как бы рассечена на две части широкой тёмной полосой пыли и содержит многочисленные газовые облака. Астрономы считают, что в далёком прошлом здесь могло произойти столкновение гигантской эллиптической галактики с другой звёздной системой, содержавшей большое количество межзвёздного газа. Вероятнее всего, эллиптическая галактика разрушила спиральную. Обогащение эллиптической галактики газом, принесённым спиральной галактикой, и обеспечивает функционирование радиогалактики Центавр А.
На радиоизображениях Центавр А предстаёт в виде центрального источника (он совпадает с ярким облаком в самом центре галактики на оптической фотографии) и двух огромных радиовыбросов, выходящих далеко за пределы оптического изображения. Виден также тонкий мост, связывающий ядро и радиовыбросы.
Другая, ещё более грандиозная радиогалактика расположена в созвездии Лебедя. Это самый яркий внегалактический радиоисточник Лебедь А Он находится на расстоянии около 700 млн световых лет от нашей Галактики. Центральный компактный радиоисточник отождествляется с гигантской эллиптической галактикой, которая, по-видимому, тоже переживает или пережила в прошлом столкновение с другой звёздной системой.
Большинство радиогалактик имеет двойную структуру и компактный источник в центре. Напрашивается объяснение, что центральная галактика посредством какого-то механизма выбрасывает два противоположно направленных потока релятивистских заряженных частиц и они, двигаясь в магнитном поле, генерируют синхротронное радиоизлучение. Откуда же испускаются направленные потоки релятивистских частиц в течение многих миллионов лет, и что является источником их энергии? В пульсарах, например, источником энергии служит вращение магнитной нейтронной звезды. Предполагается, что в радиогалактиках энергию генерирует так называемая чёрная дыра — массивный и весьма компактный объект, образовавшийся в центре гигантской галактики. Для нескольких галактик получены косвенные свидетельства существования чёрных дыр: очень быстрое вращение газа в самом центре галактики, которое требует присутствия компактного массивного тела, не излучающего света (см. также статьи «Необычные объекты: нейтронные звёзды и чёрные дыры» и «Галактики с активными ядрами»).
Межзвёздный газ, находящийся около такой вращающейся чёрной дыры, будет, падая на неё, вовлекаться во вращение. Взаимодействие между частицами газа — вязкое трение — приведёт к образованию плотного газового диска. По мере приближения к чёрной дыре газ должен нагреваться до миллиардов градусов.
Падающий газ несёт в себе магнитное поле, которое становится очень сильным вблизи чёрной дыры. Его взаимодействие с горячим, быстро движущимся газом в мощном гравитационном поле чёрной дыры приводит к сложным плазменным эффектам, сопровождающимся ускорением заряженных частиц (протонов, электронов) и их выбросом из ядра, а затем и из галактики в форме двух узконаправленных потоков. Возникающее при этом синхротронное излучение электронов и превращает галактику с таким активным ядром в радиогалактику.
Процесс выброса ускоренных частиц может продолжаться десятки миллионов лет, пока не иссякнут запасы газа, способного «упасть» в самый центр галактики. Возникает вопрос: откуда берётся газ для питания чёрной дыры? Является ли он остатками звёзд, подошедших слишком близко к ней и разорванных её гравитационным полем, или газ «упал» на галактику извне? Возможны оба варианта. По-видимому, ядро становится активным тогда, когда эллиптическая галактика, содержащая массивную чёрную дыру и очень мало газа, сталкивается со спиральной, несущей в себе много межзвёздного газа. При слиянии двух галактик в одну систему газ должен образовать вращающийся диск (наподобие наблюдаемого в NGC 5128), причём часть газа, имеющая незначительные скорости вращения, может попасть в самое ядро галактики, стимулируя его активность.
КВАЗАРЫ. Квазар излучает столько энергии, сколько могли бы излучать десятки галактик, собранных вместе. И при этом квазары выглядят точечными звездообразными объектами, за что они и получили своё имя: квазизвёздные радиоисточники. Почему же такая энергия выделяется в маленьком объёме? Это основная и пока ещё до конца не раскрытая тайна квазаров.
История их открытия заслуживает внимания. В первые годы развития радиоастрономии положения обнаруженных источников на небе были известны недостаточно точно. Иногда источник радиоизлучения совпадал с каким-нибудь необычным оптическим объектом, в частности с Крабовидной туманностью. Но в большинстве случаев на месте даже ярких радиоисточников ничего примечательного на фотографиях не было. Нужны были точные координаты радиоисточников, чтобы провести более тщательные оптические отождествления.
Астрономы предложили оригинальный способ определения координат некоторых радиоисточников. Иногда Луна, двигаясь по небу, проходит перед радиоисточником и закрывает его. Поскольку положение Луны в любой момент известно с большой точностью, необходимо лишь зафиксировать время, когда источник исчезает за лунным диском и когда он появляется вновь.
В 1963 г. Луна должна была пройти перед ярким радиоисточником ЗС 273. Наблюдения этого покрытия были организованы на Паркском радиотелескопе в Австралии и потребовали весьма сложной подготовки. Башня Паркского телескопа недостаточно высока, гак что зеркало нельзя наклонять к горизонту под углом ниже 30°, иначе оно попросту упирается в землю. Но покрытие ЗС 273 Луной происходило ниже! С радиотелескопа пришлось снять несколько тонн металлических конструкций, чтобы сделать наблюдения возможными. За несколько часов до покрытия источника Луной по местным широковещательным радиостанциям было передано сообщение с просьбой не включать никаких передатчиков. Дороги вблизи радиотелескопа патрулировались, чтобы не пропускать случайные автомобили.
Эти меры оказались не напрасными. Наблюдения прошли успешно, и радиоисточник ЗС 273 удалось отождествить со звездой 13-й звёздной величины. Для астрономов это яркая звезда. При внимательном рассмотрении обнаружилось, что из неё исходит светящийся выброс протяжённостью 20″. Чтобы узнать, что собой представляет звезда, нужно получить её оптический спектр. У радиоисточника ЗС 273 он оказался совершенно непохожим на спектр звезды какого-либо класса и содержал яркие линии излучения, характерные для газовых туманностей. Как выяснилось, эти линии принадлежат обычным химическим элементам, но они сильно смещены в красную сторону, что соответствует удалению ЗС 273 от Земли со скоростью около 50 000 км/с. Все галактики участвуют в общем расширении Вселенной и удаляются друг от друга со скоростями тем большими, чем больше расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности в этом законе расширения Вселенной, открытом американским астрономом Эдвином Хабблом, называется постоянной Хаббла. Зная скорость удаления галактики, можно определить расстояние до неё. Источник ЗС 273 оказался дальше большинства известных галактик, на расстоянии более миллиарда световых лет.
К настоящему времени открыты тысячи квазаров. Не все, но многие из них являются мощнейшими радиоисточниками. ЗС 273 — один из самых близких. Большинство квазаров находятся на расстояниях 10-15 млрд световых лет от нас, т. е. почти на границе наблюдаемой Вселенной. Что же это за объекты, которые выглядят как звёзды, удалены на гигантские расстояния и излучают энергии в десятки, а то и в сотни раз больше, чем целые галактики? Мощность излучения квазаров наиболее высокой светимости такова, что превышает мощность излучения обычной звезды типа Солнца более чем в тысячу миллиардов раз! Законченной теории квазаров нет, но астрофизики имеют весьма правдоподобную гипотезу.
По своим наблюдаемым свойствам квазары похожи на активные ядра известных галактик (см. статью «Галактики с активными ядрами»), только уровень их активности значительно выше. Для них также характерны и бурное движение газа, и сильное радиоизлучение, и выброс струй вещества. Как и активные ядра галактик, квазары являются переменными источниками. Возникло предположение, что все квазары или по крайней мере их значительная часть — это ядра далёких галактик на стадии необычно высокой активности, когда их оптическое излучение имеет столь высокую мощность, что «забивает» излучение самой галактики. Действительно, вокруг многих не слишком далёких квазаров было обнаружено слабое свечение, по-видимому связанное с окружающей их звёздной системой. Иногда даже видны структурные детали, типичные для галактик.
После знакомства с квазарами читатель вряд ли рассчитывает столк-нугься с чем-либо ещё более грандиозным. Однако именно это нам сейчас и предстоит. Речь пойдёт о самом важном достижении радиоастрономии — об открытии реликтового радиоизлучения, которое является отблеском Большого Взрыва Вселенной.
РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ. По современным представлениям, расширяющаяся Вселенная имела в прошлом огромную плотность вещества и очень высокую температуру. Более 15 млрд лет назад всё вещество, из которого сейчас состоят галактики, представляло собой плотную высокотемпературную плазму. Вещество и излучение находились в термодинамическом равновесии. Примерно через миллион лет после начала расширения температура понизилась настолько, что произошёл захват электронов атомными ядрами, после чего равновесие между излучением и веществом нарушилось. Энергия квантов оказалась недостаточной, чтобы ионизовать нейтральный водород. Поэтому излучение стало проходить через вещество как через прозрачную среду. В момент рекомбинации температура вещества составляла около 3000 К. Не взаимодействующее с веществом излучение должно было навсегда остаться во Вселенной как «память» о раннем периоде её эволюции.
По мере расширения Вселенной излучение охлаждалось, т. е. спектр его соответствовал тепловому излучению среды со всё более и более низкой температурой. По расчёту, выполненному американским астрофизиком Георгием Антоновичем Га-мовым ещё в 1948 г., современная температура излучения должна составлять 5-6 К. В начале 60-х гг. астрофизик Роберт Дике готовил со своими коллегами из Принстонского университета США программу поиска такого излучения. Тогда же советские учёные А. Д. Дорошкевич и И. Д. Новиков независимо рассчитали ожидаемый спектр излучения и высказали предположение, что его можно обнаружить.
Тем временем американские инженеры Арно Пснзиас и Роберт Уилсон настраивали большую рупорную антенну, предназначенную для ретрансляции телевизионных передач из Америки в Европу через спутник связи на волне 7,3 см. (Всё как во времена Ян-ского!) Измерения показали, что после тщательного учёта шумов от неба, земли, кабелей и самого усилителя, остаётся паразитный сигнал, соответствующий источнику с температурой около 3,5 К. Чтобы выяснить его причину, инженеры разобрали антенну на составные части. Оказалось, что внутри неё два голубя свили себе гнездо. Однако голуби вместе с гнездом создавали лишь часть паразитного сигнала (с температурой 0,5 К). Мистические три градуса устранить так и не удалось. Излучение с такой температурой приходило со всех направлений на небе. Пензиас и Уилсон в 1965 г. опубликовали в «Астрофизическом журнале» статью под заголовком «Измерение избытка антенной температуры на частоте 4080 мегагерц». В 1978 г. они были удостоены Нобелевской премии за своё открытие.
Сейчас твердо установлено, что трёхградусное радиоизлучение, приходящее с любого направления на небе, представляет собой излучение горячей Вселенной, оставшееся от эпохи рекомбинации. Обнаружение фонового излучения, которое было названо реликтовым, со всей убедительностью подтвердило модель горячей расширяющейся Вселенной.
Распределение энергии в спектре реликтового излучения соответствует температуре 2,7 К независимо от того, в каком направлении его наблюдать. Потому его часто и называют трёхградусным. Лишь высокоточные измерения интенсивности этого радиоизлучения позволили выявить очень слабую неоднородность. Она связана с движением самого наблюдателя. Удалось обнаружить незначительное «уярчение» реликтового фона в том направлении, в котором движется Земля вместе с Солнцем и всей нашей Галактикой (со скоростью в несколько сот километров в секунду) относительно общего электромагнитного поля реликтового излучения, которое как бы задаёт «абсолютную» систему координат во Вселенной.

РАДИОТЕЛЕСКОПЫ

Радиотелескопы обычно представляют собой конструкции очень больших размеров. Наиболее распространённый тип радиотелескопа — это сооружение, основным элементом которого служит сплошное металлическое зеркало параболической формы. Зеркало отражает падающие на него радиоволны, так, что они собираются вблизи фокуса и улавливаются специальным устройством — облучателем. Затем сигнал усиливается и преобразуется в форму, удобную для регистрации и анализа. Хранение и обработка данных осуществляются с помощью компьютерной техники. Чувствительность радиотелескопа тем выше, чем больше отражающая поверхность.
Обычный радиоприёмник имеет приспособление для настройки на волну нужной радиостанции. Оно представляет собой перестраиваемый фильтр, который усиливает радиоизлучение только на волне выбранной станции и не пропускает (подавляет) сигналы станций, работающих на близких волнах. В отличие от земных радиостанций космические радиоисточники, как правило, излучают в широком диапазоне радиоволн. Поэтому и радиоастрономический приёмник должен иметь чувствительность по возможности в более широком диапазоне. Такой приёмник называется радиометром.
Расширению полосы приёма препятствуют в основном помехи от наземных радиостанций. Поэтому для радиоастрономии международными соглашениями выделены специальные интервалы длин волн, которые запрещается использовать любым наземным радиосредствам.
Крупнейший в мире 300-метровый радиотелескоп с параболической антенной сооружён в 1963 г. в Аресибо, на острове Пуэрто-Рико. Он сконструирован, построен и эксплуатируется Национальным центром астрономических и ионосферных исследований США. Телескоп расположен в огромном естественном котловане в горах. На высоте 150 м над поверхностью гигантского неподвижного зеркала укреплена на стальных тросах 600-тонная платформа, на которую можно подняться по полукилометровому подвесному мосту или по канатной дороге. Подвижная часть платформы поворачивается вокруг собственной оси. По рельсам вдоль платформы перемешается управляемая компьютером кабина с облучателями и приёмниками — так радиотелескоп наводится на исследуемый источник. Из-за неподвижности антенны наблюдения любого источника не могут продолжаться более двух часов. Но этот недостаток компенсируется огромной площадью зеркала, обеспечивающей высокую чувствительность. Радиотелескоп в Аресибо отличается от многих других также тем, что он может служить и передающей антенной. В таком режиме выполнены уникальные эксперименты по радиолокации Солнца, Луны и планет Солнечной системы.
В 1972 г. в Германии построен 100-метровый полноповоротный радиотелескоп. Он сооружён в ушелье невысоких гор в 50 км от Бонна, вблизи небольшого городка Эф-фельсберг. Радиотелескоп имеет достаточно высокую точность поверхности, что позволяет использовать его даже на волне 4 мм. Угловое разрешение телескопа на такой короткой волне составляет около 10″. Радиотелескоп в Эффельсберге до сих пор считается крупнейшим в мире полноповоротным радиотелескопом.
Радиотелескопов с диаметром зеркала больше 50 м единицы. Вторым в Европе по размеру после Эф-фельсбергского является 76-метровый радиотелескоп на обсерватории Джодрелл-Бэнк. Он эффективно используется только в дециметровом диапазоне волн, так как точность поверхности зеркала не очень высокая.
В 1994 г. в России начал работать 64-метровый радиотелескоп, третий по величине в Европе. Он расположен недалеко от города Калязина на Волге, в 180 км к северу от Москвы.
Крупным отечественным радиотелескопом является РАТАН-600 (Радиотелескоп Академии наук диаметром 600 м), сооружённый в 1976 г. на Северном Кавказе, близ станицы Зеленчукской. Зеркало этого телескопа не покрывает всю площадь круга, а представляет собой кольцо диаметром 600 м, собранное из 895 алюминиевых шитов высотой 7 м. Угловое разрешение такой системы определяется диаметром кольца и составляет на волне 3 см около 10″. В реальных наблюдениях всё кольцо сразу используется редко. Телескоп разбит на секторы: северный, южный, восточный и западный. Шиты каждого сектора ориентируются на выбранный источник, а в фокусе каждого сектора установлен облучатель, который может перемешаться, обеспечивая наблюдения данного источника в течение нескольких минут.
До сих пор были рассмотрены радиотелескопы, на которых вся энергия радиоволн фокусируется с помощью зеркала или системы зеркал на общий облучатель и усиливается затем одним приёмником. Есть другой тип радиотелескопа: излучение принимается независимыми антеннами, усиливается на каждой антенне и передаётся по кабелям или волноводам для общего суммирования сигнала. Длину кабелей подбирают так, чтобы сигналы ото всех антенн поступали на суммирующее устройство в одной фазе (синфазно). Тем самым осуществляется электрическая фокусировка всей антенной системы. Подобные радиотелескопы называются синфазными антеннами.
На радиоастрономической станции ФИАН в городе Пушино Московской области работает Большая синфазная антенна (БСА), представляющая собой поле взаимосвязанных дипольных антенн длиной 300 м и шириной 400 м. Эффективная собирающая площадь БСА почти такая же, как у радиотелескопа в Аресибо. БСА работает на волне 3 м. На этом радиотелескопе исследуются прежде всего пульсары и ядра галактик.

РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Даже у самых больших радиотелескопов угловое разрешение редко бывает лучше 1′, что соответствует зоркости невооружённого глаза, в то время как оптические телескопы обеспечивают в сотни раз более высокое разрешение. Чтобы существенно увеличить угловое разрешение, радиоастрономы используют и интерферометры.
Простой радиоинтерферометр состоит из двух радиотелескопов, удалённых на некоторое расстояние. Разрешающая сила такой системы определяется уже не диаметром антенны каждого телескопа, а расстоянием между ними, которое называется базой радиоинтерферометра.
Современные многоэлементные интерферометры могут состоять из десятков радиотелескопов. Наблюдение источника продолжается много часов. По мере вращения Земли радиотелескопы занимают в пространстве различные положения, как бы заполняя постепенно огромное зеркало воображаемого телескопа. Такие многоэлементные интерферометры называются системами апертурного синтеза.
Угловое разрешение самой большой в мире системы апертурного синтеза — VLA — составляет около 0,05″ на волне 1,3 см, что во много раз превышает возможности любого оптического телескопа на Земле. VLA (Very Large Array, в переводе с английского — «очень большая решётка») состоит из 27 полноповоротных 25-метровых радиотелескопов, размешенных в виде Y-образной конфигурации с максимальным расстоянием около 20 км между крайними телескопами. VLA расположена на плато, на высоте 2000 м, в 80 км к западу от города Сокорро в штате Нью-Ме-хико. Принадлежит VLA Национальной радиоастрономической обсерватории США — крупнейшему радиоастрономическому центру в мире. Обшая собирающая площадь этой системы соответствует параболическому телескопу с диаметром зеркала 120 м. Изображение исследуемого источника строится путём сложной математической обработки записанных сигналов. Даже на самых современных компьютерах получение высококачественного радиоизображения может потребовать нескольких сот часов вычислительного времени.
В Нидерландах с 1970 г. функционирует система, состоящая из 14 радиотелескопов диаметром 25 м, расположенных в направлении восток — запад с максимальным удалением 2,8 км. Наивысшее угловое разрешение интерферометра составляет 4″, а общая собирающая площадь равноценна радиотелескопу диаметром 93,5 м.
В Великобритании действует радиоинтерферометр MERLIN (Multi-Element Radio Linked Interferometer Network — «многоэлементная ин-терферометрическая сеть с радиосвязью»). В систему входит семь радиотелескопов, максимальное расстояние между которыми 230 км. Только один из них был построен специально для этой системы, он является копией радиотелескопа VLA; остальные раньше работали по независимой программе. Они были связаны в единую сеть путём передачи сигналов от каждого телескопа в центр корреляции по радиолиниям. Максимальное угловое разрешение MERLIN не уступает VLA и составляет 0,05″ на волне 6 см. Под таким углом будет видна монета диаметром 2 см с расстояния почти 100 км!
В Южном полушарии, в Австралии, с 1990 г. работает система апертурного синтеза, которая называется «Австралийский телескоп — компактная решётка». Система состоит из шести радиотелескопов диаметром 22 м. Они передвигаются по рельсам на расстояния в пределах 3 км.
А можно ли удалить звенья интерферометра на тысячи километров друг от друга? Ведь тогда угловое разрешение составит тысячные доли секунды. Эта задача также была решена радиоастрономами, а подобная система получила название ралиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСАБ). Он объединяет радиотелескопы, находящиеся в разных странах, а иногда и на разных континентах.
В системах со сверхдлинными базами сигналы, принятые на отдельных радиотелескопах, записываются сначала на магнитную ленту. Лишь через несколько дней или даже недель все записи поступают в центр обработки. Для успешной работы РСДБ-сети необходимо выполнение нескольких условий. На каждом телескопе вместе с радиоизлучением исследуемого источника на магнитную ленту записывается код точного времени.Точность привязки времени должна составлять миллионные доли секунды. Расстояния между всеми телескопами нужно знать буквально до нескольких сантиметров, чтобы скомпенсировать задержки сигналов между ними. Таким образом, РСДБ-измерения являются наиболее сложными и высокоточными в радиоастрономии.
В настоящее время работает глобальная сеть РСДБ, объединяющая крупные телескопы Европы, США, Австралии и других стран. В РСДБ-экспериментах иногда участвует более 20 радиотелескопов.
Современная глобальная РСДБ-сеть даёт максимально возможное угловое разрешение на Земле. Оно в несколько тысяч раз выше, чем у любого оптического телескопа. За 50 лет угловое разрешение радиоастрономических измерений улучшилось почти в миллиард раз! И всё-таки специалисты собираются увеличить его ещё на порядок. Для этого в ближайшие годы планируется создать наземно-космические радиоинтерферометры, в которых космические радиотелескопы будут работать совместно с наземной глобальной РСДБ-сетью.
Современная радиоастрономия занимается также такими проблемами, как поляризация космического радиоизлучения; космологические исследования, основанные на статистических подсчётах радиоисточников; плазменные механизмы генерации радиоизлучения; особенности распространения радиоизлучения в межзвёздной среде. В сущности это ещё молодая наука. Многие таинственные явления и объекты ждут своих исследователей!

Источник: http://astroweb.ru

Можно почитать

КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ

Космические лучи.

Космические взрывы




Еще в начале XX века астрономы считали, что космические объекты мало изменяются с течением времени. Казалось, что и звезды и галактики развиваются настолько медленно, что за обозримые промежутки времени в их физическом состоянии не происходит сколько-нибудь существенных изменений. Правда, были известны физические переменные звезды, отличающиеся, например, частыми изменениями блеска; звезды, бурно выбрасывающие вещество, а также вспышки новых и сверхновых звезд, сопровождающиеся освобождением огромных количеств энергии. Эти явления хотя и привлекали внимание исследователей, но все же представлялись эпизодическими, не имеющими принципиального значения.

Однако уже в 50-е годы XX века распространилось убеждение в том, что явления нестационарности — это закономерные этапы эволюции материи во Вселенной, играющие чрезвычайно важную роль в развитии космических объектов. И действительно, был обнаружен целый ряд явлений во Вселенной, связанных с выделением колоссальных количеств энергии и даже взрывными процессами.

В частности, оказалось, что некоторые галактики являются источниками мощного радиоизлучения.

Одна из таких радиогалактик — радиоисточник Лебедь-А — находится в районе созвездия Лебедя. Это необычайно мощная космическая радиостанция: ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как радиоизлучение спокойного Солнца, хотя до Солнца всего около 8 световых минут, а до галактики в Лебеде около 700 миллионов световых лет.

Как показывают расчеты, общая энергия релятивистских электронов, порождающих радиоизлучение радиогалактик, может достигать огромной величины. Так, для радиоисточника Лебедь-А эта энергия в десятки раз превооходит энергию притяжения всех звезд, которые входят в эту радиогалактику и в сотни раз больше, чем энергия ее вращения.

Возникает два вопроса: каков физический механизм радиоизлучения радиогалактик и откуда берется энергия, необходимая для поддержания этого радиоизлучения?

В Северном полушарии неба в созвездии Тельца есть небольшая газовая туманность. За свои причудливые очертания, чем-то напоминающие гигантского краба с многочисленными щупальцами, она получила название Крабовидной. Сопоставление фотографий этой туманности, сделанных в различные годы, показало, что газы, входящие в ее состав, разлетаются с колоссальной скоростью — около 1000 км/с. Видимо, это следствие взрыва огромной силы, который произошел примерно 900 лет назад, когда все вещество Крабовидной туманности было сконцентрировано в одном месте. Что же произошло в этом районе неба в начале второго тысячелетия нашей эры?

Ответ мы находим в летописях тех времен. В них рассказывается, что весной 1054 г. в созвездии Тельца вспыхнула звезда. На протяжении 23 суток она сияла так ярко, что была хорошо видна на дневном небе при свете Солнца. Сопоставление этих фактов привело ученых к выводу о том, что Крабовидная туманность представляет собой остаток вспышки сверхновой звезды.

Наблюдения показали, что Крабовидная туманность является чрезвычайно мощным источником радиоизлучения. Вообще любой космический объект, будь то галактика, звезда, планета или туманность, если только его температура выше абсолютного нуля, должен излучать электромагнитные волны в радиодиапазоне — так называемое тепловое радиоизлучение. Удивительное состояло в том, что радиоизлучение Крабовидной туманности было во много раз мощнее того теплового радиоизлучения, которым она должна была бы обладать в соответствии со своей температурой. Вот тогда-то и было сделано одно из самых выдающихся открытий в современной астрофизике, открытие, которое не только объяснило природу радиоизлучения Крабовидной туманности, но и дало ключ к пониманию физической природы очень многих явлений, происходящих во Вселенной. Впрочем, в этом нет ничего удивительного: ведь в каждом отдельном космическом объекте находят свое отражение самые общие закономерности природных процессов.

Усилиями главным образом советских ученых была разработана теория нетеплового электромагнитного излучения космических объектов, порождаемого движением очень быстрых электронов в магнитных полях. По аналогии с некоторыми процессами, происходящими в ускорителях заряженных частиц, такое излучение получило название синхротронного.

В дальнейшем выяснилось, что синхротронное радиоизлучение является характерной особенностью целого ряда космических явлений. В частности, именно такую природу имеет радиоизлучение радиогалактик.

Что же касается источника энергии, то в Крабовидной туманности таким источником была вспышка сверхновой звезды. А в радиогалактиках?

Очень многие факты говорят о том, что источником энергии их радиоизлучения, по-видимому, служат активные физические процессы, протекающие в ядрах этих звездных систем.

Как показывают астрономические наблюдения, в центральных частях большинства известных нам галактик имеются компактные образования, обладающие довольно сильным магнитным полем. Эти образования получили название ядер. Нередко в ядре сосредоточена значительная доля излучения всей галактики. Есть ядро и у нашей Галактики. Как показали радионаблюдения, из него происходит непрерывное истечение водорода. За год выбрасывается масса газа, равная полутора массам Солнца. Немного? Но если учесть, что наша звездная система существует больше 10 миллиардов лет, то нетрудно подсчитать, что за это время из ее ядра было выброшено колоссальное количество вещества. При этом есть веские основания предполагать, что явления, регистрируемые в настоящее время, представляют собой лишь слабые отголоски гораздо более бурных процессов, которые происходили в ядре нашей Галактики, когда она была моложе и богаче энергией. На эту мысль наводят весьма активные явления, которые мы наблюдаем в ядрах некоторых других галактик.

Так, например, в галактике М 82 наблюдается разлет газовых струй во все стороны от ядра со скоростями до 1500 км/с. Видимо, это явление связано со взрывом, который произошел несколько миллионов лет назад в ядре этой звездной системы. Согласно некоторым подсчетам, его энергия была поистине колоссальна — она соответствует энергии взрыва термоядерного заряда с массой, равной массе нескольких десятков тысяч солнц. Правда, в последнее время относительно взрыва в М 82 высказываются определенные сомнения. Однако известен еще целый ряд галактик, в ядрах которых происходят чрезвычайно мощные нестационарные явления.

В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики были обнаружены поразительные объекты, получившие название квазаров. В сравнении с громадными звездными островами-галактиками, квазары ничтожно малы. Но каждый квазар излучает в сотни раз больше энергии, чем самые гигантские известные нам галактики, состоящие из сотен миллиардов звезд.

Открытие квазаров, как и всякое подобное открытие, оказалось неожиданным — одним из тех удивительных сюрпризов, которые время от времени преподносит и будет нам преподносить бесконечно разнообразная Вселенная. О существовании подобных объектов физики и астрофизики не только не могли предполагать заранее, но если бы до открытия квазаров им описали их свойства, ученые, по мнению известного астрофизика И. Д. Новикова, наверняка заявили бы, что такие объекты в природе вообще не могут существовать.

Тем не менее квазары существуют и их физическая природа требует объяснения. Однако такого общепринятого объяснения пока еще нет. Высказывались различные предположения, часть из них впоследствии отпала, часть продолжает обсуждаться. Но. какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозных количеств энергии, все еще остается неясно.

В то же время значительные успехи достигнуты в решении другого вопроса: какое место занимают квазары в ряду различных космических объектов? Являются ли они уникальными образованиями, своеобразным исключением из общего правила или закономерным этапом в развитии космических систем?

Подобная постановка вопроса характерна для всего духа современной астрофизики. Если еще сравнительно недавно исследователи Вселенной интересовались главным образом изучением физических свойств, характеризующих современное состояние того или иного космического объекта, то теперь на первый план выдвинулось исследование его истории, его предшествующих состояний, закономерностей его происхождения и развития. Подобный подход явился результатом осознания того факта, что мы живем в расширяющейся нестационарной Вселенной, прошлое которой отличается от ее современного состояния, а современное состояние — от будущего.

В свете этих идей особый интерес приобретает выяснение возможной родственной связи между различными нестационарными объектами. В частности, оказалось, что по своему строению и оптическим свойствам радиогалактики не представляют собой ничего исключительного. Оказывается, для любой„ радиогалактики можно найти похожую на нее «нормальную» галактику, которая отличается только отсутствием радиоизлучения. Это, видимо, и говорит о том, что способность излучения мощных потоков радиоволн возникает лишь на некоторой стадии эволюции галактик того или иного типа. Своеобразное «возрастное» явление, .которое наступает на определенном этапе жизни звездных систем, а затем исчезает...

Подобное предположение тем более правдоподобно, что радиогалактик значительно меньше, чем «нормальных».

Но не являются ли в таком случае квазары, эти сверхмощные «фабрики энергии», тоже некоторой стадией развития космических объектов, быть может, одной из самых ранних? Во всяком случае, анализ электромагнитного излучения квазаров обнаруживает явное сходство между ними и ядрами некоторых типов радиогалактик.

Известный московский астроном Б. А. Воронцов-Вельяминов обратил внимание на одно весьма любопытное обстоятельство. Почти все известные нам квазары (а их зарегистрировано уже свыше полутора тысяч) — одинокие объекты. С другой стороны, близкие к ним по свойствам радиогалактики, как правило, входят в скопления галактик и являются их главными, центральными членами, наиболее яркими и активными.

В связи с этим Б. А. Воронцов-Вельяминов высказал предположение о том, что квазары — не что иное, как «протоскопления» галактик, т. е. объекты, в результате дальнейшей эволюции которых возникали в дальнейшем галактики и скопления галактик.

В пользу подобного предположения говорит, например, активность ядер галактик, весьма сходная с активностью квазаров, хотя и не такая бурная. Особенно бурные процессы протекают в ядрах так называемых сейфертовских галактик. Эти ядра имеют очень малые размеры, сравнимые с размерами квазаров и подобно им обладают чрезвычайно мощным электромагнитным излучением. В них происходят движения газа с огромными скоростями, достигающими нескольких тысяч километров в секунду. У многих сейфертовских галактик наблюдаются выбросы компактных газовых облаков с массами в десятки и сотни солнечных масс. При этом выделяется колоссальная энергия. Так, например, в ядре сейфертовской галактики NGC 1275 (радиоисточник Персей-А) около 5 млн. лет назад (по времени этой галактики) произошел сильнейший взрыв, сопровождавшийся выбросом газовых струй со скоростями до 3000 км/с. Энергия разлета газа здесь на два порядка выше, чем в галактике М 82.

Еще один класс галактик с активными ядрами, обладающими аномально сильным ультрафиолетовым излучением, был обнаружен советским астрономом Б. Е. Маркаряном. Видимо, большая часть этих галактик переживает в настоящее время эпоху, следующую за выбросом, как говорят астрономы, послеэруптивную стадию.

Не исключено, что энергия излучения квазаров и активность ядер галактик порождаются сходными физическими процессами.

Квазары — весьма удаленные объекты. А чем дальше от нас находится тот или иной космический объект, тем в более далеком прошлом мы его наблюдаем. Галактики, в том числе и галактики с активными ядрами, в среднем, расположены ближе, чем квазары. Следовательно, это объекты более позднего поколения — они должны были образоваться позже квазаров. И это немаловажное свидетельство того, что квазары, возможно, являются ядрами галактик.

Что же касается природы физических процессов, обеспечивающих энерговыделение квазаров, то на этот счет имеется одна интересная гипотеза.

Автор: В.Н. Комаров

Источник: http://www.astronautica.ru

Проект Радиоастрон и космическая радиоастрономия

Академик Н.С. Кардашёв

Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН



Новые открытия астрофизики



Астрономия стала всеволновой за последние 50 лет. Колоссальным образом расширился объем информации, обнаружены принципиально новые объекты во Вселенной, новые состояния вещества и даже принципиально новые виды материи. Остановимся на некоторых научных проблемах, новых методах космических исследования и ожидаемых результатах, которые могут быть получены в ближайшее время.



Одним из главных последних достижений является определение наиболее важных космологических параметров Вселенной. На основе данных, полученных с помощью наземных и космических обсерваторий (гамма телескоп «GRO», рентгеновские телескопы «Chandra», «ХММ-Ньютон» и «INTEGRAL», оптический телескоп имени Хаббла - «HST», инфракрасные телескопы «IRAS», «ISO» и «Спитцер», радиотелескопы «СОВЕ», «WMAP» и другие) в основном выявлена картина физических процессов во Вселенной во всех спектральных диапазонах (от гамма до радио) и объединяющая этапы эволюции за миллиарды лет. На усреднённом полном спектре электромагнитного излучения неба (рис. 1), охватывающем все диапазоны, выделяются три характерные пика. Прежде всего это оставшееся от Большого взрыва Вселенной реликтовое космологическое излучение (главный максимум в спектре). Большая часть энергии сосредоточена в миллиметровом диапазоне и соответствует излучению тела при абсолютной температтуре 2,730 К (т.е. –270 0 С). Форма спектра описывается функцией Планка. Слева от реликтовогоизлучения (дециметровые и метровые радио волны) преобладает излучение релятивистских электронов и горячей межзвёздной плазмы нашей и других галактик.


Рис. 1 - Усреднённый спектр электромагнитного излучения неба во всех диапазонах.


В левой стороне – радиодиапазон, главный максимум соответствует миллиметровому диапазону, правее идут субмиллиметровый, инфракрасный, оптический, рентгеновский и гамма диапазоны. По вертикальной оси отложена интенсивность излучения в логарифмическом масшштабе (число фотонов, приходящих за секунду на квадратный сантиметр поверхности из телесного угла стерадиан в полосе нанометр), по горизонтальной оси – тоже в логарифмическом масштабе частота, длина волны и энергия фотонов (R.C. Henry, Asrophysical Journal, 516, L49, 1999). Главный пик является «реликтовым» космологическим излучением, возникшим в результате «Большого взрыв». Пик справа от него обусловлен в основном излучением пыли и звёзд Галактики, ещё правее – пик от мощных взрывов и очень горячих объектов в нашей и других галактиках.



В субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах (средний пик) преобладает излучение газопылевых облаков Галактики, а в оптическом - ее звёзд.. Кроме главного и инфракрасного пиков в спектре неба выявлен пик в рентгеновском диапазоне, обусловленный очень горячими или взорвавшимися объектами в нашей и других галактиках. Описанная выше форма спектра неба определяет и технику астрономических исследований. Диапазоны слева и справа относительно максимума реликтового фона имеют принципиально разные ограничения при обнаружении и исследовании слабых источниковов. Та часть спектра, что находится справа от реликтового фона, подчиняется квантовой статистике и предельная чувствительность определяется флюктуациями числа квантов, приходящих в телескоп. В левой половине спектра основную роль играет обычная физика (отдельные кванты уже не могут быть зарегистрированы), поэтому приёмники радиотелескопов стремятся создать с минимальной мощностью шумов, включая мощность, обусловленную фоном неба.



Важнейшим достижением астрофизики последних 20 лет стало детальное изучение спектра и распределения по небу реликтового изучения (термин предложен И.С. Шкловским). На карте, построенной по данным американской космической обсерватории «WMAP», запущеной в 2001 г., можно проследить распределение по небу фонового радиоизлучения в миллиметровом и коротком сантиметровом диапазонах. Первый эксперимент по составлению карты микроволнового фонового излучения Вселенной был проведен на спутнике «COBE» (запущен в 1989 г.). На основе данных «СОВЕ», наземных наблюдений и наиболее точных данных спутника «WMAP» сделаны фундаментальные открытия, заставившие изменить современные представления о строении Вселенной. Установлено, что около 70% ее вещества сосредоточено в виде «скрытой энергии» и около 25% содержится в «темной материи», определяющих расширение Вселенной и связанных с образованием ее объектов – звезд, планетных систем, галактик, скоплений галактик.




Планируемые эксперименты в радиоастрономии



В радиодиапазоне имеются несколько перспективных направлений развития исследований объектов Вселенной. В России, совместно с широкой международной кооперацией, подготовливается к запуску космическая обсерватория «Радиоастрон», которая обеспечит угловое разрешение в 30 раз лучше, чем на Земле (рис. 2).



Рис. 2 - Основные параметры интерферометра Земля-космос «Радиоастрон».


Этот космических радиотелескоп предполагается вывести на эллиптическую орбиту с периодом около 9,5 суток и максимальным удалением от Земли 350 тыс. км, т.е. близким к орбите Луны (рис. 3).



Рис. 3 - Орбита космического радиотелескопа - интерферометра.


На нем будут установлены приемники, работающие в 4 диапазонах и каждый имеет два канала для приёма сигналов в обеих круговых поляризациях.



Космическая радио обсерватория работает как гигантский интерферометр с базой между спутником и системой наземных радиотелескопов. Используя такой интерферометр, мы можем получить исключительно высокое угловое разрешение и построить изображения небесных объектов с высочайшей детальностью. Ширина лепестка интерферометра на самых коротких длинных волнах будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что при отношении сигнала к шуму около 10 позволит проводить измерения до микросекунды дуги, что примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза.



Действующий макет космического радиотелескопа изготовлен в НПО им. С.А. Лавочкина, укомплектован высокочувствительной приёмной аппаратурой и испытан на обсерватории ФИАН в г. Пущино, где было подтверждено, что все основные параметры (эффективная площадь антенны и диаграммы направленности) соответствуют техническим требованиям (рис. 4).


Для космического радиотелескопа была специально найдена необычная орбита полета у которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около большой её оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от спутника, на расстоянии более 50 тыс. км, тем не менее она оказывает постоянное слабое гравитационное воздействие на него. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.



Все наземные радиотелескопы, задействованные в системе интерферометра, будут принимать сигналы от исследуемого источника одновременно с космическим радиотелескопом. Прием информации со спутника предполагается получать со скоростью 128 Мбит/с. Приемные станции находятся в США (Грин Бэнк), в Пущино под Москвой и в Австралии (Тидбинбилла). С такой же скоростью будет регистрироваться информация всеми крупнейшими радиотелескопами, в том числе и отечественными. Это 70-м радиотелескопы в Евпатории и Уссурийске, а также 64-м – в Калязине (рис. 5).



Предполагается, что ко времени запуска «Радиоастрона» наши радиотелескопы будут полностью оснащены всей необходимой приёмной и регисирирующей аппаратурой.



В создании бортового комплекса аппаратуры учасвуют многие международные институты.



Станции приёма информации и синхронизации разработаны в НАСА и Национальной Радиоастрономической Обсерватории США. Крупнейшие радиотелескопы мира предполагают участвовать в проекте (рис. 6).



Проект «Радиоастрон» рассчитан на систематические исследования таких необычных небесных объектов, как сверхмассивные чёрные дыры в ядрах далёких и близких галактик, черные дыры звёздных масс в нашей галактике, нейтронные (а возможно и кварковые) звёзды, областей образования звёзд и планетных систем в нашей галактике и в ядрах других галактик, облаков межзвёздной плазмы и гравитационного поля Земли. Можно будет с высокой точностью изучить структуру, измерить координаты и движение источников мощного радиоизлучения с непрерывным спектром и радиолиний мазерного излучения (линия паров воды на волне 1,35 см и гидроксила – 18 см), испускаемого этими объектами. Для предстоящих наблюдений подготовлен список сверхмассивных черных дыр, микроквазаров, пульсаров, космических мазеров и других радиоисточников - всего несколько сот объектов, а к моменту запуска «Радиастрона» предполагается его пополнить до тысячи.



Дальнейшим развитием этого направления будет подготовка аналогичного проекта для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (включающих весь пик реликтового космологического излучения – рис. 1).




Проект «Миллиметрон» (рис. 7) обеспечит ещё более высокое угловое разрешение (до наносекунд дуги) и значительно более высокую чувствительность за счёт глубокого охлаждения телескопа и расширения полосы приёма.



Изучение необычных объектов




Сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и других галактик, выбрасываемые вдоль их оси вращения струи релятивистских частиц и аккреционные диски захваченного вещества в экваториальной плоскости обнаружены и активно исследуются. Изображения таких объектов, полученные с помощью наземной системы радиоинтерферометров, показывают, что центральный объект является сверхмощным ускорителем. Ускоренные частицы с околосветовыми скоростями образуют два тонких луча, а на больших расстояниях релятивистские частицы накапливаются в виде двух облаков. Ближайшей задачей является исследования принципа работы этого ускорителя, величины и структуры электрических и магнитных полей около черной дыры. Современные теоретические модели сводятся к следующему. Вокруг центральной черной дыры вращается диск с очень сильным магнитным полем (рис. 8), однако оно до сих пор не измерено и представляет собой одну из основных задач будущего.




Предполагается, что измерить величину магнитного поля можно с помощью эффекта Фарадея (регулярный поворот плоскости поляризации изучения с изменением длины волны при прохождении поляризованного излучения через плазму с магнитным полем в аккреционном диске).



Если смотреть с полюса на чёрную дыру и вращающийся аккреционный диск с магнитным полем, то область свечения в виде кольца будет соответствовать ускорению частиц подобно ветерку от вентилятора (механизм Блендфорда-Знаека), а если будет обнаружено излучение только вблизи оси вращения, то скорее всего ускорение частиц происходит в условиях высокого вакуума под действием сильного электрического поля.



В центре нашей галактики находится ближайшая сверхмассивная черная дыра (расстояние 24 тысячи св. лет). Ее масса оценивается в 3 миллиона солнечных масс. Одна из самых больших чёрных дыр (масса 3 миллиарда солнечных масс) находится в ядре близкой эллиптической галактики М87 (расстояние около 45 млн. св. лет). Изображение этого объекта получено во всех диапазонах, в частности с помощью наземных радиоинтерферометров и радиоинтерферометра Земля-космос (рис. 9), использующего японский спутник «VSOP» с радиотелескопом, запущенный на эллиптическую орбиту в 1997 г. с антенной диаметром 8 м, максимальное удаление 26 тысяч км.


С помощью этого интерферометра наблюдалось множество других объектов.



Недавно Дж. Бэрбиджем было обращено внимание на необычный двойной квазар 3C 343.1 (рис. 10)



Он сначала был найден в радиодиапазоне, а потом исследовался в оптическом. Оказалось, что объект состоит из двух источников, имеющих различные скорости движения, отличающиеся почти на половину скорости света (красные смещения 0,34 и 0,75), в тоже время расстояние между двумя источниками соответствует четверти угловой секунды, т.е. кажется, что они находятся очень близко друг от друга. Случайное совпадения двух источников находящихся на разных расстояниях невероятно. Объяснить, что внутри одного малого объёма имеются предположительно две сверхмассивные чёрные дыры, движущиеся со столь большой скоростью друг относительно друга, пока невозможно и требуется тщательное изучение этих объектов. В частности, необходимо получить более детальное изображение и его изменение со временем, чтобы определить стуктуру компонент и измерить скорости их поперечного движения.



«Кротовые норы» - тоннели в пространстве




Модель гипотетических «кротовых нор» (первоначально предложена А.Эйнштейном и Н.Розеном) предполагает сложную топологию пространства и основана на общей теории относительности. Входами в тоннели могут быть некие новые объекты, наблюдаемые в нашей вселенной и соединяющие нас с другой частью Вселенной или даже с другой вселенной (рис 11). Около входа в тоннель, также как и для чёрной дыры, может существовать вращающийся газовый аккреционный диск с магнитным полем и вдоль его оси вращения также могут выбрасываться частицы, ускоренные до релятивистских энергий. Главным отличием «кротовой норы» от модели с чёрной дырой будет отсутствие горизонта событий. Т.е. вещество, попадающее в тоннель, не исчезает для внешнего наблюдателя. Оно может и утекать из нашей части Вселенной и притекать к нам. Если тоннели будут открыты, то это необыкновенно расширит наши возможности исследования и даже освоения Вселенной. Как уже отмечалось, вход в «кротовую нору» имеет особенности. Наблюдая за объектом, падающем на планету или звезду, в момент соприкосновения с их поверхностями мы сможем наблюдать вспышку излучения и тем самым фиксировать данное явление. В случае черной дыры тот же самый объект, падающий на нее просто исчезнет. Если же мы падаем внутрь входа в тоннель, то объект будет наблюдаться все время, но с переменным красным смещением. И наоборот, объекты, приходящие из другой Вселенной, или другой части нашей вселенной, тоже будут наблюдаться все время. Отсюда можно сделать прогноз. Если такие объекты существуют, то описанные эффекты должны быть обнаружены и исследованы. Объекты – кандидаты для подобных исследований имеются и наблюдения могут быть проведены с помощью интерферометра «Радиоастрон».



Большая Вселенная



В современной космологической модели многокомпонентной Вселенной («Мультиверс») отдельные Вселенные постоянно хаотически генерируется из сверхплотного скалярного поляи, она бесконечна в пространстве и во времени. На рис. 11 красным показаны области «кипящего» скалярного поля, плотность которого возможно близка к Планковской плотности (5 × 1093 Г/см3). В вакууме возникают расширяющиеся «пузырьки», которые превращаются в отдельные вселенные. Мы живем в одном из таких «пузырьков». В результате расширения «пузырька» после нескольких фазовых переходов из скапярного поля образуются нормальные элементарные частицы, атомы, молекулы, галактики, звезды, планеты. Если картина такова – мы никогда не узнаем что происходит в других «пузырьках» или параллельных вселенных. Но если есть тоннели («кротовые норы»), то наблюдая (или путешествуя) сквозь них мы можем получить информацию от любой части нашей или других вселенных. Поэтому исследования возможностей их существования или получения доказательства отсутствия таких тоннелей представляет собой важнейшую задачу космологии.




Мазеры и Мегамазеры



Космической радиоинтерферометр «Радиоастрон» также предполагается применить для исследований исключительно интенсивного излучения в узких спектральных линиях - мазерного излучения отдельных компактных районов в нашей и других галактиках. Например, близкая область образования обычных звезд и планетных систем в созвездии Лебедя с сильными мазерными линиями гидроксила (волна 18 см) и водяного пара (1,35 см) уже детально исследуется. А в ядре галактики М106 тоже были обнаружены объекты, светящиеся в линии межзвездного водяного пара на длине волны 1,35 см, но с соответствующим красным смещением (рис. 12).



Мощное мазерное излучение («Мегамазеры») из ядра этой галактики было открыто в 1984 году Клауссеном, Хейлигманом, Ло, Хенкелем и др. Как оказалось, районы мазерного излучения - области образования звёзд с планетными системами вокруг центральной сверхмассивной черной дыры ! Подобных внегалактических мегамазеров сейчас уже найдено более двух десятков.



Межзвёздный интерферометр




Предложен еще один оригинальный метод, который предполагается использовать для изучения небесных источников с помощью космического интерферометра. Радиоволны существенным образом взаимодействуют со средой, в которой они распространяются, в том числе и с межпланетнной и межзвездной плазмой. Причём космическая плазма неоднородна – имеет облачную структуру. Поэтому статистически от удалённого радиоисточника радиоволны по одному пути приходят быстрее на Землю быстрее, чем по другому.



Таким образом возникает естественный интерферометр. Два луча взаимодействуют и создают периодическую картину. Но в этом случае угловое разрешение получается даже много выше, чем у космического интерферометра (до нано секунд дуги !). Эффект тем сильнее, чем ниже частота. Это явление обнаружено при исследовании пульсаров. Было открыто, что их радио спектры иногда имеют периодическую структуру, которая случайным образом появляется и изменяется со временем (рис. 13).



Поскольку большая ось орбиты «Радиоастрона» порядка размера облаков межзвёздной плазмы, то с помощью космического интерферометра при наблюдениях этого эффекта вероятно удастся измерить диаметр пульсаров – нейтронных (а, возможно, и странных или кварковых ?) звезд, проверить правильность разработанных моделей их строения и излучения. Если масса несколько выше гравитационного предела для нейтронных звёзд, то такого рода объект сжимается сжимается и образует черную дыру. Однако в интервале масс между нейтронными звёздами и гравитационным пределом возможно ещё одно устойчивое состояние вещества, состоящего уже не из нейтронов, а из кварков. Согласно данным рентгеновской обсерватории «Chandra», одним из десятка кандидатов в кварковые звёзды является пульсар внутри оболочки, образованной взрывом сверхновой звезды –радиоисточник 3С58.



Астрометрия и гравиметрия



«Радиоастрон» позволяет в десятки раз улучшить точность измерения координат и собственных движений источников радиоизлучения, что позволит с помощью специальной программы создать высокоточную астрометрическую систему координат (рис. 14).




Высокоточное измерение орбиты «Радиоастрона» с использованием водородного стандарта частоты и времени на его борту (разработка организации «Время-Ч» в Нижнем Новгороде) позволит построить высокоточную модель гравитационного поля Земли (рис. 15).



Астрометрическое и гравиметрическое направления исследований имеют и прикладной и фундаментальный характер. Измерения гравитационного поля Земли на больших от неё расстояниях связаны с новой научной проблемой, поскольку несколько лет назад обнаружена новая сила, действующая на космические аппараты. Она крайне мала, направлена к Солнцу и не меняется с изменением расстояния до него. Похоже что в нашей планетной системе тоже присутствует «темная энергия» и «скрытая масса». Эти данные получены из точного определения скорости и ускорения космических аппаратов «Пионер-10 и -11», находящихся на периферии Солнечной системы, а также космическим аппаратом «Кассини».



Проблема SETI



Интерес к проблеме SETI (поиск внеземных цивилизаций) подогревается открытиями в области астрофизики и космологии, а также новыми идеями в теоретической физике. Весьма возможно, что деятельность внеземного разума как-то связана с «тёмной материей» и «скрытой энергией», «кротовыми норами» и возможностью с их помощью создания машины времени, теорией струн в физике элементарных частиц и возможной многомерностью (10-11 и более измерений) нашего пространства. С помощью космических интерферометров, подобных «Радиоастрону», можно изучать такого рода явления. А для обнаружения радиосигналов, подобных нашим радио или телевизионным, от цивилизации нашего уровня развития и с расстояний до ближайших звёзд, нужен космический (чтобы исключить помехи Земли) радиотелескоп с диаметром зеркала в несколько километров. Такой инструмент для этой задачи и других фундаментальных научных исследований вероятно будет сооружен через несколько десятков лет (рис. 16).




Основные научные задачи проекта «Радиоастрон».



Описанные выше потенциальные возможности наземно-космического радиоинтерферометра СПЕКТР-Р и поисковые проблемы позволяют поставить следующие научные задачи.



Исследование природы источника энергии в ядрах активных галактик.

•Изучение структуры и динамики изображений близких мощных внегалактических источников для понимания физических процессов вблизи горизонта событий.
•Измерение яркостных температур центральных компонент в сравнении с комптоновским пределом для однородного синхротронного источника.
•Измерение размеров компонент вдоль и поперек струи и иисследование их переменности.
•Измерение распределения яркости в центральных компонентах на масштабах меньше одного парсека в спокойной фазе радиоизлучения и во время вспышки.
•Определение структуры радиовыброса у его основания в момент зарождения.
•Определение скоростей движения и расширения выбросов с целью выявления и интерпретации сверхсветовых движений.
•Проведение всех перечисленных измерений одновременно на двух частотах с целью изучения спектральных свойств радиоизлучения.
•Проведение всех перечисленных выше измерений в двух поляризациях с целью изучения структуры магнитного поля в центральных компонентах и в выбросах.
•Исследование двойных ядер.
•Проведение всех перечисленных измерений для гравитационных линз и темной материи.
•Выявление объектов с компонентами, неразрешенными с самой большой базой.


Исследование космологической эволюции компактных внегалактических источников.

•Статистический анализ измерений выполненных в предыдущем пункте в зависимости от красного смещения исследуемых объектов с целью выявления закономерностей эволюции ядер галактик и определения основных космологических параметров Вселенной.


Изучение процесса образования звезд и планетных систем.

•Измерение структуры и динамики мазерных исочников в областях звездообразования.
•Изучение структуры и динамики источников в мегамазерах.


Исследование пульсаров (нейтронных и странных звезд и магнетаров).

•Измерение годичных параллаксов пульсаров.
•Измерение собственных движений пульсаров.
•Изучение структуры области радиоизлучения в пульсарах по флуктуации функции и «межзвездным интерферометром».
•Изучение двойных и затменных пульсаров.


Микроквазары и радиозвезды.

•Изучение структуры и динамики выбросов в активной фазе микроквазаров.
•Изучение структуры радиовспышек в звездах.


Космическая баллистика и гравиметрия.

•Построение и прогнозирование орбиты КА и ее эволюции.
•Построение гравитационного потенциала Земли на больших расстояниях и построение новой модели ее строения.
•Измерение эффектов ОТО.


Фундаментальная астрометрия.

•Построение небесной системы координат нового поколения.
•Уточнение взаимной ориентации международной небесной и динамической систем координат.
•Определение координат наземных радиотелескопов в системе, связанной с центром масс Земли.
•Уточнение фундаментальных астрометрических постоянных и постоянных движения Солнечной системы.


Более подробную информацию о проекте «Радиоастрон» можно получить на сайтах www.asc.rssi.ru/radioastron/rus/index.html и www.laspace.ru/rus/spectrR.php .

Источник: http://www.federalspace.ru

Видео о Радиоастроне. О котором упоминалось в предыдущем посте:

Заглянуть в черную дыру: Радиоастрон и загадки Вселенной

Астрофизики зафиксировали мощное космическое радиоизлучение внегалактического происхождения

8 июля 2013 года, Минск /Корр. БЕЛТА/. Астрофизики зарегистрировали четыре ультракороткие вспышки радиоизлучения, которые имеют, по всей видимости, внегалактическое происхождение, сообщают информагентства.

Загадочные вспышки радиоизлучения были зафиксированы радиотелескопом Parkes на востоке Австралии. Источники радиоизлучения находились в разных местах. Каждая вспышка длилась около миллисекунды и повторялась примерно каждые десять секунд.

Ни гамма-всплесков, ни вспышек рентгеновского излучения при этом зафиксировано не было. Это позволило исследователям предположить, что зарегистрированные радиосигналы не связаны со слиянием нейтронных звезд или черных дыр.

Проанализировав характеристики вспышек, ученые пришли к выводу, что их источники могли находиться на расстоянии до 11 млрд. световых лет от нас. Отметим, что возраст Вселенной составляет около 13,8 млрд. лет, а значит, источники радиоизлучения появились спустя несколько миллиардов лет после Большого Взрыва.

Длительные радиосигналы, испускаемые далекими галактиками, регистрируются чуть ли не ежедневно. Но настолько короткие вспышки, происходящие от источника за пределами Млечного Пути, были зафиксированы впервые.

По мнению астронома Скотта Рэнсома из Национальной радиоастрономической обсерватории США, это открытие может стать одним из наиболее важных в радиоастрономии за последние пару десятилетий.

Сейчас астрономы работают с данными радиотелескопа Parkes в реальном времени, надеясь отследить новый радиосигнал такого рода. Если это удастся, далее последует изучение региона неба, из которого пришли сигналы, что позволит установить дальность радиоисточника.

Конечные результаты этой работы помогут не только обнаружить источник и причину мощного излучения, но и решить одну из космологических загадок. У астрономов появится возможность по дисперсии сигнала узнать количество электронов в межгалактическом пространстве, которое является свидетельством плотности протонов и нейтронов

КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ

И.Ф.Малов, В.А.Фролов
Спектр космического излучения и размеры живых организмов
Земля и Вселенная, 2005. № 3. С. 62-68.

Развивается концепция, согласно которой Космос постоянно воздействует на биосферу Земли и определяет ее основную структуру, а нестационарные космические процессы вызывают биосферные аномалии, при этом происходит подстройка живых организмов к спектру проникающего на Землю электромагнитного излучения. Спектр падающего на Землю космического излучения включает все диапазоны электромагнитных волн – от радио до гамма-излучения. Однако земная атмосфера полностью пропускает излучение лишь в двух узких окнах прозрачности: в оптическом диапазоне – от 0.3 мкм до 1.5-2 мкм, и в радиодиапазоне – от 1 мм до 15-30 м (не считая узких полос в ИК-области от 2 до 8 мкм). Размеры «макроскопических» живых организмов на Земле заключены в пределах от 1 мм до 30 м, а размеры бактерий – от 0.4 до 5 мкм. Возможно, живые организмы являются своеобразными «резонаторами» на приходящее из космоса электромагнитное излучение.

Низкочастотная граница пропускания зависит от средней электронной плотности ионосферы. В настоящее время она равна 14 МГц, что соответствует длине волны 20 м. Возможно, в истории Земли был период, когда электронная концентрация была примерно на полтора порядка выше, и предельная волна составляла 3 м. Это могло привести к тому, что животные с размером более 3 м стали исчезать. Возможно, этим объясняется вымирание гигантских ящеров.

Электронная концентрация в ионосфере неоднородна, поэтому предельная длина волны в разных регионах может быть различна. В Тасмании, например, регистрируется радиоизлучение с длиной волны более 30 м. Именно в этом регионе обитают наиболее крупные киты.

Во время солнечных вспышек наблюдаются интенсивные всплески радиоизлучения в сантиметровом и дециметровом диапазонах. В эти же периоды наблюдаются необъясненные пока массовые миграции животных соответствующих размеров. По мнению авторов, к таким миграциям может приводить нарушение электромагнитного фона в среде обитания.

В начальные периоды существования Земли в атмосфере отсутствовал кислород, и ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 180 до 300 нм беспрепятственно доходило до земной поверхности. Тогда и появились первые вирусы подобных размеров. Возможно, они были первыми переходными строительными элементами при становлении биосферы. Обогащение атмосферы Земли кислородом привело к тому, что атмосфера стала непрозрачна для излучения с длиной волны меньше 300 нм, и вирусы в этих условиях, по мнению авторов, должны были бы исчезнуть. Возможно, считают они, именно это обстоятельство привело к тому, что вирусы в борьбе за существование «спрятались» внутрь формирующихся клеток и погрузились в анабиоз. При определенных условиях они «оживляются» и впрыскивают молекулы ДНК или РНК в клетку. Таким путем в биосфере, по-видимому, обеспечивается мутагенез.

Механизм воздействия электромагнитного излучения на живые организмы авторы связывают со следующим. Систему зарядов и токов в организме можно представить как совокупность многочисленных диполей разных длин волн и ориентаций с максимальной длиной равной размеру организма. Известно, что электрический диполь сильно реагирует на излучение (падающее перпендикулярно его оси) с длиной волны равной длине диполя. Этим и может быть обусловлено воздействие на живые организмы. При этом оно носит исключительно информационный характер, поскольку энергия космического излучения в радиодиапазоне ничтожно мала.

Согласно гипотезе авторов, в живых организмах, наряду с обычными органами чувств, существует специальный орган, обеспечивающий взаимодействие организма с окружающей электромагнитной средой – биоинформационная система (БИС). В разработанной авторами модели существуют космические, геосферные и биосферные иерархические цепи, которые отображают пространственно-временную структуру Вселенной, планеты и биосферы. Через прямые и обратные связи этой системы цепей осуществляется всеобщая взаимозависимость и взаимовлияние всех объектов Вселенной. По мнению авторов, само формирование жизни на Земле можно рассматривать, как результат пространственно-временного резонансного отклика первичного планетного вещества на спектр космического излучения.

Разнообразие биоты определяется спектром космического излучения, отфильтрованного земными экранами, и каждому фрагменту этого спектра соответствуют определенные организмы в живой ткани биосферы. Стабильность системы поддерживается с помощью отрицательной обратной связи, которая компенсирует действие факторов, выводящих ее из равновесия. В настоящее время главным дестабилизирующим фактором является деятельность человека. Если это будет продолжаться, то возможна такая коррекция биосферы, которая устранит этот дестабилизирующий фактор.

Кроме спектрального состава космического излучения важным фактором воздействия на живые организмы может быть его временная модуляция, связанная с многочисленными циклическими процессами во Вселенной – от миллисекундного интервала до периодов вращения галактик порядка сотен миллионов лет.

Помимо влияния электромагнитного излучения, необходимо принимать во внимание и другие физические факторы: величина силы тяжести, расстояние планеты от центрального светила, возраст планетной системы. Для морских животных дополнительными факторами могут быть: концентрация солей, давление вышележащих слоев воды, ее электропроводность и др.

Источник: http://lnfm1.sai.msu.ru

Космическое радиоизлучение

Можно прочитать, можно скачать:

Космическое радиоизлучение

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (3 градуса по абсолютной шкале Кельвина, что соответствует –270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см3.

Радиоастрономы-экспериментаторы предпочитают называть это излучение «космическим микроволновым фоновым излучением» cosmic microwave background, CMB). Астрофизики-теоретики часто называют его «реликтовым излучением» (термин предложен русским астрофизиком И.С.Шкловским), поскольку в рамках общепринятой сегодня теории горячей Вселенной это излучение возникло на раннем этапе расширения нашего мира, когда его вещество было практически однородным и очень горячим. Иногда в научной и популярной литературе можно также встретить термин «трехградусное космическое излучение». Далее мы будем называть это излучение «реликтовым».

Открытие в 1965 реликтового излучения имело огромное значение для космологии; оно стало одним из важнейших достижений естествознания 20 в. и, безусловно, самым важным для космологии после открытия красного смещения в спектрах галактик. Слабое реликтовое излучение несет нам сведения о первых мгновениях существования нашей Вселенной, о той далекой эпохе, когда вся Вселенная была горячей и в ней еще не существовало ни планет, ни звезд, ни галактик. Проведенные в последние годы детальные измерения этого излучения с помощью наземных, стратосферных и космических обсерваторий приоткрывают завесу над тайной самого рождения Вселенной.

Теория горячей Вселенной.
В 1929 американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) открыл, что большинство галактик удаляется от нас, причем тем быстрее, чем дальше расположена галактика (закон Хаббла). Это было интерпретировано как всеобщее расширение Вселенной, начавшееся примерно 15 млрд. лет назад. Встал вопрос о том, как выглядела Вселенная в далеком прошлом, когда галактики только начали удаляться друг от друга, и даже еще раньше. Хотя математический аппарат, основанный на общей теории относительности Эйнштейна и описывающий динамику Вселенной, был создан еще в 1920-е годы Виллемом де Ситтером (1872–1934), Александром Фридманом (1888–1925) и Жоржем Леметром (1894–1966), о физическом состоянии Вселенной в раннюю эпоху ее эволюции ничего не было известно. Не было даже уверенности, что в истории Вселенной существовал определенный момент, который можно считать «началом расширения».

Развитие ядерной физики в 1940-е годы позволило начать разработку теоретических моделей эволюции Вселенной в прошлом, когда ее вещество, как предполагалось, было сжато до высокой плотности, при которой были возможны ядерные реакции. Эти модели, прежде всего, должны были объяснить состав вещества Вселенной, который к тому времени уже был достаточно надежно измерен по наблюдениям спектров звезд: в среднем они состоят на 2/3 из водорода и на 1/3 из гелия, а все остальные химические элементы вместе взятые составляют не более 2%. Знание свойств внутриядерных частиц – протонов и нейтронов – позволяло рассчитывать варианты начала расширения Вселенной, различающиеся исходным содержанием этих частиц и температурой вещества и находящегося с ним в термодинамическом равновесии излучения. Каждый из вариантов давал свой состав исходного вещества Вселенной.

Если опустить детали, то существуют две принципиально разные возможности для условий, в которых протекало начало расширения Вселенной: ее вещество могло быть либо холодным, либо горячим. Следствия ядерных реакций при этом в корне отличаются друг от друга. Хотя идею о возможности горячего прошлого Вселенной высказывал еще в своих ранних работах Леметр, исторически первой в 1930-е годы была рассмотрена возможность холодного начала.

В первых предположениях считалось, что все вещество Вселенной существовало сначала в виде холодных нейтронов. Позже выяснилось, что такое предположение противоречит наблюдениям. Дело в том, что нейтрон в свободном состоянии распадается в среднем за 15 минут после возникновения, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино. В расширяющейся Вселенной возникшие протоны стали бы соединяться с еще оставшимися нейтронами, образуя ядра атомов дейтерия. Дальше цепочка ядерных реакций привела бы к образованию ядер атомов гелия. Более сложные атомные ядра, как показывают расчеты, при этом практически не возникают. В результате все вещество превратилось бы в гелий. Такой вывод находится в резком противоречии с наблюдениями звезд и межзвездного вещества. Распространенность химических элементов в природе отвергает гипотезу о начале расширения вещества в виде холодных нейтронов.

В 1946 в США «горячий» вариант начальных стадий расширения Вселенной предложил физик русского происхождения Георгий Гамов (1904–1968). В 1948 была опубликована работа его сотрудников – Ральфа Альфера и Роберта Хермана, в которой рассматривались ядерные реакции в горячем веществе в начале космологического расширения с целью получить наблюдаемое в настоящее время соотношение между количеством различных химических элементов и их изотопов. В те годы стремление объяснить происхождение всех химических элементов их синтезом в первые мгновения эволюции вещества было естественным. Дело в том, что тогда ошибочно оценивали время, протекшее с начала расширения Вселенной, всего в 2–4 млрд. лет. Это было связано с завышенным значением постоянной Хаббла, вытекавшим в те годы из астрономических наблюдений.

Сравнивая возраст Вселенной в 2–4 млрд. лет с оценкой возраста Земли – около 4 млрд. лет, – приходилось предполагать, что Земля, Солнце и звезды образовались из первичного вещества с уже готовым химическим составом. Считалось, что этот состав не изменился сколь-нибудь существенно, так как синтез элементов в звездах – процесс медленный и для его осуществления перед образованием Земли и других тел уже не было времени.

Последующий пересмотр шкалы внегалактических расстояний привел и к пересмотру возраста Вселенной. Теория эволюции звезд успешно объясняет происхождение всех тяжелых элементов (тяжелее гелия) их нуклеосинтезом в звездах. Отпала необходимость объяснять происхождение всех элементов, включая и тяжелые, на ранней стадии расширения Вселенной. Однако суть гипотезы горячей Вселенной оказалась верной.

С другой стороны, содержание гелия в звездах и межзвездном газе составляет около 30% по массе. Это гораздо больше, чем можно объяснить ядерными реакциями в звездах. Значит гелий, в отличие от тяжелых элементов, должен синтезироваться в начале расширения Вселенной, но при этом – в ограниченном количестве.

Основная идея теории Гамова как раз и состоит в том, что высокая температура вещества препятствует превращению всего вещества в гелий. В момент 0,1 сек после начала расширения температура была около 30 млрд. K. В таком горячем веществе имеется много фотонов большой энергии. Плотность и энергия фотонов столь велики, что происходит взаимодействие света со светом, приводящее к рождению электронно-позитронных пар. Аннигиляция пар может в свою очередь приводить к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находится обычное вещество. При очень высоких температурах не могут существовать сложные атомные ядра. Они были бы моментально разбиты окружающими энергичными частицами. Поэтому тяжелые частицы вещества существуют в виде нейтронов и протонов. Взаимодействия с энергичными частицами заставляют нейтроны и протоны быстро превращаться друг в друга. Однако реакции соединения нейтронов с протонами не идут, так как возникающее при этом ядро дейтерия тут же разбивается частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывается цепочка, ведущая к образованию гелия.

Источник: http://www.krugosvet.ru

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Продолжение.

Только когда Вселенная, расширяясь, охлаждается до температуры ниже миллиарда кельвинов, некоторое количество возникающего дейтерия уже сохраняется и приводит к синтезу гелия. Расчеты показывают, что температуру и плотность вещества можно согласовать так, чтобы к этому моменту доля нейтронов в веществе составляла около 15% по массе. Эти нейтроны, соединяясь с таким же количеством протонов, образуют около 30% гелия. Остальные тяжелые частицы остались в виде протонов – ядер атомов водорода. Ядерные реакции заканчиваются по прошествии первых пяти минут после начала расширения Вселенной. В дальнейшем, по мере расширения Вселенной, температура ее вещества и излучения снижается. Из работ Гамова, Альфера и Хермана 1948 года следовало: если теория горячей Вселенной предсказывает возникновение 30% гелия и 70% водорода как основных химических элементов природы, то современная Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатком («реликтом») первобытного горячего излучения, причем современная температура этого реликтового излучения должна быть около 5 K.

Однако на гипотезе Гамова анализ разных вариантов начала космологического расширения не закончился. В начале 1960-х годов остроумная попытка снова вернуться к холодному варианту была предпринята Я.Б.Зельдовичем, которые предположил, что первоначальное холодное вещество состояло из протонов, электронов и нейтрино. Как показал Зельдович, такая смесь при расширении превращается в чистый водород. Гелий и другие химические элементы, согласно этой гипотезе, синтезировались позже, когда образовались звезды. Заметим, что к этому моменту астрономы уже знали, что Вселенная в несколько раз старше Земли и большинства окружающих нас звезд, а данные об обилии гелия в дозвездном веществе были в те годы еще очень неопределенными.

Казалось бы, решающим тестом для выбора между холодной и горячей моделями Вселенной мог стать поиск реликтового излучения. Но почему-то долгие годы после предсказания Гамова и его коллег никто сознательно не пытался обнаружить это излучение. Открыто оно было совершенно случайно в 1965 радиофизиками из американской компании «Белл» Р.Уилсоном и А.Пензиасом, награжденными в 1978 Нобелевской премией.

На пути к обнаружению реликтового излучения.
В середине 1960-х годов астрофизики продолжали теоретически изучать горячую модель Вселенной. Вычисление ожидаемых характеристик реликтового излучения было выполнено в 1964 А.Г.Дорошкевичем и И.Д.Новиковым в СССР и независимо Ф.Хойлом и Р.Дж.Тейлором в Великобритании. Но эти работы, как и более ранние работы Гамова с коллегами, не привлекли к себе внимания. А ведь в них уже было убедительно показано, что реликтовое излучение можно наблюдать. Несмотря на крайнюю слабость этого излучения в нашу эпоху, оно, к счастью, лежит в той области электромагнитного спектра, где все прочие космические источники в целом излучают еще слабее. Поэтому целенаправленный поиск реликтового излучения должен был привести к его открытию, но радиоастрономы не знали об этом.

Вот что сказал А.Пензиас в своей нобелевской лекции: «Первое опубликованное признание реликтового излучения в качестве обнаружимого явления в радиодиапазоне появилось весной 1964 в краткой статье А.Г.Дорошкевича и И.Д.Новикова, озаглавленной Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии. Хотя английский перевод появился в том же году, но несколько позже, в широко известном журнале «Советская физика – Доклады», статья, по-видимому, не привлекла к себе внимания других специалистов в этой области. В этой замечательной статье не только выведен спектр реликтового излучения как чернотельного волнового явления, но также отчетливо сконцентрировано внимание на двадцатифутовом рупорном рефлекторе лаборатории «Белл» в Кроуфорд-Хилл, как на наиболее подходящем инструменте для его обнаружения!» (цит. по: Шаров А.С., Новиков И.Д. Человек, открывший взрыв Вселенной: Жизнь и труд Эдвина Хаббла. М., 1989).

К сожалению, эта статья осталась незамеченной ни теоретиками, ни наблюдателями; она не стимулировала поиск реликтового излучения. Историки науки до сих пор гадают, почему долгие годы никто не пытался сознательно искать излучение горячей Вселенной. Любопытно, что мимо этого открытия – одного из крупнейших к 20 в. – ученые прошли несколько раз, не заметив его.

Например, реликтовое излучение могло быть открыто еще в 1941. Тогда канадский астроном Э.Мак-Келлар анализировал линии поглощения, вызываемые в спектре звезды Дзета Змееносца межзвездными молекулами циана. Он пришел к выводу, что эти линии в видимой области спектра могут возникать только при поглощении света вращающимися молекулами циана, причем их вращение должно возбуждаться излучением с температурой около 2,3 К. Конечно, никто не мог подумать тогда, что возбуждение вращательных уровней этих молекул вызывается реликтовым излучением. Лишь после его открытия в 1965 были опубликованы работы И.С.Шкловского, Дж.Филда и др., в которых показано, что возбуждение вращения межзвездных молекул циана, линии которых отчетливо наблюдаются в спектрах многих звезд, вызвано именно реликтовым излучением.

Еще более драматичная история произошла в середине 1950-х годов. Тогда молодой ученый Т.А.Шмаонов под руководством известных советских радиоастрономов С.Э.Хайкина и Н.Л.Кайдановского провел измерения радиоизлучения из космоса на длине волны 32 см. Эти измерения были выполнены с помощью рупорной антенны, подобной той, которая была использована много лет спустя Пензиасом и Уилсоном. Шмаонов со всей тщательностью изучил возможные помехи. Конечно, в его распоряжении тогда еще не было столь чувствительных приемников, которые появились впоследствии у американцев. Результаты измерения Шмаонова были опубликованы в 1957 в его кандидатской диссертации и в журнале «Приборы и техника эксперимента». Вывод из этих измерений был таков: «Оказалось, что абсолютная величина эффективной температуры радиоизлучения фона... равна 4 ± 3 К». Шмаонов отмечал независимость интенсивности излучения от направления на небе и от времени. Хотя ошибки измерений были велики и говорить о какой-либо надежности цифры 4 не приходится, теперь нам ясно, что Шмаонов измерял именно реликтовое излучение. К сожалению, ни он сам, ни другие радиоастрономы ничего не знали о возможности существования реликтового излучения и не придали должного значения этим измерениям.

Наконец, около 1964 к этой проблеме сознательно подошел известный физик-экспериментатор из Принстона (США) Роберт Дикке. Хотя его рассуждения основывались на теории «осциллирующей» Вселенной, которая многократно испытывает расширение и сжатие, Дикке ясно понимал необходимость поиска реликтового излучения. По его инициативе в начале 1965 молодой теоретик Ф.Дж.Э.Пиблс провел необходимые вычисления, а П.Г.Ролл и Д.Т.Уилкинсон начали сооружать маленькую низкошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Для поиска фонового излучения не обязательно использовать большие радиотелескопы, так как излучение идет со всех направлений. От того, что большая антенна фокусирует луч на меньшей площадке неба, ничего не выигрывается. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, накануне случайно сделанное другими.

Открытие реликтового излучения.
В 1960 в Кроуфорд-Хилле, Холмдел (шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и радиофизики Роберт Вудро Уилсон (р. 1936) и Арно Элан Пензиас (р. 1933) из лаборатории компании «Белл телефон» решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений. Антенна представляла собой 20-футовый рупор. Вместе с новейшим приемным устройством этот радиотелескоп был в то время самым чувствительным инструментом в мире для измерения радиоволн, приходящих с широких площадок на небе. В первую очередь предполагалось провести измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на волне длиной 7,35 см. Арно Пензиас и Роберт Уилсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение.

При этом измеренная температура по сравнению со средней (Т0) зависит от направления движения: T = T0 (1 + (v/c) cos i), где v – скорость прибора в системе координат, связанной с реликтовым излучением; c – скорость света, i – угол между вектором скорости и направлением наблюдения. На фоне однородного распределения температуры появляется два «полюса» – теплый в направлении движения и прохладный в противоположном направлении. Поэтому такое отклонение от однородности называют «дипольным». Дипольная составляющая в распределении реликтового излучения была обнаружена еще при наземных наблюдениях: в направлении на созвездие Льва температура этого излучения оказалась на 3,5 мК выше средней, а в противоположном направлении (созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, мы движемся относительно реликтового излучения со скоростью около 400 км/с. Точность измерений оказалась настолько высокой, что обнаружились даже годовые вариации дипольной составляющей, вызванные обращением Земли вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.

Измерения с искусственных спутников Земли существенно уточнили эти данные. По данным COBE, после учета орбитального движения Земли получается, что Солнечная система движется так, что амплитуда дипольной составляющей температуры реликтового излучения D T = 3,35 мК; это соответствует скорости движения V = 366 км/с. Движется Солнце относительно излучения в направлении границы созвездий Льва и Чаши, к точке с экваториальными координатами a = 11h 12m и d = –7,1° (эпоха J2000); что соответствует галактическим координатам l = 264,26° и b = 48,22°. Учет движения самого Солнца в Галактике показывает, что относительно всех галактик Местной группы Солнце движется со скоростью 316 ± 5 км/с в направлении l0 = 93 ± 2° и b0 = –4 ± 2°. Поэтому движение самой Местной группы относительно реликтового излучения происходит со скоростью 635 км/с в направлении около l = 269° и b = +29°. Это примерно под углом 45° относительно направления на центр скопления галактик в Деве (Virgo).

Изучение движений галактик в еще большем масштабе показывает, что совокупность ближайших скоплений галактик (119 скоплений из каталога Абеля в пределах 200 Мпк от нас) движется как целое относительно реликтового излучения со скоростью около 700 км/с. Таким образом, наша окрестность Вселенной плывет в море реликтового излучения с заметной скоростью. Астрофизики неоднократно обращали внимание на то, что сам факт существования реликтового излучения и связанной с ним выделенной системой отсчета отводит этому излучению роль «нового эфира». Но ничего мистического в этом нет: все физические измерения в этой системе отсчета эквивалентны измерениям в любой другой инерциальной системе отсчета. (Обсуждение проблемы «нового эфира» в связи с принципом Маха можно найти в книге: Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Строение и эволюция Вселенной. М., 1975).
Анизотропия реликтового излучения.

Температура реликтового излучения является лишь одним из его параметров, описывающих раннюю Вселенную. В свойствах этого излучения сохранились и другие явные следы очень ранней эпохи эволюции нашего мира. Астрофизики находят эти следы, анализируя спектр и пространственную неоднородность (анизотропию) реликтового излучения.

Согласно теории горячей Вселенной, по прошествии примерно 300 тыс. лет после начала расширения температура вещества и связанного с ним излучения уменьшилась до 4000 К. При этой температуре фотоны уже не могли ионизовать атомы водорода и гелия. Поэтому в ту эпоху, соответствующую красному смещению z = 1400, произошла рекомбинация горячей плазмы, в результате которой плазма превратилась в нейтральный газ. Тогда еще никаких галактик и звезд, конечно, не было. Они возникли значительно позже.

Став нейтральным, заполняющий Вселенную газ оказался практически прозрачным для реликтового излучения (хотя в ту эпоху это были не радиоволны, а свет видимого и близкого инфракрасного диапазонов). Поэтому древнее излучение почти беспрепятственно доходит до нас из глубин пространства и времени. Но все же по пути оно испытывает некоторые влияния и как археологический памятник несет на себе следы исторических событий.

Например, в эпоху рекомбинации атомы испускали много фотонов с энергией порядка 10 эВ, что в десятки раз превышает среднюю энергию фотонов равновесного излучения той эпохи (при T = 4000 К таких энергичных фотонов крайне мало, порядка одной миллиардной доли от их общего числа). Поэтому рекомбинационное излучение должно было бы сильно исказить планковский спектр реликтового излучения в диапазоне длин волн около 250 мкм. Правда, расчеты показали, что сильное взаимодействие излучения с веществом приведет к тому, что выделившаяся энергия в основном «рассосется» по широкой области спектра и не сильно его исказит, но будущие точные измерения смогут заметить и это искажение.

А значительно позже, в эпоху формирования галактик и первого поколения звезд (при z ~ 10), когда огромная масса уже почти остывшего вещества вновь испытала значительный нагрев, спектр реликтового излучения вновь мог измениться, поскольку, рассеиваясь на горячих электронах, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (так называемый «обратный эффект Комптона»). Оба описанные выше эффекта искажают спектр реликтового излучения в его коротковолновой области, которая пока наименее исследована.

Хотя в нашу эпоху большая часть обычного вещества плотно упакована в звездах, а те в галактиках, все же и вблизи нас реликтовое излучение может испытать заметное искажение спектра в том случае, если его лучи по пути к Земле проходят сквозь крупное скопление галактик. Обычно такие скопления заполнены разреженным, но очень горячим межгалактическим газом, имеющим температуру около 100 млн К. Рассеиваясь на быстрых электронах этого газа, низкоэнергичные фотоны увеличивают свою энергию (все тот же обратный комптон-эффект) и переходят из низкочастотной, рэлей-джинсовской области спектра в высокочастотную, виновскую область. Этот эффект был предсказан Р.А.Сюняевым и Я.Б.Зельдовичем и обнаружен радиоастрономами в направлении многих скоплений галактик в виде понижения температуры излучения в рэлей-джинсовской области спектра на 1–3 мК. Эффект Сюняева – Зельдовича был открыт первым среди эффектов, создающих анизотропию реликтового излучения. Сравнение его величины с рентгеновской светимостью скоплений галактик позволило независимо определить постоянную Хаббла (H = 60 ± 12 км/с/Мпк).

Вернемся к эпохе рекомбинации. В возрасте менее 300 000 лет Вселенная представляла собой почти однородную плазму, содрогавшуюся от звуковых, а точнее – инфразвуковых волн. Расчеты космологов говорят, что эти волны сжатия и расширения вещества генерировали в непрозрачной плазме также колебания плотности излучения, и поэтому ныне они должны обнаруживаться в виде чуть заметной «зыби» в почти однородном реликтовом излучении. Поэтому сегодня оно должно приходить на Землю с разных сторон с чуть разной интенсивностью. В данном случае речь идет не о тривиальной дипольной анизотропии, вызванной движением наблюдателя, а о вариациях интенсивности, действительно присущих самому излучению. Их амплитуда должна быть крайне мала: примерно одна стотысячная доля самой температуры излучения, т.е. порядка 0,00003 К. Их очень трудно измерить. Первые попытки определить величины этих малых флуктуации в зависимости от направления на небе были сделаны сразу после открытия самого реликтового излучения в 1965. Позже они не прекращались, но открытие состоялось лишь в 1992 с помощью аппаратуры, вынесенной за пределы Земли. В нашей стране такие измерения были проведены в эксперименте «Реликт», но более уверенно эти малые флуктуации были зарегистрированы с американского спутника COBE

В последнее время проводится и планируется много экспериментов по измерению амплитуды флуктуаций реликтового излучения в различных угловых масштабах – от градусов до секунд дуги. Различные физические явления, происходившие в самые первые мгновения жизни Вселенной, должны были оставить свой характерный отпечаток в приходящем к нам излучении. Теория предсказывает определенную зависимость между размерами холодных и горячих пятен в интенсивности реликтового излучения и их относительной яркостью. Зависимость очень своеобразная: в ней заключена информация о процессах рождения Вселенной, о том, что происходило сразу после рождения, а также о параметрах сегодняшней Вселенной.

Угловое разрешение первых наблюдений – в экспериментах «Реликт-2 и COBE – было очень плохое, примерно 7°, поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. В последующие годы такие же наблюдения проводились с помощью как наземных радиотелескопов (в нашей стране для этой цели используется инструмент РАТАН-600 с незаполненной апертурой диаметром 600 м), так и радиотелескопов, которые поднимались на воздушных шарах в верхние слои атмосферы.

Принципиальным шагом в исследовании анизотропии реликтового излучения стал эксперимент «Бумеранг» (BOOMERANG), выполненный учеными США, Канады, Италии, Англии и Франции с помощью беспилотного аэростата НАСА (США) объемом 1 млн кубометров, который с 29 декабря 1998 по 9 января 1999 совершил круг на высоте 37 км вокруг Южного полюса и, пролетев около 10 тыс. км, сбросил гондолу с приборами на парашюте в 50 км от места старта. Наблюдения проводились субмиллиметровым телескопом с главным зеркалом диаметром 1,2 м, в фокусе которого размещалась охлажденная до 0,28 K система болометров, измерявшая фон в четырех частотных каналах (90, 150, 240 и 400 ГГц) с угловым разрешением 0,2–0,3 градуса. За время полета наблюдениями было покрыто около 3% небесной сферы.

Зарегистрированные в эксперименте «Бумеранг» температурные неоднородности реликтового излучения с характерной амплитудой 0,0001 К подтвердили правильность «акустической» модели и показали, что четырехмерную пространственно-временную геометрию Вселенную можно считать плоской. Полученная информация позволила также судить и о составе Вселенной: подтвердилось, что обычное барионное вещество, из которого состоят звезды, планеты и межзвездный газ, составляет всего около 4% массы; а остальные 96% заключены в неизвестных пока формах материи.

Эксперимент «Бумеранг» был прекрасно дополнен подобным ему экспериментом MAXIMA (Millimeter Anisotropy eXperiment IMaging Array), в основном выполненном учеными США и Италии. Их аппаратура, летавшая в стратосферу в августе 1998 и в июне 1999, исследовала менее 1% небесной сферы, но с высоким угловым разрешением: около 5'. Аэростат совершал ночные полеты над континентальной частью США. Главное зеркало телескопа имело диаметр 1,3 м. Приемная часть аппаратуры состояла из 16 детекторов, покрывавших 3 частотных диапазона. Вторичные зеркала охлаждались до криогенной температуры, а болометры – даже до 0,1 K. Такую низкую температуру удавалось поддерживать до 40 часов, чем и ограничивалась длительность полета.

Эксперимент MAXIMA выявил мелкую «зыбь» в угловом распределении температуры реликтового излучения. Его данные были дополнены наблюдениями наземной обсерватории с помощью интерферометра DASI (Degree Angular Scale Interferometer), установленного радиоастрономами Чикагского университета (США) на Южном полюсе. Этот 13-элементный криогенный интерферометр наблюдал в десяти частотных каналах в диапазоне 26–36 ГГц и выявил еще более мелкие флуктуации реликтового излучения, причем зависимость их амплитуды от углового размера хорошо подтверждает теорию акустических колебаний, унаследованных от молодой Вселенной.

Кроме измерений интенсивности реликтового излучения с поверхности Земли, планируются и космические эксперименты. В 2007 предполагается запустить в космос радиотелескоп «Planck» (Европейское космическое агентство). Его угловое разрешение будет существенно выше, а чувствительность примерно в 30 раз лучше, чем в эксперименте COBE. Поэтому астрофизики надеются, что многие факты о начале существования нашей Вселенной будут выяснены (см. рис. 1).

Владимир Сурдин

Источник: http://www.krugosvet.ru