Есть в космосе одна частота, которую знает практически каждый радиоастроном. И это не потому что её заставляют учить в какой-то тайной астрономической школе, а потому что рано или поздно ты всё равно на неё натыкаешься. Почти как «пароль для своих». На неё настраивают телескопы, пишут научные статьи, строят целые программы наблюдений. А некоторые учёные вообще считают её универсальным каналом связи между цивилизациями. Звучит как научная фантастика, правда? Но причина на самом деле простая. Эта частота связана с самым распространённым элементом во Вселенной - водородом. Атомы водорода, плавающие в межзвёздном пространстве, испускают очень слабое, но строго определённое радиоизлучение. И со временем астрономы поняли, что этот сигнал может рассказать удивительно много о космосе. С его помощью можно увидеть холодный межзвёздный газ, проследить структуру галактик и даже изучать движение огромных облаков вещества на расстоянии тысяч световых лет. Неплохо для одного маленького атома, да?
Если сильно упростить, атом водорода это вообще минимум, который природа могла придумать. Один протон и один электрон, казалось бы, ну что там может быть интересного. Но как только мы лезем глубже, включается квантовая физика и простота заканчивается. У протона и электрона есть собственные крошечные «магнитики» - спины. Иногда они смотрят в одну сторону, иногда в противоположные. И вот между этими двумя состояниями есть совсем маленькая разница в энергии. Она очень мизерная. Настолько, что на первый взгляд вообще ни о чём. Но в квантовом мире «вообще ни о чём» это всё равно энергия, а значит она никуда просто так не исчезает. Когда атом переходит из более энергичного состояния в менее энергичное, когда эти самые «магнитики» переворачиваются относительно друг друга, он обязан отдать эту разницу наружу. И он её отдаёт в виде фотона - кванта радиоволны строго определённой длины. Очень слабого, очень редкого, но строго определённого. С длиной волны около 21 сантиметра, и частотой примерно 1420 мегагерц. Причём этот переход - событие редкое до абсурда. Отдельный атом водорода может провести миллионы лет, прежде чем наконец «решится» испустить этот крошечный радиосигнал. Серьёзно. Один переход за миллионы лет. Казалось бы всё, можно забыть, сигнал несуществующий. Но тут появляется Вселенная со своим любимым аргументом: «а если этого очень много? А водорода действительно очень много. Он везде, между звёздами, внутри галактик, в гигантских облаках, растянутых на сотни световых лет. И когда таких атомов становится очень много, даже такие редкие события начинают складываться в наблюдаемый сигнал. Не яркий, не громкий, но устойчивый. Космос буквально «светится» на этой частоте.
Самое интересное, что сначала это всё было чистой теорией. Красивая конечно, но теория. А теорию необходимо проверять. Не буду сильно углубляться в историю, не для этого вы здесь, но всё-таки небольшой экскурс будет. В 1951 году молодой американский астроном Гарольд Ивен решил попробовать эту теорию доказать. Вместе с коллегами в Гарварде он собрал небольшой радиоприёмник, настроенный именно на 1420 МГц. По современным меркам смешное устройство: простая антенна, усилитель, самодельная система регистрации. И однажды прибор начал показывать слабое, но устойчивое излучение на той самой частоте. Это был он. Тот самый сигнал. Впервые в истории астрономы напрямую обнаружили радиоизлучение межзвёздного водорода. Честно говоря, это один из тех редких случаев, когда теория не подвела вообще. Без «ну почти», без «в целом совпадает». Прямо в точку. Собственно, экскурс в историю для этого и нужен был, показать что без каких-то космических бюджетов можно совершать громкие, по сути - фундаментальные открытия. Главное «гореть» своим делом. А дальше стало понятно, что это не просто любопытный эффект, а инструмент. Причём такой, который резко расширяет нам зрение. Потому что есть одна проблема, о которой редко задумываются.
Мы привыкли смотреть на космос как на набор звёзд. Но звёзды это не всё. Большая часть видимого вещества во Вселенной это газ. Холодный, разреженный и почти невидимый в обычные телескопы. Если смотреть только в оптике, половины картины просто нет. Спросите почему? Тут снова нужен небольшой экскурс в раннюю Вселенную. После Большого взрыва именно водород оказался главным строительным материалом Вселенной. Из него формируются облака газа, из облаков - звёзды, вокруг звёзд - планеты. Но есть проблема. Большая часть этого водорода находится между звёздами и почти не излучает видимого света. В обычные оптические телескопы такие облака не видны. Вообще, просто пустота. И тут на сцену выходит радиоволна длиной 21 сантиметр, которая спокойно проходит через пыль, через газ, через всё то, что блокирует видимый свет. Благодаря этому радиоастрономы могут буквально «видеть» водород там, где обычные телескопы не показывают ровным счётом ничего. И оказывается, что галактика это не «чёрный фон и звёздочки». Это сложная структура, наполненная гигантскими облаками водорода. А теперь добавьте эффект Доплера. Если облако водорода движется к нам, частота излучения слегка повышается. Если удаляется - понижается. Эти изменения очень малы, но современные радиотелескопы способны их измерять. И из этих сдвигов астрономы собирают карты движения газа. Именно так удалось понять, что у Млечного Пути есть спиральные рукава, причём многие из них невозможно увидеть напрямую из-за пыли. Именно так изучают, как вращаются галактики. И именно здесь, кстати, всплывает история с тёмной материей, когда расчёты не сходятся с тем, что мы видим. Фактически эта линия стала одним из главных инструментов радиоастрономии, если привести аналогию - как рентген для медицины. Ты вроде бы ничего не меняешь, просто смотришь иначе. И внезапно видишь гораздо больше.
А теперь давайте представим. Допустим, где-то во Вселенной есть разумная цивилизация. Она хочет послать сигнал в космос. Какую частоту выбрать? Радиодиапазон огромен. Можно конечно ткнуть пальцем в небо, но если вы хотите, чтобы вас нашли, вы выберете не случайную. Вы выберете ту, которую другой разум обязан заметить. И здесь снова появляется линия водорода. Во-первых, водород самый распространённый элемент. Любая цивилизация, изучающая физику и астрономию, рано или поздно обнаружит его характерное излучение. Во-вторых, частота 1420 МГц находится в относительно «тихой» области радиоспектра. Здесь меньше естественных помех, чем в других диапазонах. Удобно для разговора, так сказать. И наконец, сама линия водорода это фундаментальный физический ориентир. Она определяется свойствами атома, а не культурой, языком или технологией конкретной цивилизации. Универсальная метка, понятная любому, кто изучает природу. Есть даже красивое совпадение. Рядом с этой линией находятся линии гидроксила (OH). Вместе получается что-то вроде «водяной зоны». Водород + кислород = вода. Радиоастрономы иногда называют это «water hole» - водяная яма. Как место, где логично встретиться.
Именно поэтому многие программы поиска внеземных сигналов, такие как SETI слушают область вокруг этой частоты. Радиотелескопы сканируют небо, анализируют узкополосные сигналы в диапазоне, близком к 1420 МГц и пытаются найти что-то, что отличалось бы от естественного космического излучения. Когда в 1977 году зафиксировали знаменитый Wow! сигнал, он сразу привлёк внимание именно потому, что пришёл почти на той самой частоте. Конечно, это вовсе не значит, что Wow! был посланием инопланетян. И честно говоря, скорее всего это не они. Сигнал не повторился, и это главный аргумент против. Но сам факт того, где именно он появился, сделал его легендой. Про этот сигнал я напишу в одной из следующих статей, материал итак получился объемный.