Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

филиал компании Томаса Алвы Эдисона; начиная с 1880‐х гг., вдохновившись работами Эдисона, он стал экспериментировать с радиопередатчиками и помог разработать конструкцию передатчика, использованную Гульельмо Маркони в 1901 г. для трансляции сигнала через Атлантический океан.

Хотя обычно радио воспринимается как порождение XX в. (как большинство из нас смутно припоминают, начало регулярного звукового радиовещания приходится на 1920‐е гг.), эта технология была относительно надежно отлажена уже на рубеже XIX–XX вв. Поскольку родственность оптического и электромагнитного излучений стала частью физического знания того времени, нет ничего удивительного в том, что некоторые астрономы стали рассматривать Солнце как потенциальный источник радиоволн. Уже в 1890 г. Эдисон со своим коллегой А. Э. Кеннелли обсуждали конструкцию соответствующей антенны с проводами, обрамляющими массивный железный сердечник. В 1897–1900 гг. Оливер Лодж установил в Ливерпуле весьма неплохой приемник в надежде зарегистрировать солнечные радиоволны, но получаемые сигналы тонули в помехах, порождаемых близостью большого города. Другие неудачные попытки предприняты в Потсдаме И. Вильзингом и Ю. Шейнером в 1896 г. и Ч. Нордманом в 1901 г.; к сожалению, они пришлись на минимум солнечной активности. Нордман создал довольно хороший прибор с длинной антенной и установил его высоко во французских Альпах. Если бы его терпения хватило больше чем на один день, он, вполне вероятно, добился бы успеха; однако его усилия также ни к чему не привели, и мысль о том, что Солнце является передатчиком радиоволн, была надолго забыта.

Первую надежную регистрацию исходящих от Солнца радиоволн осуществил Джеймс Стэнли Хей 27 и 28 февраля 1942 г. в ходе исследования феномена, первоначально расцененного как попытка немцев заглушить британский радар. Тот факт, что источником в данном случае являлось Солнце, был подтвержден данными других станций, развернутых во многих британских городах. Как позже удалось обнаружить, в то же самое время на Медонской обсерватории во Франции зафиксировали (визуально) мощные вспышки на Солнце. Хотя, по словам Хея, этот выброс в сотни тысяч раз превышал все самые смелые ожидания, он же отмечал, что его невозможно было бы обнаружить, если бы Солнце находилось от нас на таком же расстоянии, как самая близкая звезда. Лишь немногие звезды могут излучать радиоволны, способные достичь нас после преодоления галактических расстояний. Открытие Хея часто называют везением, однако прежде чем согласиться с этим, давайте обратимся к другим его достижениям. Он впервые открыл отражение радиолокационных волн от метеорных следов – при тех же обстоятельствах, когда удалось обнаружить солнечную радиацию. Именно он, а не кто-то еще, открыл радиогалактику Лебедь А (уже после войны). Удача сопутствует тем, кто ее достоин.

ГАЛАКТИЧЕСКИЕ РАДИОВОЛНЫ

Радиоастрономия стала полноправной частью астрономической практики лишь в конце 1950‐х гг., но ее успешное применение берет начало с 1932 г. В этом году американский радиоинженер лаборатории телефонной компании «Белл» Карл Г. Янский, изучая помехи в недавно введенной в эксплуатацию трансатлантической радиотелефонной связи, обнаружил, что они исходят от внеземных источников. Его антенная система, установленная на полигоне в Холмделе, штат Нью-Джерси, обладала высокой направленностью, а приемник работал на частоте 20,5 мегагерца (это соответствует 15‐метровому диапазону). Как свидетельствуют данные наблюдений, четко различались три основных источника шума: близкие грозы, далекие грозы и фоновое шипение, которое варьировалось в течение суток. Сначала Янский решил, что зарегистрировал радиоизлучение Солнца, но поскольку Солнце меняло свое положение на небе, а радиоисточник – нет, он пришел к выводу, что имеет дело с совершенно другим явлением. В этот год активность Солнца была минимальна, и это создало благоприятные условия для изучения «помех» фонового шипения. Он занимался этим исследованием в течение года и установил: сигналы связаны с Млечным Путем, а наиболее мощный их источник находится в направлении центра Галактики. (Позже он высказал ошибочное предположение, будто сигналы исходят из апекса Солнца – точки, фиксирующей направление движения Солнца в пространстве.)

Янский публиковал свои результаты в течение следующих трех лет, а затем обратился к другим исследованиям. В то время его работы не привлекли почти никакого внимания. Однако Гроут Ребер, радиоинженер из Уитона (штат Иллинойс), самостоятельно построил параболическую антенну (именно такой внешний вид антенны знаком сегодня практически каждому) и в свободное от работы время повторил вслед за Янским почти все его наблюдения. В 1939 г., принимая сигналы на более высокой частоте и используя еще более узконаправленную антенну, он смог зарегистрировать мощный источник радиоизлучения на частоте 160 мегагерц. В период с 1940 по 1948 г. Ребер изготовил карту изофот фоновой интенсивности, создаваемой небом, что до этого было проделано лишь единожды в одной, неизвестной ему работе Дж. С. Хея с соавторами из Оперативной научно-исследовательской группы армии Великобритании. (Они работали на частоте 64 мегагерца, используя новейшие разработки радарного оборудования.) Самоотверженность, с которой Ребер занимался этой недавно возникшей темой, производит сильное впечатление; то же самое можно сказать и о его антенне, имея в виду его любительский статус. Радиоастрономы, как мы часто слышим, могут работать и днем и ночью. Но не все так просто, как кажется: чтобы избежать помех искровой эмиссии от автомобилей, Ребер вынужден был работать глубокой ночью. Его 9‐метровая параболическая антенна сохранилась и в настоящее время находится на территории Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнке (штат Западная Вирджиния) вместе с копией антенны Янского, выполненной в натуральную величину.

Для объяснения «галактических помех» было выдвинуто множество теорий. Как полагали некоторые астрономы, существует особый класс звезд, обильно излучающих в радиодиапазоне. В результате исследований в области ядерной физики возникло повышенное внимание к синхротронному механизму как к средству разгона заряженных частиц, поэтому нет ничего удивительного в том, что вскоре была предложена теория (впервые высказанная К. О. Кипенхойером в 1950 г.), согласно которой радиоволны излучаются высокоскоростными электронами, движущимися по спирали в магнитном поле Галактики. Когда электроны встречают магнитное поле, они начинают двигаться вокруг него по спирали, но не в одной плоскости, а по такой траектории, как если бы проволоку наматывали на карандаш. Круговое движение электронов вокруг «карандаша» (поля) подразумевает наличие непрерывного ускорения, направленного к центру вращения, а оно, в свою очередь, приводит к непрерывному испусканию (поляризованного) излучения. Электроны, скорость которых близка к скорости света, могли излучать радиочастотные сигналы с мощностью, достаточной для преодоления галактических расстояний. Однако в процессе излучения они теряют энергию, и для поддержания такого синхротронного излучения необходимо постоянное поступление новых электронов. И они, действительно, могут поступать из целого ряда высокоэнергичных источников, в число которых входят остатки вспышек сверхновых, квазары и различные виды активных ядер галактик.

В том же году подобная теория была предложена Ханнесом Улофом Й. Альвеном и Н. Херлофсоном, полагавшими, что можно допустить существование небесных источников синхротронного излучения гораздо меньшего масштаба, возможно даже сравнимых по размеру с Солнечной системой, и если это соответствует действительности, мы можем принимать радиоволны, испускаемые бесчисленным количеством дискретных звездных источников, а не только галактическим центром. Подобные идеи были заразительны. Советские ученые Виталий Лазаревич Гинзбург и Иосиф Самуилович Шкловский немедленно приступили к разработке синхротронной теории в приложении к радиогалактикам, и сделанные ими подробные прогнозы получили в высшей степени успешное подтверждение, особенно в том, что касалось поляризации излучения.

В целом же этот подход оказался не столь успешным, как в приложении к Крабовидной туманности, которая стала для астрономов своего рода испытательной площадкой для тестирования многочисленных теорий эволюции звезд. Сначала в 1921 г., а затем в 1939 г. сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон Джон Ч. Дункан произвел тщательное сравнение фотопластинок Крабовидной туманности (полученных в 1909, 1921 и 1938 гг.) и пришел к выводу: она расширяется со скоростью порядка 0,2 угловых секунд в год. Современные размеры туманности позволили высказать предположение, что ее возраст составляет около 800 лет. В 1937 г.