Дню Космонавтики посвящается...
Космические телескопы
Космос – это огромный мир, где постоянно что-то происходит: рождаются и умирают звезды, сталкиваются целые галактики, а где-то в далеких мирах, возможно, развивается разумная жизнь.
Чтобы изучать то, что происходит за пределами нашего понимания, нам нужны не только космические корабли, но и современные мощные телескопы.
Как говорится, «один в поле не воин». Один телескоп, увы, может решить далеко не все задачи, стоящие перед мировой наукой. При этом в мире успешно функционирует большое количество телескопов - как наземных, так и работающих в космосе. Почему бы их не объединить?
В результате такой идеи были созданы целые комплексы, объединяющие различные радиотелескопы, изучающие космическое пространство!
Для понимания всего того, что написано далее, попытаемся разобраться, чем отличается телескоп, работающий в режиме одиночного зеркала, от телескопа, работающего в режиме интерферометра.
Режим одиночного зеркала
Принцип действия большого числа радиотелескопов в режиме одиночного зеркала напоминает работу человеческого глаза или фотоаппарата. Телескоп наводится на изучаемый космический источник, и антенна телескопа собирает волны, испускаемые наблюдаемым объектом.
Вот только в отличие от фотоаппарата, далеко не любой радиотелескоп может сделать фотографию участка неба. Довольно большую часть радиотелескопов правильнее было сравнивать с фотоаппаратом, у которого на матрице есть всего один пиксель. Тогда, чтобы построить изображение, приходится сканировать источник - точка за точкой. Более современные радиотелескопы снабжены специальными матрицами, т.е. уже набором пикселей. Матричный детектор будет и у нового космического телескопа. Однако, для решения некоторых задач, которые ставят перед собой участники проекта «Миллиметрон», недостаточно иметь просто большой космический фотоаппарат.
Режим интерферометра
В этом режиме космический источник наблюдают сразу несколько телескопов. Затем измеренные потоки излучения от источника на разных телескопах обрабатывает специальный компьютер, называемый коррелятором. В результате радиоастрономы могут получить угловое разрешение (т.е. различить по отдельности два объекта, находящихся на минимальном расстоянии друг от друга) близкое к тому, которое дала бы антенна размером, равным расстоянию между отдельными телескопами. То есть, если телескопы расположены на разных континентах, эквивалентная антенна получается размером с целый континент или всё планету!
За счет использования наземных телескопов, антенна «Радиоастрона», работает так, как будто ее размер сравним с расстоянием от Земли до Луны (384 тыс. км)! Размер антенн наземных телескопов, работающих на Земле совместно с «Радиоастроном» - порядка 50-100 м.
При этом разрешение такое, что можно увидеть с Земли вишенку на Луне, если ее туда положить.
В каком режиме будет работать «Миллиметрон»
Новый космический телескоп «Миллиметрон» будет работать в двух режимах - как интерферометр и как отдельное зеркало.
Использование телескопа в космосе в режиме интерферометра позволяет достичь высоких угловых разрешений, что необходимо при изучении, например, окрестностей чёрных дыр, а режим одиночного телескопа позволяет получить большую чувствительность (некий аналог светосилы объектива фотоаппарата), что важно для изучения объектов ранней вселенной.
Задачи, стоящие перед «Миллиметроном»
В режиме одиночного зеркала «Миллиметрон» займется задачей (из перечисленных в предыдущей статье) поиска сложных органических молекул во вселенной, в режиме интерферометра – прямыми наблюдениями черных дыр и кротовых нор, а вот уж с поисками разумной жизни – тут уж как повезет, но «Миллиметрон» со своей стороны будет работать во всех направлениях.
Прямые наблюдения черной дыры
Итак, первая задача - прямые наблюдения черной дыры.
Черные дыры – одни из наиболее таинственных предсказаний Общей Теории Относительности (ОТО), предложенной Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах (больше ста лет назад!). Однако непосредственно саму чёрную дыру никто ещё не наблюдал. (Правда, в интернете появилась информация, что удалось получить снимок черной дыры, но с этим надо еще разбираться.) И если вдруг кому-то это удастся – одна из главных задач современной астрономии будет решена, а счастливчик, сделавший это (независимо от полученного результата, т.е. докажет он их существование, или опровергнет), станет обладателем Нобелевской премии!
Как можно увидеть черную дыру?
Черная дыра - это объект, который не излучает. Черные дыры окружены аккреционными (новое слово в вашем лексиконе!) дисками.
Аккреционный диск— структура, возникающая в результате падения вещества, обладающего вращательным моментом, на массивное центральное тело.
Другими словами, аккреция - это процесс увеличения массы небесного тела путём гравитационного притяжения вещества на него из окружающего пространства. На Землю аккрецируют метеориты, а на черные дыры аккрецирует материя.
Если мы с хорошим разрешением сможем разглядеть этот диск (а он – вы не поверите - похож на бублик), то увидим, что внутри между черной дырой и диском ничего нет. Там пустота. Эту пустоту называют "тенью черной дыры". Сама черная дыра поглощает свет, поэтому внутри диска мы не увидим ничего.
Несмотря на то, что существование черных дыр было предсказано уже давно, пока никто еще их не поймал. Правда, существуют косвенное доказательства их существования, например, гравитационные волны от слияния черных дыр.
Так вот, когда мы увидим эту пустоту - тень черной дыры - мы сможем с уверенностью сказать, что внутри находится тот объект, который нам нужен.
Зачем нам смотреть на черную дыру?
Мы понимаем, что черные дыры должны существовать. Но они могут быть разными. Вся наша физика упирается в фундаментальное понятие: структура пространства и времени. И чтобы понять, куда дальше развивать нашу науку, нужно посмотреть, на что похожа и как ведёт себя черная дыра.
Например, если мы хотим создать проход в другие миры (если это вообще возможно), надо изучать свойства пространства и времени. Но самый надёжный способ их изучить, это понять, как пространство и время ведёт себя вблизи черной дыры. Если мы хотим путешествовать по космосу не только на жидкостных реактивных двигателях, надо опять же изучать черные дыры.
Увы, но не все эксперименты можно поставить на Земле. И мы изучаем космос, чтобы увидеть там процессы с таким выделением энергии, которое не возможно получить в земных лабораториях. В окрестностях черной дыры энергии просто колоссальны! Скорее всего, именно здесь и кроется огромная часть новой физики. Изучая чёрные дыры, учёные, фактически, ставят эксперимент, недоступный на Земле, даже если для его реализации напрячь всю мировую экономику.
Черные дыры должны вращаться. Их раскручивает падающее извне вещество. Но, вращаясь, чёрная дыра увлекает за собой и окружающее ее пространство. Считается, что в далёком будущем из черной дыры можно будет добывать энергию именно за счет вращения пространства (но это уже тогда, когда нам перестанет хватать других источников энергии, а вот что мы будем делать, когда такоев конце концов случится – расскажу чуть позже).
С большого расстояния черная дыра выглядит как яркий объект. Но если приблизиться, то можно разглядеть детали. Это как светильник - издалека мы видим только яркое пятно, а вблизи - абажур и все остальное.
И тут плавно переходим ко второй задаче – прямые наблюдения кротовой норы.
Прямые наблюдения кротовой норы
Считается, что если на месте тени чёрной дыры, удастся разглядеть некоторое излучение, то это будет первый признак кротовой норы - топологического пространственного туннеля, связывающего удалённые области нашей Вселенной, или даже разные вселенные!
Есть определенные критерии, как отличить кротовую нору от черной дыры:
- наличие излучения, которого не было бы в случае чёрной дыры;
- размер" тени" на фоне аккреционного диска будет не таким, как в случае чёрной дыры;
- монопольное магнитное поле (!)
Что будет светить сквозь аккреционный диск?
Если черная дыра поглощает все, что на нее попадает, то кротовая нора – это, фактически, дорога в другую вселенную или в удалённую область нашей вселенной, где находятся различные космические объекты, которые, в свою очередь, излучают. И это излучение можно будет увидеть.
Размер "тени"
Кинематика движения вещества вокруг кротовой норы будет очень похожа на кинематику движения вокруг черной дыры. Разница только в размере "тени" - у кротовой норы она больше (как утверждают сами астрофизики – он будет больше в два раза, но ведь все в мире относительно).
Монопольное магнитное поле
В природе не существует магнитных монополей, но если вдруг мы обнаружим признаки такого поля вблизи объекта, похожего на чёрную дыру, то весьма вероятно, что один его полюс находится в нашей вселенной, а другой – уже в другой вселенной. А между двумя полюсами будет находиться не что иное, как кротовая нора – тоннель из одной вселенной в другую!
А мы переходим к третьей задаче – поиск пребиотиков во вселенной.
Поиск предбиологических молекул во вселенной
Сразу возникает вопрос: зачем нам их искать?
Ответ простой: обнаружение этих веществ в межзвёздной среде будет указанием на то, что в космосе существуют универсальные условия для их возникновения. Это если и не ответит на вопрос "одиноки ли мы во вселенной", то даст подсказки для решения столь сложной космической головоломки.
А пока у нас остаются вопросы и про механизм возникновения жизни на Земле.
Где появилась жизнь?
Есть несколько предположений по поводу появления жизни:
- жизнь появилась на планете Земля;
- жизнь появилась на какой-то другой планете и была занесена на Землю с метеоритами и кометами; вот только как она появилась там?
- жизнь появляется ещё в протозвездных комплексах, т.е. в космосе, а потом распространяется, куда может дотянуться, в частности, была занесена на Землю.
Любая пылинка в космосе работает как химическая лаборатория в миниатюре. Она притягивает к себе молекулы. Генерация новых более сложных органических молекул происходит очень быстро. Если это так, то не исключено, что первые РНК и ДНК могли появиться именно в космосе.
Если говорить о возникновение жизни на Земле, то время, которое чисто статистически нужно для того, чтобы из элементарной молекулы сложилось первое РНК, оказывается сильно больше возраста Земли. Это значит, что, либо мы выиграли один шанс на миллион, но при таком раскладе - это очень маловероятное событие. Либо мы не совсем понимаем механизм, запустивший биогенез на нашей планете. Но, возможно, что РНК возникло где-то в космосе, и просто попало на Землю уже в готовом виде. И если молекулы РНК образуются ещё на стадии рождения звёзд, "Миллиметрон" будет способен их отыскать.
Некоторые геологические свидетельства показывают, что жизнь на Земле появилась очень быстро. И поиски процесса, создавшего всю биосферу и нас самих, ещё продолжаются.
А теперь переходим к последней, самой фантастической задаче – поискам разумной жизни во вселенной.
Поиск разумной жизни во вселенной
Нам неизвестна ни одна космическая цивилизация. Но, возможно, об их наличие в нашей галактике можно судить по косвенным признакам.
Сферы Дайсона
Принято считать, что каждая технологическая цивилизация постоянно испытывает рост потребностей в энергии.
Еще в 1964 советский радиоастроном Николай Кардашёв придумал шкалу, описывающие три типа цивилизации на основе потребляемой энергии.
Цивилизация, которая полностью осваивает энергию планеты (как раз наша цивилизация приближается к этому типу), называется цивилизацией первого типа. Когда, условно говоря, вся нефть будет выкачана, но при этом потребности будут расти, кто для нас станет ближайшим источником энергии? Правильно, наша звезда - Солнце. И тогда человечество начнет активно осваивать Солнечную систему. Считается, что цивилизация в процессе освоения энергии звезды, будет строить вокруг нее сферу, поглощающую и перерабатывающую поток энергии светила. Это астроинженерное сооружение называется "Сфера Дайсона" в честь американского физика Фримена Дайсона, впервые озвучившего эту концепцию. Это уже будет цивилизация второго типа. Наконец, когда энергетических запасов уже всей нашей звезды перестанет хватать, а жить и развиваться как-то надо, человечество может начать осваивать Галактику. В ней примерно 200 млрд. звёзд - 200 млрд. потенциальных источников энергии. Цивилизация, которая освоит уже всю галактику - это цивилизация третьего типа.
Обнаружение объекта, похожего по свойствам на Сферу Дайсона, станет одним из критериев наличия там развитой технической цивилизации. Ведь такая сфера излучает в основном в инфракрасном диапазоне, так что это задача вполне по силам новому космическому телескопу.
Большое спасибо за посвящение в тайны Вселенной сотрудникам Астрокосмического Центра ФИАНа:
Алексей Рудницкий — Научный сотрудник, заведующий лабораторией баллистического обеспечения космических аппаратов, помощник по вопросам международного сотрудничества;
Андрей Андрианов - Научный сотрудник, заведующий лабораторией математических методов обработки отдела обработки астрофизических наблюдений;
Вячеслав Авдеев - Младший научный сотрудник отдела обработки астрофизических наблюдений;
Михаил Щуров — Инженер 1-ой категории лаборатории баллистического обеспечения космических аппаратов;
Сергей Лихачёв - Заместитель руководителя Астрокосмического Центра ФИАНа, Соруководитель научной программы «Миллиметрон».
Оригинал здесь.
