Нил Тайсон - На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии

А теперь поговорим о менее мирных результатах изучения астрофизиками деталей поглощения микроволнового излучения водой. Нельзя ли придумать нелетальное оружие, нацеленное на воду в теле человека? Ведь наши тела в среднем на три пятых состоят из воды. Такое оружие могло бы работать на том же принципе, что и микроволновка.

Что ж, просите, и дано будет вам. Вот американская версия такого устройства: система активного сдерживания (Active Denial/Silent Guardian System) фирмы Raytheon. Как и мирный телескоп ALMA, она действует на миллиметровых волнах, немного более коротких, чем те, что разогревают еду в обычной микроволновке. Последнее обстоятельство ограничивает глубину проникновения волн в человеческое тело: у нас ведь нелетальное оружие, мы не собираемся никого жарить живьем. Скажем, мэр вашего города раздумывает, как ему предотвратить порчу городского имущества во время предстоящих в субботу демонстраций протеста защитников окружающей среды. Он хочет нанести упреждающий удар в войне с этими домашними террористами вроде вашей тети Мелиссы. Он может попросить военных послать одну из боевых машин, оснащенных генераторами миллиметровых волн, на перекресток улиц, на которых предполагаются выступления. Если направить электромагнитные лучи в толпу протестующих, они почувствуют себя так, как если бы кто-то приставил к их коже горячий железный прут, – почувствуют даже сквозь одежду. Чтобы избежать боли, демонстранты быстро и добровольно разойдутся [295].

Есть и другие малогабаритные и на первый взгляд несмертельные виды оружия, средства обеспечения безопасности, гаджеты для управления скоплениями людей, где используются другие невидимые волны, в особенности инфракрасные. В широком спектре силовых мер эти средства относятся к той его части, которая теперь обозначается аббревиатурой MOUT (Military Operations on Urban Terrain): «войсковые операции в городской среде». Это ракеты класса «земля – воздух», системы безопасности в аэропортах, выводящие из строя устройство наведения любой ракеты, нацеленной на самолет, боевые лазеры, неядерные генераторы электромагнитных импульсов, импульсные энергетические реактивные снаряды, лазерные винтовки останавливающего и раздражающего действия (PhaSR). Есть и вспомогательные боевые устройства, вроде приборов ночного видения и очков, усиливающих яркость изображения. Есть, конечно, и настоящее, убивающее электромагнитное оружие, более того, оружие массового уничтожения. Знание, на котором базируются все эти действия и их инструменты, – то самое, что интересует астрофизика; но сами эти инструменты интересуют только тех, кто нападает, или тех, кто защищается от нападения.

___________________

Офицер вы или астрофизик, вы не обойдетесь без больших объемов информации. Солдаты используют информацию в реальном времени, тогда как астрофизики чаще запасают ее впрок – иногда на целые годы. То, что наши обсерватории зарегистрировали в процессе наблюдений, мы потом сосредоточенно анализируем в тишине: поэтому сохранение информации становится одной из наших главных забот. Когда-то Галилей мог лишь зарисовывать то, что он видел в свой телескоп. Прорывом XIX века стала фотография: теперь у нас появилась запись того, что иначе доказать было бы невозможно. В XX веке таких прорывов было много: специализированные фотоэмульсии, увеличение чувствительности подогревом пленки, спектральные фильтры, фотоумножители, ПЗС с их пикселами – все это вместе принесло людям огромное количество информации, которая ждет использования, причем многократного использования, изобретательными аналитиками.

Представьте пиктограмму: цифровое изображение прямоугольной формы. А теперь вообразите самый маленький из возможных ее участков. Это Элемент ПИКТограммы: «пиксел». Такова фундаментальная единица регистрации у приборов с зарядовой связью: ПЗС. С этих приемников в 1970-х началось коренное преобразование методов построения изображений, а к началу 1990-х этот подход вытеснил все остальные. Мне случилось быть этому свидетелем: в те годы я оканчивал магистратуру, и влияние этого процесса на мою область исследований невозможно переоценить.

Когда ПЗС подвергается воздействию света – от ближайшего уличного фонаря или от далекой галактики, – каждый из его пикселов накапливает некоторое количество электронов, которое зависит от интенсивности света, падающего на каждый из малых участков светочувствительной микросхемы – главного элемента ПЗС. Чем интенсивнее свет, тем больше электронов накапливается – хотя, если свет будет слишком ярким, приемник достигнет уровня насыщения и избыток электронов распределится по соседним пикселам, искажая получаемые данные. Если удвоить экспозицию, удвоится и количество электронов. Электроны, скопившиеся на каждом пикселе, затем собираются с микросхемы, подсчитываются и превращаются в элемент мозаики, которая и составляет изображение. Чем больше пикселов в этой мозаике, тем выше доступное разрешение. Сейчас вы можете без труда скачать с «Викисклада» уличную сцену объемом 2592 столбца на 1944 строки, которая трансформируется в мозаику из более чем 5 миллионов пикселов – фото, проработанное до мельчайших деталей. Но это еще что: если не боитесь перегрузить ваш компьютер, можете скачать изображение Туманности Ориона из галереи космического телескопа Хаббла размером 18 000 х 18 000, а это уже 324 миллиона пикселов, битком набитых подробностями.

Есть еще такое понятие, как «квантовая эффективность». В идеальном по эффективности приемнике один фотон даст вам один электрон. Реальность не столь хороша, хотя ПЗС все равно далеко обгоняет фотопленку. Ведь из каждой сотни фотонов света, падающего на кристаллы галоидного серебра в вышедшей из употребления астрофотографической эмульсии IIIaJ фирмы Eastman Kodak, лишь примерно трем удавалось запустить химическую реакцию, необходимую для появления изображения. То есть в этом случае квантовая эффективность составляла 3 %. А какова сегодня квантовая эффективность ПЗС? У некоторых астрономических ПЗС она превышает 60 % в широкой полосе длин волн видимого света. Выходит, что мощность приемников выросла в двадцать раз. Но есть и ПЗС, у которых на определенных длинах волн в ближней инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра квантовая эффективность достигает 90 %. Вдобавок ПЗС можно использовать с любой оптикой. Все эти плюсы означают, что теперь астрофизики могут получать информацию из гораздо более далеких областей космоса, чем раньше, и таких областей стало гораздо больше.

При этом, однако, возрастают трудности, связанные с шумами. Когда телескоп наведен на слабый источник света, он может не собрать достаточного количества фотонов для того, чтобы перейти порог чувствительности. С другой стороны, то, что кажется световым сигналом, может оказаться шумом. У каждого телескопа, у каждого приемника есть собственный внутренний шум. Есть он и у ПЗС: собственное тепло приемника достаточно велико для того, чтобы связанные с ним тепловые фотоны попадали в пикселы. Поэтому профессиональные ПЗС и камеры, в которых они смонтированы, в процессе работы охлаждаются. В прежние времена, когда для регистрации получаемых на телескопе изображений астрофизики использовали фотографические пластинки, требовались длинные экспозиции. Зная, что есть объекты, более слабые, чем мы способны зарегистрировать, мы стремились получить все большие и большие телескопы, которые собирали все больше и больше света. Нужны были деньги, инженеры, новые башни телескопов, новые горные вершины для их установки.