Астрономия невидимого

В 1800 году Вильям Гершель наблюдал Солнце через различно окрашенные затемненные стекла. Наблюдение привело его к неожиданному открытию. Описывал он это событие так:

«Самым замечательным было то, что при рассматривании Солнца через определенные стекла я чувствовал тепло, несмотря на то, что стекло почти не пропускало света. В то же время, в опытах с другими стеклами, пропускавшими много света, тепловое ощущение было ничтожным». Развивая полученный результат, английский астроном поставил свой знаменитый опыт. Подобно Ньютону, он укрепил в ставне окна призму и разложил солнечный луч в спектр. Яркая радужная дорожка упала на деревянный стол в лаборатории. Гершель укрепил на доске три термометра — один рабочий и два контрольных. Закрасил у рабочего термометра кончик с ртутью сажей, чтобы он лучше нагревался, и измерил температуру в разных участках спектральной дорожки так, как это показано на рисунке. Результаты были поразительны. Самая низкая температура была у фиолетовой полосы спектра. На голубой и синей чуть-чуть поднималась. На зеленой было уже определенно теплее. А на желтой, оранжевой и красной становилось все горячее и горячее. Самое интересное заключалось в том, что там, где красная полоска заканчивалась и больше не было видно уже никакого цвета, температура и не думала падать...

Схема установки Вильяма Гершеля, с помощью которой он открыл инфракрасное излучение

Поломав голову, Гершель пришел к выводу, что тепловое излучение может переноситься невидимыми инфракрасными лучами, которые подчиняются тем же законам отражения и преломления, что и видимый свет. Может быть, даже и так, что инфракрасным излучением обладает не только Солнце, но и другие небесные объекты. Правда, способа регистрировать тепловое излучение звезд и планет он придумать не мог. Еще слишком слабо была развита техника физического эксперимента в те годы.

Сорок лет спустя его сын Джон Гершель, тоже известный астроном, придумал, как зафиксировать часть инфракрасного спектра Солнца на бумаге. Он покрыл лист спиртом, содержащим частички сажи, и положил на спектральную дорожку. На наиболее горячих участках спектра спирт выпарился быстрее, оставив на бумаге всю сажу. Получился определенный рисунок, приблизительно показывающий распределение тепловых лучей вдоль спектральной дорожки. Тогда еще не существовало фотографии, и можно поистине удивиться находчивости сэра Джона.

Портрет Солнца в инфракрасных лучах

Инфракрасная техника имеет дело с электромагнитными волнами длиной от 0,75 микрона до миллиметра. Но это вовсе не значит, что наблюдения можно производить одинаково хорошо во всем указанном диапазоне. Вы ведь не забыли о существовании атмосферы? «Шуба» Земли надежно задерживает многие тепловые лучи, пропуская к поверхности лишь небольшое их количество. Природа как бы прорубила окна, даже не окна, а скорее узкие бойницы — щели в крепостной стене атмосферы. Через эти щели земные наблюдатели и «заглядывают» в окружающий мир.

Для некоторых длин инфракрасных волн, близких к видимому свету, созданы специальные фотопластинки. И с помощью телескопа получены фотографии Солнца и планет в невидимых тепловых лучах. Придумали изобретатели и приборы, электронно-оптические преобразователи, которые преобразуют невидимое инфракрасное изображение в видимое на светящемся экране.

Много чрезвычайно важных и интересных для науки подробностей удается выяснить с помощью инфракрасного излучения — нового вестника далеких миров. Мы еще встретимся с результатами этих исследований, когда начнем более подробно знакомиться с миром планет.

Портрет Солнца в ультрафиолетовых лучах

А сейчас давайте «перепрыгнем» через диапазон видимого света в сторону более коротких волн: от красной границы к фиолетовой. Здесь следуют друг за другом еще три диапазона, освоенных физиками: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи.

Вы, наверное, слыхали, что любой поток электромагнитного излучения состоит из маленьких порций, как бы из зернышек. Называются эти «зернышки» и фотонами и квантами. В одних случаях фотоны ведут себя, как волны — имеют определенную длину, огибают препятствия, величина которых сравнима с длиной волны, могут складываться и вычитаться и так далее и тому подобное. В других же случаях фотоны ведут себя точь-в-точь, как частицы. Как выпущенные из рогатки камешки, как пулеметная очередь. При этом между волнами и частицами существует четкая и важная для нас связь: чем больше длина волны, тем меньше энергия фотона. Значит, фотоны видимого света энергичнее фотонов инфракрасного излучения. Дальше, по степени возрастания энергии, идут фотоны ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений.

С ультрафиолетовыми лучами знакомы все. Под их воздействием летом мы загораем. Знаем мы и то, что лучи эти не проходят сквозь обычное стекло. Еще никому не удавалось загореть дома, за закрытыми окнами.

Портрет Солнца в рентгеновских лучах

В 1959 году, подняв телескоп на борту ракеты, ученые сфотографировали Солнце в ультрафиолетовых лучах. Для этого объектив инструмента пришлось сделать не из стекла, а из фтористого лития — материала, пропускающего ультрафиолетовые лучи. Такой солнечный «портрет» оказался совсем не похожим на обычную фотографию.

Если вы читали эти строчки внимательно, то заметили, что, для получения «ультрафиолетового портрета» Солнца, фотокамеру установили на борту ракеты. А зачем?.. Тут-то и начинается самое интересное. Несмотря на большую энергию ультрафиолетового излучения Солнца, земная атмосфера для него почти непреодолима. Лишь крошечная доля ультрафиолетовых лучей, расположенных совсем рядом с диапазоном видимого света, пробивается к поверхности Земли. Не доходят до нас и рентгеновские лучи, посылаемые Солнцем и звездами, не доходят и гамма-лучи. Все они «застревают» в верхних слоях атмосферы: С одной стороны это хорошо. Жесткое космическое излучение сожгло бы и уничтожило органическую жизнь на нашей планете, превратив ее в безжизненную пустыню. Но с другой стороны, для исследований космического радиоизлучения с поверхности Земли, атмосфера — помеха. Потому астрономы и устанавливают на ракетах удивительные фотокамеры с отверстиями, закрытыми алюминиевой фольгой вместо объективов. Фольга задерживает видимый свет и ультрафиолетовое излучение, но прозрачна для рентгеновских лучей.

Гамма-телескоп, который был установлен на спутнике «Эксплорер-XI»

Так был получен еще один, еще более необычный «портрет» Солнца в рентгеновских лучах. А в 1963 году исследователи обнаружили два довольно мощных, неизвестных ранее, источника рентгеновского излучения в созвездиях Скорпиона и Тельца. Что они собой представляют? Какие процессы, вызывают столь мощные потоки космической радиации?

На эти, как и на многие другие вопросы еще предстоит ответить. Пока же ученые строят гипотезы, высказывают предположения...

Гамма-астрономия имеет дело, главным образом, с фотонами очень высоких энергий. Это самое коротковолновое, самое «жесткое», как говорят физики, электромагнитное излучение.

Сложная система счетчиков, фотоумножителей для регистрации едва заметных вспышек, высоковольтного питания для фотоумножителей — все это оборудование размещается на борту ракеты и составляет «гамма-телескоп». Как видите, современная астрономия не только использует новую технику, но и стремится оторваться, покинуть Землю, чтобы изучать космические объекты непосредственно из космоса.

В 1931 году физик Вольфганг Паули занялся изучением бета-распада. Так называются радиоактивные превращения одних атомных ядер в другие. При распаде ядра испускают частицы, которые уносят с собой порции энергии. Казалось бы, чего проще? Подсчитать оставшуюся энергию, сложить с унесенной и получить ту, которая была у первоначального ядра... Так учила теория. Этого требовал и закон сохранения энергии — один из главных китов, на которых держится мир. Однако на практике все получалось иначе. Суммарной энергии никак не хватало, чтобы получить изначальное ее количество. Часть куда-то бесследно исчезла. То есть процесс бета-распада явно нарушал закон сохранения энергии. Но уж этого никто из физиков допустить не мог. Надо было искать те невидимые щели, куда могла просочиться энергия, надо было искать того, кто ее унес. Паули предположил, что должна быть какая-то маленькая, неизвестная пока частица. Частица удивительная — с ничтожной массой, нейтральная электрически и потому совершенно неуловимая.

Итальянский физик Энрико Ферми провел тонкие расчеты и обосновал теоретически правильность предположений швейцарского коллеги. Он предложил назвать новую частицу «нейтрино», что по-итальянски означало «маленькая нейтральная»...

Вот если бы удалось получать изображения звезд в «лучах нейтрино»... Астрофизики предполагают, что в этом случае можно было бы узнать много интересного о центральных областях звезд, о процессах внутри светил. Конечно, задача эта невероятной сложности. Но она поставлена на повестку дня наукой, и можно предполагать — будет решена.

Давайте подведем некоторые итоги. Какие же трудности испытывают астрономы на Земле под покровом атмосферы? На пути наземных наблюдений стоят четыре главных барьера. Первый — атмосфера, задерживающая большую часть спектра электромагнитных колебаний. Второй — вихри и потоки воздуха той же атмосферы, которые смазывают изображение, не позволяют использовать большое увеличение телескопов, делая детали и подробности расплывчатыми и нерезкими. Третий барьер — свет, который рассеивается в атмосфере или образуется в ней далекими молниями, уличным освещением больших городов. Этот свет покрывает фотопластинки при длительной выдержке серой вуалью, скрывая далекие и слабосветящиеся звезды и туманности. И наконец, четвертый барьер — сила тяжести. Она изгибает крупные зеркала и линзы и тем самым ставит предел размерам больших инструментов. И лишь единственный рецепт может одним махом решить эти проблемы — выведение телескопов за пределы земной атмосферы. Нужно строить внеземную обсерваторию. На орбите нет атмосферы, на орбите нет силы тяжести.

Еще сравнительно недавно, когда автору этой книжки было примерно столько же лет, сколько читателям, о постройке орбитальной астрономической обсерватории писали только в фантастических романах. А сегодня?.. Сегодня я почти убежден, что большинство из вас нисколько не удивится такому проекту. Еще бы, ведь 19 апреля 1971 года на орбиту Земли с советского космодрома был выведен космический корабль «Салют», представлявший собой как раз первую в истории человечества и космонавтики орбитальную станцию. Это был большущий космический дом — объемом с современную двухкомнатную квартиру. Около двух тысяч приборов, блоков и агрегатов было установлено в нем. Двадцать пультов управления. Этот эксперимент доказал, что долговременные орбитальные станции возможны. Сначала они будут многоцелевыми, для комплексных исследований, а потом, пожалуй, кое-кто из читателей, выбрав соответствующую профессию, доживет до времени, когда, сказав дома:

«Я в обсерваторию» — будет отправляться на космодром, чтобы улететь за пределы атмосферы...