Микрорассказы про волны и фазы, а также про яблоко на Луне, сверхсветовые скорости и зеркало „Бонн-Бостон-Симеиз“
Микрорассказы про волны и фазы, а также про яблоко на Луне, сверхсветовые скорости и зеркало „Бонн-Бостон-Симеиз“
Совершенные методы радиоастрономии позволяют изучать детали астрофизических объектов, находящихся на краю видимой Вселенной.
Все агрегаты этой гигантской машины, разбросанные по разным континентам, должны работать согласованно, синхронно — такова сверхзадача. Причем синхронность нужна высочайшая, ее даже представить себе трудно, пользуясь нашими житейскими мерками времени: в одном из режимов каждый цикл машины длится около 4·10-11 с; за это время синхронизм в работе агрегатов — а между ними тысячи километров — должен поддерживаться с точностью в среднем до 10 12 %, по абсолютному значению до 10-25 с.
Как почувствовать, что стоит за этим «с точностью до…»? Как связать их с чем-нибудь знакомым? Автомобиль, который проносится мимо вас с недозволенной скоростью 120 км/ч, за 10-25 с пройдет расстояние (если это можно назвать расстоянием) порядка 10~20 мм, что в тысячу миллиардов раз меньше размеров самого маленького атома. Даже свет (свет!) за 10-25 с пройдет всего 0,000 000 000 000 03 мм. Теперь о процентах: 10-12 % объема Азовского моря — это банка воды; если часы, идут на 10-12 % быстрее, чем нужно, то за полмиллиона лет они уйдут вперед на 1 с.
Ко всему еще сверхточная машина должна обходиться чрезвычайно малыми порциями сырья — она перерабатывает радиосигналы, общая мощность которых примерно 10-18 Вт. Это в тысячу раз меньше, чем досталось бы одной квартире, если бы на освещение всех домов Земли расходовалась мощность одной горящей спички.
Упоминание о сырье в виде радиосигналов уже, наверное, приподняло завесу над таинственной межконтинентальной машиной. Сейчас это дело будет доведено до конца — речь идет об уникальном радиотелескопе, точнее, о радиоастрономическом комплексе, в который в разное время входили радиотелескопы разных стран. Ниже будет коротко сообщено о том, для чего создаются такие комплексы. Но прежде в порядке повторения пройденного два микроскопических рассказа на общие темы.
Микрорассказ первый: про волны. Среди бессчетного множества процессов, которые происходят в природе, физики сочли необходимым выделить несколько особых групп. В их числе волны. Независимо от физической природы — волны могут быть электромагнитные, механические, гравитационные — все они имеют общие черты. В частности, разбегаясь от места своего рождения, волны переносят не только энергию, но и информацию о тех процессах, которые их создали. Именно поэтому эволюция снабдила многочисленные свои творения разнообразными волноприемниками, волноулавливателями, вооружив тем самым живые организмы приборами для изучения окружающей обстановки. Неплохая аппаратура досталась и человеку: сверхчувствительный приемник световых волн — зрение и сверхчувствительный приемник акустических волн — слух. (Слух, кстати, в дальнейшем стал технической базой для языкового общения людей, для развития речи, а речь в свою очередь привела к поразительному совершенствованию нашего природного компьютера, к отработке новой системы мышления, где к предметам и явлениям привешены лаконичные бирки-слова. И все это началось с приемника звуковых волн…)
А теперь, быстро перелистав прекрасную повесть о том, как человек обогатил свой природный арсенал волноулавливателей, построил микроскопы и телескопы, научился видеть радиоволны и рентгеновские лучи, слышать инфразвук и ультразвук, мы остановимся на странице, где упоминаются интерферометры — эти приборы не просто улавливают волну, но и учитывают ее фазу.
Микрорассказ второй: про фазы. Чтобы познакомиться с работой интерферометра, лучше всего выбрать теплое туманное утро и выйти на берег пруда. Полный штиль, гладкая, как стекло, поверхность воды. Из-за тумана она просматривается вперед метров на 10–15, противоположного берега не видно совсем. Тишина… И вдруг прямо на берег, где вы стоите, начинают накатываться волны. Они идут одна за другой несколько минут, потом постепенно все затихает, и снова гладкая поверхность воды Что можете вы, наблюдатель, сказать о том событии, которое вызвало волны на воде? Скорее всего, на другой стороне пруда в воду свалился какой-нибудь предмет. Большой? Об этом можно судить по высоте волн, по их интенсивности — одно дело, если упал камень, и совсем другое, если, воспользовавшись туманом, в пруд свалили самосвал битого кирпича. В каком месте это случилось, откуда именно пошли волны?
На этот вопрос не ответишь, присматриваясь к одной лишь высоте волны.
Все волноулавливатели можно разделить на две группы. Одни просто регистрируют мощность, интенсивность волн — так работает глаз, отличая яркую точку от темной, так работает ухо, оценивая громкость звука. Только на интенсивность волны реагируют рентгеновская пленка, радиоприемник, фотоэкспонометр. А вот волноулавливатели второй группы, если можно так сказать, подходят к каждой волне индивидуально, следят за тем, когда какая из них пришла, в какой момент какого уровня достигла. Проще говоря, регистрируют не только уровень, но еще и фазу волны.
Слово «фаза» имеет вполне определенный житейский смысл («Эта фаза моей жизни»). Имеет оно и строгое определение физического параметра. Не вдаваясь в тонкости, введем упрощенное определение фазы — будем считать, что это тот момент времени, когда в волноприемник попадает амплитуда волны. Скажем, когда с берегом поравняется гребень волны, бегущей по воде, или когда к антенне радиоприемника подойдет самый сильный участок электрического поля, которое несет радиоволна. Стоя на берегу пруда, мы сможем с помощью точного секундомера отмечать фазу: «У этой волны фаза 7 ч 20 мин 6 с — именно в этот момент ее гребень поравнялся с кромкой берега. А у этой волны фаза 7 ч 26 мин 8 с, у следующей — 7 ч 26 мин 10 с…»
Ну а теперь до интерферометра остался один шаг: посмотрите, в какой фазе приходит волна к двум разным точкам берега — слева и справа от вас. Если волна приходит одновременно, в одной фазе, то, значит, «излучатель» находится строго напротив (рис. 1), если в левую точку волна приходит чуть раньше, с опережением по фазе, то, значит, «излучатель» находится слева (рис. 2), а если раньше приходит правая волна, «излучатель» находится справа.
Как видите, индивидуальный подход к набегающей волне, наблюдение за ее фазой позволили получить совершенно новую информацию об источнике излучений. И вообще нужно сказать, что уважительное отношение к фазе, скажем, умение собирать волны в большие коллективы не просто так, «давай! давай!..», а с учетом особенностей каждой волны, с учетом ее фазы ознаменовало в физике целую эпоху великих открытий.
Именно уважение к фазе подарило нам рентгеноструктурный анализ (сопоставляя фазы рентгеновских лучей, отраженных от разных точек кристалла, узнают его структуру), голографию (учитывая фазы световых волн, отображают объем на плоской пленке), квантовые генераторы и, в частности, лазеры (чем отличается лазер от электрической лампочки? Прежде всего тем, что в лампочке атомы излучают свет каждый сам по себе и возникает хаос, вакханалия световых волн, а в лазере совсем иная культура излучения — атомы выбрасывают световые волны согласованно, волны эти когерентны — они совпадают по фазе и действуют сообща).
Наконец, умение уважать фазу подарило нам огромный класс измерительных приборов — интерферометров (рис. 3), к числу которых относится и наш межконтинентальный радиотелескоп. Чтобы легче разобраться в его возможностях и проблемах, бросим прощальный взгляд на затянутый туманом пруд, вспомним свои интерферометрические опыты и сделаем два важных примечания: чем точнее измеряется разность фаз, тем точнее можно определить направление на излучатель волн; чем больше база интерферометра (расстояние между точками, в которых измеряется фаза), тем больше сдвиг (набег) фаз и опять-таки тем точнее можно определить направление на излучатель.
Эти примечания помогают понять, какими способами можно бороться за самую важную характеристику радиотелескопа-интерферометра — его угловую разрешающую способность, угловое разрешение, т. е. способность с высокой точностью различать источники излучений и их детали.
Лет тридцать назад, еще на заре радиоастрономии, делались первые попытки объединить несколько радиотелескопов в единую систему, но базу больше сотни километров сделать не удавалось. Многие препятствия были связаны с тем, что радиоизлучения, которые принимают антенны телескопов, имеют очень высокую частоту, а значит, время между соседними «гребнями» очень мало, мал период колебаний. Для сантиметровых волн, на которых по ряду причин удобней всего производить наблюдения, один период, т. е. один рабочий цикл интерферометра, как раз и попадает в интервал 3·10-10 — 3·10-11 с. В этом интервале находится цифра, с которой мы начали наш рассказ. И совсем уже мал сдвиг фаз — разница во времени, когда к антеннам интерферометра приходит гребень волны: чтобы измерить этот сдвиг фаз, все агрегаты комплекса, все радиотелескопы должны начинать отсчет фазы по выстрелу единого стартового пистолета, отбивающего время с точностью 10-12 % (ошибка на 1 с за полмиллиона лет).
Легко сказать «…по единому выстрелу… с точностью до 10-12 %», но как это сделать? Как это сделать, если между телескопами тысячи километров?
Для начала перечислим три способа, которые позволяют получить базу от нескольких километров до нескольких десятков километров. Высокочастотные сигналы с каждой из антенн можно передать на общий электронный блок, измеряющий разность фаз, по высокочастотному кабелю (рис. 5 на третьем листе цветной вклейки).
Можно сделать то же самое, предварительно понизив частоту обоих сигналов в индивидуальных смесителях, (рис. 6), но с использованием общего гетеродина. Наконец можно связать антенны с единым измерительным комплексом с помощью каналов радиосвязи (рис. 7). Во всех этих случаях в разных участках системы возникают дополнительные сдвиги фаз, они суммируются, что как раз и препятствует увеличению базы.
Интересный метод создания больших интерферометров предложили в 1963 г. советские радиофизики. Сущность метода состоит в том, что принимаемый сигнал прямо на месте преобразуют и записывают на магнитную пленку вместе с сигналами синхронизации, сверенными по эталонным атомным часам (рис. 8).
Таким образом получают как бы единую запись сигналов от двух или нескольких антенн — все эти сигналы привязаны к единой точке отсчета, к атомным часам, для которых как раз и характерна необходимая точность отсчета времени — что-то около 10-12 %. Потом все пленки с сигналами, привязанными к атомному времени, не спеша собирают и обрабатывают на вычислительной машине, которая учитывает все, вплоть до таких «мелочей», как вращение Земли и связанное с этим непрерывное перемещение наблюдателей по отношению к фронту волны. На основе этого метода уже не раз создавались межконтинентальные интерферометры (рис. 4), было сделано немало интересных открытий.
О некоторых работах, в которых участвовали наши радиоастрономы, рассказывает руководитель этих работ с советской стороны, руководитель лаборатории Института космических исследований АН СССР доктор физико-математических наук Леонид Иванович Матвеенко:
— В 1976 г. с участием советских исследователей было проведено семь циклов наблюдений на межконтинентальных радиоинтерферометрах. Это уже традиционные, плановые работы — они велись и раньше, будут проводиться в будущем. Первая работа 1976 г. (она длилась непрерывно более суток) прошла в феврале. В этот раз в интерферометр входили два радиотелескопа: в Хайстеке (район Бостона, США) и в Симеизе, в Крыму. Такие же циклы наблюдений были проведены в апреле и мае, но здесь уже работали радиотелескопы, расположенные в четырех точках планеты: в Тидбинбилле (Австралия, район Сиднея), в Мэриленд-Пойнте (район Вашингтона), в Биг-Пайн (вблизи Пасадены, США) и опять же в Симеизе. И наконец, пять циклов наблюдения по нескольку суток каждый (в июне, ноябре и декабре) с участием телескопов вблизи Бонна, в Хайстеке и Симеизе. Сезон 1977 г. в феврале открыл интерферометр Бонн — Симеиз — Онсала (Швеция).
Режим наблюдений, их программа очень насыщены и требуют исключительной четкости от всех участников работ. Обычно наблюдения одного объекта продолжаются 20 мин, затем пятиминутный перерыв на перестройку телескопа и снова двадцатиминутный сеанс. Сигнал, как правило, очень слаб, и его приходится долго «накапливать»; обычно период накапливания, этот квант измерений, составляет 300–400 с. Конкретные задачи наблюдений многообразны; об этом косвенно можно судить по числу исследовательских организаций — только в 1976 г. в наших работах участвовали Австрийская астрофизическая обсерватория, Институт Макса Планка (ФРГ), Массачусетский и Калифорнийский технологические институты, Смитсонианская, Хайстекская, Морская исследовательская и Национальная радиоастрономическая обсерватории, НАСА, Йельский университет (США), Крымская астрофизическая обсерватория и Институт космических исследований АН СССР. Все циклы наблюдений прошли удачно, «холостых выстрелов» не было. Это особенно радостно, потому что был впервые совершен трудный переход на очень короткую волну—1,35 см, что, в частности, позволило поднять разрешение интерферометра с 0,1 угловой миллисекунды до 0,05 миллисекунды. Оптический прибор с таким разрешением позволил бы из Москвы увидеть горошину во Владивостоке или увидеть с Земли яблоко на Луне.
Главные наши объекты — это природные мазеры, ядра галактик и совершенно загадочные до недавнего времени звездные образования — квазары.
В природных мазерах происходят в принципе те же процессы, что и в наших земных мазерах и лазерах; мощные источники энергии, скажем, излучения, идущие из области, где происходит рождение звезды, осуществляют «накачку» молекул окружающего газа — водяного пара или гидроксила; они-то и дают когерентное радиоизлучение — довольно острый и монохроматичный луч. До появления больших радиоинтерферометров это излучение приписывали большим областям пространства. Теперь же в этих областях удалось обнаружить очень компактные излучающие точки размером в десятые доли угловой миллисекунды.
Квазары долгое время представлялись этакими гигантскими полыхающими шарами с угловыми размерами в десятки и сотни миллисекунд (рис. 9). Напомним, что размеры, указанные в угловых единицах, — это есть тот телесный угол, в котором объект виден с Земли; так, например, размер Луны — 8 угловых градусов, Марса — 0,2 градуса. Чтобы перейти от угловых размеров к линейным, нужно знать расстояние до объекта. А оно не всегда известно достаточно точно, и астрономы характеризуют объект величиной, которую знают наверняка, — его угловым размером.
Но вернемся к квазарам.
У некоторых квазаров стали обнаруживаться детали, такие, например, как огромный (угловые размеры — около 20') выброс материи («хвост») у квазара ЗС 273. Затем межконтинентальные интерферометры позволили увидеть достаточно мелкие детали квазаров (рис. 9—11).
Кроме того, наблюдая квазар с перерывом — иногда это несколько месяцев, иногда несколько недель, — часто обнаруживали, что его детали смещаются, разлетаются. С учетом примерного расстояния до квазара подсчитали скорость разлета, в ряде случаев она оказалась значительно больше скорости света. Есть разные объяснения этим сверхсветовым перемещениям. Какое из них окажется верным, покажут детальные исследования квазаров. Они входят в наши планы…
С помощью глобальных радиоинтерферометров уже сделано немало удивительных открытий касательно строения квазаров. Это даже представить себе трудно — исследуются детали квазаров, объектов, которые находятся на расстояниях в миллиарды световых лет, на краю видимой Вселенной! А обнаружение сверхсветовых движений в квазарах в какой-то момент даже вызвало сильное волнение в некоторых кругах, близких к астрономии. Как-никак речь шла о покушении на устои науки, что, конечно, всегда волнует — а вдруг?!
На этот раз, однако, покушение не состоялось и остался на своем месте краеугольный камень в фундаменте современной физики — скорость света в вакууме с = 300 000 км/с. Более того, превышение скорости света вообще не было неожиданностью для специалистов по теории относительности. Они, оказывается, еще «до того» твердо установили: возможна некая сверхсветовая «кажимость» и она никак не означает, что какие-то физические тела превысили скорость света. Было описано несколько возможных механизмов «кажимости», и некоторые из них вполне могут объяснить то, что наблюдается в квазарах.
Одно из объяснений удобно проиллюстрировать таким экспериментом, разумеется мысленным: пулемет дает длинную очередь по белой стене и пули прочерчивают на ней пунктирную линию. Скорость прочерчивания этой линии в принципе может быть любой, в том числе может превысить скорость света — нужно лишь, чтобы пулеметчик достаточно далеко отошел от стены и достаточно быстро поворачивал дуло пулемета. Можно представить себе нечто похожее и в квазаре, где по огромному внешнему газовому облаку («стена») бежит сверхсветовой «зайчик» («следы пуль»), нарисованный изнутри излучением раскаленного и быстро вращающегося ядра квазара («пулемет»). Вот другой возможный механизм «кажимости»: две детали квазара разлетаются в разные стороны с околосветовой скоростью, а земной наблюдатель вычислит, что они расходятся со скоростью около 2 с.
Возможные причины сверхсветовых «кажимостей» детально исследованы, описаны в литературе (см., например, книгу В. Л. Гинзбурга «Теоретическая физика и астрофизика». Наука, 1975), но, конечно, предстоит немалая работа, чтобы связать их с конкретными радиоастрономическими фактами, понять, что именно происходит в тех или иных квазарах. Осторожные люди, правда, говорят, что еще нужно проверять сами факты. Квазар — это бурлящий котел, и вполне возможно, так говорят осторожные люди, что радиоинтерферометр после перерыва регистрирует не перемещение старой детали, а рождение новой на большом расстоянии от старого места. Проще говоря, выводы о сверхсветовых скоростях сделаны на основе довольно редких радиоастрономических «фотографий», подтвердить эти выводы должно радиоастрономическое «кино».
Кстати, о фактах. В свое время, выполнив серию непрерывных наблюдений за сигналами «Викинга», американские астрофизики точно измерили тонкий релятивистский эффект: запаздывание радиоизлучений под действием массы Солнца. Подобные измерения проводились раньше, но на этот раз их точность значительно превысила прежние рекордные результаты и составила 1 %. Появилось еще одно подтверждение — теория относительности очень точно согласуется с физической реальностью. Та самая теория относительности, которая была придумана и продумана в деталях смелым гением в виде некоторой гипотезы относительности, «безумной идеи», опирающейся, однако, на неотвратимые факты. Та самая теория относительности, которая отвергает (во всяком случае, при нынешних наших представлениях о природе вещей) возможность движения каких-либо физических тел со скоростями, превышающими скорость света в вакууме.