Пекка Теерикор - Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Внутренняя космическая симметрия придает стройность космической энергетике и наводит на мысль, что существуют глубокие связи между фундаментальными элементами природы. В этой симметрии Вселенная обнаруживает новый порядок и красоту, основные качества, приписываемые нашему космосу первыми космологами Античности.

На протяжении веков глаз человека оставался важнейшим средством наблюдения. В начале XVII века был изобретен телескоп. Постепенно размер крупнейших телескопов увеличивался, а с изобретением фотографии они позволили наблюдать Вселенную еще дальше. В 1930-х годах этот процесс был в полном разгаре, и вряд ли кто-нибудь мог представить, что кроме дальнейшего усовершенствования обычных телескопов может появиться какое-либо иное средство, способное расширить наши представления о мире.

В 1933 году инженер, сотрудник телефонной компании «Белл» Карл Янский изучал трансатлантическую радиотелефонную связь, пытаясь найти источники помех. Он заметил, что радиошумы усиливаются каждый день в один и тот же час. Но через некоторое время он обнаружил, что усиление шума происходит не точно в один и тот же час, а начинается на 4 минуты раньше, чем в предыдущий день. Напомним, что Солнце, по которому мы отсчитываем гражданское, или солнечное, время, в течение года движется среди звезд на восток. Поэтому звезды и галактики каждый день восходят на 4 минуты раньше, чем в предыдущий день. Как раз эти 4 минуты и подсказали, что источник радиошумов должен располагаться вне Земли. Янский понял, что источник шумов находится в Млечном Пути, но продолжить это исследование не мог, так как был занят своей основной работой (рис. 26.1).

Одним из немногих людей, знавших об открытии Янского, был американский инженер и любитель астрономии Гроут Рёбер (рис. 26.2). Во дворе своего дома он соорудил антенну в виде тарелки диаметром 10 метров и начал в свободное время исследовать космический радиошум. Он подтвердил открытие Янского и, кроме того, выявил на небе области наиболее сильного излучения, названные радиоисточниками. Одним из них оказался центр Галактики. Гораздо труднее было отождествить другие источники, которые обычно называли радиозвездами. Спустя годы стало ясно, что радиоисточники не являются звездами; некоторые астрономы поняли это еще в 1940-х годах, когда стало понятно, что радиоизлучение Солнца было бы очень трудно обнаружить, если бы оно находилось на таком же расстоянии, как другие звезды.

Рис. 26.1. Карл Янский (1905–1950) со своей радиоантенной. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Рис. 26.2. Гроут Рёбер (1911–2002) провел первые наблюдения радиоисточников. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Ученые не знали про антенну Рёбера, но для его соседей в Уитоне (шт. Иллинойс) она стала предметом изумления и пересудов. Большинство считало, что это поливальная установка, так как тарелка собирает дождь, который стекает через дырку в ее основании. Объяснения Рёбера, что он слушает радиошумы из космоса, тогда, в 1937 году, казались фантастикой. Когда Рёбер написал статью о своих открытиях в Astrophysicak Journal, один из издателей журнала сам приехал к нему, чтобы собственными глазами увидеть антенну на заднем дворе. Издателей мучили подозрения, что этот неизвестный инженер просто выдумал историю о космических радиоволнах.

Но это не было выдумкой: настало время исследовать небесные радиоволны. Во время Второй мировой войны антенные технологии сделали огромный шаг вперед, и после войны огромное количество антенн осталось без работы. Астрономы воспользовались этой возможностью, и в конце 1940-х годов родилась радиоастрономия. Кроме Янского и Рёбера нужно отметить еще Мартина Райла (19181984) из Кембриджского университета, который стал одним из первых исследователей в этой новой области науки и получил Нобелевскую премию. Астроном Ян Оорт, о котором мы уже говорили в связи с его исследованиями Галактики, также очень рано понял значение радиоволн как нового инструмента для исследования Вселенной.

Выяснилось, что интенсивность радиоизлучения примерно одинакова на различных частотах — в этом случае говорят о непрерывном спектре. Рёбер считал, что источником излучения служат электроны, которые в ионизованной среде, проходя вблизи атомных ядер, движутся по искривленной траектории. Но наблюдения не подтвердили эту идею: такое «тормозное излучение» действительно имеет непрерывный спектр, но его характерная форма и точка обрезания не соответствуют радионаблюдениям. Райл и Оорт считали, что радиоволны приходят от звезд, которые отличаются от Солнца тем, что по какой-то причине обладают очень мощным радиоизлучением; но и они ошиблись.

Загадка радиошума начала проясняться, когда Карл Кипенхойер (1910–1975) в 1950 году предположил связь между космическими лучами и радиошумами. В том же году Ханнес Альвен (Швеция) и Николаи Херлофсон (Норвегия) предположили, что причиной шума является распространение космических лучей со скоростью, близкой к скорости света. Такое синхротронное излучение наблюдается и в ускорителях частиц, где магнитные поля заставляют заряженные частицы двигаться по кругу. В космосе высокоэнергичные электроны вращаются в магнитных полях, испуская радиоизлучение; в принципе, то же самое происходит при колебании электронов в антенне радиопередатчика (рис. 26.3). Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009, Нобелевская премия 2003 года) и Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1986) были среди тех ученых, кто развил теорию синхротронного излучения.

Рис. 26.3. Электроны, обращаясь вокруг магнитных силовых линий, испускают синхротронное излучение.

В 1944 году молодой голландский студент Хенк ван де Хюлст (1918–2000) по совету Оорта занялся исследованием того, могут ли быть спектральные линии в радиоизлучении. Спектральные линии доказали свое значение в оптической астрономии, где их используют для изучения движения звезд и галактик, а также и многих других свойств этих объектов. Радиоизлучение со спектральными линиями открыло бы новое окно во Вселенную.

Ван де Хюлст обнаружил, что переход атома водорода между его двумя энергетическими уровнями может привести к излучению на длине волны около 21 см, что попадает в область радиоволн. При этом электрон не прыгает с одной орбиты на другую, а лишь чуть-чуть меняет свое положение. Как уже было сказано, у электрона есть свойство, называемое спином, которое можно представить себе как вращение вокруг оси. Ядро атома водорода — протон — тоже имеет свой спин. Спины протона и электрона могут быть параллельны или антипараллельны; в первом случае атом водорода находится в возбужденном состоянии. Когда из возбужденного состояния атом переходит в свое основное состояние, он излучает фотон, энергия которого равна энергии возбуждения. Поскольку эта энергия очень мала, соответствующая частота излучения низка (1420,4 МГц), а длина волны велика и составляет, если точно, 21,1 см (рис. 26, 4).