Чудесные явления на небе

Как изучается небо

ебо далеко, — часто говорят верующие, — каким же образом наука могла узнать, что представляют собой небесные тела? Можно ли этому верить?

Заглянем в современную химическую лабораторию. Мы увидим множество пробирок и реторт, хитроумных аппаратов, точных приборов, автоклавов и печей. Здесь после многочисленных опытов и проб рождаются новые химические соединения, новые вещества, изучаются их свойства. Вот и сейчас один из ученых что-то рассматривает с помощью электронного микроскопа, другой подвергает какое-то соединение действию высокой температуры, третий пропускает через раствор электрический ток.

Примерно такую же картину мы обнаружим в лаборатории физика, биолога…

А теперь направимся туда, где рождаются знания о небесных явлениях, о космосе, — в астрономическую обсерваторию. Здесь мы тоже увидим хитроумные приспособления, мощные телескопы, точнейшие измерительные приборы. И все же характер астрономических исследований весьма существенно отличается от работы физика, химика или биолога. Эти ученые, как правило, имеют изучаемый объект, так сказать, у себя под руками. Они могут исследовать его под микроскопом, поместить в магнитное поле, нагреть, пропустить через него электрический ток, подействовать на него различными химическими веществами. Одним словом, они имеют возможность воздействовать на изучаемый предмет, изменять его состояние и наблюдать последствия таких изменений. Астрономы же находятся в совершенно иных условиях. Интересующие их небесные тела, за исключением разве лишь упавших на Землю метеоритов, удалены на расстояния в сотни тысяч и миллионы километров от Земли.

Каким же образом в таком случае добыты те многочисленные и обширные сведения о Вселенной, которыми располагает современная наука, и можно ли им, в самом деле, доверять?

Слушая передачу московской радиостанции, вы находитесь часто на большом расстоянии от нее. Но вас связывают невидимые электромагнитные радиоволны. В специально преобразованном на передающей станции, как говорят физики, закодированном, виде они несут с собой голос диктора. В радиоприемнике этот условный код вновь превращается в звуковые сигналы, и вы слышите передачу. Таким образом, электромагнитная волна может переносить на огромные расстояния определенные сведения, или, как говорят ученые, информацию. Это могут быть телеграфные сигналы азбуки Морзе, голос человека, музыка, команды управления на расстоянии приборами и механизмами или сообщения о показаниях измерительных приборов, как это, например, имеет место при передаче научных данных с космических ракет и искусственных спутников Земли.

Но вложить информацию в электромагнитное излучение может не только человек; это сплошь и рядом делает сама природа.

Представьте себе, что перед вами кусок раскаленного железа. Как узнать, какова его температура?

Измерить термометром? А если на расстоянии? Оказывается, и это возможно. Цвет — вот что является вестником повышения температуры, сначала красный, потом оранжевый и, наконец, бело-голубой. Так луч света может рассказать нам о состоянии нагретого куска металла.

Небесные тела пока еще недоступны для ученого. Но они излучают или отражают различные электромагнитные волны. Это и радиоволны, и видимый свет, и невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные, а также рентгеновские и гамма-лучи. Свойства всех этих волн непосредственно зависят от свойств их источников. Ценнейшую информацию о космических явлениях несут с собой и потоки заряженных частиц вещества — корпускул и космических лучей.

Однако, для того чтобы добыть содержащуюся в космических излучениях информацию, необходимо прежде всего знать тот код, с помощью которого природа ее зашифровала.

Первым вестником далеких миров был световой луч. Свет, собранный телескопом, помог ученым определить положения светил, изучить их перемещение на небесном своде и тем самым составить правильное представление о строении мира. Затем на помощь астрономии пришла физика. Она принесла с собой методы, с помощью которых можно было расшифровать информацию, содержащуюся в световых волнах.

Пятиметровый зеркальный телескоп

Эти методы, возникшие в земных лабораториях, неожиданно помогли человеку проникнуть в сокровенные тайны мироздания. Еще великий английский физик Исаак Ньютон обнаружил, что луч белого света в действительности представляет собой смесь цветных лучей. Их можно «выделить» из состава белого света, если его луч пропустить через узкую щель и стеклянную трехгранную призму. Пройдя через призму, различные цветные лучи пойдут по разным направлениям, и если на их пути поставить белый экран, то мы увидим на нем спектр — маленькую искусственную радугу, непрерывную цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного до фиолетового.

Но от разложения белого света на составные цвета до того, чтобы заставить световой луч заговорить и рассказать людям о температуре небесных тел, об их химическом составе, об их природе, было еще очень далеко. Так далеко, что даже через сто с лишним лет после открытия Ньютона это казалось многим совершенно невозможным.

«Возможно, что мы сумеем определить форму, расстояния и величину небесных светил, что мы исследуем их движения; но никогда и ни в каком случае не удастся нам изучить их химический состав…» — утверждал известный французский философ Огюст Конт. Это было в 1842 году. Но жизнь жестоко посмеялась над ученым, попытавшимся поставить предел познанию природы. Через несколько лет, в 1859 году, физик Кирхгоф и химик Бунзен открыли новый метод исследования световых лучей — спектральный анализ.

Как известно, световые волны могут иметь различную длину. И вот оказалось, что присутствие тех или иных волн в световом луче целиком зависит от природы и физического состояния светящегося тела.

Спектральный анализ стал универсальным способом изучения космических тел. Спектр — это своеобразный «волновой паспорт» небесного светила. С его помощью можно определить химический состав источника света, его температуру, скорость движения и даже проникнуть в механизм происходящих там физических процессов.

Наряду со спектральным анализом в астрономических исследованиях получили широкое распространение и другие методы изучения световых лучей.

Наблюдение затмения

С развитием науки совершенствовались методы изучения небесных тел, на помощь астрономам приходили все более точные и совершенные приборы, но сама астрономия оставалась в основном оптической наукой, изучавшей видимый свет небесных тел. Дело в том, что окружающий нас мир мы наблюдаем сквозь атмосферу, а воздушная оболочка нашей планеты поглощает львиную долю различных излучений, заполняющих мировое пространство. Сквозь воздух проходят лишь видимый свет и отчасти радиоволны. Все остальные вестники далеких миров до поверхности Земли практически не доходят и, следовательно, не могут быть зарегистрированы установленными здесь приборами.

Образно говоря, астрономы долгое время были вынуждены изучать Вселенную через небольшое оптическое «окно прозрачности» в воздушной оболочке Земли.

Правда, время от времени на страницах газет появлялись сенсационные известия о «радиосигналах» с Марса или с Венеры. Однако эти сообщения представляли собой не более чем простые недоразумения: в действительности «таинственные сигналы с Марса» были самыми обыкновенными атмосферными радиопомехами, хорошо знакомыми каждому радиолюбителю.

«Взглянуть» на мир с помощью радиоволн долгое время не удавалось, так как космическое радиоизлучение несет с собой ничтожную, по сравнению со световыми лучами, энергию. Это стало возможным лишь в последние годы, когда удалось создать достаточно чувствительные приемники радиоволн.

Все началось с того, что около тридцати лет назад коротковолновые приемники обнаружили странные радиосигналы, повторявшиеся с наибольшей силой ровно через сутки, то есть через тот промежуток времени, в течение которого наша Земля делает один полный оборот вокруг своей оси. Вывод напрашивался сам собой: таинственная радиостанция расположена где-то далеко за пределами земной атмосферы и даже солнечной системы.

И действительно, вскоре выяснилось, что источниками космического излучения являются Млечный путь, Солнце, туманности, межзвездная среда.

Так возникла новая наука — радиоастрономия, обладающая целым рядом существенных преимуществ. Главное из них заключается в том, что радиоволны проникают к нам из таких потаенных уголков Вселенной, откуда видимый свет не доходит. Благодаря этому радиоастрономия в сравнительно короткий срок обогатила науку множеством интереснейших сведений об окружающем нас мире и помогла решить целый ряд неясных вопросов.

Одной из самых мощных космических «радиостанций» является Солнце. Его радиоизлучение было обнаружено в 1944 году. И вскоре оказалось, что оно обладает довольно «беспокойным характером». Когда на поверхности Солнца нет пятен, его радиоизлучение почти неизменно. Но стоит только пятнам появиться, как тотчас же возникает дополнительное очень мощное быстро меняющееся радиоизлучение «возмущенного» Солнца. Принимаемые нами солнечные «радиопередачи» рождаются в атмосфере нашего дневного светила, и в том числе в ее самом верхнем слое — короне. Это позволило получить чрезвычайно интересные данные о строении солнечной короны, и в частности определить ее температуру.

Как известно, активные процессы, происходящие на поверхности Солнца, служат источником многих геофизических явлений: магнитных бурь, полярных сияний, нарушений радиосвязи. Ученые обнаружили, что солнечная «радиостанция» передает об этих явлениях своеобразное предупреждение. По временам поток радиоизлучения Солнца неожиданно возрастает в миллионы раз. Оказалось, что эти мощные всплески происходят как раз в тот момент, когда на Солнце возникают так называемые вспышки. Примерно через сутки после такого «радиопредупреждения» на Земле наблюдается магнитная буря.

Другой космической «радиостанцией» является Луна.

Источником лунных радиопередач, принятых впервые в 1946 году, служит поверхность нашего спутника, нагретая лучами Солнца. Однако радиоволны излучает не самый верхний слой лунной почвы, а слой, расположенный под поверхностью, на некоторой глубине. Изучение лунных «радиопередач» позволяет уточнить наши представления о строении и температуре лунной поверхности.

В последние годы были открыты и новые источники космического радиоизлучения.

Радиотелескоп — прибор для улавливания радиоизлучения небесных светил

В начале 1955 года американские ученые Берк и Франклин, изучая космические радиоволны с помощью чувствительного радиотелескопа, неожиданно обнаружили новый, неизвестный ранее очень сильный источник радиоизлучения. По своему характеру он резко отличался от других подобных источников: его излучение носило весьма нерегулярный характер и состояло из серий коротких всплесков, очень похожих на всплески радиоизлучения, вызываемые грозовыми разрядами в земной атмосфере.

Вскоре обнаружилось еще более любопытное явление. Оказалось, что новый источник меняет свое положение относительно звезд. Это означало, что он расположен очень близко от Земли, быть может даже в пределах солнечной системы.

И действительно, через некоторое время удалось установить, что удивительный источник космического радиоизлучения не что иное, как планета Юпитер.

На первый взгляд может показаться странным, что радиоизлучение Юпитера не было замечено раньше. Однако это легко объясняется его сходством с грозовыми разрядами. Возможно, что ученым и раньше удавалось принимать «радиопередачи» с Юпитера, но они не обращали на них внимания, полагая, что имеют дело с обычными атмосферными помехами. Однако в настоящее время внеземное происхождение всплесков, отмеченных записями Берка и Франклина, не вызывает сомнений. Но какова природа этого излучения? Что за таинственная радиостанция посылает к нам с Юпитера свои сигналы?

Юпитер находится на огромном расстоянии от Солнца и получает мало тепла. Известно, например, что температура верхнего слоя облаков в атмосфере Юпитера составляет всего около — 110 °C. Поэтому тепловое радиоизлучение Юпитера является настолько слабым, что современная радиоастрономическая аппаратура не могла бы его обнаружить.

Какова же все-таки природа мощного радиоизлучения Юпитера?

Около двух лет тому назад по этому поводу было высказано любопытное предположение, связывающее радиоизлучение Юпитера с происходящими в его атмосфере явлениями грозового характера. В самом деле, водородная атмосфера этой гигантской планеты содержит многочисленные облака, состоящие, по-видимому, из капелек метана и кристалликов аммиака.

Не вызывает сомнений, что такие облака, если они действительно существуют, способны накапливать электрический заряд. А это может иногда приводить к возникновению грозовых разрядов.

Грозовая гипотеза представлялась довольно убедительной, однако за последнее время был получен ряд новых данных, которые не только не прояснили вопроса, но, наоборот, еще сильнее его запутали. Оказалось, что, во-первых, наиболее сильное излучение радиоволн всегда исходит из одной и той же точки на Юпитере, а во-вторых, на основании целого ряда наблюдательных данных было высказано предположение о том, что источник радиоволн лежит на поверхности планеты, значительно ниже слоя облаков. Природа радиоизлучения Юпитера пока что так и остается невыясненной. Конечно, рано или поздно ученым удастся расшифровать «радиосигналы» Юпитера, как они в свое время расшифровали световой луч.

А если учесть, что «радирует» не только Юпитер, но и другие планеты, например Венера, то в распоряжение астрономов поступает новое могучее средство изучения природы планет, которое дает возможность по-новому подойти к решению многих сложных задач.

Но, пожалуй, наибольший интерес представляет собой изучение радиоголосов далеких космических объектов, лежащих за пределами нашей солнечной системы. В настоящее время известно уже около двух тысяч подобных «радиостанций», расположенных в различных областях неба.

Оказалось, что главной космической «радиостанцией» является разреженный газ, заполняющий межзвездное пространство, в первую очередь водород. Благодаря этому исследование радиоволн, приходящих к нам из глубин Вселенной, позволило изучить распределение и движение водородных облаков в космическом пространстве. Подобные наблюдения имели огромное значение для выяснения структуры нашей звездной системы Галактики и изучения картины галактического вращения.

Радиоастрономические исследования пролили новый свет и на один из важнейших вопросов современной физики — проблему происхождения космических лучей.

Используя данные радиоастрономии, советские ученые В. Л. Гинзбург и И. С. Шкловский обнаружили тесную связь между космическими лучами и вспышками так называемых сверхновых звезд. В момент такой вспышки, происходящей под действием каких-то пока еще неизвестных нам физических процессов, звезда неожиданно раздувается, сбрасывая с себя газовую оболочку. В некоторых случаях может произойти даже полный разлет всего материала звезды. Подобный взрыв сопровождается выделением чудовищной энергии.

Достаточно сказать, что иногда вспыхнувшая звезда в течение нескольких дней излучает такое же количество света, как несколько миллиардов Солнц. После вспышки на месте взорвавшейся звезды возникает газовая туманность, образовавшаяся из ее распыленных остатков.

Одна из таких туманностей, получившая за свою форму название Крабовидной, находится в созвездии Тельца, на месте вспышки сверхновой звезды 1054 года. Несколько лет назад было доказано, что Крабовидная туманность является мощным источником радиоизлучения. Это означает, что в ней имеется множество электронов, движущихся с огромными скоростями. Такие электроны представляют собой своеобразные космические радиостанции. Перемещаясь в межзвездных магнитных полях, они излучают радиоволны. А там, где имеются быстрые электроны, должно присутствовать и огромное количество других заряженных частиц, движущихся с колоссальными скоростями, — космических лучей. Таким образом, было обнаружено, что колыбелью космических лучей являются газовые оболочки сверхновых звезд.

Космические лучи сами по себе также являются вестниками далеких миров, они способны поведать нам немало интересного о том, что происходит в таинственных глубинах Вселенной. Они могли бы, например, рассказать, где расположены их источники. Но, к сожалению, частицы космических лучей обладают электрическим зарядом. Благодаря этому они во время своих скитаний в мировом пространстве под действием межзвездных магнитных полей в конце концов теряют свое первоначальное направление. Однако теория указывает, что в составе первичных космических лучей должны присутствовать особые частицы — так называемые гамма-фотоны, не имеющие заряда. Такие частицы должны двигаться строго прямолинейно, сохраняя первоначальное направление. И если бы удалось обнаружить в космических лучах подобные фотоны, можно было бы определить направление на их источники. Тогда можно было бы говорить еще об одном могущественном методе изучения Вселенной. Подобные исследования становятся вполне реальными с созданием искусственных спутников Земли и космических ракет.

С их помощью стало возможным доставить измерительную аппаратуру в верхние слои атмосферы и за ее пределы. Тем самым ученым впервые удалось «вырваться» со своими приборами на просторы космоса и избавиться от помех со стороны воздушной оболочки Земли. Открылись замечательные перспективы непосредственного исследования новых вестников далеких миров. Это, несомненно, явится толчком к необычайно быстрому расширению наших представлений о Вселенной, поможет овладеть новыми силами природы, новыми источниками энергии и поставить их на службу человеку.