Помоги проекту - поделись книгой:
В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики разлетаются от центра; стало быть, Вселенная — это не стационарный, а эволюционирующий объект. Вычисления Хаббла заложили основу современной теории Большого взрыва. Иначе ее еще называют стандартной моделью. Согласно этой модели, наша Вселенная возникла чуть менее 14 млрд. лет тому назад в результате спонтанного взрыва (его причину еще предстоит отыскать) невообразимо плотной материи, которая была сконцентрирована в точке размером с булавочную головку. Эта точка при взрыве выбросила огромное количество энергии, а также материи, из которой затем и образовались все галактики, звезды, планеты и другие небесные тела. Этот же момент стал и началом отсчета времени, поскольку до него классические законы попросту не действовали.
Своеобразным «эхом» Большого взрыва и является то самое фоновое, или реликтовое, излучение, о котором говорилось выше. Наличие такого излучения теоретически предсказал еще в 1948 году российский ученый Георгий Гамов, уехавший на Запад. Экспериментально оно было обнаружено Арно Пензиасом в 1965 году, за что 13 лет спустя он вместе с коллегой Робертом Вильсоном получил Нобелевскую премию.
В то время речь шла лишь об изотропном, то есть одинаковом во всех направлениях, излучении. Однако теоретики полагали, что после Большого взрыва должна была иметь место и анизотропия, то есть неоднородность, излучения. Только так можно объяснить, почему во Вселенной образовались те сгустки материи, из которых в конце концов сконденсировались все современные небесные тела.
С целью экспериментального подтверждения выводов теоретиков и был затеян эксперимент СОВЕ (
Началась работа в 1974 году. Однако реализовать проект удалось лишь 15 лет спустя; спутник СОВЕ был запущен 18 ноября 1989 года.
«Затем мы 4 года получали со спутника информацию и накапливали ее массив, — говорит Мейзер. — После этого еще несколько лет анализировали полученную информацию, пока, наконец, смогли предъявить первые результаты»…
Впрочем, задержка с запуском имела и положительный аспект, отмечает лауреат. За это время были значительно усовершенствованы измерительные приборы, что в конечном итоге и привело к победе.
Наиболее важными были две группы приборов. Дифференциальные микроволновые радиометры, настроенные на три разные частоты, были предназначены для обнаружения анизотропии — пространственной неравномерности распределения температуры реликтового излучения. За эту часть оборудования и измерений отвечал Джордж Смут. А вот высокоточное измерение реликтового излучения с помощью спектрофотометра курировал Джон Мейзер. Он же осуществлял общее руководство проектом.
«В итоге мы заглянули в то время, когда Вселенной было 300–400 тысяч лет, — говорит Дж. Смут. — Казалось бы, и это солидный срок. Однако вспомните, общий возраст Вселенной составляет почти 14 млрд. лет. Так что если провести аналогию с возрастом человека, то получается, что исследователи смогли зафиксировать развитие эмбриона на самом начальном этапе его развития.
Но зачем нужен был дорогой проект, обошедшийся в десятки миллионов долларов? Не проще ли (и дешевле) было измерять реликтовое излучение прямо с Земли? Ведь оно, как уже отмечалось, вездесуще…
По словам профессора Мейзера, вести точные наблюдения с Земли очень сложно. Атмосфера поглощает некоторую часть космического излучения, а взамен него генерирует свое собственное. Кроме того, как сказано, существует множество помех чисто земного происхождения. Все это весьма затрудняет наблюдения, так что просто необходимо было выйти в космос.
Проблема затруднялась еще тем, что теоретики не могли предсказать хотя бы порядок величины отклонений, которые предстояло зафиксировать. Сначала речь шла о процентах, затем о десятых долях процента, наконец, о сотых… На самом деле, как оказалось, изменения эти не превышают десятитысячных долей процента. Так что будь приборы чуть грубее, никакого открытия не было бы…
Кроме того, в 1992 году впервые было доказано, что спектр фонового излучения совпадает с излучением так называемого абсолютно черного тела. А этот спектр характерен тем, что распределение энергии излучения зависит исключительно от температуры.
Заодно выяснилось, что на ранних стадиях температура Вселенной составляла около 3000 градусов Цельсия. С тех пор Вселенная остыла. Измеряемая в наши дни величина всего на 2,7 градуса превышает абсолютный нуль.
Джон Мейзер полагает, что этот факт действительно говорит о том, что излучение является эхом Большого взрыва: «Иначе невозможно объяснить точное соответствие измеренного нами спектра со спектром идеального черного тела».
Правда, некоторые ученые попытались найти и иные объяснения этому факту. Но пока ничего вразумительного предложить не смогли. А если найдут — это, на верное, будет основанием для присуждения очередной Нобелевской премии. Ведь тогда теоретикам придется изобретать и новый вариант образования Вселенной.
А ГДЕ ЖЕ НАШИ?
Говорят, в списке нобелевских лауреатов могли бы появиться и русские фамилии, если бы не некоторые «но»… Дело в том, что в 1983 году в СССР был запущен спутник «Прогноз-9» (см. рисунок).
Он удалился от Земли на расстояние 700 тыс. км — далеко за орбиту Луны — и там, на просторе, обнаружил первые проявления анизотропии. Полученные данные были обработаны и в январе 1992 года доложены в Астрономическом институте имени Штернберга. Затем статьи об открытии анизотропии, подписанные Игорем Струковым, Дмитрием Скулачевым, Андреем Брюхановым и Михаилом Сажиным, прошли в «Письмах в Астрономический журнал» АН СССР, а также в английском
Российские ученые хотели отыграться и опередили американских коллег на шесть лет, запустив весной 1983 года спутник «Прогноз-9». По словам Дмитрия Скулачева, одного из авторов проекта, он начал передавать весьма интересные данные, но в феврале 1984 года упал на Луну и прекратил свое существование. Запуску следующего спутника помешала перестройка. И постепенно о российских ученых, которые перестали участвовать в научной гонке, забыли.
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Зеркала для звезд
В огромном спортивном зале стадиона Университета Аризоны (г. Туссон, США) временно размещена установка, сконструированная Роджером Ангелом. С виду это настоящая «летающая тарелка».
«Это поблескивающее огнями, величественное сооружение 9 метров в диаметре и около 3 метров в вы соту, которое вращается с частотой в пять оборотов в минуту, опутано черными кабелями, трубопроводами, стальными балками и в самом деле похоже на иноземный корабль, — соглашается доктор Ангел, худощавый седовласый астроном, возглавляющий Лабораторию зеркал Обсерватории Стюарта. — Однако назначение этого агрегата совершенно иное. Внутри массивного цилиндра в специальной ванне до поры до времени томятся 16 тонн расплавленной стеклянной массы, нагретой до 1150°C. Оранжевый расплав станет основой зеркала для самого большого телескопа в мире»…
Как только стеклянная масса будет полностью готова, ее по платиновым трубопроводам (к этому драгметаллу стекло прилипает меньше всего) отправят в форму, которая будет в тот момент стремительно вращаться, с тем чтобы центростремительные силы заставили поверхность стекла принять близкую к идеалу параболическую форму. Именно такая форма — диск с параболической поверхностью 8,5 метра в диаметре — и есть наиболее подходящая форма для зеркала, которое должно фокусировать свет звезд, отстоящих от нас на десятки миллиардов световых лет. С помощью этого зеркала астрономы надеются наконец-таки увидеть край Вселенной, а точнее, тот момент, когда она была рождена в результате Большого взрыва.
Ведь телескопы, если хотите, — это своего рода машины времени. Улавливая свет звезд, которые идут к нам в течение многих миллиардов световых лет, они как бы переносят нас в те далекие времена, показывают мир, каким он был при рождении Вселенной.
«Зеркало, стекло для которого варится в Туссоне, всего лишь одно из семи, которые составят основу нового телескопа «Магеллан», — продолжает рассказ доктор Роджер Ангел.
Он вот уже 20 лет работает над осуществлением этого проекта. И как пояснил ученый, со времен Галилея астрономы, их помощники делали линзы и стекла своих телескопов цельнолитыми. Причем если сам Галилей, в ту пору профессор Падуанского университета, в 1608 году собственноручно соорудил телескоп-рефрактор, который по существу представляет собой подзорную трубу, дававшую увеличение всего в 3 раза, то его последователи добились большего. Телескопы во всем мире начали интенсивно «расти», линзы становились все больше диаметром. Тому было несколько причин.
Как показали исследования, разрешающая сила телескопа во многом определяется диаметром его объектива, другими словами, увеличение телескопа тем больше, чем больше его передняя линза. А линза значительных размеров собирает и больше света, значит, можно увидеть слабые и далекие звезды.
Однако с увеличением размеров линз, как правило, возрастают и свойственные им недостатки. Так, лучи света, собираемые линзой, перестают сходиться в одной точке, в фокусе. Изображение из-за этого получается размытым, а также окрашенным. Зачастую в стекле линзы оказываются пузырьки воздуха, само стекло получается неоднородным. Сложнее придать большой линзе и необходимую форму.
Все это, в конце концов, привело к тому, что ученые предпочли линзовым телескопам-рефракторам зеркальные телескопы-рефлекторы. Ведь световые лучи можно собирать в точку не только линзой, но и вогнутым зеркалом. Материал зеркала может быть и не таким уж одно родным: ведь лучи света не проходят сквозь него, зеркальную пленку наносят непосредственно на поверхность.
Михаил Ломоносов, Исаак Ньютон и другие ученые работали уже над совершенствованием зеркальных телескопов. Это, в конце концов, привело к тому, что в наши дни рефлекторы имеют значительный перевес над рефракторами. Если построенный в начале XX века крупнейший в мире Йоркский рефрактор имеет диаметр объектива около 1 м, то диаметр главного зеркала самого большого в нашей стране рефлектора БТА, установленного на Кавказе, в 6 раз больше.
Но и здесь есть свой предел. Дело в том, что трудности изготовления как линз, так и зеркал растут вместо с ними, причем, пожалуй, даже в геометрической прогрессии. Например, известный английский астроном Уильям Гершель, лично изготовлявший зеркала для своих инструментов, однажды чуть ли не сутки не отходил от полировального станка, доводя поверхность зеркала до возможно лучшего качества.
Но Гершель все же работал в собственной мастерской, у себя дома. А вот для изготовления зеркала для БТА на Лыткаринском заводе оптического стекла пришлось построить специальный цех с двойными стенами для лучшей теплоизоляции. Заготовку зеркала охлаждали там более двух лет. Еще свыше года заняла полировка и шлифовка, которую выполняли лучшие мастера страны с помощью уникального, специально для этой цели созданного оборудования, потратив на шлифовку свыше 7000 каратов алмазного порошка. И все-таки зеркало надлежащего качества получилось лишь с четвертого раза. А весит оно, между прочим, свыше 40 т, так что вполне может треснуть под собственной тяжестью.
Чтобы этого не случилось на практике, под зеркало подкладывают специальную опору-«подушку», тоже изготовляемую по специальной технологии. А в итоге каждый инструмент получается уникальным, стоит огромных денег, а вот изображение, получаемое с его помощью, зачастую оставляет желать лучшего.
Так получается по нескольким причинам. Во-первых, на практике пока никак не удается добиться идеальной геометрии зеркала; какая-то погрешность обязательна будет присутствовать. Во-вторых, само по себе зеркало, невзирая на величину и массу, инструмент исключительно нежный — стоит измениться температуре окружающего воздуха хотя бы на градус-другой, и его уже начинает «вести», то есть сказываются температурные деформации. И, наконец, в-третьих, на качестве получаемого изображения сказывается неоднородность атмосферы, всегда имеющиеся в ней примеси. Именно поэтому телескопы стараются размещать высоко в горах, где воздух чище, а слой атмосферы тоньше. А в последние десятилетия астрономические инструменты стали даже выносить за пределы атмосферы, на орбиту вспомните хотя бы о космическом телескопе «Хаббл».
Однако в космос пока нельзя вывезти очень уж большой телескоп — грузоподъемность ракет и «шаттлов» все-таки ограничена. Да и чем больше, сложнее установка, тем большего присмотра она, как правило, требует.
Доктор Ангел задумал произвести революцию в производстве астрономических зеркал. Им предложена конструкция сотового зеркала, которое намного легче литого.
Он полагает, что, залив жидкое стекло в форму, которая представляет собой сотовую структуру с пустотами, можно получить более легкое, а значит, менее деформируемое под собственной тяжестью зеркало. Причем его легче будет корректировать, учитывать несовершенство формы, а также температурные изменения самого материала.
Далее, сотовая структура позволяет создать так называемую адаптивную оптику. То есть такое зеркало, которое в большей или меньшей степени можно приспособить, адаптировать к изменяющимся условиям окружающем среды. Для этого в «подушке», на которую опирается зеркало, делают множество опорных штырей-пальцев. Их микроперемещениями управляет компьютер, который, уменьшая или увеличивая давление на том или ином участке зеркала, подправляет его геометрию.
Кроме того, тот же компьютер позволяет учитывать неоднородность атмосферы, сравнивая ее сиюминутное состояние с неким эталоном, хранящимся в его памяти. И таким образом из получаемого изображения как бы вычитаются атмосферные искажения.
И, наконец, современная вычислительная техника позволяет получить единое синтезированное изображение сразу с нескольких зеркал.
Именно по такому пути пошли доктор Ангел и его коллеги. Телескоп «Магеллан» в полном сборе будет иметь, как сказано, семь зеркал (см. схему). А управляющий компьютер соберет все изображения воедино.
Более того, в идеале астрономы хотят получать единое синтезированное изображение со всех оптических телескопов, расположенных на земном шаре и даже за его пределами — на космической орбите. Сначала оно будет записано на видеопленку вместе с сигналами точнейших атомных часов. А затем суперкомпьютер сведет воедино все изображения одного объекта, полученные разными телескопами.
Такова генеральная идея. А пока осенью 2005 года из недр печи наружу была выставлена остывшая заготовка первого зеркала. Останется изготовить еще шесть. А на это, а также на шлифовку зеркал, металлоконструкции для их монтажа, компьютерное оборудование и т. д., потребуется не менее 500 млн. долларов.
Так или иначе, но по плану строительство самого телескопа «Магеллан» в Чили должно начаться в 2013-м и закончиться в 2016 году.
Помимо поиска края Вселенной, с его помощью исследователи хотят как следует разглядеть планеты у чужих звезд, а также обнаружить, наконец, те тайники, где скрыта загадочная темная энергия.
СЕНСАЦИИ НАШИХ ДНЕЙ
Все это из воды?
Что можно сделать из чистой воды? Лед? Пар? Разложить ее на водород и кислород?
Поделиться книгой: