Экран размером в тысячи километров

Астрономы по праву гордятся тем, что в их руках находятся самые крупные (и очень дорогие!) научные приборы — оптические телескопы диаметром 10 м, радиотелескопы диаметром в сотни метров, межконтинентальные радиоинтерферометры с базой, длина которой равна расстоянию от Крыма до Австралии! Кажется, не было крупнее астрономических приборов в истории человечества. Но это не так. Еще древние астрономы использовали для наблюдения солнечной короны «прибор» размером почти 3500 км. Речь идет, конечно, о Луне, которая во время полных солнечных затмений аккуратно закрывает сияющий диск нашей звезды, предоставляя ученым возможность исследовать солнечную хромосферу и корону. Особенно ценно то, что диск Луны имеет тот же угловой размер, что и фотосферный диск Солнца. Луна как будто специально изготовлена для помощи астрономам в изучении Солнца. Сколько сил и изобретательности было затрачено на создание внезатменного коронографа! Прибор работает, но пока ему трудно конкурировать с естественным коронографом — Луной, и астрономы по-прежнему с нетерпением ждут солнечных затмений. До сих пор с поверхности Земли благодаря Луне удается получать изумительные снимки солнечной короны (рис. 5.1), превосходящие по качеству даже те, которые получены дорогостоящими космическими обсерваториями (см. рис. 4.24).

Рис. 5.1. Солнечная корона, наблюдавшаяся с территории Монголии во время затмения 1 августа 2008 г. Изображение создано путем объединения 55 кадров, снятых с разными экспозициями: от 1/125 до 8 секунд. Солнце и Луна располагаются на фоне созвездия Рак. Фото: M. Druckmüller, P. Aniol, V. Rušin.

Неоценимы в астрономических исследованиях покрытия Луной различных объектов малого углового размера. Астрономы умеют очень точно измерять яркость тусклых источников света — астероидов, звезд, галактик, но земная атмосфера препятствует исследованию тонкой структуры этих источников. Край лунного диска, последовательно закрывая от наблюдателя (или открывая) части изучаемого объекта, позволяет измерить распределение яркости по поверхности объекта, то есть получить его изображение. Луна движется по орбите со скоростью около 1 км/с. Для наблюдателя на Земле край лунного диска на фоне неба движется с угловой скоростью от 0,3″ до 0,5″ в секунду, в зависимости от географической широты наблюдателя и высоты Луны над горизонтом. Современный телескоп с электронным приемником света способен тысячи раз в секунду фиксировать световой поток от объекта 5^m. Значит, угловое разрешение системы «телескоп — Луна» составляет примерно 0,001″, то есть в сотни раз лучше, чем у телескопа «без Луны», и даже лучше, чем у телескопа с дорогостоящей системой адаптивной оптики.

Рис. 5.2. Момент контакта во время покрытия Венеры диском Луны. Фото: Philippe Tosi.

Методом лунных покрытий определяют диаметры астероидов, планет и звезд, открывают и исследуют тесные двойные звезды и даже изучают распределение яркости на дисках некоторых звезд. Сейчас этот метод очень популярен и доступен даже любителям астрономии³. Правда, такие наблюдения возможны лишь в тех местах на небе, где бывает Луна: для земного наблюдателя — в полосе шириной около 12° вдоль эклиптики.

У метода лунных покрытий есть и недостатки. Во-первых, дифракция света на краю лунного диска приводит к искривлению световых лучей. Даже точечный источник, когда на него надвигается лунный диск, исчезает не сразу, а предварительно испытав несколько возрастающих по амплитуде колебаний яркости. Исключают эти эффекты математическими методами, сравнивая с наблюдаемой картиной изменения яркости кривые, рассчитанные для источников различного углового диаметра.

Второй недостаток данного метода в том, что одно лунное покрытие — это всего лишь один «скан», дающий одномерное распределение яркости источника. Но если наблюдать несколько покрытий одного и того же источника, то можно получить набор одномерных профилей яркости с разными углами сканирования. Дело в том, что Луна

движется очень сложно и никогда не повторяет в точности своего пути. По этому набору сканов несложно восстановить двумерную картину распределения яркости.

Покрытия Луной используются для исследований не только в оптическом диапазоне: чрезвычайно широкое применение в свое время нашел этот метод в рентгеновской астрономии, приборы которой поначалу обладали очень низким угловым разрешением. В 1963 г. рентгеновские детекторы имели угловое разрешение несколько градусов, поэтому московский астрофизик И.С. Шкловский предложил исследовать рентгеновский источник в созвездии Телец в то время, когда его постепенно закрывала Луна. Эксперимент был проведен: в результате источник отождествили с Крабовидной туманностью и определили его размер — около 1′, что было в сотни раз меньше разрешающей способности рентгеновского детектора.

Особенно тесно рентгеновские источники расположены на небе в направлении галактического центра. К счастью, через этот район время от времени проходит Луна. В 1971 г. в ходе ракетного эксперимента удалось определить координаты близкого к галактическому центру рентгеновского источника GX3+1 с точностью 25″×1″. Рентгеновским телескопам такая точность стала доступна лишь в конце 1970-х гг.

А еще раньше, в 1950-е гг., аналогичная ситуация сложилась в радиоастрономии. В то время радиотелескопы в метровом диапазоне имели угловое разрешение около 10°. Поэтому радиоастрономы часто использовали методы лунных покрытий для определения точных координат источников. В наше время на радиоинтерферометрах достигнута фантастическая разрешающая способность — 0,0001″, но Луна по-прежнему остается в арсенале радиоастрономов. Например, в последние годы при наблюдении радиоизлучения межзвездных молекул метод лунных покрытий позволил детально исследовать ядро нашей Галактики.

Рис. 5.3. Кривые блеска звезды IRC+00233 на длинах волн 2 и 4 микрона в момент ее покрытия Луной. Крестики — данные наблюдений. Сплошная кривая — теоретическая модель для звезды углового размера 0,0045″. Колебания блеска вызваны эффектом дифракции света на краю лунного диска: чем меньше угловой размер звезды, тем сильнее дифракционные колебания блеска. Из работы P.M. Harvey, A. Oldag (Техасский университет), 2007 г.

Начиная с 1973 г. Луна стала выступать в новой роли: американский радиоастрономический спутник «Эксплорер-49», выйдя на окололунную орбиту, развернул 230-метровые антенны и приступил к исследованию низкочастотного радиоизлучения Солнца, Юпитера и других объектов, закрываясь с помощью Луны от радиошумов земного происхождения. Заметим, что при наблюдении с борта искусственных спутников Земли и Луны метод лунных покрытий удается распространить практически на все небо. Первый опыт работы в радиотени Луны оказался удачным, и теперь радиоастрономы готовятся к созданию постоянной обсерватории на обратной стороне Луны. Впрочем, я опасаюсь, что пока эта обсерватория будет создана, наши музыкальные радиостанции доберутся и до обратной стороны Луны.

Итак, Луна отлично исполняет роль заслонки. А на что еще она годится? В следующем разделе мы узнаем, что Луна — подходящая мишень для нейтрино; вполне вероятно, что скоро она будет использована в этом амплуа. А недавно у нее появилась еще одна роль: Луну можно использовать как зеркало. Мы не имеем в виду любительскую радиосвязь «через Луну», когда принимаются отраженные от нее радиоволны: это интересно, но не имеет отношения к планетам. Астрономы стали использовать Луну в роли зеркала следующим образом: во время лунных затмений на поверхность Луны попадает солнечный свет, прошедший сквозь земную атмосферу, затем он частично отражается от Луны, и астрономы на Земле могут его наблюдать. Яркость Луны во время затмения показывает, насколько прозрачна атмосфера Земли, велика ли в ней облачность; цвет лунной поверхности говорит о степени запыленности нашей атмосферы.

А совсем недавно лунное затмение позволило взглянуть на Землю как на экзопланету. Испанские астрофизики (E. Palle и др.) опубликовали результаты любопытной работы, которые увеличивают шанс успешного поиска внесолнечных планет с органической жизнью. Наблюдая частное лунное затмение 16 августа 2008 г., они получили спектр солнечного излучения, прошедший через атмосферу Земли и отраженный от Луны. В нем без особого труда обнаружились линии молекулярного кислорода, озона, водяного пара, метана и углекислого газа. Эти биомаркеры в своей совокупности однозначно свидетельствуют о наличии жизни на Земле. Такие же наблюдения за экзопланетами можно проводить в период их прохождения на фоне их звезды.

Рис. 5.4. Частное лунное затмение 16 августа 2008 г. Вверху слева: схема прохождения Луны через полутень и тень Земли. Указано всемирное время (UT). Справа: фото Луны в максимальной фазе затмения (21:10 UT). Внизу: схема (не в масштабе) прохождения солнечных лучей сквозь атмосферу Земли к Луне и отражения обратно к Земле.

Еще одно неожиданное использование Луны как зеркала произошло в области гамма-астрономии. В последние годы астрофизики интенсивно исследуют короткие гамма-всплески, источниками которых, по-видимому, служат самые удивительные космические объекты — нейтронные звезды, взрывы сверхновых и, возможно, что-то еще неизвестное. Аппаратура для регистрации гамма-лучей устанавливается на космических обсерваториях, поскольку сквозь земную атмосферу эти лучи не проходят. У каждого гамма-детектора есть определенный динамический диапазон: очень слабых вспышек он не замечает, а от слишком сильных его зашкаливает. Именно такая сверхсильная вспышка наблюдалась 27 декабря 2004 г. от источника SGR 1806—20, по-видимому, связанного с нейтронной звездой-магнитаром. Вспышку зафиксировали многие спутники, имеющие соответствующую аппаратуру, но измерить параметры самой яркой ее фазы не смогли, поскольку приборы «ослепли» от слишком сильного потока гамма-лучей. В это время российский спутник «Коронас-Ф» с гамма-спектрометром на борту оказался в тени Земли, и вспышка его не ослепила, но через несколько секунд он зафиксировал ослабленное эхо этой вспышки: лучи отразились от Луны! Их потока оказалось достаточно для измерений. Прав был Козьма Прутков: Луна полезнее Солнца!