Книга Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Пекка Теерикорпи

Рис. 26.1. Карл Янский (1905–1950) со своей радиоантенной. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Рис. 26.2. Гроут Рёбер (1911–2002) провел первые наблюдения радиоисточников. Источник: NRAO/AUI/NSF.

Ученые не знали про антенну Рёбера, но для его соседей в Уитоне (шт. Иллинойс) она стала предметом изумления и пересудов. Большинство считало, что это поливальная установка, так как тарелка собирает дождь, который стекает через дырку в ее основании. Объяснения Рёбера, что он слушает радиошумы из космоса, тогда, в 1937 году, казались фантастикой. Когда Рёбер написал статью о своих открытиях в Astrophysicak Journal, один из издателей журнала сам приехал к нему, чтобы собственными глазами увидеть антенну на заднем дворе. Издателей мучили подозрения, что этот неизвестный инженер просто выдумал историю о космических радиоволнах.

Но это не было выдумкой: настало время исследовать небесные радиоволны. Во время Второй мировой войны антенные технологии сделали огромный шаг вперед, и после войны огромное количество антенн осталось без работы. Астрономы воспользовались этой возможностью, и в конце 1940-х годов родилась радиоастрономия. Кроме Янского и Рёбера нужно отметить еще Мартина Райла (19181984) из Кембриджского университета, который стал одним из первых исследователей в этой новой области науки и получил Нобелевскую премию. Астроном Ян Оорт, о котором мы уже говорили в связи с его исследованиями Галактики, также очень рано понял значение радиоволн как нового инструмента для исследования Вселенной.

Выяснилось, что интенсивность радиоизлучения примерно одинакова на различных частотах — в этом случае говорят о непрерывном спектре. Рёбер считал, что источником излучения служат электроны, которые в ионизованной среде, проходя вблизи атомных ядер, движутся по искривленной траектории. Но наблюдения не подтвердили эту идею: такое «тормозное излучение» действительно имеет непрерывный спектр, но его характерная форма и точка обрезания не соответствуют радионаблюдениям. Райл и Оорт считали, что радиоволны приходят от звезд, которые отличаются от Солнца тем, что по какой-то причине обладают очень мощным радиоизлучением; но и они ошиблись.

Загадка радиошума начала проясняться, когда Карл Кипенхойер (1910–1975) в 1950 году предположил связь между космическими лучами и радиошумами. В том же году Ханнес Альвен (Швеция) и Николаи Херлофсон (Норвегия) предположили, что причиной шума является распространение космических лучей со скоростью, близкой к скорости света. Такое синхротронное излучение наблюдается и в ускорителях частиц, где магнитные поля заставляют заряженные частицы двигаться по кругу. В космосе высокоэнергичные электроны вращаются в магнитных полях, испуская радиоизлучение; в принципе, то же самое происходит при колебании электронов в антенне радиопередатчика (рис. 26.3). Виталий Лазаревич Гинзбург (1916–2009, Нобелевская премия 2003 года) и Иосиф Самуилович Шкловский (1916–1986) были среди тех ученых, кто развил теорию синхротронного излучения.

Рис. 26.3. Электроны, обращаясь вокруг магнитных силовых линий, испускают синхротронное излучение.

Спектральные линии радиоизлучения.

В 1944 году молодой голландский студент Хенк ван де Хюлст (1918–2000) по совету Оорта занялся исследованием того, могут ли быть спектральные линии в радиоизлучении. Спектральные линии доказали свое значение в оптической астрономии, где их используют для изучения движения звезд и галактик, а также и многих других свойств этих объектов. Радиоизлучение со спектральными линиями открыло бы новое окно во Вселенную.

Ван де Хюлст обнаружил, что переход атома водорода между его двумя энергетическими уровнями может привести к излучению на длине волны около 21 см, что попадает в область радиоволн. При этом электрон не прыгает с одной орбиты на другую, а лишь чуть-чуть меняет свое положение. Как уже было сказано, у электрона есть свойство, называемое спином, которое можно представить себе как вращение вокруг оси. Ядро атома водорода — протон — тоже имеет свой спин. Спины протона и электрона могут быть параллельны или антипараллельны; в первом случае атом водорода находится в возбужденном состоянии. Когда из возбужденного состояния атом переходит в свое основное состояние, он излучает фотон, энергия которого равна энергии возбуждения. Поскольку эта энергия очень мала, соответствующая частота излучения низка (1420,4 МГц), а длина волны велика и составляет, если точно, 21,1 см (рис. 26, 4).

Рис. 26.4. Испускание излучения с длиной волны 21 см при переходе атома водорода из возбужденного состояния в основное.

Водород — самый распространенный элемент Вселенной, поэтому нет недостатка в потенциальных излучателях на радиоволне 21 см. Атомы водорода могут переходить в возбужденное состояние при взаимных столкновениях. Примерно через и млн лет это возбуждение «разряжается», и рождается квант с длиной волны 21 см. Несмотря на то что каждый атом излучает так редко, в Галактике настолько много атомов водорода, что вместе они могли бы дать мощный сигнал. Действительно, в 1951 году сигнал был обнаружен в наблюдениях, проведенных в США и Нидерландах. Источником излучения оказались холодные межзвездные облака, на существование которых раннее указывали лишь косвенные данные.

Если оптическая астрономия позволила выяснить распределение звезд в Галактике, то радиоастрономия дала возможность узнать, как распределен в пространстве другой ее важнейший компонент — межзвездный газ. Уже к 1958 году была составлена радиокарта Галактики с четкими признаками ее спиральной структуры. Эту работу проделали Ян Оорт, Фрэнк Керр (1918–2000) и Гарт Вестерхаут. В 1951 году Керр приступил к программе наблюдений южного неба в линии 21 см и начал составлять карту Магеллановых Облаков. Так впервые была зафиксирована радиолиния в спектре другой галактики.

Водород не единственный излучатель спектральных линий в радиодиапазоне. Молекула ОН, состоящая из одного атома водорода и одного атома кислорода, была обнаружена в космосе в 1963 году по ее спектральной линии 18 см. Затем в 1968 году нашли излучение молекул воды и аммиака, после чего поток новых открытий молекул в космосе уже не прекращался. В 1970-е годы по спектральным линиям ежегодно обнаруживали около пяти новых молекул, так что сейчас их число около 150. Тем временем накапливались данные о межзвездных облаках разного типа. Наиболее обильными местами обнаружения молекул в космосе являются молекулярные облака. В них при относительно высокой плотности газа и происходят сложные химические реакции. Молекулярное облако может быть весьма массивным: массивнее чем 100 000 звезд.