"Все пустое, все обман кроме этого бесконечного неба". Лев Толстой

Глядя на белесую полосу Млечного Пути в ясную морозную ночь, вряд ли вам придут в голову величественные спиральные рукава, которые рисуют на картинках — открыв любую энциклопедию по астрономии, даже детскую, мы увидим потрясающий рисунок Галактики со стороны. Как будто какой-то аппарат вылетел за пределы Млечного Пути и сфотографировал его для нас.

Если кто не в курсе, такого события еще не было и будет оно не скоро — наша техника пока далека от таких задач. Все изображения Галактики, что мы видим в книгах и интернете — это картины художников, опиравшихся при их создании на научные факты и собственную фантазию. Хотя этих картин и немного, все они отличаются друг от друга в деталях — какие-то были сделаны до открытия новых данных о структуре Млечного Пути, в каких-то художник дал излишнюю волю своему творческому порыву.

Но откуда взялись эти факты? Как удалось «разглядеть» структуру Галактики, находясь внутри неё, в положении, когда обзор принципиально ограничен, а общая картина должна быть восстановлена по косвенным данным и точным измерениям?

Оказалось, что для этого пришлось перестать смотреть и начать слушать. И путь к этому умению был полон скепсиса, случайностей и упрямства одиночек.

Забвение без начала: почему «радиоастрономии не может быть»

Идея подслушать Вселенную родилась почти одновременно с самим радио. Ещё в 1897 году Оливер Лодж — человек, "державший в руках" первые радиоволны, — направил свой примитивный приёмник на Солнце. Его аппарат, в теории способный ловить сантиметровые волны, на практике лишь хватал наземные помехи. Ту же неудачу позже разделили немецкие астрофизики Вилсинг и Шейнер, а следом — и легендарный Маркони. 

В 1900 году Макс Планк обнародовал знаменитую формулу, описывающую радиоизлучение от нагретых тел. Она предсказывала, что горячая поверхность Солнца излучает радиоволны столь слабо, что его нельзя обнаружить с помощью существовавших приборов. Правда, этот вывод относится исключительно к тепловому радиоизлучению, однако прочие механизмы генерации космических радиоволн в те времена просто не рассматривались.

Идею о «глухоте» неба поддержал английский учёный-самоучка, инженер, математик и физик Оливер Хэвисайд. В 1902 г. он не только предсказал существование ионизированного слоя над Землёй (ионосферы), но и высказал свою крылатую мысль: «Радиоастрономия вряд ли может существовать…».

В науке, как и прочих областях деятельности, мнение авторитетного человека может стать на какое-то время неким абсолютом, затмевающим порой здравый смысл. Эта тема достойна отдельной статьи. Видимо, что-то подобное произошло и в начале прошлого века и спровоцировало, наряду с предсказанием Планка, забвение попыток приема радиоволн из космоса на 30 лет.

Случайность: антенна для помех и «шипение» Млечного Пути

Всё изменил человек, который вообще-то искал совсем другое. В 1932 году Карл Янский, работая в «Лаборатории Белла» (Bell Labs — фирма, основанная изобретателем телефона Александром Беллом), занимался исследованием источников помех, мешающих трансатлантической радиотелефонной связи.

Янский построил направленную антенну, предназначенную для приема радиоволн с длиной волны около 14,6 метров. Ее размер составлял 30 метров в диаметре и достигал 6 метров в высоту. Вращая антенну, можно было определить направление принимаемого сигнала. Интенсивность сигнала регистрировалась с помощью аналоговой системы записи на бумаге, расположенной в небольшом сарае рядом с антенной.

После нескольких месяцев записи сигналов со всех направлений Янский разделил их на три типа: близлежащие грозы, далёкие грозы и слабые помехи или «шипение» неизвестного происхождения. Он потратил более года на изучение источника помех третьего типа. Местоположение максимальной интенсивности менялось раз в день, что привело Янского к предположению, что он регистрирует излучение Солнца.

Однако после нескольких месяцев наблюдения за сигналом его источник сместился от положения Солнца. Янский тогда определил, что сигнал повторяется с циклом в 23 часа 56 минут —продолжительности звездных суток. Сравнивая свои наблюдения с астрономическими картами, Карл пришёл к выводу, что излучение исходило от Млечного Пути и было наиболее сильным в направлении центра галактики, в созвездии Стрельца.

"В 1930 году практически всё, что мы знали о небесах, было основано на том, что мы могли увидеть или сфотографировать. Карл Янский всё изменил. Вселенная радиоволн, к которой человечество было глухо с незапамятных времён, внезапно зазвучала в полный голос". Джон Д. Краусс

Открытие получило огласку, о нём написали даже в «Нью-Йорк таймс», он дал интервью в специальной программе NBC «Радиозвуки среди звёзд». Но ни астрономы, для которых это было совершенно новым явлением, ни Bell Labs, которые во время великой депрессии не могли оправдать затраты на исследования явления, не оказали поддержки. Изложив свои результаты в четырех статьях, Янский распрощался с радиоастрономией. Проживи он дольше, вероятно, получил бы Нобелевскую премию.

Упрямство: первый в мире радиотелескоп и десятилетнее одиночество

По-настоящему открытием Янского заинтересовался лишь молодой радиоинженер Гроут Ребер. Летом 1937 года на заднем дворе родителей в Уитоне, штат Иллинойс, он решил построить свой собственный радиотелескоп.

Прибор у Ребера вышел значительно более совершенным, чем у Янского, и состоял из параболической металлической тарелки диаметром 9 метров, которая собирала и фокусировала радиоизлучение в приёмнике, расположенном на высоте 8 метров над тарелкой. Позже вся конструкция была установлена на поворотной подставке, что позволяло направлять её в разные стороны по высоте. Стоит отметить, что сделал антенну Ребер за свой счет и из тех деталей, что можно было свободно купить.

Первый приемник Ребера мог принимать волны с длиной 9 см, однако обнаружить с помощью его космическое радиоизлучение не удалось. Тогда Ребер соорудил приемник на волну 33 см — и снова безуспешно. Тут надо отдать должное Гроуту — он не забросил дело, а решил построить еще один приемник, теперь уже на волну куда больше — 1,9 м. Согласно открытию Планка, считалось, что чем длиннее волна, тем больше у нее интенсивность. С последним приемником все получилось — Ребер обнаружил космическое радиоизлучение в 1938 г.

К 1941 г. Гроут Ребер создал первые в мире карты радиоизлучения неба, уточненные им к 1943 г. На них-то впервые и выявили существование ярких радиоисточников, таких как Лебедь A и Кассиопея A.

Почти 10 лет Ребер был единственным радиоастрономом на планете, создав почву для грядущего послевоенного бума в этой области.

Сверхтонкий переход: состояние атома водорода, живущее 11 миллионов лет

Но главное открытие было ещё впереди. Оно касалось не каких-то экзотических объектов, а самого распространённого элемента Вселенной — водорода.

Всё началось со сверхтонкой структуры спектральных линий. Ещё в конце XIX века ученые наблюдали, что кажущиеся непрерывными линии спектра атомов на самом деле состоят из двух или более близко стоящих тончайших линий. Расщепление линий нельзя объяснить исходя из обычных орбит электрона. Причину в 1924 году указал Вольфганг Паули: взаимодействие магнитных полей атомного ядра и электронов.

"Лучшее, чего большинство из нас может достичь в физике — это просто неправильно понять на более глубоком уровне". Вольфганг Паули

Рассмотрим первую, основную орбиту электрона в атоме водорода. Она расщепляется на два близко расположенных подуровня. Электрон в основном состоянии может быть как на чуть более высокой орбите, так и на чуть более низкой. Когда спин ядра и спин электрона сонаправлены, энергия электрона немного выше. Если спины направлены в противоположные стороны, то энергия электрона ниже.

А если электрон в атоме захочет перевернуться на «другой бок»? На высокий основной уровень просто так с нижнего он перейти не сможет — энергия должна прийти извне, например, за счет столкновения с другим атомом в разреженном космическом газе. Но попав туда, спустя в среднем 11 миллионов лет (сравните это со стомиллионной долей секунды при обычном переходе!) электрон «спустится» обратно на низкий основной уровень. При этом избыток энергии будет предан электромагнитной волне, но не свету — энергии слишком мало, а радиоволне с длиной 21 см (1420 МГц).

Масштаб слабости этого сигнала невообразим. 1 км³ межзвёздного водорода при плотности 1 атом/см³ излучает всего 3 кванта в секунду — интенсивность радиоизлучения межзвёздной среды на единицу объёма ничтожно мала. К примеру, мощность излучения всего нейтрального водорода Солнечной системы в пределах орбиты Плутона не превышает 100 Вт, из которых в антенну на Земле, конечно же, попадет ничтожнейшая доля. Однако в галактических масштабах мощность радиоизлучения нейтрального водорода становится заметной (например, мощность излучения всего нейтрального водорода нашей Галактики в десятки раз больше светимости Солнца), что позволяет обнаруживать его на галактических расстояниях.

Целенаправленный поиск: грант в 500 долларов и исторический успех

То, что свободные атомы водорода могут излучать радиоволну при сверхтонком переходе, предсказал Хендрик ван де Холст в 1945 г. Это было большим открытием, так как оно сулило перспективу обнаружения скопления водорода, невидимого в свете. Однако ввиду редкости излучения волны каждым атомом, открытие было воспринято скептически, пока в 1948 г. Иосиф Шкловский не показал, что интенсивность этого излучения все же достаточна для обнаружения, хотя и «без излишков». К сожалению, советские экспериментаторы не вняли буквальному призыву Шкловского и не предприняли попыток обнаружения линии 21 см.

В итоге впервые обнаружил линию излучения межзвездного водорода Гарольд Ивен под руководством Эдварда Парцеля из Гарвардского университета. Вопросу открытия излучения водорода Ивен посвятил свою диссертацию. По началу он не особо и надеялся ее обнаружить — ставил целью хотя бы показать, что излучение ниже установленного предела возможностей используемой им аппаратуры.

Был Гарольд Ивен неплохим радиоинженером, и на ограниченные средства от гранта в 500 долларов смог соорудить небольшой радиотелескоп. Работал он над ним только по выходным, так как в будни был занят службой. Антенна была выбрана рупорная самодельная, так же Ивен впервые создал оригинальный режим работы аппаратуры, позволявшей регистрировать полезный сигнал на фоне шумов, который в итоге стал, можно сказать, общепринятым в отрасли. В итоге через год после начала работ, 25 марта 1951 г. излучение водорода на длине волны 21 см было обнаружено.

С этого момента история познания Галактики разделилась на «до» и «после».

От линии к карте: галактический спидометр и 3D-реконструкция

Обнаружить водород — полдела, хотя сразу было понятно, что его в Млечном Пути много. Чтобы выяснить, где он находится в трёхмерном пространстве Галактики, астрономы использовали эффект Доплера.

Если облако водорода движется относительно нас, частота его «позывного» 1420 МГц смещается. Приближается — частота растёт, удаляется — падает. Радиотелескоп превращается в уникальный инструмент: космический спидометр и дальномер одновременно.

К описываемой вехе развития радиоастрономии в оптические телескопы наблюдали уже много разных типов галактик и далеко не одну спиральную, причем с разных углов. Раз наша Галактика дискообразная, что видно в ясную ночь невооруженным взглядом, то скорее всего, рассуждали ученые — она тоже спиральная.

После войны, основываясь на развитии техники радаров, были созданы уже более совершенные и специализированные радиотелескопы. Направив антенны на Млечный Путь, ученые во многих его местах увидели не один пик линии водорода, а несколько, смещённых друг относительно друга. Наиболее естественное объяснение этому следующее: если мы смотрим в одну точку неба, а видим сразу два сигнала с разной частотой, то очевидно, что мы таким образом видим два облака водорода, находящиеся для нас друг за другом и при этом движущиеся с разными скоростями относительно Земли.

Как же по этим данным удалось выявить именно спиральную структуру? Метод, разработанный в 1950-х, был гениален в своей простоте. Радиотелескопы начинали систематический обзор Млечной полосы, фиксируя для каждого направления не просто факт приёма линии 21 см, а весь её профиль — набор доплеровских смещений и их интенсивность.

Если луч зрения был направлен вдоль рукава, водород распределялся относительно равномерно, и на спектре возникал один широкий пик. Но если луч пересекал рукава под углом, на спектре появлялось несколько отдельных пиков. Каждый пик соответствовал облаку водорода в конкретном рукаве, находящемуся на своём расстоянии от центра и движущемуся со своей скоростью.

Астрономы, словно выполняя томографию Галактики, сканировали её по всем направлениям. Сопоставляя скорости (по доплеровскому смещению) с теоретической кривой вращения Галактики, они могли оценить и расстояние до каждого облака. Так, точка за точкой, пик за пиком, и складывалась реальная карта. Первые такие карты, построенные в конце 1950-х — начале 1960-х годов голландскими и австралийскими радиоастрономами, впервые ясно показали: нейтральный водород концентрируется не в однородном диске, а в длинных изогнутых структурах — спиральных рукавах Млечного Пути.

К сожалению, астрономы до сих пор не пришли к единому мнению относительно названий даже основных рукавов Галактики. Общепринятым является лишь имя рукава Персея, открытого в 1950-х годах и самого заметного на фоне внешних областей. Другой крупный рукав в научной литературе могут называть, загибайте пальцы: рукавом Щита-Креста, рукавом Щита-Центавра, рукавом Креста-Центавра, рукавом Креста-Щита, рукавом Щита, рукавом Креста, рукавом Центавра и даже рукавом Щита-Креста-Центавра — по именам созвездий, через которые он проходит на нашем небе. К прочим рукавам отнеслись примерно так же — ситуация напоминает раннюю картографию, когда один и тот же континент на разных картах мог называться по-разному, в зависимости от национальности первооткрывателя или спонсора экспедиции. Такая неразбериха — неожиданная деталь для такого, казалось бы, фундаментального научного дела, как картография Галактики.

Анализ скоростей этих рукавов принёс ещё один сюрприз. Оказалось, что внешние рукава вращаются быстрее, чем должны по законам Кеплера. Объяснить это можно, только предположив существование невидимой массы — тёмной материи. Так скромная радиолиния привела нас к одной из величайших загадок современной астрофизики.

Почему рукава существуют и не «наматываются» на центр?

У вникающего читателя после всего рассказа должен возникнуть закономерный вопрос: если внешние части вращаются быстро, а внутренние — медленнее (пусть и не так медленно, как предсказывала бы теория для видимой массы), то почему спиральные рукава не «наматываются» на центр за несколько оборотов вокруг него, размываясь в однородный диск?

Ответ дала теория волн плотности, предложенная в середине 1960-х годов Чиа-Чао Линем и Фрэнком Шу. Согласно ей, рукава — это не постоянные скопления звёзд, а волны повышенной плотности, бегущие по галактическому диску, подобно волнам на поверхности воды.

Как это работает:

1. Рукав — это не «вещь», а «процесс». Звёзды и газовые облака не живут в рукавах постоянно. Они движутся по своим эллиптическим орбитам вокруг центра и периодически проходят области, где их траектории близки друг к другу, словно как автомобили попадают в пробку на определённом участке дороги. Плотность звезд и газа в такой области выше, и как и заторы на дорогах, эти области распространяются как волны.

2. Рукава — колыбель звёзд. Именно в этих областях повышенная плотность газа запускает рождение новых звёзд. Молодые массивные звёзды (голубые гиганты) живут недолго и ярко светят, поэтому видимая спираль — это по сути «цепочка звёздных яслей», подсвеченная недавно родившимися звёздами.

3. Волна вращается с собственной скоростью. Так как орбиты звезд относительно центра Галактики вращаются, то вращаются и уплотненные области — т.е. рукава. По сути они — самостоятельные гравитационные структуры.

Таким образом, рукава Галактики — это не статические структуры из одних и тех же звёзд, а бегущие волны уплотнения, которые, как космические гребёнки, «причёсывают» галактический диск, запуская в нём процессы звёздообразования и определяя его необычный спиральный облик.

Универсальный эталон: от карты Галактики к посланию внеземному разуму

Фундаментальность линии 21 см сделала её чем-то большим, чем просто научный инструмент.

"Водород — самый распространённый элемент во Вселенной, и поэтому его радиолиния является как бы природным эталоном частоты, эталоном, к которому с неизбежностью должна прийти всякая развивающаяся цивилизация".
Иосиф Шкловский

• Послания «Пионеров» и «Вояджеров». Когда Карл Саган и его команда создавали послание для внеземных цивилизаций, они столкнулись с проблемой: как передать наши единицы измерения? Решение было гениальным. На пластинке схематично изображён атом водорода в двух состояниях сверхтонкого перехода. Длина волны между ними (21 см) задаёт масштабную линейку для всех остальных размеров на рисунке — роста человека, положения планет, схемы антенны.

• Программа SETI. В 1959 году в журнале «Nature» вышла статья «Поиски межзвёздных сообщений». В ней доказывалось, что наиболее логичная частота для межцивилизационного контакта — та самая 1420 МГц. С этого началась программа поиска внеземного разума (SETI). Самый известный её эпизод — загадочный сигнал «Wow!», зарегистрированный в 1977 году, характеристики которого идеально ложились на ожидаемые от искусственного источника.

• SETI@home. В 1999 году стартовал самый масштабный распределённый компьютерный проект в истории. Миллионы добровольцев по всему миру скачивали программу, которая в фоновом режиме анализировала данные радиотелескопов в поисках закономерностей на частоте водорода. Это самый масштабный коллективный компьютерный проект в истории; он мог бы послужить образцом для других проектов, где требуются большие вычислительные мощности. Тем не менее до сих пор проект SETI@home также не обнаружил ни одного разумного сигнала.

Заключение

Так квантовая странность сверхтонкого перехода, преодолев скепсис авторитетов, прошла путь от случайного открытия до целенаправленного поиска. Линия 21 см показала нам не только где находится газ, но и как он движется. Это движение подарило нам карту нашего звёздного дома, указало на величайшую загадку тёмной материи и раскрыло динамическую природу спиральных рукавов — не статичный узор, а бегущий процесс, вечный двигатель звёздного рождения. А также стала мостом для наших самых смелых мечтаний — универсальным эталоном для поиска и послания иным мирам.

Теоретические основы и история этого открытия — лишь первая часть истории. Практическое воплощение: как повторить этот путь с помощью самодельного инструмента — тема отдельного разговора.

"Астрономия полезна потому, что она возвышает нас над нами самими; она полезна потому, что она величественна; она полезна потому, что она прекрасна. Именно она являет нам, как ничтожен человек телом и как он велик духом".
Анри Пуанкаре

Примечание автора. Статья подготовлена на основе авторского цикла «Радиотелескоп в сарае».