Эксперименты в космосе

До относительно недавнего времени у астрономии был серьезный недостаток и примечательная особенность: она была единственной абсолютно не экспериментальной наукой. Все объекты исследования находились там, наверху, а мы с нашими приборами пребывали здесь, внизу.

 

Никакая другая наука не была так серьезно ограничена. В физике и химии, разумеется, все изобретается на наковальне эксперимента, и те, кто сомневается в полученном заключении, вольны выполнить широкий ряд других манипуляций с материей и энергией в попытке получить опровержение или альтернативные объяснения. Специалисты по эволюционной биологии, даже очень терпеливые, не могут себе позволить ждать несколько миллионов лет, пока один вид эволюционирует в другой. Но эксперименты с общими последовательностями аминокислот, структурой ферментов, с кодами, записанными в молекулах нуклеиновой кислоты, с окрашиванием (бэндингом) хромосом, позволяющим выявить комплекс специфических для каждой хромосомы поперечных меток (полос, бэндов), а также опыты по анатомии, физиологии и поведению подтверждают тот факт, что эволюция имела место, и ясно показывают, какие группы растений и животных (в том числе и человек) связаны с другими (например, большими обезьянами).

 

Правда, геофизики, изучая глубокие внутренние слои Земли, не могут добраться до границы Вихерта между ядром и мантией или (пока что) до границы Мохоровичича между мантией и корой. Но батолиты (огромные массивы интрузивных горных пород гранитоидного состава), вышедшие из глубоких внутренних слоев, можно повсеместно найти на поверхности и изучить. Геофизики основываются главным образом на сейсмических данных, и в этом, как и астрономы, они не могут принудить природу, а вынуждены ждать ее даров: например, сейсмического события на другой стороне Земли, так чтобы один из двух расположенных рядом сейсмометров попал в сейсмическую «тень» ядра Земли, а другой – нет. Но нетерпеливые сейсмологи могут и инициируют собственные химические и ядерные взрывы, чтобы звонить в Землю, как в колокол. И недавно получены интригующие результаты, указывающие на то, что может существовать возможность включать и выключать землетрясения. Геологи, которые не склонны получать выводы логическим путем, всегда могут перейти к полевым наблюдениям и изучать современные процессы эрозии. Но точного астрономического эквивалента геолога, занимающегося поисками твердых полезных ископаемых, раньше не было.

 

Мы были ограничены электромагнитным излучением, отраженным и испускаемым астрономическими объектами. Мы не могли изучать обломки звезд или планет (кроме метеоритов) в наших лабораториях или полететь на такие объекты, чтобы исследовать их in situ. Пассивные наблюдения с поверхности Земли снабдили нас незначительным количеством вразумительных данных по астрономическим объектам. Наше положение было гораздо хуже, чем у шести слепых людей из притчи, исследующих природу слона. Это было больше похоже на одинокого слепого в зоопарке. Мы стояли там столетиями, оглаживая заднюю левую ногу. Неудивительно, что мы не обнаружили бивни и не заметили, что нога принадлежала вовсе не слону. Если по чистой случайности оказывалось, что линия прямой видимости двойной звезды лежит в ее орбитальной плоскости, мы видели ее затмения, иначе – нет. Мы не могли переместиться в то положение в космосе, с которого можно было наблюдать затмения. Если бы мы наблюдали за галактикой, когда взрывалась сверхновая, мы могли бы изучить ее спектр, иначе – нет. Мы не имеем возможности выполнять эксперименты по взрывам сверхновой – и слава богу. Мы не могли изучать в лаборатории электрические, тепловые, минералогические и химические свойства лунной поверхности. Мы могли делать выводы, основываясь только на отраженном видимом свете, инфракрасных и радиоволнах, испускаемых Луной, а также на редких естественных экспериментах, таких как солнечные и лунные затмения.

 

Но все это постепенно меняется. У астрономов, проводящих исследования с Земли, теперь есть, по крайней мере для ближних объектов, экспериментальный инструмент: радиолокационная астрономия. Для нашего удобства мы можем выбрать частоту, поляризацию, полосу пропускания и длительность импульса, послать к ближайшему спутнику или планете коротковолновый радиоимпульс и изучить вернувшийся сигнал. Мы можем подождать, пока объект будет вращаться под лучом, и облучить какое-то другое место на его поверхности. Радиолокационная астрономия позволила сделать массу новых выводов о периодах вращения Венеры и Меркурия и связанных с ними проблемах приливной эволюции Солнечной системы, о кратерах Венеры, раздробленной поверхности Луны, возвышенностях Марса и размере и составе частиц в кольцах Сатурна. И радиолокационная астрономия только начинает развиваться. Мы все еще ограничены малыми высотами, а для изучения внешней Солнечной системы – полушариями, повернутыми к Солнцу. Но с новым покрытием радиотелескопа Аресибо Национального центра астрономии и ионосферы в Пуэрто-Рико мы сможем составить карту поверхности Венеры с разрешением 1 км – лучше, чем самое высокое разрешение фотографий лунной поверхности, отснятых с Земли, – и получить много новой информации об астероидах, Галилеевых спутниках Юпитера и кольцах Сатурна. Впервые мы ощупываем космические объекты, электромагнитно осязаем Солнечную систему.

 

Гораздо более мощный метод экспериментальной (в противоположность наблюдательной) астрономии – космические исследования. Сейчас мы можем путешествовать в магнитосферы и атмосферы планет. Мы можем приземляться и странствовать по их поверхности. Мы можем брать образцы прямо из межпланетной среды. Наши первые предварительные шаги в космос показали нам широкий ряд явлений, о существовании которых мы никогда и не знали: радиационный пояс Ван Аллена (это область ближайшего космического пространства около планеты, имеющая вид кольца, в которой находятся гигантские потоки электронов и протонов), удерживающий проникшие в магнитосферу Земли заряженные частицы, области концентрации массы под круглыми морями Луны, извилистые каналы и большие вулканы Марса, испещренная кратерами поверхность Фобоса и Деймоса. Но что меня поражает больше всего – что еще до появления космических кораблей астрономы справлялись очень хорошо, хотя они были связаны по рукам и ногам. Интерпретации доступных им наблюдений были замечательными. Космические аппараты – это способ проверки выводов, сделанных астрономами путем умозаключений, метод выяснения, стоит ли верить астрономическим заключениям о самых дальних объектах – настолько далеких, что они абсолютно недоступны для космических аппаратов в ближайшем будущем.

 

Одним из самых ранних главных спорных вопросов в астрономии был вопрос, что находится в центре Солнечной системы – Земля или Солнце. Взгляды Птолемея и Коперника объясняют видимое движение Луны и планет сравнительно точно. В случае практической задачи прогнозирования положения Луны и планет при взгляде с поверхности Земли не имело значения, какую принять гипотезу. Но философские выводы из геоцентрической и гелиоцентрической гипотезы были совершенно разными. И существовали способы проверки, какая из них верна. По мнению Коперника, Венера и Меркурий должны проходить фазы, как и Луна. По мнению Птолемея, не должны. Когда Галилей, используя один из первых астрономических телескопов, увидел Венеру в фазе полумесяца, он понял, что доказал гипотезу Коперника.

 

Но космические аппараты обеспечивают непосредственную проверку. Согласно Птолемею, планеты прикреплены к огромным хрустальным сферам. Но, когда «Маринер-2» или «Пионер-10» достигли местоположения предполагаемых хрустальных сфер Птолемея, их движению ничего не препятствовало, более того, акустические и другие микрометеоритные детекторы не зафиксировали даже слабого звона, тем более звука разбитого хрусталя. Такое тестирование сразу же вызывает чувство удовлетворения. В нашей среде вряд ли есть последователи Птолемея. Но могут быть те, кто еще сомневается в том, что у Венеры есть фазы, следуя какой-нибудь видоизмененной геоцентрической гипотезе. Теперь они могут успокоиться.

 

До изобретения космических аппаратов немецкий астрофизик Людвиг Бирман был заинтригован тем, что в хорошо развитых хвостах комет, проходящих через внутренние части Солнечной системы, явно наблюдалось ускорение отдельных ярких узлов. Бирман показал, что давления солнечного света недостаточно для объяснения наблюдаемого ускорения, и сделал оригинальное предположение, что от Солнца устремляются заряженные частицы, которые при взаимодействии с кометой создают это ускорение. Ну что ж, возможно. Но не может ли это быть вызвано, скажем, химическими взрывами в ядре кометы? Или чем-то другим? Но в ходе первого успешного запуска межпланетного космического зонда «Маринер-2», который проходил мимо Венеры, обнаружилось существование солнечного ветра со скоростями и плотностями электронов как раз того диапазона, который бы потребовался, по подсчетам Бирмана, чтобы ускорить вещество хвоста кометы.

 

В то же время велись споры о природе солнечного ветра. По мнению Юджина Паркера из Чикагского университета, он был вызван гидродинамическим потоком, исходящим от Солнца, по другому мнению – испарением из высших слоев солнечной атмосферы. По гидродинамическому объяснению, там не должно быть разделения по массе, то есть атомный состав солнечного ветра должен быть такой же, как у Солнца. Но, согласно гипотезе испарения, более легкие атомы преодолевают притяжение Солнца легче, и тяжелые элементы не должны присутствовать в солнечном ветре. Межпланетный космический зонд обнаружил, что соотношение водорода и гелия в солнечном ветре точно такое же, как и на Солнце, и таким образом предоставил убедительные доказательства в пользу гидродинамической гипотезы происхождения солнечного ветра.

 

По этим примерам из области физики солнечного ветра мы видим, что космические эксперименты позволили вынести решающие суждения о спорных гипотезах. В ретроспективе мы видим, что были астрономы, такие как Бирман и Паркер, которые оказались правы и привели верные доводы. Но были и другие, такие же умные, кто им не верил и мог продолжать не верить, если бы не ключевые космические эксперименты. Примечательно не то, что существовали альтернативные гипотезы, которые, как мы теперь знаем, неверны, а то, что на основе самых скудных имеющихся данных любой мог предугадать правильный ответ – дедуктивным методом, используя интуицию, физику и здравый смысл.

 

До миссий «Аполлона» самый верхний слой лунной поверхности можно было изучить посредством наблюдений в видимом, инфракрасном и радиодиапазоне во время и лунного, и солнечного затмения и можно было измерить поляризацию солнечного света, отраженного от лунной поверхности. На основе этих наблюдений Томас Голд из Корнельского университета приготовил темный порошок, который в лаборатории очень хорошо воспроизводил наблюдаемые свойства лунной поверхности. Эту «золотую пыль» (Golddust) можно даже купить за скромную цену у компании Edmund Scientific Company. При сравнении невооруженным глазом лунной пыли, добытой астронавтами «Аполлона», и «золотой пыли» видно, что они почти неразличимы. По распределению размеров частиц и электрическим и тепловым свойствам они сходны. Однако их химический состав сильно различается. «Золотая пыль» главным образом состоит из портландского цемента, древесного угля и спрея для волос. Луна имеет менее экзотический состав. Но наблюдаемые лунные свойства, доступные Голду до «Аполлона», не слишком сильно зависели от химического состава лунной поверхности. Он корректно смог сделать вывод о тех свойствах лунной поверхности, которые относились к наблюдениям Луны до 1969 г.

 

Изучив имеющиеся данные радиолокационного сканирования, мы смогли сделать заключение о высокой температуре и высоком давлении на поверхности Венеры до спуска первого зонда советской «Венеры» в атмосферу планеты и последующих зондов на ее поверхность. Также мы правильно вычислили, что перепады высоты на Марсе составляют 20 км, хотя ошибочно думали, что темные области постоянно встречаются на большой высоте.

 

Возможно, одно из самых интересных противоречий астрономических умозаключений и наблюдений с помощью космических аппаратов связано с магнитосферой Юпитера. В 1955 г. Кеннет Франклин и Бернард Берк тестировали радиотелескоп рядом с Вашингтоном, округ Колумбия, предназначенный для обнаружения галактического радиоизлучения на частоте 22 МГц. Они заметили регулярно повторяющиеся помехи в своих записях, которые, как они поначалу подумали, были вызваны каким-то обычным источником радиошума, таким как неисправная система зажигания на каком-нибудь ближайшем тракторе. Но вскоре они обнаружили, что по времени эти помехи совпадали с прохождением планеты Юпитер через меридиан у них над головой. Они обнаружили, что Юпитер является мощным источником радиоволн декаметрового диапазона.

 

Впоследствии было обнаружено, что Юпитер также является ярким источником дециметровых волн. Но спектр был очень специфическим. На длинах волн порядка нескольких сантиметров было обнаружено излучение вещества с очень низкими температурами – около 140 K, что сравнимо с оценкой температуры, полученной для Юпитера в инфракрасных лучах. Но на дециметровых волнах – длиной до одного метра – яркостная температура очень быстро поднималось с увеличением длины волны, приближаясь к 100 000 K. Это была слишком высокая температура для теплового излучения – радиоизлучения, которое испускают все объекты, просто потому, что их температура выше абсолютного нуля.

 

Фрэнк Дрейк, тогда работавший в Национальной радиоастрономической обсерватории, в 1959 г. предположил, что этот спектр указывает на то, что Юпитер является источником синхротронного излучения – излучения, которое заряженные частицы испускают по направлению движения, когда летят со скоростями, близкими к скорости света. На Земле есть синхротроны – это удобные устройства, используемые в ядерной физике для ускорения электронов и протонов до таких высоких скоростей, и именно в синхротронах было впервые в общих чертах изучено такое излучение. Синхротронное излучение поляризованное, и то, что дециметровое излучение Юпитера также поляризовано, послужило дополнительным подтверждением гипотезы Дрейка. Дрейк предположил, что Юпитер окружен широким поясом релятивистских заряженных частиц (движущаяся с релятивистской скоростью, то есть скоростью, сравнимой со скоростью света), похожим на радиационный пояс Ван Аллена вокруг Земли, который был тогда только обнаружен. Если это так, область дециметрового излучения должна быть гораздо больше оптического размера Юпитера. Но у обычных радиотелескопов недостаточное угловое разрешение, чтобы различить какую-либо пространственную деталь в той области, где находится Юпитер. Однако радиоинтерферометр может достичь такого разрешения. Весной 1960 г., вскоре после того, как было выдвинуто это предложение, В. Радхакришнан с коллегами в Калифорнийском технологическом институте использовали интерферометр, состоящий из двух антенн диаметром 27,4 м, поставленных на рельсы на расстоянии почти полкилометра друг от друга. Они обнаружили, что область дециметрового излучения вокруг Юпитера была значительно больше, чем оптические размеры Юпитера, подтвердив предположение Дрейка.

 

Используемый позже радиоинтерферометр с более высоким разрешением показал, что у Юпитера по бокам расположено два симметричных «уха» радиоизлучения с той же общей конфигурацией, как и у радиационных поясов Ван Аллена вокруг Земли. Выстроилась общая картина: на обеих планетах электроны и протоны из солнечного ветра захватываются и ускоряются дипольным магнитным полем планеты и движутся по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля планеты, колеблясь между двумя магнитными полюсами. Область радиоизлучения вокруг Юпитера является его магнитосферой. Чем сильнее магнитное поле, тем дальше от планеты будет находиться граница магнитного поля. Вдобавок, если принять во внимание, что наблюдаемый спектр в радиодиапазоне формируется синхротронным излучением, можно определить силу магнитного поля. Ее нельзя определить с высокой точностью, но большинство оценок, сделанных с помощью радиоастрономических методов в конце 1960-х гг. и начале 1970-х гг., лежат в диапазоне от 5 до 30 Гс, что приблизительно в 10–60 раз больше магнитного поля у поверхности Земли на экваторе.

 

Радхакришнан с коллегами также обнаружили, что поляризация дециметровых волн, исходящих от Юпитера, регулярно изменялась по мере вращения планеты, как будто радиационные пояса Юпитера колебались относительно луча зрения. Они предположили, что причина заключается в 9-градусном наклоне между осью вращения и магнитной осью планеты – очень похоже на расхождение северного географического и северного магнитного полюсов Земли. Последующие исследования дециметрового и декаметрового излучения, которые проводил Джеймс Уорвик из Университета Колорадо и др., указывали на то, что магнитная ось Юпитера смещена на малую долю радиуса Юпитера от оси вращения, в отличие от Земли, где обе оси пересекаются в центре Земли (ось диполя, наилучшим образом описывающего магнитное поле Земли, проходит примерно на расстоянии 540 км от центра земного шара). 

 

Также ученые пришли к выводу, что южный магнитный полюс Юпитера находится в северном полушарии, то есть компас, указывающий на север Юпитера, будет указывать на юг. В этом нет ничего странного. Магнитное поле Земли меняло свое направление много раз в течение своей истории, и считается, что северный магнитный полюс находится в Северном полушарии Земли в настоящее время, только потому, что ученые так решили. На основе интенсивности дециметрового и декаметрового излучения астрономы также вычислили, какие могут быть энергии и потоки электронов и протонов в магнитосфере Юпитера.

 

Это очень широкий ряд выводов. Но все они теоретические. Вся эта тщательно продуманная суперсистема была протестирована 3 декабря 1973 г., когда космический зонд «Пионер-10» пролетел через магнитосферу Юпитера. На борту были размещены магнитометры, которые измеряли силу и направление магнитного поля в разных точках магнитосферы, и различные детекторы заряженных частиц, которые измеряли энергии и потоки захваченных электронов и протонов. Поразительно, но факт, что практически каждый вывод, сделанный на основе радиоастрономических методов исследования, был в общем и целом подтвержден «Пионером-10» и его преемником «Пионером-11». Экваториальное магнитное поле на поверхности Юпитера составляет около 6 Гс и больше на полюсах. Наклон магнитной оси к оси вращения составляет около 10°. Положение магнитной оси можно описать как явно смещенное на четверть радиуса Юпитера от центра планеты. На расстоянии от Юпитера, большем чем три его радиуса, магнитное поле планеты приблизительно совпадает с магнитным полем диполя; ближе к Юпитеру оно гораздо сложнее, чем оценивалось.

 

Поток заряженных частиц, уловленный «Пионером-10» вдоль его траектории сквозь магнитосферу, был значительно больше, чем ожидалось, но не настолько, чтобы вывести из строя космический аппарат. «Пионер-10» и «Пионер-11» успешно прошли через магнитосферу Юпитера благодаря везению и точным инженерным расчетам, а не точности магнитосферных теорий, существовавших до запуска «Пионеров».

 

В общем, синхротронная теория дециметрового излучения Юпитера подтверждена. Все те радиоастрономы знали, что они делают. Сейчас мы можем доверять с гораздо большей уверенностью, чем прежде, выводам, сделанным на основе синхротронной физики и примененным к другим, более далеким и менее доступным космическим объектам, таким как пульсары, квазары или остатки сверхновых. На самом деле, эти теории сейчас можно перепроверить и увеличить их точность. Теоретическая радиоастрономия впервые была проверена экспериментальным путем и успешно прошла эту проверку. Из многих важных открытий, сделанных «Пионером-10» и «Пионером-11», я считаю, это его величайший триумф: оно подтвердило наше понимание важной области космической физики.

 

Мы все еще многого не понимаем о магнитосфере и радиоизлучениях Юпитера. Свойства декаметровых волн все еще представляют собой загадку. Почему на Юпитере существуют локализованные источники декаметрового излучения, вероятно, размером менее 100 км? Что это за источники излучения? Почему области декаметрового излучения вращаются вокруг планеты с высокой временно́й точностью – до семи значащих цифр, – но не синхронно с периодами вращения видимых объектов в облаках Юпитера? Почему декаметровые вспышки имеют очень сложную (субмиллисекундную) структуру? Почему декаметровые источники коллимированные, то есть не излучают одинаково во всех направлениях? Почему декаметровые источники прерывистые, то есть не «включены» все время?

 

Эти загадочные свойства декаметрового излучения Юпитера напоминают свойства пульсаров. У типичных пульсаров магнитные поля в триллион раз больше, чем у Юпитера, они вращаются в 100 000 раз быстрее, они в 1000 раз моложе, они в 1000 раз крупнее. Граница магнитосферы Юпитера движется со скоростью менее одной тысячной скорости конуса света пульсара. Тем не менее вполне возможно, что Юпитер – это не до конца образовавшийся пульсар, локальная и довольно невзрачная модель быстро вращающихся нейтронных звезд, которые являются одним из конечных продуктов звездной эволюции. Ответы на все еще сложные вопросы о механизмах излучения пульсара и геометрии магнитосферы может дать космическое наблюдение декаметрового излучения Юпитера вблизи: например, в ходе миссий «Вояджера» и «Галилео» НАСА.

 

Экспериментальная астрофизика развивается быстрыми темпами. Самое позднее через несколько десятилетий мы должны увидеть непосредственное экспериментальное исследование межзвездной среды: гелиопауза – граница между областью, в которой преобладает солнечный ветер, и областью, где преобладает межзвездная плазма, – по оценкам ученых, располагается на расстоянии не более 100 астрономических единиц (15 млрд км) от Земли. (Если бы там по соседству с Солнечной системой находились квазар и черная дыра – ничего фантастического, вы понимаете, только малыши, – мы могли бы путем измерений in situ с помощью космических аппаратов проверить важнейшие теории современной астрофизики.)
 

Если мы можем судить по прошлому опыту, каждый будущий астрофизический эксперимент с помощью космических аппаратов покажет, что (а) важнейшие представления астрофизиков были верными; (б) никто не знал наверняка, какие именно представления окажутся верными, пока не были получены результаты исследований, проведенных с космических аппаратов; и (в) эти результаты позволили обнаружить целый ряд новых, еще более интригующих и фундаментальных проблем.