Долгое время астрономы не имели качественного инструмента для изучения глубин Космоса. Все наблюдения осуществлялись при помощи оптических приборов. И только в прошлом веке на смену традиционной пришла радиоастрономия. Методы, порожденные научной революцией позволили открыть такие явления как естественные ускорители частиц, нерукотворные лазеры, диски аккреции вокруг черных дыр. Радиоастрономия позволила заглянуть вглубь истории Вселенной, хотя ее отцы-основатели даже не являлись астрономами. В сегодняшней статье мы рассмотрим основные этапы развития радиоастрономии и интересные открытия, сделанные при помощи радиотелескопов.
Астрономии изначально не очень повезло с предметом изучения. Например, биологи могут проводить различные анализы, препарировать и исследовать живые организмы, наблюдая их воочию. Химикам доступно проведение реакций в пробирке. Даже математикам не смотря на то, что их наука — абстракция доступен огромный инструментарий. В астрономии все сложнее. Часть объектов изучения располагаются на колоссальных расстояниях, а другие и вовсе недоступны в оптическом диапазоне. Из-за того, что астрономические объекты нельзя потрогать руками и увидеть вблизи, данная наука до ХХ века пребывала в относительном тупике. Из всех диапазонов наблюдений ученым были доступны только явления и объекты, испускающие или отражающие свет. Также не стоит забывать об ограничениях оптических приборов, которые не давали заглянуть слишком далеко. Радиоастрономия стала настоящим прорывом для ученых.
Открытие радиоастрономии
Зачастую ученые делают открытия, целенаправленно работая над достижением результата, а иногда открытия происходят случайно. Инженер Карл Янский даже и не собирался становиться основателем нового метода исследования Космоса. Тем не менее в 1939-м году американский радиотехник случайно обнаружил помехи в эфире на пятнадцатиметровых волнах. Довольно быстро Янский понял, что источник нежелательного сигнала расположен не на Земле, а идет из Космоса. Потратив на исследования около трех лет, Янский обнаружил, что помехи приходят из центра нашей Галактики.
Открытие инженера поначалу не заинтересовало ученых. Никто из них не понял, что Янский совершил прорыв в астрономии. Наблюдая объекты во Вселенной и фотографируя их, астрономы того времени не могли осознать того, что помимо видимого света, космические тела испускают еще и радиосигналы. Тем более сложно было применить это знание на практике.
Человеком, взявшимся за развитие нового направления стал Гроут Ребер. Узнав об открытии Янского, он захотел «пощупать» другие космические объекты в радиодиапазоне. С этой целью инженер построил во дворе своего дома первый радиотелескоп с диаметром антенны 9,5 метров. Прощупывая небо своей тарелкой, Ребер первым начал составлять небесные радиокарты.
Отображая радиосигналы на фотопластинах, Ребер обнаружил, что помимо Солнца на небе присутствуют еще два схожих по мощности радиоисточника — центр Галактики Млечный Путь и Кассиопея А (Остаток сверхновой звезды, расположенный на расстоянии 11000 св. лет). Если мы представим, что человек мог бы видеть не только в оптическом, но еще и в радиодиапазоне, то над нами всходило бы не одно Солнце, а целых три. Наблюдая объекты через радиотелескоп, Гроут Ребер окончательно удостоверился, что его изыскания имеют огромные перспективы в будущем.
Развитие радиоастрономии
Как это часто бывает, науку «толкает» вперед война. Вторая Мировая, приведшая к разрушениям и огромному количеству жертв внесла свою лепту в развитие радиоастрономии. Военным нужны были радары, чтобы эффективнее бороться с авиацией противника.
Новые, мощные локаторы были созданы в 1942-м году. Желая увидеть с помощью них самолеты, инженеры заметили странное явление. Небо, в котором не было ни единого самолета через сигнал с радара казалось наполненным объектами. Через некоторое время техники догадались, что такую картину дает Солнце и его излучение. Таким образом инженеры повторили опыт Ребера.
Когда война закончилась, новые технологии попали в руки ученым. Военные радары частично были отданы для нужд науки. Пионерами в изучении Космоса с помощью радиоастрономии стали такие мощные державы как: СССР, США и Британия. В 1950-м году в университетах Советского Союза стали читать лекции по радиоастрономии. В МГУ радиоастрономию преподавал сам Иосиф Шкловский, который выпустил множество талантливых и успешных астрономов со своего курса.
Первыми в «объективы» радиотелескопов попали Солнце и Луна.
В 1945-м году ученые обнаружили, что Луна излучает радиоволны. Они представляю собой тепловое излучение. Исследователи поняли, что любой объект, чья температура выше абсолютного нуля, испускает тепловые волны, которые можно уловить радиотелескопом.
Советские астрономы Виталий Гинзбург и Иосиф Шкловский пришли к выводу, что Солнце тоже излучает тепловые радиоволны, однако во время появления пятен на его поверхности, светило производит и радиоволны другой природы.
Обнаружение радиогалактик
С 1940 по 1950-й год радиоастрономы насчитали в небе несколько десятков объектов, излучающих мощные радиоволны. Изначально ученые предположили, что сигналы приходят от особых звезд, названных радиозвездами. Предполагалось, что это особые светила, которые испускают не свет, а радиоволны.
Только в 1948-м году ученые смогли отождествить космический источник радиоволн — Телец А с остатками сверхновой звезды — Крабовидной туманностью. Стало понятно, что радиоисточники в небе не особые звезды, а сверхновые и галактики определенного типа. В 1953-м году ученые связали радиоисточники Дева А, Персей А, Лебедь А и Печь А с галактик, испускающими мощные радиосигналы. Шкловскому принадлежит авторство названий этих объектов, которые он обозначил термином «радиогалактика».
К середине 50-х годов прошлого века таких объектов открыли несколько тысяч.
Естественные ускорители частиц
Узнав о существовании радиогалактик, ученые захотели выяснить: какие процессы превращают их в сильные радиоисточники. Иосиф Шкловский вплотную занялся изучением Крабовидной туманности. Ученый пришел к выводу, что излучение туманности — синхротронное. Иными словами радиоволны появляются благодаря электронам, двигающимся с огромной скоростью в магнитном поле. На Земле подобные эффекты появлялись в ускорителях частиц — синхротронах.
Сразу было понятно, что свободные электроны порождаются плазмой, а вот происхождение настолько мощных электромагнитных полей оставалось загадкой для ученых.
Ученые предложили два решения этой загадки. Согласно первой версии магнитные поля появляются при столкновениях галактик. Вторая версия предполагала, что источник электромагнитного поля находится в ядре галактики, где происходят некие, пока неизвестные явления.
Открытие излучения атомарного водорода
В 1951-м году американские ученые уловили радиоизлучение из Космоса на длине волны 21 сантиметр. Оно создавалось атомами водорода. В основе радиоизлучения водорода лежат квантовые процессы. Водород может существовать в двух состояниях: в первом из них спин электрона в атоме направлен параллельно спину ядра, во втором — наоборот. Когда атом водорода переходит из одного состояния в другое, он испускает ту самую радиоволну 21 сантиметр. Переходы между состояниями атомов водорода происходят не часто. Их периодичность составляет 11 млн. лет. К тому же атомы не должны сталкиваться, так как в этом случае энергия теряется. Благодаря тому, что в Космосе очень низкая плотность вещества, атомы водорода редко сталкиваются с чем-либо. Именно поэтому они излучают радиоволну раз в 11 миллионов лет.
Учитывая размеры Вселенной и количество водорода в ней (более 80% вещества приходится на водород), радиоастрономы могут фиксировать его излучение в любой момент времени.
В 1949 году Иосиф Шкловский вычислил, что радиоизлучение совокупной массы атомарного водорода может быть зафиксировано радиотелескопом, но коллеги не прислушались к ученому. В итоге открытие радиоизлучения водорода принадлежит американцам, а не советской науке.
Благодаря открытию излучения водорода, ученые лучше узнали нашу галактику. Было установлено, что Млечный Путь имеет спиральную форму. Была составлена первая карта галактики.
Радиоастрономия и квазары
В 60-х годах радиоастрономы вновь обнаружили объекты похожие на звезды, излучающие радиосигналы. Научная общественность вернула в обиход термин «радиозвезды».
Сопоставив наблюдения с радиотелескопов и оптических приборов, астроном Мартин Смит обнаружил, что эти объекты располагаются на колоссальных расстояниях от Земли, но тем не менее, видны в оптике как тусклые звездочки. Стало ясно, что мы имеем дело с отдаленными структурами, которые по яркости превосходят Солнце в десятки и сотни триллионов раз.
Астрофизики Игорь Новиков, Яков Зельдович и Эдвин Солпитер выдвинули гипотезу, что эти объекты являются черными дырами в центрах галактик. Имея постоянный доступ к веществу, они раскручивают его вокруг себя, образуя аккреционные диски. Двигаясь в этих потоках, материя приобретает огромную скорость и температуру, превращаясь в плазму. В плазме и возникают магнитные поля, создающие радиоволны.
Активные ядра галактик с массивной черной дырой в центре получили название - «квазары» (квазизвезды — объекты похожие на звезды, но ими не являющиеся).
Обнаружение реликтового излучения
Радиоастрономия помогла подтвердить и Теорию Большого Взрыва. Произошло это в 1964-м году. Два астронома — Арно Пензиас и Роберт Вильсон случайно нашли реликтовое излучение. Оно представляет собой поток фотонов, которые за время существования Вселенной потеряли энергию настолько, что из видимого света превратились в радиоволну. Поскольку Большой Взрыв произошел во всей Вселенной одновременно, реликтовое излучение фиксируется повсеместно, приходя из любого участка неба.
Открытие реликтового излучения (микроволнового фона) позволило ученым как будто отмотать время назад, и создать модель Вселенной в том виде, какой она была в возрасте 300000 лет с момента рождения.
Открытие естественных мазеров (радиолазеров)
В 1965-м году американец Харнольд Уивер обнаружил спектральную линию, которая не соотносилась ни с одним известным веществом. Что это такое было загадкой, поэтому астроном обозначил предполагаемое новое химическое соединение «мистериумом».
Через небольшой промежуток времени стало ясно, что мистериум — всего лишь гидроксильная молекула ОН. А необычная линия в спектре появляется засчет необычного явления. Звезда, окруженная туманностью испускает энергию, которая копится в молекулах гидроксила. Потом эта субстанция «разряжается», испуская радиоволну.
Позже были открыты природные мазеры на основе таких веществ как: вода, метанол, оксид кремния. В 1979-м году ученые обнаружили мегамазеры. Эти радиовсплески порождаются не звездой, а сверхмассивной черной дырой, которая «заряжает» энергией вещество вокруг себя.
Пульсары
В 1967-м году Джослин Белл открыла пульсары — компактные объекты с огромной массой, которые испускают в пространство сфокусированные лучи радиоизлучения. Пульсация сигналов таких объектов происходит с большой точностью, а скорость вращения пульсаров очень быстрая. Сигналы от пульсаров даже заставили многих ученых поверить в обнаружение инопланетян, однако позже природа этих объектов была объяснена.
Роль радиоастрономии в истории
За двадцать лет своего развития: с 1950-го до 1970-го годов, методами радиоастрономии были сделаны все основные открытия. Однако, это не значит, что данное направление исчерпало себя. Например, совсем недавно ученые смогли объединить несколько радиотелескопов, разбросанных по всей планете в один мощный. При помощи этого инструмента, названного «Телескопом горизонта событий», человечеству продемонстрировали тень черной дыры, окруженной аккреционным диском. Эти объекты довольно компактны, не излучают свет и находятся на довольно большом расстоянии. У оптических телескопов не было бы шансов увидеть данный объект из-за технических ограничений, присущих оптическим приборам.
Это значит, что радиоастрономия только набирает обороты. Может быть крупных открытий сделанных радиотелескопами мы больше не увидим, но в нашу эпоху приборы, улавливающие радиоволны из Космоса являются основным инструментом для исследований глубин космического пространства.
Возможно, однажды именно радиотелескоп найдет сообщение от другой разумной цивилизации. Известный астроном Владимир Сурдин считает, что контакт человечества с инопланетной цивилизацией может произойти в течение восьми лет. Если это произойдет, то главное открытие, сделанное радиоастрономией еще ждет нас впереди.