Радиоастрономия сквозь призму истории

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

  • • исторические этапы развития радиоастрономии, ее инструментальной базы;
  • • историю открытия космического радиоизлучения, пульсаров, двойных пульсаров, реликтового излучения и его анизотропии;
  • • физическую сущность метода апертурного синтеза, РСДБ, природу реликтового излучения и его анизотропии, механизмы генерации излучения пульсара и двойного пульсара;

уметь

  • • анализировать конструктивные особенности крупнейших радиотелескопов и РСДБ, открытий, сделанных с их помощью;
  • • оценивать вклад М. Райла в развитие метода апертурного синтеза, Э. Хьюиша в открытие пульсаров, Дж. Тейлора-мл. и Р. Халса в обнаружение двойных пульсаров, Г. А. Гамова в создание теории «горячей Вселенной», А. Пензиаса и Р. Вильсона в открытие реликтового излучения, спутников «Прогноз-9» (эксперимент «Реликт-1»), «СОВЕ», «WMAP» в обнаружение и исследование анизотропии реликтового излучения;
  • • обсуждать биографии выдающихся ученых-радиоастрономов;

владеть

• навыками оперирования основными понятиями радиоастрономии.

Ключевые термины: космическое радиоизлучение, радиотелескоп, радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой (РСДБ), пульсары, двойные пульсары, реликтовое излучение, анизотропия реликтового излучения.

История радиоастрономии началась в 1932 г. с открытия космического радиоизлучения американским инженером Карлом Янским (1905—1950). Изучая в апреле 1933 г. на Холмделском полигоне компании «Белл» атмосферные радиопомехи в метровом диапазоне волн, он обнаружил постоянный радиошум неизвестного происхождения, источник которого отождествил с Млечным Путем. Однако открытие Янского не сразу было замечено астрономами. Только в 1939 г. другой американский радиоинженер, Гроут Ребер (1911—2002), заинтересовавшись природой космического радиоизлучения, продолжил эти исследования. В 1937 г. он самостоятельно спроектировал и построил во дворе своего дома в Уитоне (пригород Чикаго) первый радиотелескоп с параболической антенной (диаметром 9,5 м). В течение пяти лет Ребер проводил радиоастрономические измерения и в 1942 г. издал первую радиокарту всего северного неба.

В отличие от Янского, поместившего статью в техническом журнале, Ребер направил свою работу в ведущее астрономическое издание — «Астрофизический журнал». Статья Ребера привлекла, наконец, внимание астрономов и радиофизиков. Однако Вторая мировая война приостановила работы по радиоастрономии. В это время начала быстро развиваться радиолокация как важное направление новой техники. Именно на радиолокационной станции в Англии Джеймс Стэнли Хей (1909— 2000) в 1942 г. экспериментально обнаружил радиоизлучение Солнца на длинах волн 4 и 8 м. Проводившиеся в США во второй половине 1942 г. наблюдения Джорджа Кларка Саутворта (1890—1972) подтвердили существование радиоизлучения Солнца и на сантиметровых волнах.

Радиолокационная техника, ее крупные антенные системы и высокочувствительные приемники в первые послевоенные годы во многом способствовали развитию радиоастрономии. 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. В 1957 г. вблизи Манчестера, в местечке Джодрелл-Бэнк был сооружен поворачивающийся 76-метровый радиотелескоп, в 1961 г. вступил в строй 64-метровый радиотелескоп в Парксе (Австралия), а в 1962 г. — 92-метровый меридианный радиотелескоп обсерватории Грин-Бэнк (США).

Крупнейшим в мире радиотелескопом с заполненной апертурой является 305-метровый радиотелескоп с параболической антенной, построенный в 1963 г. в Аресибо (кратер потухшего вулкана) на острове Пуэрто-Рико (рис. 22.1). Идея его строительства принадлежит американскому физику и астроному Уильяму Эдварду Гордону (1918—2010).

Радиотелескоп в Аресибо

Рис. 22.1. Радиотелескоп в Аресибо

Радиотелескоп в Аресибо сконструирован, построен и эксплуатируется Национальным центром астрономических и ионосферных исследований США. На высоте 150 м над поверхностью гигантского неподвижного зеркала укреплена на стальных тросах 600-тонная платформа. Подвижная часть платформы поворачивается вокруг собственной оси. По рельсам вдоль платформы перемещается управляемая компьютером кабина с облучателями и приемниками — так радиотелескоп наводится на исследуемый источник. Обладая огромной площадью, этот радиотелескоп является самым чувствительным в мире.

Работая как радиолокатор, он может «дотянуться» до Сатурна! Радиотелескоп в Аресибо может служить и передающей антенной (в таком режиме были проведены уникальные эксперименты по радиолокации Солнца, Луны и планет Солнечной системы). Примечательно, что с его помощью удалось измерить периодичность излучений пульсара в Крабовидной туманности и провести аналогичные измерения для других подобных объектов. Эти исследования позволили подтвердить существование нейтронных звезд. Забегая вперед, отметим, что на этом же радиотелескопе был обнаружен первый двойной пульсар PSR В1913 + 16 (1974).

Одним из крупнейших радиотелескопов в мире также является РАТАН-600 (сокращение от РАдиоТелескоп Академии Наук) — радиотелескоп диаметром около 600 м, располагающийся в России недалеко от станицы Зеленчукская (Северный Кавказ) на высоте 970 м над уровнем моря. Телескоп состоит из 895 прямоугольных отражающих элементов размерами 11,4 х х 2 м, расположенных по кругу с диаметром 576 м. Круг разделен на 4 сектора по сторонам света. Отражающие элементы каждого сектора фокусируются на приемнике излучения (так называемом облучателе), охлаждаемом жидким азотом и плавающем на противовибрационной платформе в метровом бассейне жидкой ртути. В основу конструирования РАТАН-600 была положена идея отечественных ученых Семена Эммануиловича Хайкина (1901—1968) и Наума Львовича Кайдановского (1907— 2010), предложивших антенны переменного профиля для проведения радиоастрономических исследований.

Радиотелескоп РАТАН-600 предназначен для обнаружения космических источников радиоизлучения, исследования радиоизлучения звезд, тел Солнечной системы, областей повышенного радиоизлучения на Солнце, обнаружения сигналов искусственного происхождения (от внеземных цивилизаций) и др. В настоящее время научным руководителем объекта РАТАН-600 является академик РАН Юрий Николаевич Парийский (р. 1932).

Важным этапом развития инструментальной базы радиоастрономии было появление радиоинтерферометров и создание метода апертурного синтеза. В 1950-е гг. для достижения более высокого углового разрешения астрономы начали использовать радиоинтерферометры — инструменты, которые состоят как минимум, из двух разнесенных антенн, связанных между собой кабельной линией связи. Благодаря их использованию удалось определить точные координаты многих радиоисточников.

Метод получения высокого углового разрешения при использовании радиоинтерферометров называется апертурным синтезом. Он был предложен в 1959 г. Мартином Райлом и его коллегами в Кембриджском университете. Расположив две антенны на расстоянии многих длин волн друг от друга, Райл подключил их к одному приемнику. Используя этот простой радиоинтерферометр, он установил, что испускание радиоволн солнечными пятнами происходит из очень небольших областей.

Мартин Райл (1918—1984) — английский радиоастроном, родился в Оксфорде, закончил Оксфордский университет. С 1939 по 1945 гг. Райл принимал участие в работах по созданию и усовершенствованию переносного радара для военных целей и радиосистем в Научно-исследовательском центре телекоммуникаций, где впервые встретился с Э. Хьюишем. В 1945 г. Райл получил стипендию для работы в Кавендишской лаборатории. Вскоре Райл стал движущей силой в создании астрономической интерферометрии и апертурного синтеза, при помощи которых был сделан огромный вклад в улучшение качества радиоастрономических данных. В 1946 г. он построил первый многоэлементный астрономический радиоинтерферометр. С 1948 по 1959 гг. Райл преподавал в Кембридже, в 1957 г. он стал директором радиоастрономической обсерватории Малларда, а в 1959 г. — профессором радиоастрономии. В 1974 г.

М. Райли был удостоен Нобелевской премии по физике «за результаты научных наблюдений и изобретения, в особенности техники апертурного синтеза». Умер ученый 16 октября 1984 г.

В 1963 г., используя значительно возросшие вычислительные мощности компьютеров, Райл построил телескоп с трет управляемыми 60-футовыми параболическими антеннами-отражателями, две из которых были закреплены на расстоянии 0,5 мили друг от друга, а третья смонтирована на передвижной платформе длиной 2500 футов. Именно с помощью трехантенного телескопа впервые были получены детали структуры радиогалактик.

Проведенные Райлом исследования небесных радиоисточников, большинство из которых слишком далеки и слишком слабы для того, чтобы их можно было обнаружить с помощью оптических телескопов, показали, что некоторые из наиболее интенсивных радиоисточников представляют собой квазары. В 1974 г. М. Райл и другой английский астроном Энтони Хъюиш были удостоены Нобелевской премии по физике: М. Райл — «за результаты научных наблюдений и изобретения, в особенности техники апертурного синтеза», Э. Хьюиш — «за его решающую роль в открытии пульсаров».

Энтони Хьюиш (р. 1924) — английский радиоастроном, родился в г. Фой (графство Корнуолл, Великобритания). В 1943 г. он окончил Кембриджский университет, в 1946 г. был приглашен в Маллардовскую радиоастрономическую обсерваторию Кембриджского университета, в 1982 г. стал ее директором. С 1951 г. Хьюиш преподавал в Кембриджском университете, в 1971 г. стал профессором радиоастрономии Кавендишской лаборатории. Основные научные результаты, полученные Хьюишем, связаны со сделанным им в 1964 г. открытием мерцаний дискретных радиоисточников малых угловых размеров. Создание аппаратуры, позволявшей регистрировать быстрые изменения радиопотока, позволило ему оценивать размеры радиоисточников и изучать характеристики солнечного ветра. С помощью радиотелескопа, предназначенного для подобных измерений, были открыты особые пульсирующие радиоисточники со стабильными характеристиками импульсного излучения. Внимание Хьюиша на эти объекты обратила его аспирантка Дж. Белл, а первое сообщение о них появилось в печати 9 февраля 1968 г. Научные заслуги Хьюиша отмечены многочисленными наградами. В 1974 г. он был удостоен Нобелевской премии по физике «за его решающую роль в открытии пульсаров».

Рассмотрим теперь принцип действия одной из самых известных и крупнейших систем апертурного синтеза — VLA (Very Large Array — «Большая Антенная Решетка»), созданной в США в 1981 г. Система VLA состоит из 27 подвижных радиотелескопов, размещенных близ Сокорро (шт. Нью-Мексико). Все телескопы в этих центрах наблюдения непосредственно соединены между собой кабелями или волноводами, а достигаемое разрешение составляет около 1". С помощью интерферометра VLA можно увидеть радиоисточник размером с шарик для гольфа с расстояния 150 км! С помощью радиотелескопа VLA ученые ведут важные исследования различных небесных тел, в частности определяют состав пролетающих мимо комет, галактик и скоплений галактик, квазаров и областей ионизированного водорода. Этот телескоп также принимает слабые радиосигналы от межпланетных космических лабораторий. В настоящее время заканчиваются работы по усовершенствованию VLA.

Наиболее мощными источниками радиосигналов во Вселенной являются радиогалактики и квазары. Сейчас их мельчайшие детали наблюдают с помощью сети радиотелескопов, рассредоточенных по всему земному шару. Такой метод исследования в радиоастрономии, обеспечивающий исключительно высокое разрешение, называется радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой (РСДБ). Идею РСДБ предложили в 1965 г. Николай Семенович Кардашев (р. 1932), ученик И. С. Шкловского, ныне академик РАН, Л. И. Матвеенко и Г. Б. Шоломицкий. В настоящее время РСДБ широко применяют для решения астрометрических и астрофизических задач.

Дальнейшим шагом в развитии радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой стало создание сетей радиотелескопов на основе РСДБ из нескольких радиотелескопов, которые управляются из единого центра и наводятся на один объект; они могут работать в различных диапазонах длин волн. Измерительную информацию подвергают совместной обработке, позволяющей получать более подробные сведения о наблюдаемом объекте, чем дает одна пара радиотелескопов. Для ультракоротких длин волн (миллиметрового диапазона) можно достичь разрешения порядка 0,00003 угловой секунды, что в миллион раз превышает разрешение человеческого глаза.

В России создан крупнейший в мире наземно-космический радиотелескоп на основе РСДБ — «Радиоастрон», научным руководителем которого является Н. С. Кардашев. Основу проекта составляет наземно-космический интерферометр, состоящий из сети наземных радиотелескопов и космического радиотелескопа, установленного на космическом аппарате «Спектр-Р». Космический радиотелескоп с приемной параболической антенной диаметром 10 м был запущен 18 июля 2011 г. с космодрома Байконур. Космическая радиообсерватория работает как гигантская интерферометрическая сеть размером с околоземную орбиту, с базой между спутником и системой наземных радиотелескопов. Используя такой интерферометр, можно получить исключительно высокое угловое разрешение и построить высоко детализированные изображения небесных объектов.

За первый год работы с помощью этого радиотелескопа проведены наблюдения 29 активных ядер галактик, 9 пульсаров, 6 источников мазерных линий в районах образования звезд и планетных систем. Международной группой исследователей ядер активных галактик получено первое изображение быстропеременной активной галактики 0716+714 на длине волны 6,2 см по результатам наблюдений «Радиоастрона» совместно с Европейской сетью радиотелескопов, работающих на принципах РСДБ. О некоторых современных радиотелескопах и системах на основе РСДБ будет изложено в заключительной части учебника.

После небольшого знакомства с методами и экспериментальной базой радиоастрономии перейдем к обсуждению истории открытия реликтового излучения, пульсаров, двойных пульсаров, анизотропии реликтового излучения.

Гипотезу о существовании реликтового излучения (термин предложил советский астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский) высказал в 1946 г. известный советский и американский ученый Георгий Антонович Гамов. Он разрабатывал теорию нуклеосинтеза в горячей Вселенной и предсказал существование теплового электромагнитного излучения со спектром абсолютно черного тела.

Иосиф Самуилович Шкловский (1916—1985) — советский астрофизик, член-корреспондент АН СССР, родился в 1916 г. в Глухове (Украина). В 1931 г. он окончил школу-семилетку в Акмолинске (Казахстан), в 1931—1932 гг. работал на строительстве железных дорог. Шкловский учился сначала в Дальневосточном университете, затем на физическом факультете МГУ, который окончил с отличием в 1938 г. В том же году он поступил в аспирантуру Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ).

С 1941 г. Шкловский работал в ГАИШе, в 1953 г. возглавил отдел радиоастрономии в этом институте. С 1968 г. он был также сотрудником Института космических исследований (ИКИ АН СССР), где в 1969 г. создал отдел астрофизики.

Основные труды Шкловского связаны с созданием современной эволюционной астрофизики. Он автор количественной теории солнечной короны и теории ионизации и радиоизлучения Солнца. Шкловский впервые сформулировал один из распространенных механизмов генерации всплесков солнечного радиоизлучения, согласно которому плазменные колебания вызываются прохождением через корону ускоренных частиц (1944—1949). Расчетным путем он показал, что интенсивность радиоволн нейтрального водорода (длина волны 21 см) в Галактике достаточна для их обнаружения с помощью имевшегося тогда (1949) оборудования. Спустя два года линия 21 см была обнаружена, что доказало возможность детального изучения строения и динамики межзвездной среды.

Еще одно направление научных исследований Шкловского — остатки вспышек сверхновых. Ученый отождествил с этими объектами определенный класс дискретных радиоисточников и истолковал их излучение как проявление совершенного особого эмиссионного механизма — синхротронного. Это позволило объяснить периодичность свечения Крабовидной туманности во всем наблюдаемом диапазоне длин волн (1953). Синхротронная природа радиоизлучения остатков сверхновых стала неопровержимым доказательством того, что эти объекты являются важнейшими источниками первичных космических лучей в Галактике. Широкое признание получил также цикл работ Шкловского о природе планетарных туманностей (1955). Он предложил эволюционную модель, согласно которой планетарные туманности — это закономерный этап развития красных гигантов умеренной массы.

Шкловский плодотворно работал и во многих других областях современной астрофизики (излучение квазаров, природа рентгеновских и гамма-источников), принимал активное участие в постановке астрономических космических исследований (эксперимент «Искусственная комета», 1960 г.). Многие его ученики стали известными учеными. Известен он и своей научно-популяризаторской деятельностью. Его книга «Вселенная, жизнь, разум», выдержавшая несколько изданий, привлекла значительное внимание к проблеме существования разумной жизни за пределами Земли. Умер Шкловский в Москве в 1985 г.

Георгий Антонович Гамов (1904—1968) — советско-американский физик-теоретик, родился в Одессе. В 1922—1923 гг. он учился в Одесском (до революции — Императорский Новороссийский) университете, затем — в Петроградском (с 1924 г. — Ленинградский) университете. В 1926 г. Гамов его окончил. В 1928—1931 гг. он был стипендиатом в Геттингенском, Копенгагенском и Кембриджском университетах. В 1931—1933 гг. Гамов по приглашению А. Иоффе работал консультантом отдела физики ядра Ленинградского Физико-технического института АН СССР и одновременно старшим радиологом Государственного радиевого института (г. Ленинград). В 1933 г. он принимал участие в работе Сольвеевского конгресса в Брюсселе, после которого не вернулся в СССР. В 1934 г. Гамов эмигрировал в США, до 1956 г. он был профессором университета Джорджа Вашингтона, с 1956 г. — университета штата Колорадо. В 1928 г., работая в Геттингенском университете, Гамов сформулировал квантово-механическую теорию а-распада (независимо от Р. Герни и Э. Кондона). Он показал, что частицы даже с не очень большой энергией могут с определенной вероятностью проникать через потенциальный барьер (туннельный эффект). Заинтересовавшись связью между ядерными процессами и космологией, в 1937—1940 гг. Гамов построил первую последовательную теорию эволюции звезд с термоядерным источником энергии. В 1942 г. он предложил совместно с Э. Теллером теорию строения красных гигантов. В 1946—1948 гг. Гамов разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата и модель «горячей Вселенной» (теорию «Большого Взрыва»), в рамках которой предсказал существование реликтового излучения и оценил его температуру.

В 1954 г. интересы Гамова сместились в область биологии. Он первым предложил концепцию генетического кода, предложив модель, основу которой составляют триплеты нуклеотидов. Эта гипотеза получила дальнейшее подтверждение с последующим развитием молекулярной генетики. Широкую известность Гамову принесли его научно-популярные произведения, в которых занимательно и доступно рассказывается о современных научных концепциях. Умер Гамов 19 августа 1968 г.

В работе 1953 г., выполненной более чем за десятилетие до открытия реликтового излучения, Гамов сделал теоретическое предсказание температуры этого излучения. Он оценил ее в 7 К, что впоследствии хорошо совпало с измеренным значением — около 3 К.

Около 1964 г. к открытию реликтового излучения приблизился известный физик-экспериментатор из Принстона Роберт Генри Дикке (1916—1997). 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 г. молодой теоретик Джим Пиблс (р. 1935) провел необходимые вычисления, а П. Ролл и Д. Уилкинсон начали сооружать малошумящую антенну на крыше Пальмеровский физической лаборатории в Принстоне. Но группа Дикке не успела сделать запланированное открытие: когда их аппаратура уже была готова, им оставалось лишь подтвердить открытие, сделанное случайно другими радиоастрономами.

В 1960 г. в Кроуфорд-Хилле (Холмдел, шт. Нью-Джерси, США) была построена антенна для приема радиосигналов, отраженных от спутника-баллона «Эхо». К 1963 г. для работы со спутником эта антенна была уже не нужна, и американские инженеры Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Вильсон из компании Bell Labs решили использовать ее для радиоастрономических наблюдений (рис. 22.2).

Арно Аллан Пензиас (р. 1933) — американский астрофизик, лауреат Нобелевской премии по физике (1978), родился в Мюнхене.

В начале 1940 г. его семья переехала в Нью-Йорк. В 1947 г. Пензиас поступил в Бруклинскую техническую школу. С конца 1956 г. он учится в аспирантуре Колумбийского университета, где преподавали И. А. Раби, П. Куш, Ли Цзундао и Ч. Таунс. Под руководством Таунса Пензиас собрал мазер, использовавшийся как усилитель в микроволновом приемнике, что стало частью его докторской диссертации. Рассчитанный на длину волны 21 см, мазер, по мысли Пензиаса, должен был помочь определить содержание водорода в ряде галактик. Однако полученный спектр не содержал линий водорода. Пензиас обратился к директору лаборатории радиоисследований компании «Белл» Р. Компфнеру за разрешением повторить эксперимент. Компфнер предложил Пензиасу постоянную работу в 1961 г.

Когда к 1963 г. антенна выполнила отведенную ей роль, Пензиас и Вильсон переделали ее в радиоастрономический телескоп, с помощью которого они и обнаружили микроволновое реликтовое излучение. Пензиасом выполнен также ряд исследований по структуре межзвездных облаков молекулярного водорода, определению изотопного состава молекул в межзвездном пространстве и на Земле. Компания «Белл», признавая выдающиеся организационные способности Пензиаса, доверили ему ряд управленческих постов. С 1972 г. он является также членом ученого совета отделения астрофизических исследований в Принстонском университете.

Антенна, с помощью которой было открыто реликтовое излучение

Рис. 22.2. Антенна, с помощью которой было открыто реликтовое излучение

Роберт Вудро Вильсон (р. 1936) — американский радиоастроном, лауреат Нобелевской премии по физике (1978), родился в Хьюстоне (шт. Техас). С 1957 г. Вильсон начал аспирантскую работу в Калифорнийском технологическом институте в Калтехе

(США). Докторскую диссертацию Вильсон защитил в 1962 г. Затем он поступил в лабораторию компании «Белл». Работая над новым типом антенн, Вильсон и Пензиас обнаружили реликтовое излучение. В 1976 г. Вильсон был назначен главой радиофизического исследовательского отдела в компании «Белл». Два года спустя он стал адъюнкт-профессором Университета штата Нью-Йорк. После того как Вильсон получил Нобелевскую премию, он остался работать на установке в Холмделе, где исследовал темные газовые облака в Млечном пути.

В настоящее время Вильсон является старшим научным сотрудником Смитсонианской астрофизической обсерватории, объединенной с Гарвардской университетской обсерваторией. Он проводит радиоастрономические исследования с помощью радиоинтерферометра SMA (Submillimeter Array — «Субмиллиметровая решетка», Мауна Кеа, Гавайи), работающего в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

В первую очередь учеными предполагалось провести с помощью антенны измерения радиоизлучения межзвездной среды нашей Галактики на длине волны 7,35 см. При этом Пензиас и Вильсон не знали о теории горячей Вселенной и не собирались искать реликтовое излучение.

В 1964 г. Пензиас и Вильсон обнаружили, что они принимают на длине волны 7,35 см заметное количество микроволнового шума, не зависящего от направления. Они нашли, что этот «статический фон» не меняется в зависимости от времени суток, а позднее обнаружили, что он не зависит и от времени года. Когда все источники помех были тщательно проанализированы и учтены, Пензиас и Вильсон вынуждены были сделать вывод, что излучение приходит из космоса, причем со всех сторон и с одинаковой интенсивностью. Оказалось, что космическое пространство излучает так, как будто бы оно нагрето до температуры, лежащей в пределах от 2,5 до 4,5 К.

Так, было сделано замечательное открытие, доказывающее, что Вселенная в начале расширения была горячей. В 1978 г. Пензиас и Вильсон разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения». Вторую половину премии получил П. Л. Капица «за фундаментальные исследования и открытия в области физики низких температур».

В последующие годы на различных длинах волн от десятков сантиметров до долей миллиметра были проведены многочисленные измерения реликтового излучения. Наблюдения показали, что его спектр соответствует формуле Планка, как это и должно быть для излучения с определенной температурой. Подтвердилось также, что эта температура примерно равна 3 К. В дальнейшем наиболее точные измерения реликтового излучения были проведены из космоса. Здесь необходимо назвать эксперимент «Реликт-1», выполненный на советском спутнике «Прогноз-9» (1983—1984) и эксперимент «DMR» на американском спутнике «СОВЕ» (1989—1993). Именно последний эксперимент позволил точнее всего определить температуру реликтового излучения: 2,725 ± 0,002 К. К исследованиям этих спутников мы еще вернемся, а сейчас перейдем к рассмотрению истории открытия первого пульсара.

В середине 1960-х гг. радиоастрономы Великобритании решили провести первый полный обзор северного полушария неба по выявлению мерцающих радиоисточников на длине волны 75 см. Работу по анализу наблюдений поручили аспирантке Кембриджского университета Джоселин Белл Бернелл (р. 1943). Ее научным руководителем и организатором всей программы исследований был Энтони Хьюиш (р. 1924). В 1967 г. было завершено строительство меридианного радиотелескопа для исследования влияния солнечной короны на излучение от далеких точечных источников. Дж. Белл начала с его помощью поиск радиоисточников с быстро и заметно меняющейся амплитудой сигнала на длине волны 3,5 м. Однажды она нашла быстропеременный источник — «помеху», которая наблюдалась глубокой ночью, когда мерцающих источников не должно было быть.

Хьюиш, Белл и другие члены кембриджской группы сделали специальную запись «помехи» с повышенной скоростью самописца. Они обнаружили, что странный сигнал представляет собой периодические короткие импульсы, точность повторения которых просто феноменальна. Поначалу астрономы даже считали, что обнаружили сигналы внеземной цивилизации. Первые специальные записи периодического сигнала были сделаны 28 ноября 1967 г., а публикация об открытии появилась лишь в феврале 1968 г. За это время Белл нашла в своих записях еще несколько подобных источников. По импульсному характеру излучения они были названы пульсарами. Импульсы следовали один за другим с четко выдерживаемым периодом в 1,34 с.

Сразу после открытия к поискам пульсаров подключились крупнейшие радиообсерватории мира. На 2008 г. уже было известно около 1790 радиопульсаров. Ближайшие из них расположены на расстоянии около 390 св. лет от Солнца. Наиболее детально исследован пульсар PSR В0531+21, расположенный в Крабовидной туманности. Этот объект делает 30 оборотов в секунду (период пульсара равен 0,033 с). Он образовался менее тысячи лет назад (вспышку сверхновой на этом месте в созвездии Тельца наблюдали на Земле в 1054 г.). Интересно отметить, что в 1965 г. Н. С. Кардашев рассчитал модель генерации магнитного поля нейтронной звездой в Крабовидной туманности. Эта работа была выполнена за три года до открытия пульсаров и, конечно, самого термина «пульсар» в то время не существовало. Теория излучения пульсара в Крабовидной туманности была развита И. С. Шкловским в 1970 г.

В 1968 г. британский астроном Томас Голд (1920—2004) предложил теорию, впоследствии подтвердившуюся, согласно которой пульсар представляет собой быстро вращающуюся вокруг собственной оси нейтронную звезду с сильным магнитным полем, составляющим ~ 1012—1013 Гс (для сравнения у Земли его значение составляет ~ 1 Гс), окруженную облаком разреженного газа (плазмы), которое испускает вращающийся луч.

В настоящее время установлено, что нейтронные звезды — это заключительная фаза эволюции массивных звезд. Отметим, что пульсары излучают не только в радиодиапазоне, но также в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Сейчас исследования пульсаров проводятся с помощью самых совершенных телескопов, поскольку для регистрации их импульсного излучения нужна предельно высокая чувствительность.

Открытие пульсаров в 1967 г. стало крупнейшей вехой в развитии радиоастрономии наряду с открытыми за несколько лет до этого квазарами (первый квазар, ЗС 48, был обнаружен в конце 1950-х гг. А. Сендиджем и Т. Метьюзом) и реликтовым излучением. Следующим крупным достижением радиоастрономии принято считать обнаружение двойных пульсаров. Нобелевский комитет Шведской Королевской академии наук присудил премию 1993 г. по физике американским астрофизикам Джозефу Хотону Тэйлору-мл. (р. 1941) и Расселу Алану Халсу (р. 1950) за открытие и исследование первого двойного радиопульсара.

Аспирант Р. Халс вместе со своим научным руководителем Дж. Тейлором, проводя 2 июля 1974 г. наблюдения на 300-метро- вом радиотелескопе в Аресибо, обнаружили в созвездии Орла двойной пульсар PSR В1913+16. Он представляет собой быстро вращающуюся сверхплотную нейтронную звезду с сильным магнитным полем, которая входит в состав двойной системы и движется по очень вытянутой орбите с периодом ~ 6,75 ч. При этом средняя скорость движения пульсара составляет ~ 200 км/с!

Открытие двойного пульсара PSR В1913 + 16 взволновало научное сообщество, в особенности астрофизиков и специалистов по ОТО. Как оказалось, двойные радиопульсары являются уникальными объектами для экспериментальной проверки следствий ОТО, справедливость которой могла быть подтверждена с недоступной ранее точностью. Были исследованы известные релятивистские эффекты: замедление хода времени на движущемся теле и гравитационное красное смещение в поле тяготения. Это дало возможность наиболее точно вычислить массу самого пульсара, оказавшуюся равной 1,4411 массы Солнца. Проведенные 15-летние высокоточные наблюдения за пульсаром PSR В1913+16 дали возможность косвенно проверить одно из наиболее интересных следствий ОТО — существование гравитационных волн. Как следует из теории, два тела, обращающихся по орбите, должны излучать гравитационные волны, которые уносят энергию и изменяют орбитальный угловой момент, из-за чего орбита должна постоянно сжиматься. Для параметров двойного пульсара PSR В1913+16 теория предсказывает уменьшение орбитального периода со скоростью всего 75,8 микросекунд в год. Полученные к 1991 г. Тейлором результаты дали значение 76 ± 0,3 микросекунды в год, что блестяще подтвердило теоретические ожидания!

В настоящее время открыто свыше 40 двойных пульсаров, некоторые из которых могут быть использованы как лаборатории для проверки ОТО.

В заключение исторического обзора развития радиоастрономии обсудим открытие анизотропии реликтового излучения (разница температуры реликтового излучения в различных направлениях на небе). Она была открыта в СССР в ходе эксперимента «Реликт-1» с помощью космического аппарата серии «Прогноз» (1983—1984). Эксперимент «Реликт-1» проводился на спутнике «Прогноз-9». Аппаратура спутника работала полгода, картографируя небесную сферу. В результате была получена карта всего неба на длине волны 8 мм.

В январе 1992 г. на научном семинаре в ГАИШе (Государственном астрономическом институте им. П. К. Штернберга) А. А. Брюханов выступил от лица всей группы (в эту группу, помимо Брюханова, входили: руководитель эксперимента

И. А. Струков, Д. П. Скулачев и М. В. Сажин) с сообщением об обнаружении анизотропии. К этому времени созданный НАСА космический аппарат «СОВЕ» находился на околоземной орбите уже почти два года. Этот космический спутник, названный по аббревиатуре термина «Cosmic Background Explorer» («Исследователь Космического Фона») также был ориентирован на исследование реликтового излучения. В отличие от «Прогноза-9» спутник «СОВЕ» был многочастотным и многоцелевым инструментом.

Основной научный комплекс «DMR» (Differential Microwave Radiometer — «дифференциальный микроволновой радиометр»), руководителем работ на котором был Джордж Смут (р. 1945), состоял из нескольких радиометров, настроенных на три частоты: 32, 53 и 90 ГГц. Именно он и был предназначен для обнаружения анизотропии реликтового излучения.

Вторая по значению роль принадлежала комплексу «FIRAS» (Far InfraRed Absolute Spectrophotometer — «длинноволновый инфракрасный абсолютный спектрофотометр»). Основной задачей этого прибора было измерение спектра реликтового излучения в диапазоне от 100 мкм до 1 см в каждом из 1000 участков неба. Отклонения от спектра абсолютно черного тела измерялись с точностью до 1/1000. Руководил проектом «FIRAS» Джон Кромвелл Мазер (р. 1946).

Наконец, последний научный комплекс «СОВЕ» назывался «DIRBE» (Diffuse InfraRed Background Experiment — «измеритель диффузного инфракрасного фона»). «DIRBE» предназначался для детектирования слабого свечения от звезд и галактик «ранней Вселенной».

В конце апреля 1992 г. Смут на пресс-конференции объявил об открытии анизотропии реликтового излучения. Вскоре и другие исследовательские группы подтвердили существование анизотропии реликтового излучения в средних угловых масштабах. Эти эксперименты проводились с помощью наземных радиотелескопов и в ходе проведения баллонных (осуществляемых с воздушных шаров) экспериментов. В 2006 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Дж. Мазеру и Дж. Смуту «за открытие чернотельной структуры и анизотропии космического фонового излучения».

Угловое разрешение первых наблюдений в экспериментах «Реликт-1» и «СОВЕ» было очень небольшое, примерно 7°, поэтому информация о флуктуациях реликтового излучения была неполной. Принципиальным шагом в исследовании анизотропии реликтового излучения стал запуск спутника «WMAP» (аббревиатура от Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Аппарат «WMAP» смог построить детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик. Кроме того, удалось с беспрецедентной точностью определить огромное количество важнейших космологических параметров (например, постоянную Хаббла — 72 ± 2 км/с/Мпк, возраст Вселенной — 13,4 ± 0,3 млрд лет и др.).

Космические аппараты-лаборатории «СОВЕ» и «WMAP» инициировали развитие других областей исследования, как в космологии, так и в физике элементарных частиц. Современные космологические исследования ставят своей целью точнее определить то, что происходило в те моменты эволюции Вселенной, когда появилось реликтовое излучение.

Недавно завершил свою миссию астрономический спутник Европейского космического агентства «Планк», созданный для изучения вариаций микроволнового фона. Он был запущен вместе с орбитальным инфракрасным телескопом «Гершель» 14 мая 2009 г. с космодрома Куру на борту ракеты-носителя «Ариан-5». Спутник «Планк» несет на себе два набора радиоизмеритель- ных приборов. Один из них составлен из 4 радиометров и предназначен для обзора неба на частотах от 30 до 100 ГГц. Это так называемый инструмент низких частот. Второй набор состоит из 6 болометров (тепловых приемников излучений), он называется «инструмент высоких частот» и предназначен для построения карты неба на частотах от 100 до 857 ГГц. Чувствительность аппаратуры спутника примерно в 30 раз выше, чем в эксперименте «СОВЕ», а точность измерений составляет одну пятимиллионную долю градуса. Это дает возможность обнаружить очень слабые флуктуации температуры реликтового излучения, вносимые, в частности, галактиками и скоплениями галактик. Имея такую точность, можно будет вычислить такие параметры, как кривизна пространства — времени, вклад темной энергии и нормального вещества в распределение массы и энергии.

После 15 месяцев работы, 26 ноября 2010 г., «Планк» успешно закончил основную часть миссии и перешел к расширенной части, во время которой спутник продолжит обзор неба до полного исчерпания охлаждающего вещества. Окончательные результаты, полученные в ходе эксперимента, планировалось опубликовать в 2013 г.

Резюмируя, отметим, что радиоастрономия находится на переднем фронте астрофизических исследований. Обладая самыми чувствительными приемниками излучения, она изучает наиболее далекие объекты во Вселенной. Современная радиоастрономия обеспечивает и наивысшее угловое разрешение. Высокочувствительные и высококачественные радиоастрономические исследования уникальных и во многом еще загадочных объектов Вселенной, несомненно, принесут новые захватывающие открытия.

На этом завершается исторический обзор основных направлений исследований и открытий периода развития так называемой неклассической физики. Хронология научных событий (трудов, открытий, изобретений, технических достижений) в истории физики этого периода приведена в Приложении 1.

Контрольные вопросы

  • 1. Какие ученые считаются основоположниками радиоастрономии?
  • 2. Когда был сконструирован первый радиотелескоп?
  • 3. Какой радиотелескоп считается крупнейшим в мире? Какие открытия были совершены с помощью этого устройства?
  • 4. Для каких целей используется радиотелескоп РАТАН-600?
  • 5. Что называют: а) радиоинтерферометром; б) методом апертурного синтеза?
  • 6. Как устроена система апертурного синтеза VLA?
  • 7. Какой метод предложили в 1965 г. Н. С. Кардашев, Л. И. Матвеенко и Г. Б. Шоломицкий?
  • 8. Почему проект «Радиоастрон» относят к наземно-космическим средствам на основе РСДБ?
  • 9. Какие радиоастрономические открытия удостоены Нобелевской премии?
  • 10. Кем было предсказано существование реликтового излучения?
  • 11. Чему равна температура реликтового излучения?
  • 12. Как был открыт первый пульсар?
  • 13. Что представляет собой пульсар согласно теории Голда?
  • 14. Какие эффекты ОТО удалось исследовать, наблюдая за двойным пульсаром PSR В1913 + 16?
  • 15. Когда и с помощью каких спутников была открыта анизотропия реликтового излучения?
  • 16. Какой вклад в изучение анизотропии реликтового излучения внес спутник «WMAP»?

Задания для самостоятельной работы

  • 1. Зарождение радиоастрономии. Исследования К. Янского и Г. Ребера.
  • 2. Крупнейшие радиообсерватории мира.
  • 3. Метод апертурного синтеза и его творцы.
  • 4. Радиоинтерферометрия. История создания и ключевые исследования.
  • 5. Двойные пульсары — астрофизическая лаборатория по проверке основных положений ОТО.
  • 6. Современные исследования пульсаров и двойных пульсаров.
  • 7. Исторические вехи развития радиоастрономии в СССР.
  • 8. Научные биографии выдающихся советских радиоастрономов.
  • 9. Современное состояние российской радиоастрономии. Проекты «Радиоастрон», «Миллиметрон», «Квазар».
  • 10. Нобелевские премии за исследования реликтового излучения. Биографии лауреатов.
  • 11. Современные исследования в области анизотропии реликтового излучения.
  • 12. Проблема поиска внеземных цивилизаций (SETI). Исторический обзор, современный уровень, значение.

Рекомендуемая литература

  • 1. Колчинский, И. Г. Астрономы : биографический справочник / И. Г. Колчинский, А. А. Корсунь, М. Г. Родригес. — Киев : Наукова думка, 1986.
  • 2. Каплан, С. А. Элементарная радиоастрономия. — М.: Наука, 1966.
  • 3. Хей, Дж. Радиовселенная / пер. с англ. Б. Н. Пановкина. — М. : Мир, 1978.
  • 4. Очерки истории радиоастрономии в СССР : сборник научных трудов. — Киев : Наукова Думка, 1985.
  • 5. Гиндилис, Л. М. Развитие радиоастрономии в СССР / Л. М. Гинди- лис, Р. Д. Дагкесаманский, А. Д. Кузьмин [и др.]. — М. : Наука, 1988.
  • 6. Томпсон, А. Р. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии / А. Р. Томпсон, Дж. М. Моран, Дж. У. Свенсон. — М.: Физматлит, 2003.
  • 7. Хъиюш, Э. Наблюдение быстро пульсирующего радиоисточника / Э. Хъиюш, С. Белл, Дж. Пилкингтон, П. Скотт, Р. Коллинс // УФН. — 1968. — Т. 95. — Вып. 4. — С. 705—711.
  • 8. Халс, Р. А. Открытие двойного пульсара // УФН. — 1994. — Т. 164. — № 7. — С. 743—756.
  • 9. Тейлор (мл.), Дж. X. Двойные пульсары и релятивистская гравитация // УФН. — 1994. — Т. 164. — № 7. — С. 757—764.
  • 10. Сажин, М. В. Современная космология в популярном изложении. — М. : УРСС, 2002.
  • 11. Гамов, Дж. Моя мировая линия: неформальная автобиография. — М.: Наука, 1994.
  • 12. Зельдович, Я. Б. Лауреаты Нобелевской премии 1978 года по физике — А. Пензиас и Р. Вильсон / Я. Б. Зельдович, Р. А. Сюняев // Природа, 1979. — № 1. — С. 101—103.
  • 13. Населъский, П. Д. Реликтовое излучение Вселенной / П. Д. Насель- ский, Д. И. Новиков, И. Д. Новиков. — М.: Наука, 2003.
  • 14. Сажин, М. В., Хованская, О. С. Лауреаты Нобелевской премии 2006 года по физике — Дж. Матер и Дж. Смут // Природа. — 2007. —№ 1.
  • 15. Смут, Дж. Анизотропия реликтового излучения: открытие и научное значение //УФН. —2007.—Т. 177. —№ 12, — С. 1294—1317.
  • 16. Матер, Дж. От Большого взрыва до Нобелевской премии и дальше // УФН. — 2007. — Т. 177. — № 12. — С. 1278—1293.
  • 17. Сажин, М. В. Анизотропия и поляризация реликтового излучения. Последние данные // УФН. — 2004. — Т. 174. — № 2. — С. 198—205.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >