Знание-сила, 1998 № 02 (848)

Глаз размером землю

Увы, чем глубже стараются ученые забраться в тайны элементарных частиц или устройства космоса, тем более громоздкие приборы им требуются. Размеры современных ускорителей частиц измеряются десятками километров, а установки, работающие на них, похожи на многоэтажные дома, начиненные сложнейшей электроникой. Но астрономы идут еще дальше: они хотят создать телескоп размером с Землю, а то и в два раза больше. Это становится возможным благодаря использованию наземной сети телескопов вместе с их «собратом», запущенным на околоземную орбиту японскими учеными. Он будет вращаться по сильно вытянутой орбите — от тысячи до девятнадцати тысяч километров над поверхностью Земли.

Давно известно, что радиотелескоп может различать в небесах детали, обратные его размеру. Стометровая тарелка различает в два раза более мелкие детали, чем пятидесятиметровая. Казалось бы, хочешь видеть лучше, строй телескоп больше. Проблема в том, что крупнее ста метров построить трудно — прибор не выдерживает собственного веса и деформируется, что совершенно недопустимо. Тогда астрономы придумали делать телескопы из кусочков.

Чтобы понять, как работает такое «лоскутное одеяло», давайте мысленно разделим большой телескоп для простоты на четыре части. Когда радиоволны, пришедшие из космоса, попадают на первую часть, они отражаются и идут на приемник, где складываются с волнами от остальных.

Теперь представьте себе, что мы два элемента выбросили, а два оставили, но сделали их подвижными. Фиксируем первый элемент, а второй передвигаем, получаем три первые комбинации: 1=2, 1=3, 1=4. Затем первый элемент перемещаем в положение 2, а второй двигаем в 3 и 4. В завершение получаем последнюю комбинацию 3=4 — и имеем то же, что для большого телескопа. Только там все сигналы приходили и складывались одновременно, а для «лоскутного» телескопа — последовательно, после перемещения элементов в новое положение. Процесс складывания информации «покусочно» называется апертурным синтезом.

На самом же деле, астрономы суммируют картинки, полученные от «лоскутков-телескопов», разбросанных по всей Земле. Чем больше различных вариантов, тем четче получается изображение. Ученым помогает вращение Земли: она постоянно перемещает наземные телескопы в новое положение.

Дальше наступает важный момент: все данные надо собрать в одно место, очень точно синхронизировать и сложить. Для каждого кусочка информации надо знать момент наблюдения, иначе говоря, положение Земли и направление на исследуемый объект. Называется такая система VLBI/Veiy Long Base Interferomctiy/ — интерферометрия с очень большой базой. Вот с ее помощью астрономы и получают в свое распоряжение телескоп размером с Землю. Конечно, качество изображения уступает тому, что давал бы настоящий телескоп таких габаритов, но не очень сильно.

Естественное продолжение идеи — вывести телескопы в космос.

До сих пор японские исследователи не слишком активно участвовали в мировом астрономическом бизнесе. Доминировали Северная Америка, Европа и Австралия. Теперь японцы выходят на лидирующие позиции: в феврале 1997 года их ракета M-V вывела на орбиту восьмиметровую параболическую антенну.

Вытащить, однако, на орбиту телескоп такого размера очень сложно. Японцам пришлось придумать нечто удивительно красивое: антенну-сеточку. Струны из толстых кевларовых нитей были растянуты между шестью опорами, расположенными, как лучи морской звезды. На них сверху натягивалась сама сеточка-телескоп из молибденовых нитей с золотым покрытием.

Это уникальное сооружение было создано компанией «Мицубиси». Весит оно 226 килограммов, а форму сохраняет совершенно жестко: ни одна из точек сети не может отклониться от идеальной параболической формы более чем на полмиллиметра. Но самое главное достижение — упаковать все это в двухметровый контейнер, который можно погрузить в ракету и вывести на орбиту. Более всего руководителя проекта Хисаши Хирабаши волновало, как все это великолепие будет раскрываться в космосе: «Это похоже на состояние, которое испытываешь, ожидая ребенка: ты надеешься, что все будет хорошо, но очень волнуешься».

После открытия и отладки антенна начнет передавать 130 мегабайт информации в секунду на пять наземных станций: в Японии, Западной Вирджинии (США), в центре НАСА в Калифорнии, в Австралии и Испании. Каждая из приемных станций снабжена одиннадцатиметровой антенной, разработанной в НАСА. Все участники проекта подчеркивают, что он в принципе был бы невозможен без глобального международного сотрудничества. А в нем участвуют почти сорок радиотелескопов из пятнадцати стран. Десять — в Америке, двенадцать расположены от Англии до Китая, а в южном полушарии еще столько же от Австралии до Южной Африки. Информация со спутника записывается на магнитофонные ленты компьютера и перевозится в два места — японский исследовательский центр «Митака» в пригороде Токио и в Нью-Мексико, где согласуется с данными, полученными наземными телескопами.

Теперь поговорим о синхронизации данных: все эти собранные кусочки информации можно складывать только тогда, когда известна их одновременность. Для решения этой проблемы на каждую магнитофонную ленту записываются метки времени от специального сверхточного устройства — водородного мазера. В космосе его нет, поэтому информацию «спуда» помечают наземные станции уже после приема.

Подобная система уже опробована в США для синхронизации сигналов от космического телескопа Хаббл с наземными телескопами. Она имела гораздо меньше элементов и не очень большое разрешение, но позволила определить размеры некоторых квазаров — самых мощных радиоизлучателей в космосе. «Мы убедились, что подобная синхронизация возможна, и от новой попытки вместе с японским небесным телескопом можно ждать удивительных открытий,— говорит Антон Ценсус, сотрудник НАСА в Вирджинии. — По нашим оценкам, чувствительность новой системы такова, что мы сможем различить отпечатки следов космонавтов на поверхности Луны». Это в три раза повышает существующую точность измерений.

Современная VLBI — система включает в себя десять двадцатипятиметровых телескопов на поверхности Земли. Она заработала в 1993 году и до сегодняшнего дня сделала уже немало открытий. Одно из самых интересных — обнаружение быстровращающегося кольца газа в центре галактики NGC 4258. По колоссальной скорости вращения удалось установить, что в ограниченном объеме в центре галактики расположен объект с массой в тридцать шесть миллионов солнечных масс. Многие астрономы после этой находки думают, что в центре большинства квазаров и активных галактик находятся черные дыры.

Обычно вокруг них вращается диск из вещества, постепенно падающий на центр. Кроме того, астрономам известно, что из черных дыр наружу бьют с огромной скоростью струи разогретого газа, простирающиеся на тысячи световых лет. Никто не понимает механизма выброса и ускорения вещества до таких скоростей, но с помощью VLBJ уже удалось разглядеть начальные участки этих струй.

Оказалось, что они напоминают штопор. Это означает, что вокруг черной дыры действуют фантастической силы магнитные поля, которые только и могут закрутить путь заряженных частиц таким образом. Чтобы убедиться в правильности гипотезы, надо проследить за путем струй как можно ближе к черной дыре — это и будет одной из главных задач новой системы. Откровенно говоря, именно стремление поподробней рассмотреть, что там происходит вокруг черных дыр и в центрах активных галактик, служит главной движущей силой создания космической VLBI. У нее, кстати, теперь есть собственное название — VSOP (VLBI Space Observation Programme).

И вот — первый результат, полученный при помощи VLBI и японского спутника, иначе говоря, первый результат с космического радиотелескопа. Это квазар 1156+295, в котором удалось разглядеть центральную часть и уходящую от него струю частиц. Результат был обнародован в июле 1997 года.

Конечно, до подробного разглядывания черных дыр еще далеко, но надо начинать. Чтобы вы лучше представили разрешающую силу VSOP — один пример: она смогла бы разглядеть рисовое зернышко, расположенное в Токио, из Лос-Анджелеса. Японские астрономы уже планируют следующие шаги по ее расширению. Не отстают и американцы. НАСА разрабатывает проект двадцатипятиметрового космического зеркала на основе майлара — прочного пластика. Четырнадцатиметровое зеркало было испытано в мае 1996 года во время одного из полетов американского космического челнока «Шаттл». В этом проекте планируют принять участие Европа и Россия, но пока он остается только проектом, потому что денег на него не выделено и даже орбита для нового телескопа не выбрана. Финансирование будет зависеть от успешности работы VSOP.

Более близкие планы у России: в 1998 году Не исключен запуск десятиметровой пятитонной тарелки. Орбита ее будет очень вытянута, телескоп должен отходить от Земли на 77 тысяч километров, что должно в три раза повысить разрешение VSOP. У наших соотечественников есть и глобальные идеи. Николай Кардашев из Физического института Академии наук разрабатывает такой проект, когда тарелки будут запущены на орбиты в миллион километров от Земли. Тогда телескоп станет уже в сто раз больше нашей планеты. «Это будет нечто удивительное,— откликнулся Ценсус.— Вот тогда-то мы доберемся до того, что упрятано в центрах квазаров». •

Григорий Зеленко