Сергей Попов - Все формулы мира

Хотя большие ли они? Смотря с чем сравнивать. С бытовой точки зрения несколько сотен миллионов долларов – гигантская сумма. Однако бюджет современного блокбастера вроде «Пиратов Карибского моря» или «Аватара» имеет такой же порядок величины. Две серии «Пиратов» стоили дороже спутника «Кеплер», открывшего тысячи экзопланет. Но с определенной точки зрения сравнение с киноиндустрией не совсем корректно, поскольку она существует (по крайней мере, на уровне блокбастеров) на самоокупаемости. На мой взгляд, более правильно сравнивать научные расходы с военными.

Полная стоимость программы разработки бомбардировщиков B-2 Spirit в 1997 г. составляла $2,1 млрд в расчете на один самолет. Даже с учетом последующего серийного производства большого количества этих машин их современная цена составляет около $1 млрд за каждую. Создание авианосца обходится дороже, чем строительство крупного ускорителя, и т. д. Так что в сравнении с военными издержками научные уже не выглядят столь пугающе.

Тем не менее аргументация в защиту значительных расходов на фундаментальные научные исследования необходима. Развернутый ответ, на мой взгляд, можно разбить на несколько составляющих, и не все из них одинаково очевидны и широко известны.

Самый простой и общепринятый аргумент в пользу необходимости многих фундаментальных исследований состоит в том, что даже в среднесрочной перспективе мы не можем предсказать, чем изыскания обернутся. Что уж говорить об отдаленном будущем? Поэтому научные работы нужно вести как можно более широким фронтом, постоянно анализируя, на каких направлениях можно достичь особенно значимых прорывов. Втянувшись в научно-технический прогресс, человечество, по сути, имеет только один путь – вперед. Видимо, только новые технологии позволят решить проблему обеспечения человечества энергией, так как вряд ли мы просто готовы снизить уровень ее потребления. Например, мы не хотим включать электричество на час, а не на весь вечер, или существенно ограничить использование воды (не только горячей), или чаще пользоваться общественным транспортом вместо своего автомобиля. Мы хотим, чтобы лампы просто потребляли меньше энергии, а машины – топлива, чтобы энергию можно было получать по возможности более чистым способом, чтобы сырье не исчерпывалось и т. д.

К тому же многие научные результаты, казавшиеся во время своего появления совершенно бесполезными, сейчас составляют основу нашей жизни, без них мы себя уже не представляем. Кроме очевидного примера с электричеством, упомянем, например, развитие небесной механики. Без нее нельзя представить себе космонавтику. А без космонавтики не было бы современных систем коммуникации и навигации, прогнозы погоды были бы менее точны. А есть еще космическая разведка (причем не только геологическая) и многое-многое другое.

Выделим два астрономических примера практических приложений «бесполезных» открытий. Оба связаны с системами навигации.

Современный человек все чаще и чаще использует такие системы, как GPS и Глонасс. А как ориентируются спутники? В течение долгого времени основой систем ориентации служили звезды. Это далекие стабильные источники, положение которых можно достаточно точно измерить, а меняется оно довольно слабо. Однако если требуется очень высокая точность, то звездная ориентация перестает удовлетворять всем требованиям. К счастью, были открыты более подходящие объекты.

После войны в Британии начала бурно развиваться радиоастрономия. Проводились подробные обзоры неба, в ходе которых было открыто множество радиоисточников. Некоторые из них удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов. Неожиданностью стало то, что некоторые мощные радиоисточники в оптике выглядели как звезды. Это странно, потому что звезды не должны так много излучать в радиодиапазоне. Новый класс объектов назвали квазизвездными радиоисточниками, сокращенно – квазарами.

В дальнейшем выяснилось, что тут мы имеем дело с ядрами далеких-далеких галактик, где вещество аккрецируется сверхмассивной черной дырой. Излучение аккреционного диска наблюдается в оптическом диапазоне, а в джетах – струях, бьющих из внутренней части диска, – рождается радиоизлучение. Квазары находятся на расстояниях в миллиарды световых лет, поэтому их смещение на небесной сфере крайне мало [148] Однако из-за движения вещества в джете все-таки происходит небольшое изменение положения радиоисточника. . Кроме того, в радиодиапазоне, благодаря использованию интерферометров со сверхдлинной базой (когда в наблюдениях участвуют телескопы, разбросанные по всему земному шару), можно измерять положение источников с колоссальной точностью, недостижимой пока в оптическом диапазоне. Все это привело к тому, что сейчас наши системы ориентации имеют в своей основе данные по квазарным наблюдениям. Если бы в середине XX века астрономы не открыли квазары, то организовать доставку пиццы дроном прямо в форточку было бы гораздо сложнее.

Квазары были идентифицированы в 1963 г., а в 1967-м открыты радиопульсары. Им тоже нашлось применение в народном хозяйстве. Пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильными магнитными полями. Излучение возникает в их магнитосферах. Со временем выяснилось, что испускаются не только радиоволны, но и оптическое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рентгеновская астрономия начала развиваться в 1960-е гг., когда впервые соответствующую аппаратуру стали выводить в космос [149] Отметим, что побочным продуктом развития рентгеновской астрономии стало появление рентгеновских детекторов в аэропортах. . В результате полувекового развития рентгеновские детекторы стали компактными, надежными, недорогими и потребляющими мало энергии. Теперь их можно ставить в качестве не основной нагрузки спутника, а дополнительной. Почему это важно?

Дело в том, что пульсары обладают легко наблюдаемыми, уникальными и стабильными периодами вращения. Иначе говоря, пульсары легко идентифицировать по рентгеновским наблюдениям – каждый несет индивидуальную метку, что позволяет создать надежную систему ориентации спутника. Но это еще не все.

Наблюдения пульсаров позволяют определить скорость аппарата (например, относительно центра масс – барицентра, Солнечной системы) без связи с Землей! Если аппарат движется в сторону пульсара, то из-за эффекта Доплера период будет казаться короче, если в противоположную – длиннее. Наблюдение за парой десятков объектов, разбросанных по всему небу, позволяет с высокой точностью измерить трехмерную скорость аппарата.

Таким образом, рентгеновские наблюдения за пульсарами дают возможность реализовать автономную систему ориентации (определения координат и скоростей) спутника. Это важно, например, для межпланетных станций, находящихся далеко от Земли (сигнал идет туда-сюда несколько часов). В настоящее время все ведущие космические агентства ведут разработки подобных систем. Китайский спутник уже тестирует такой способ ориентации. Отдельные элементы системы опробуются на МКС в рамках американского проекта рентгеновского телескопа NICER. Российское и европейское агентства тоже пытаются не отставать.