 НА КРАЙ НОВАЯ ЭПОХА В АСТРОНОМИИ ВСЕЛЕННОЙ |
С разрешения журнала «Нью-Йорк таймс магазин»
Copyright © 1985 by The New York Times Company. Reprinted by permission.
Астрономы 80-х годов могут смотреть в космос через окна, которые прежде были для них закрыты, — окна в невидимое. Чувствительные элементы современных телескопов позволяют регистрировать излучения, которые не в силах уловить человеческое зрение. Бóльшая часть этих излучений не проходит свободно сквозь земную атмосферу, но с помощью космических летательных аппаратов астрономы в состоянии теперь уйти за пределы атмосферы с ее дисторсиями и поглощениями и впервые без помех взглянуть на астрономические явления через все окна Вселенной, настраиваясь из космоса на излучение во всем его диапазоне.
Астрономия вступила в золотой век. «Этого бы не произошло, если бы мы не поднялись над земной атмосферой», — говорит Роберт К. Блесс, астроном из Висконсинского университета.
В этот золотой век астрономия вызывает огромный интерес, и от нее ждут новых успехов. Вооруженные замечательными новыми инструментами для исследований и более точными знаниями в области физики материи, астрономы и другие ученые утверждаются в своей вере в то, что великие загадки Вселенной теперь станут доступны нашему пониманию. Астрономы твердо надеются, что намеченный вывод на орбиту построенного Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) космического телескопа Хаббла, который даст возможность заглянуть чуть ли не до края Вселенной и до начала времени, повлечет за собой стремительный поток потрясающих открытий, способных изменить наши представления об истории и судьбе космоса и о нас самих. Астрономические инструменты и приборы, ведущие наблюдения как с Земли, так и в космосе, возможно, скоро впервые позволят обнаружить другие планеты, обращающиеся вокруг других звезд, и тогда возрастут шансы на то, что мы — не единственные разумные существа во Вселенной. Астрономия, вероятно, сумеет дать ответ на важнейшие вопросы, на которые до сих пор, казалось, не было ответа: как возникла Вселенная и какова ее конечная судьба? Суждено ли ей в конце концов погибнуть, или Вселенная вечна? По словам адъюнкт-профессора астрономии Саймона Уайта из Аризонского университета, астрономов можно разделить на «архитекторов» и «строителей». «Архитекторы» — это теоретики, которые разрабатывают абстрактные сооружения, храмы мысли. «Строители» — это ученые, занимающиеся наблюдательной астрономией. Они собирают данные — кирпичи и строительный раствор — и пытаются либо уложить их в соответствии с теоретической структурой, либо доказать, что это невозможно. Никогда еще «строители» не работали так интенсивно, никогда еще не давали «архитекторам» столько материала для их смелых конструкций. «Архитекторы» уточняют свои теории и надеются получить данные, которые придадут прочность их сооружениям.
БЫСТРО
РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ
В настоящее время среди астрономов преобладает теория, что начало Вселенной положил так называемый «большой взрыв» в космическом пространстве, который разметал материю в разные стороны, и что Вселенная продолжает быстро расширяться. Астрономические наблюдения последних лет, выявившие во Вселенной бурные, взрывного характера процессы, подтверждают эту теорию. Теоретики, правда, расходятся во мнениях по вопросу о том, будет ли Вселенная продолжать расширяться. Это основной вопрос новой астрономии, и ученые занимаются сбором данных в надежде получить на него ответ.
Теория «большого взрыва» основана на наблюдениях американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла. В 1920-х годах Хаббл при помощи крупнейшего в то время рефлектора с диаметром главного зеркала 254 см, установленного в обсерватории Маунт-Вильсон, впервые определил, что Вселенная состоит из множества галактик самых разных размеров и форм и что более отдаленные галактики удаляются от нас быстрее других. Свет от самых удаленных объектов достигает Земли через миллиарды лет, и поэтому мы видим Вселенную такой, какой она была на ранних стадиях, близких к началу времени.
Безмятежное ночное небо, как убедились ученые, скрывает бурный характер Вселенной. Недавние открытия обнаруживают галактики, которые проглатывают меньшие галактики, причем часть их самих, вероятно, поглощается черными дырами, гипотетическими объектами с массой, в миллионы или миллиарды раз превышающей массу Солнца, но настолько плотной и с таким мощным полем тяготения, что от нее не может исходить ни вещество, ни даже свет. Астрономы наблюдают различные этапы жизни звезд и их взрывной гибели. Некоторые массивные звезды могут коллапсировать, образуя черные дыры. Удаленные от нас на миллиарды световых лет объекты, названные квазарами, светятся с яркостью несметного числа солнц, по-видимому, в результате нагревания огромных пылевых и газовых облаков, поглощаемых ненасытной черной дырой. Некоторые другие, менее массивные звезды в результате коллапса образуют быстро вращающиеся плотные объекты, называемые нейтронными звездами, или пульсарами, которые ритмично мерцают, подобно маякам на небесной отмели. Взрывы звезд, как мы теперь знаем, дают материал для образования других звезд. И пронизывающее космос излучение, возникающее при всех этих явлениях, частично является остаточным излучением большого взрыва.
«Во Вселенной повсюду происходят взрывы, — говорит Рикардо Джиаккони, директор Научно-исследовательского института по руководству и координации исследований с помощью космического телескопа при университете Джонса Гопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд. — Бурные процессы считаются теперь обычным явлением, а не чем-то исключительным».
Для Кипа С. Торна, одного из «архитекторов» астрономии, все эти недавние открытия служат источником оптимизма. Торн, астрофизик-теоретик из Калифорнийского технологического института, занимается разработкой и проверкой своей космологической теории с 1960 года. Сидя за чашкой кофе в комнате отдыха физического факультета Калифорнийского технологического института, Торн размышляет о возникновении Вселенной. «Двадцать пять лет назад, — говорит он, — я не верил, что при жизни моего поколения появится какая-нибудь надежда узнать о начальном состоянии Вселенной. Проблема, казалось, лежала за пределами наших возможностей. Теперь, я полагаю, мы вполне сможем справиться с нею в течение ближайших одного-двух десятилетий. Фундаментальные законы физики, как мы их теперь понимаем, заключены в такие жесткие рамки, что даже небольшое количество данных наблюдений должно привести нас к ответу».
Торн говорит о гравитационных волнах, предсказанных общей теорией относительности Эйнштейна. Возможно, что силы, действовавшие во время сотворения мира, высвободили гравитационные волны, которые мы еще не научились обнаруживать. Эти волны могли бы, надеется Торн, принести нам информацию о моменте сотворения мира.
Торн признает однако, что Вселенная сбивает теоретиков с толку. «Вы обнаруживаете, что вещи, которые, как вы думали, вам ясны, — говорит он, — на самом деле не ясны, и возникают новые вопросы, которые вам и не снились».
ВИДИМЫЕ И
НЕВИДИМЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
Теперь астрономия располагает все растущим арсеналом новых инструментов, позволяющих точнее выявлять информацию, которую несут все виды излучения, поступающего из космоса. Заряженные субатомные частицы в звездах, галактиках и других космических объектах создают электрические и магнитные колебания, которые распространяются в космическом пространстве, словно круги волн в пруду, в который бросили камень. Некоторую часть этих колебаний мы видим в форме света, остальные — невидимы. Эти излучения — радиоволны, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи — отличаются друг от друга длиной волны.
Радиоволны, самые длинные из всех излучений и подобно видимому свету способные проникать сквозь земную атмосферу, впервые открыли астрономам окно в невидимое. По-настоящему использовать «радиочастотное окно» начали после Второй мировой войны. С помощью антенн был обнаружен шипящий «шум», исходивший от центра нашей галактики — Млечного пути; этот шум был первым свидетельством бушующих там неистовых бурь. Потом радиоантенны уловили подобные излучения от других галактик, они же впервые позволили обнаружить квазары и пульсары.
Но самым изумительным в paдиоастрономии было открытие в 1965 году слабого излучения, исходящего со всех сторон космоса. Оказалось, что это было остаточное излучение от первоначального взрыва в момент творения Вселенной, которое служит убедительным доказательством в пользу теории большого взрыва. За это открытие ученые Арно А. Пензиас и Роберт У. Уилсон из научного центра «Белл лабораторис» в городе Холмдел, штат Нью-Джерси, были удостоены Нобелевской премии.
Чтобы добиться более четких результатов при радионаблюдениях, астрономы разработали эффективные методы увеличения площади сбора сигналов с помощью очень большой антенной системы радиотелескопа, протянувшейся на большие расстояния или даже через целый континент. Самый чувствительный многоэлементный радиотелескоп — это комплекс «Вери лардж аррей», который находится в западной части штата Нью-Мексико. Издали 27 белых параболических антенн напоминают флотилии галеонов, идущих на всех парусах. Работа каждой антенны скоординирована и тщательно синхронизирована с работой остальных, и поступающая из космоса информация обрабатывается компьютером. Система позволяет выделять такие тонкие детали, как молекулы в межзвездном пространстве и короны, образуемые из вещества, исходящего от видимых галактик. Еще более полную информацию астрономы рассчитывают получить с помощью сверхдлинной системы, радиоантенны которой протянутся от Гавайских островов в Тихом океане до Санта-Крус — одного из Виргинских островов в Карибском море (см. стр 11). Создание этих новых систем финансирует Национальный научный фонд при правительстве США.
Инфракрасное излучение характеризуется более высокими частотами, чем радиоволны, и хотя ученые ведут наземные наблюдения с помощью телескопов, установленных на больших высотах, бóльшая часть излучения в этой области волн поглощается земной атмосферой. Поэтому «инфракрасное окно» широко открылось лишь после запуска в 1983 году ИСЗ для астрономических исследований в области инфракрасных лучей (IRAS). Проводя полный обзор небесной сферы, чувствительные приборы спутника обнаружили пять новых комет и новый астероид (возможно «мертвую» комету), наблюдали галактики в 500 раз более яркие в инфракрасной области спектра, чем «нормальные» галактики, вроде Млечного пути, и исследовали межзвездные облака, о которых ученые надеются узнать, как рождаются звезды. Очередной спутник с инфракрасным телескопом на борту, запуск которого запланирован на 90-е годы, должен обеспечить в 1000 раз большую чувствительность наблюдений, чем «IRAS». Когда телескоп спутника «IRAS» был наведен на звезду Вега, он обнаружил обращающееся вокруг нее облако частиц, — возможно следы ранней стадии образования звезды. Это был первый ясный намек на то, что другие звезды, как давно предсказывали теоретики, могут иметь планетные системы. Частицы вокруг Веги не объединились в планеты, но последующие наземные наблюдения улавливают все больше и больше волнующих признаков таких объединений в других местах. Д. У. Маккарти, астроном из Аризонского университета, полон надежд. «К концу столетия, — писал он, — мы должны получить сведения о других планетных системах или же убедиться в том, что образование таких систем — редкое явление. В любом случае мы приблизимся к ответу на вопрос, одни ли мы во Вселенной».
Космический телескоп Хаббла | ||||
о всем мире астрономы с большим интересом ожидают запуска космического телескопа Хаббла, разработанного НАСА. Это будет самый большой и сложный оптический инструмент, когда-либо запущенный в космос. Его главное зеркало (вверху) диаметром 2,4 м в два с лишним раза меньше самого большого наземного рефлектора, но поскольку телескоп будет вести наблюдения вне земной атмосферы, размывающей изображения, он позволит астрономам заглянуть в космос на расстояние до 14 миллиардов световых лет, то есть в семь раз дальше, чем это возможно теперь. Телескоп Хаббла — длина 13,1 м, диаметр 4,3 м, вес 11 тонн — поднимется на высоту 600 км на борту одного из космических кораблей НАСА «Спейс шаттл». С помощью дистанционного манипулятора астронавты выведут инструмент наружу и оставят на орбите. Телескоп затем расправит две панели солнечных батарей и приступит к наблюдениям. Вспомогательные системы модульные, и в случае неисправности их может легко отремонтировать или заменить на орбите экипаж любого следующего «Спейс шаттла». Если в работе телескопа возникнут серьезные неисправности, его можно вернуть на землю, отремонтировать и снова вывести на орбиту. Срок службы телескопа по крайней мере 15 лет. Телескоп имеет шесть научных инструментов: две фотокамеры (одна из них, разработанная Европейским космическим агентством, предназначена для фотографирования крайне слабых объектов), спектрограф высокого разрешения, спектрограф для слабых объектов, скоростной фотометр, система наведения, которая может направлять телескоп на цель с точностью до 0,007 дуговой секунды. | ||||
| Главное зеркало телескопа Хаббла диаметром 2,4 м выполнено из титано-силикатного стекла со сверхнизким коэффициентом линейного расширения. Отражающая поверхность покрыта слоем алюминиево-магниевого фторида. Человек, отраженный в зеркале (снимок вверху), стоит в 18 метрах от него. На рисунке справа: |
Наблюдения в другой области длин волн — в ультрафиолетовой, — проведенные с орбитальных астрономических обсерваторий типа «Коперник», который был запущен в 1972 году, позволили изучить в тонких деталях состав и структуру межзвездного пространства. Оно оказалось не таким уж пустым, как некогда представляли.
Искусственные спутники «Ухуру» и «Эйнштейн» вели в 70-х годах наблюдения в «рентгеновском окне». Особенно эффективные при наблюдении объектов, где господствуют очень высокие температуры, рентгеновские лучи помогли ученым по-новому взглянуть на неистовую Вселенную с ее черными дырами, квазарами, нейтронными звездами и остатками взорвавшихся звезд, называемых сверхновыми. Выяснилось, что масса галактик в сотни раз больше, чем считали на основании одних только наблюдений в видимом свете звезд, и были получены сведения о структуре межгалактических газов. ИСЗ «Экзосат» Европейского космического агентства (ЕКА) составляет сейчас карту источников рентгеновского излучения, которая поможет определить температуру, плотность и химический состав «звездных газов»
Гамма-лучи, обладающие самой высокой энергией, исследуют в космосе с помощью приборов, разработанных для регистрации ядерных взрывов. Такие детекторы, установленные на аэростатах и космических летательных аппаратах, обнаружили, что гамма-лучи находятся а определенной связи с загадочными квазарами и пульсарами. Но большей частью, как заметили ученые, гамма-лучи, по всей видимости, исходят из областей, не видимых ни в одном другом диапазоне длин волн. Эту тайну предстоит раскрыть американо-европейской космической обсерватории для исследования гамма-излучения, которую предполагается запустить в 1988 году. «Наши представления о Вселенной претерпевают грандиозные изменения, — писали Джордж Б. Филд и Эрик Дж.Чейсон в книге «Невидимая Вселенная» (The Invisible Universe), вышедшей в 1985 году. — В течение жизни одного поколения, научившись улавливать и анализировать излучения иного вида, чем свет, мы, к своему удивлению, обнаружили, что многие из наиболее интересных явлений во Вселенной не сопровождаются излучением света и что даже большая часть материи света не излучает».
ОПТИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП
В КОСМОСЕ
Из всех важнейших новых инструментов новой астрономии ближе всего к реализации стоит создаваемый НАСА большой космический телескоп Хаббла (см. стр. 4-5), названный в честь американского астронома, открывшего расширение Вселенной. При регулярном техническом обслуживании экипажами космических кораблей «Спейс шаттл» телескоп будет вести наблюдения с орбиты в течение по крайней мере 15 лет, а может быть, и многих десятилетий, и увидит то, что раньше оставалось невидимым. Телескоп предназначен для исследования космоса в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах спектра, и с его помощью астрономы, как теоретики, так и эмпирики, надеются совершить невероятные путешествия во времени назад, в прошлое. «Мы увидим свет далеких объектов, какими они были пять, семь, десять миллиардов лет назад», — рассказывает Джеймс А. Уэстфал, профессор планетологии из Калифорнийского технологического института, который ведает разработкой компонентов телескопа — фотокамеры для широкоугольной съемки и для съемки слабых объектов. (Оценки возраста Вселенной колеблются в пределах от 10 до 20 миллиардов лет.) Телескоп позволит исследователям в семь раз глубже проникнуть в космос и обнаружить объекты в 50 раз менее яркие, чем те, которые удается наблюдать с помощью телескопов земных обсерваторий. По разрешающей способности космический телескоп эквивалентен оптическому прибору, который позволил бы прочесть номерной знак автомобиля на расстоянии 160 километров.
Секрет колоссального увеличения наблюдательных возможностей космического телескопа, помимо того простого обстоятельства, что он будет находиться вне земной атмосферы, заключается в применении восьми тончайших кристаллов, называемых приборами с зарядовой связью (ПЗС). Эти последние соединены с широкоугольно-планетной фотокамерой, разработанной Лабораторией реактивных двигателей НАСА и Калифорнийским технологическим институтом. Каждый ПЗС содержит поле из 640 тысяч измерительных преобразователей, или элементов изображения. Свет, собранный и усиленный зеркалами телескопа, попадает на элементы изображения и преобразуется в электрические сигналы, причем каждый элемент регистрирует и накапливает электроны пропорционально интенсивности света в данной точке изображения.
Если фотографические пластинки, которые обычно использовались в астрономических камерах, захватывают лишь около семи из каждой тысячи частиц света (фотонов), отраженных телескопом, то приборы с зарядовой связью регистрируют 700 из 1000 фотонов. С помощью изображений космических объектов ученые надеются составить карту структур Вселенной, исследовать бурлящие ядра галактик, изучить остатки сверхновых и заняться поисками планет спутников других звезд.
«Мы проникнем гораздо глубже в космос и увидим намного больше объектов, чем нам удавалось до сих пор, — говорит Уэстфал. — Через несколько лет мы сможем узнать, будет ли расширение Вселенной замедляться, отчего ее ожидает неизбежный коллапс, или Вселенная будет вечно расширяться. Я думаю, что современная техника способна ответить на этот вопрос».
Какова судьба Вселенной? Этот вопрос задают сегодня с возрастающим чувством веры в способности человека найти на него ответ, и это вселяет гордость за новую астрономию. Но получить этот ответ может оказаться труднее, чем думают некоторые теоретики-оптимисты. Он может быть скрыт в том, чего астрономы все еще не могут обнаружить при всем совершенстве своих инструментов. Ни один из инструментов новой астрономии, даже космический телескоп, не дает возможности проникнуть взглядом в прошлое вплоть до исходного момента. Несмотря на надежды таких ученых, как Кип Торн из Калифорнийского технологического института, получить когда-нибудь информацию о начале Вселенной от гравитационных волн, некоторые теоретики считают, что ни один инструмент или метод никогда не сможет выявить условия, господствовавшие так давно. Первые 700 тысяч лет, говорят эти ученые, останутся покрытыми мраком.
Есть и другие препятствия на пути к уяснению судьбы Вселенной. «Архитекторы» астрономии, опираясь в своих идеях на законы физики и данные о структуре галактик, полагают, что во Вселенной существует материя, которую до сих пор не удавалось ни обнаружить, ни представить себе в воображении. Они применяют для ее обозначения термин «недостающая масса». Галактики и скопления галактик, какими бы огромными они ни были, составляют, по мнению теоретиков, вместе с другими космическими объектами, наблюдаемыми во всем спектре электромагнитного излучения, всего один процент вещества во Вселенной. Некоторая часть остального вещества, быть может, 10 процентов или меньше, приходится на газ, пыль, черные дыры, темные звезды, известные под названием коричневых карликов, или множество планет, схожих по размеру с Юпитером. Остальное количество вещества, рассеянного во Вселенной — 90 или, может быть, даже 99 процентов, — это неуловимая темная материя.
НЕДОСТАЮЩАЯ МАССА
ИЛИ ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ
Десять лет назад Джеремая Острикер и П. Дж. И. Пиблс из Принстонского университета в Нью-Джерси выдвинули теорию, предполагающую, что одиночные галактики должны быть окружены протяженной короной из темной материи, обеспечивающей гравитационную силу, необходимую для поддержания стабильности галактики. Впоследствии ИСЗ для исследований в рентгеновских лучах обнаружили вокруг некоторых галактик облака горячего газа, представляющие собой, возможно, часть таких гипотетических корон. Кроме этого, не было получено никаких астрономических данных, которые проливали бы свет на проблему недостающей массы. Теоретики ведут поиски самостоятельно.
| Десять радиотелескопов работают как один Вращение Земли и суперкомпьютеры специальной конструкции позволяют объединить десять отдельных принимающих параболических антенн в единый обширный телескоп.  |
настоящее время ведутся работы по созданию самого крупного в мире радиотелескопа. Телескоп будет состоять из так называемого радиоинтерферометра, со сверхдлинной базой — системы из десяти параболических антенн, которые будут размещены в Соединенных Штатах и на их территориях — от Гавайев в Тихом океане до острова Санта-Крус в Карибском море. Работа всей системы будет координироваться компьютером в Операционном центре в Соккоро, штат Нью-Мексико. Ее эффективный диаметр составит 8000 км, а разрешающая способность в тысячу раз больше чем у любого существующего оптического или радиотелескопа. Радиоинтерферометр со сверхдлинной базой будет действовать по тому же принципу, что и существующий большой многоэлементный телескоп — система из 27 антенн, расставленных в пустыне в штате Нью-Мексико (см. «Америка" № 307.) Антенны, диаметром 25 метров каждая, стоят в отдаленных местах, чтобы избежать помех от телевизионных и радиостанций и других источников электромагнитного засорения. |
Их отнюдь не обескураживает тот факт, что недостающую массу, может быть, никогда не удастся наблюдать. Они уверены, что сумеют понять, что это такое, с помощью инструментов физики высоких энергий, в особенности ускорителей частиц. Теоретики надеются, что эфемерная природа субатомной материи вскоре будет достаточно хорошо изучена, чтобы получить представление о том, как недостающая масса повлияет на судьбу Вселенной.
В своих разработках теоретики руководствуются в какой-то мере новой моделью Вселенной в начальной стадии ее существования — «инфляционной моделью». В этой модели, являющейся дальнейшим развитием теории «большого взрыва», постулируется, что в первую долю миллисекунды Вселенная претерпела чудовищно быстрое расширение, темп которого затем снизился. Модель, как надеются теоретики, не только поможет объяснить эволюцию Вселенной до наблюдаемой ныне стадии, но и послужит основой для оценки предполагаемой плотности Вселенной.
Инфляционная модель смыкается еще с одним творением «архитекторов» астрономии — «теорией великого объединения», которая представляет собой попытку показать, что основные силы во Вселенной, такие, как электромагнитное поле, тяготение, силы, связывающие между собой атомы, и силы, вызывающие радиоактивный распад, — это на самом деле различные проявления одного и того же фундаментального взаимодействия. Эксперименты с ускорителями заряженных частиц свидетельствуют в пользу соображений о связи между электромагнитным полем и силами, которые вызывают радиоактивный распад. Опираясь на теорию великого объединения и другие теории, физики находят, что при большом взрыве должно было образоваться множество экзотических «темных» элементарных частиц. Теоретики присваивают им названия вроде фотино, аксионы и гравитино. Вместе взятые, они известны как слабовзаимодействующие частицы большой массы. Может быть, именно эти частицы большой массы правят Вселенной, хотя они слишком малы и разбросаны, чтобы их можно было обнаружить существующими приборами. Может быть, они, образуя компактную массу, представляли собой источник первоначальной силы тяготения, которая собрала материал в галактики и удерживает его там. Сопоставив предположения с известными данными о Вселенной в проведенных недавно компьютерных расчетах, Саймон Уайт из Аризонского университета (г. Тусон) и другие ученые заявили, что они нашли «некоторое подтверждение» точки зрения, согласно которой слабовзаимодействующие частицы большой массы представляют собой недостающую массу. Теоретики хотели бы знать, какой массы и сколько недостает, ибо одна из любимых ими концепций гласит, что во Вселенной существует идеальное отношение количества материи к объему — примерно три атома водорода на кубический метр. Они считают это естественным состоянием Вселенной и называют такую плотность критической. Если реальная плотность больше предполагаемой критической плотности, то, по теории, мы живем в замкнутой Вселенной — гравитация галактик и всей темной материи в конце концов приостановит ее расширение, и тогда произойдет колллапс, «большое сжатие». Если реальная плотность Вселенной меньше критической, то это — открытая Вселенная, которая, вероятно, будет вечно расширьться в ничто, и гравитация в ней в конечном счете станет ничтожно малой, если плотность Вселенной равна в точности критической, то ее расширение будет продолжаться, но более медленно, гравитационные силы будут неизменно удерживать материю, и все останется на своем месте. Эта Вселенная будет, вероятно, существовать вечно.
НАЗЕМНЫЕ ТЕЛЕСКОПЫ
ВСЕ ЕЩЕ НУЖНЫ
В новый век астрономии наблюдатели, изучающие небесные объекты с помощью обычных оптических телескопов, устанавливаемых на вершинах гор, не остаются без работы. Астрономии нужны все окна, которые позволяют получать информацию о Вселенной.
«Никто из астрономов, работающих в какой-то одной области длин волн, не может охватить все, — говорит Джерри Нойгебауэр, специалист по инфракрасной астрономии и директор Маунт-Паламарской обсерватории Калифорнийского технологического института. — Нам, ведущим наблюдения в инфракрасной области спектра, приходится обращаться к радиоастрономам и специалистам по рентгеновской и оптической астрономии, чтобы разобраться в том, что мы наблюдаем. Запуск космического телескопа и других орбитальных обсерваторий не приведет к закрытию Маунт-Паломарской обсерватории. У нас будет еще больше работы. Каждый новый инструмент только повышает требования к существующим».
Иными словами, когда какой-нибудь астроном, ведущий наблюдения через однo окно спектра, восклицает, что он увидел нечто необычное, другие бросаются к своим «окнам», чтобы тоже увидеть новое явление и постараться пролить на него свет. Во всем этом — дух соревнования и коллегиальности.
Для удовлетворения потребности в более точных астрономических данных и для успешной конкуренции со спутниковыми инструментами большие наземные оптические телескопы все время совершенствуют. Многие телескопы оснащают теперь приборами с зарядовой связью, подобными тем, которые созданы для космического телескопа. В ходе недавних испытаний в Национальной солнечной обсерватории на горе Сакраменто-Пик в штате Нью-Мексико была продемонстрирована эффективная электронно-оптическая техника, позволяющая устранить большую часть атмосферного размывания при наземных наблюдениях и получить изображения, разрешение которых для ярких объектов может приближаться к разрешению телескопов на космических летательных аппаратах. В экспериментальном приборе «пляшущее» изображение разбивается на 19 отдельных изображений, смещение каждого из них измеряется и корректируется, а затем все они воссоединяются в общем фокусе. Эта так называемая адаптивная оптика дает в пять раз более четкую картину солнечных явлений, чем нескорректированные изображения, полученные одновременно при помощи обычной аппаратуры.
Несмотря на это, астрономы считают, что современные инструменты усовершенствованы почти до теоретического предела их возможностей. Поэтому ученые планируют создание гораздо более крупных телескопов, рассчитывая использовать новейшую технологию изготовления зеркал. Например, Роджер Энджел, астроном из Аризонского университета, разработал метод центрофугирования расплавленного стекла в форме для получения поверхности зеркала с ячеистой структурой тыльной стороны диаметром 7,9 метра — самого большого в мире. Чем больше зеркало, тем больше светосила телескопа, и такой телескоп для наблюдения в оптической и инфракрасной областях спектра планируют построить Аризонский университет и Университет штата Огайо; он будет обладать в 2,5 раза большей собирающей площадью, чем телескоп обсерватории Маунт-Паломар.
Еще более внушительный проект, принадлежащий Калифорнийскому университету и Калифорнийскому технологическому институту, предусматривает создание телескопа для оптических и инфракрасных наблюдений, который вдвое превзойдет Маунт-Паломарский по величине и будет в четыре раза более мощным. Отличительной особенностью этого названного в честь астронома Кека рефлектора, строительство которого должно завершиться в 1992 году, является главное зеркало, представляющее собой мозаику из 36 шестигранных зеркал, каждое диаметром 1,83 метра и всего 7,6 сантиметра толщиной. Эти отдельные зеркала, сконструированные Джерри Нелсоном из лаборатории Лоуренса при Калифорнийском университете в Беркли, будут объединены в единое зеркало при помощи управляемой компьютером системы наведения.
Рефлектор Кека будет установлен на вершине потухшего вулкана Мауна-Кеа (высота 4205 м) на Гавайях — вдали от огней города, выше наиболее турбулентных слоев воздуха, искажающих оптическое изображение, и над большей частью водяного пара, ослабляющего инфракрасное излучение. Президент Калифорнийского технологического института Марвин Л. Голдбергер говорит, что инструмент, светосила которого будет в 17 раз больше, чем у космического телескопа, вероятно, будет использоваться «для особо тщательных, детальных наблюдений объектов, обнаруженных космическим телескопом».
Тем временем обсерватория Маунт-Паломар в южной Калифорнии остается Олимпом оптической астрономии. (Несколько большее зеркало, чем Маунт-Паломарский телескоп, имеет рефлектор советской обсерватории на Кавказе.) Рефлектор Хейла (508 см) на обсерватории Маунт-Паломар называют «Большим глазом». С помощью этого инструмента, в котором используются приборы с зарядовой связью, астрономы в 1982 году уловили первое слабое мерцание отраженного света от возвращающейся кометы Галлея. Первой обнаруживать явления — всегда было традицией Маун-Паломарской обсерватории.
Уоллес Сарджент в последнее время проводит на обсерватории предоставляемые ему по расписанию ночи, изучая центры галактик. Сарджент — профессор астрономии Калифорнийского технологического института; подобно многим эмпирикам, он подчас считает, что теоретики иной раз слишком отрываются от действительности. Мысли теоретиков могут простираться до конца времени, тогда как их руки редко касаются телескопа. «Это все равно, что быть религиозным и никогда не ходить в церковь», — замечает Сарджент.
Вместе со своим бывшим студентом Алексеем В. Филиппенко, который работает в Беркли, Сарджент занят поисками данных в поддержку теории — «строитель» стремится воздвигнуть здание по проекту «архитектора», — согласно которой квазар, по сути, представляет собой находящуюся в центре галактики черную дыру с диском вращающегося вокруг нее газа. Если теория окажется верной, то с ее помощью можно объяснить характерную особенность квазаров — исходящую от них яркую энергию излучения. Эта энергия квазаров может генерироваться нагреванием огромных масс газа и пыли, спиралью втягиваемых в черную дыру. Таким образом, излучение квазаров должно со временем ослабевать, по мере того как черная дыра с жадностью поглощает всю окружающую материю. Это, казалось бы, объясняет тот факт, что самые яркие квазары находятся в дальних глубинах Вселенной. В ближайшей Вселенной квазары редки, и поскольку мы видим их более старыми, они редко очень ярки, но всегда, по-видимому, находятся в центре галактик. Это привело теоретиков к мысли, что многие из ближайших галактик могут содержать «мертвые» квазары с черными дырами.
Сарджент и Филиппенко изучили 75 ближайших галактик и нашли, что по крайней мере 19, а может быть, и 28 из них дают слабое, но несомненное квазароподобное излучение, исходящее из их центра. Им не удается наблюдать в видимом свете окутанный облаками центр нашей галактики — Млечного пути, но радиоастрономы сделали наблюдения в этой области излучения, которые указывают на возможное присутствие там черной дыры.
Недавно в одну из летних ночей оба астронома продолжали свое обследование галактик. В уютной комнате управления, расположенной вблизи основания «Большого глаза», звучит классическая музыка. Астрономы очень редко сидят в «клетке», как они называют кабину наблюдателя, расположенную высоко под куполом у фокальной точки телескопа. Окуляр, через который они вели наблюдения, заменяет теперь телевизионная камера. Компьютеры управляют движением телескопа и обрабатывают поступающие данные. В ту ночь к «Большому глазу» присоединили спектрограф с двойной фокусировкой, своего рода дифракционную решетку, которая разлагает усиленный оптикой свет на различные цвета видимого спектра — от красного до фиолетового. Разложенный на компоненты свет направляется на два прибора с зарядовой связью. Оторвавшись от телевизионного монитора, на экране которого видна спиральная галактика, очень похожая на нашу, Филиппенко принимается изучать зигзагообразную картину на экране спектрографа. Из центра галактики исходит мерцание света, напоминающее излучение квазара, и Филиппенко замечает: «Этого явления никогда бы не обнаружили без приборов с зарядовой связью».
Новая астрономия использует не только инструменты, сделанные руками человека. «Астрономы — оппортунисты», — замечает Сарджент, подразумевая, что они иногда хватаются за космические явления как за средство исследования. Сарджент и другие астрономы, например, используют яркий свет от удаленных квазаров для поисков галактик, настолько далеких и испускающих такой слабый свет, что они не поддаются прямому наблюдению при помощи астрономических инструментов. Подобно тому, как фары приближающегося автомобиля дают возможность видеть опустившийся туман, свет квазаров, если изучить его более тщательно, мог бы выявить структуру и состав невидимых галактик. Свет, пройдя столь долгий путь, мог бы показать нам первоначальное состояние первых галактик, образовавшихся после «большого взрыва», и тем самым дать ключ к разгадке — как, почему и когда материя начала собираться в подобные острова-вселенные.
За несколько часов до рассвета Сарджент и ваш корреспондент вышли через двойную дверь на узкий мостик, опоясывающий верхний купол. Луна зашла, и ночной небосвод был усеян несметным количеством звезд. Казалось невероятным, что они представляют собой лишь незначительную долю одного процента всей Вселенной.
Человеческому глазу не удавалось еще уловить даже свет кометы Галлея, находящейся в нашей Солнечной системе и быстро приближающейся к нам. Зато «Большой глаз», неясно вырисовывающийся позади нас, внес незабываемый вклад в науку. Техника новой астрономии, наземной и космической, оперирующей во всем спектре электромагнитных волн, наполняет нас как никогда раньше чувством благоговения перед тем, что мы видим в небе, и перед тем невидимым, которое она обещает открыть нашему взору. И это вселяет в нас надежду, что, быть может, скоро мы сможем узнать то, чего не могли знать люди, тысячелетиями смотревшие в небо: что было началом всего этого и будет ли когда-нибудь конец?