В каждой шутке есть доля правды.
9. Незримый свет
Как странника приветствуй то, что странно.
Горацио, – на небе и земле
Есть многое, что и не снилось даже Науке.
До 1800 года слово «свет» означало исключительно видимый свет (помимо своего второго значения «мир»). Однако в начале 1800 года английский астроном Уильям Гершель заметил тепло, которое мог вызвать лишь свет, невидимый человеческому глазу. Гершель был опытный экспериментатор – это он открыл планету Уран в 1781 году, а теперь исследовал соотношение между солнечным светом, цветом и теплом.
Начал он с того, что пропустил солнечный луч сквозь призму. В этом не было ничего нового. Это проделывал еще сэр Исаак Ньютон в XVII веке, что и позволило ему перечислить всем известные семь цветов спектра – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый (да-да, «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Однако Гершель копнул еще глубже и задался вопросом, какова температура каждого цвета. Он поставил термометры в разные участки радуги – и оказалось, что, как он и ожидал, в полосах разного цвета термометры показывали разную температуру. (Надо отметить, что астрономы окончательно превратились в астрофизиков лишь в середине XIX века, когда спектрометр – орудие физика – начали применять для решения астрономических задач. А в 1895 году был основан престижный журнал «The Astrophysical Journal», подзаголовок которого гласил: «Международный обзор спектроскопии и астрономической физики».)
Уильям Гершель
Чтобы эксперимент был качественным, необходим «контроль», то есть измерение, при котором не ожидаешь пронаблюдать никакого эффекта, своего рода проверка того, что ты измеряешь, на «дуракоустойчивость». Скажем, если вы хотите узнать, как влияет пиво на тюльпаны, нужно вырастить второй тюльпан, точно такой же, как первый, но поливать его не пивом, а водой. Если оба засохнут – если вы убьете обоих – алкоголь тут ни при чем. Вот для чего нужна контрольная группа.
Гершель это знал и положил термометр вне спектра, рядом с красной полосой: казалось бы, там должна быть просто комнатная температура. Однако все оказалось иначе. Температура на контрольном термометре поднялась даже выше, чем в красной полосе.
Гершель писал:
Я делаю вывод, что и красный свет не дает максимального тепла; возможно, максимум лежит за пределами видимой рефракции. В таком случае излучаемое тепло должно по крайней мере отчасти, если не полностью, состоять – да будет мне позволено так выразиться – из незримого света; а следовательно, из лучей, исходящих от Солнца, но наделенных таким импульсом, что они уже не видимы глазу[2].
С ума сойти!
Гершель непреднамеренно открыл инфракрасный свет – совершенно новую часть спектра «ниже» (именно это значит латинская приставка «инфра») красного, о чем и сказано в первой из четырех его статей на эту тему.
Открытие Гершеля для астрономии – все равно что открытие Антони ван Левенгука, который увидел «множество очень маленьких живых зверюшек, премило суетящихся» в капельке озерной воды (о чем и написал в Лондонское Королевское общество 10 октября 1676 года). Левенгук открыл одноклеточные организмы – биологическую Вселенную. Гершель – новый диапазон света.
И то, и другое пряталось от невооруженного глаза.
Идеи Гершеля тут же подхватили другие исследователи. В 1801 году немецкий физик и фармацевт Иоганн Вильгельм Риттер открыл еще один диапазон невидимого света. Однако Риттер вместо термометра поместил по щепотке светочувствительного хлорида серебра в каждую полосу видимого спектра, а также в темную область возле фиолетового конца спектра. И, конечно, хлорид серебра в неосвещенной полосе потемнел сильнее, чем в фиолетовой.
А что следует за фиолетовым? Правильно – ультрафиолет, от латинского «ультра» – «дальше».
Если заполнить весь электромагнитный спектр от низкой энергии и низкой частоты до высокой энергии и высокой частоты, получится, что у нас есть радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый спектр (цвета радуги), ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и гамма-излучение. Современная цивилизация ловко нашла применение каждому из диапазонов и в быту, и в промышленности, так что теперь все они прекрасно нам знакомы.
Даже после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучения способы изучать небо изменились не сразу. Первый телескоп для наблюдения невидимой части электромагнитного спектра построили лишь через 130 лет. К тому времени уже давно открыли и радиоволны, и рентгеновское излучение, и гамма-излучение, а немецкий физик Генрих Герц уже давно показал, что разные виды света отличаются на самом деле лишь частотой волны в каждой из полос спектра. Более того, именно Герц первым понял, что на свете есть электромагнитный спектр. В его честь была названа единица частоты Герц – количество волн в секунду – описывающая любые вибрации, в том числе и звук.
Непонятно почему, но астрофизики, узнав, что существуют невидимые диапазоны света, далеко не сразу сообразили, что можно построить телескоп, чтобы наблюдать этот свет от космических источников. Свою роль, конечно, сыграло и то, что долго не могли придумать соответствующие детекторы. Однако отчасти, возможно, все объясняется человеческой заносчивостью: как это Вселенная посылает нам свет, который не видят наши дивные глаза? Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы. Телескоп – лишь инструмент, восполняющий недостатки наших органов чувств и позволяющий лучше познакомиться с далекими областями. Чем больше телескоп, тем более тусклые объекты можно в него разглядеть; чем лучше форма его зеркал, тем четче изображение; чем чувствительнее детекторы, тем плодотворнее наблюдения. Однако во всех случаях вся информация, которую дает телескоп астрофизику, прибывает на Землю на луче света.
Более трехсот лет – со времен Галилея до Эдвина Хаббла – телескопы создавались с одной-единственной целью: получить инструмент для улавливания видимого света, усиливающий зрение, которым мы наделены от природы.
Однако небесные события не считаются с удобствами человеческой сетчатки. Напротив, они, как правило, испускают одновременно разное количество света в разных диапазонах. Так что без телескопов с детекторами, настроенными на весь спектр, астрофизики пребывали бы в блаженном неведении о некоторых феерических космических явлениях.
Возьмем, к примеру, взрывающуюся звезду – сверхновую. Это достаточно распространенное во Вселенной высокоэнергичное событие, сопровождающееся обильным выбросом рентгеновского излучения. Иногда такие взрывы сопровождаются вспышками гамма-лучей и ультрафиолета, да и видимого света сверхновая дает в изобилии.
Взорвавшийся газ успевает давно остыть, ударные волны рассеиваются, видимый свет тускнеет, а компактный «остаток» сверхновой продолжает светиться в инфракрасном диапазоне и испускать радиоимпульсы. Вот откуда берутся пульсары – самые надежные хронометры во Вселенной.
Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа. Хотя никто на Земле не наблюдал незримых рентгеновских или гамма-лучей от последних двух фейерверков, которые сверхновые устроили на территории нашей Галактики – в 1572 и 1604 годах, – есть много свидетельств об их невероятном видимом свете.
Диапазон длин волн (или частот), составляющий каждую полосу спектра света, сильно влияет на конструкцию устройств, которые его регистрируют. Вот почему невозможно подобрать такое сочетание телескопа с детектором, которое одновременно уловило бы все особенности подобных взрывов. Однако обойти эту проблему несложно: соберите все наблюдения интересующего вас объекта (можно позаимствовать результаты у коллег) во всех диапазонах света. А потом поставьте в соответствие интересующим вас невидимым полосам спектра видимые цвета и создайте одно мета-изображение, охватывающее все полосы. Именно это видит Джорди Ла Форж из телесериала «Звездный путь: Следующее поколение». Расширив таким образом диапазон своего зрения, вы ничего не упустите.
Большинство взрывов сверхновых происходят в далеких галактиках, но если бы взорвалась какая-нибудь звезда в пределах Млечного Пути, ее агония сопровождалась бы таким ярким светом, что все увидели бы ее даже без телескопа.
Сначала нужно определить, какая именно полоса вызывает вашу астрофизическую симпатию, и уже потом можно начинать думать о размерах зеркала, о том, из каких материалов его делать, о том, какой оно должно быть формы и с какой поверхностью, и о том, какой понадобится датчик. Например, волна рентгеновского излучения очень короткая. Поэтому, чтобы уловить его, нужно супергладкое зеркало, иначе его дефекты исказят картину. Но если нужно уловить длинные радиоволны, зеркало можно сделать хоть из проволочной сетки, согнув ее вручную, поскольку дефекты сетки будут гораздо меньше длин волн, которые вас интересуют. Разумеется, вам нужно увидеть все детали вашего объекта, то есть наблюдать его с высоким пространственным разрешением, так что зеркало должно быть как можно больше – насколько вы можете себе позволить. Наконец, ваш телескоп должен быть гораздо больше длины волны света, который вы собираетесь уловить. Это особенно заметно, когда речь идет о радиотелескопах.
Радиотелескопы, первые в истории телескопы для наблюдения невидимого света, – диковинный подвид обсерваторий. Первый действующий радиотелескоп создал американский инженер Карл Янский в 1929–1930 годах. Это устройство немного напоминало передвижной ороситель для автоматизированного полива. Оно держалось на высоких прямоугольных металлических подпорках, скрепленных деревянными перекрестьями и снабженных лесами, и вертелось на месте, как карусель на колесиках. Янский использовал и запасные части от недорогого автомобиля «Жестяная Лиззи», он же «Форд-Т». Свою тридцатиметровую конструкцию Янский настроил на длину волны около 15 метров, что соответствует частоте 20,5 мегагерц. (Все волны подчиняются простой формуле: скорость = частота × длина волны. Если при постоянной скорости увеличиваешь длину волны, частота волны снизится – и наоборот, так что при умножении этих двух величин скорость всегда получается одна и та же. Этот закон справедлив для света, звука и даже фанатов на стадионах, делающих «волну», в общем,