Что ищут «археологи космоса»?
Шрифт:
Известный советский астроном Н. С. Кардашев еще в конце 60-х годов высказал идею об изучении реликтового излучения с помощью радиотелескопов, поднятых на борт искусственных спутников Земли. Преимущества нового способа исследования были очевидны и вскоре общепризнанны: выбором соответствующей, с очень высоким апогеем спутниковой орбиты можно избавиться от тепловых помех Земли, ее атмосферы и т. п. А самое главное — за год работы с помощью ИСЗ можно получить такой же объем информации, как и при наземных экспериментах продолжительностью почти в полвека!
Итак, идея была ясна в подробностях, спутники на такие орбиты запустить можно, установка радиотелескопа на них технической сложности также не представляла…
Что можно сказать о приборе, способном измерить разность мощностей излучения в 10 – 27Вт?
Чтобы лучше прочувствовать трудности, которые возникают при подобного рода экспериментах, достаточно привести слова одного из итальянских исследователей анизотропии фонового излучения Ф. Мельхиорри: «Исследовавшиеся сигналы имеют тот же порядок величины, что и естественное тепловое излучение мыши, находящейся в 50 км от детектора».
Чтобы понять, много это или мало, сравним ее с сигналом минимальной мощности, которую может принять идеальный, то есть абсолютно нешумящий усилитель.
На первый взгляд может показаться, что идеальная измерительная установка, из которой «извлечены» все источники внутренних шумов, способна принимать любой, сколь угодно малый сигнал. Однако это не так: парадоксальным оказывается само предположение о создании нешумящего усилителя, поскольку оно ведет к нарушению принципа неопределенности.
В самом деле, минимальная порция энергии, на которую реагирует приемная система, не может быть меньше энергии одного фотона. Поскольку приемное устройство регистрирует не более фотона в секунду, то для рабочей частоты 37 Гц это соответствует пороговой мощности примерно 3 x 10 – 23Вт. Выходит, идеальный усилитель должен работать с излучением в 1000 раз более слабым, чем его пороговая мощность? Как сказал по этому поводу один из физиков, это все равно, что в лупу часовщика рассматривать вирус или пытаться взлететь на аэробусе, оснащенном движком от «кукурузника». Заметим, кстати, что мы рассмотрели случай с прибором идеальной чувствительности. Настоящий же, созданный для эксперимента «Реликт» параметрический усилитель имел, само собой разумеется, в несколько раз больший шумовой уровень.
И все-таки карта распределения интенсивности реликтового излучения на небесной сфере была построена.
4. Что нашли «археологи космоса»
Чтобы выделить слабый сигнал, безнадежно утонувший в шумах аппаратуры, конструкторы уникальных приборов прибегли к весьма остроумному способу, который не раз выручал археологов, имеющих дело со старыми документами, со стертыми или утраченными надписями и т. д. и т. п. Документ несколько раз фотографируют в различных спектральных диапазонах. Затем полученные изображения складывают друг с другом. Случайные помехи — шумы! — пропадают, а вот характерные детали, пусть даже и невидимые на каждом отдельном снимке, складываясь, усиливают друг друга. Точно так же действовало и приемное устройство, разработанное физиками специально для эксперимента «Реликт»: шумы, даже превышающие слабый полезный сигнал, удается уменьшить, благодаря многократным наблюдениям за одним и тем же участком. Уровень помех по сравнению с полезным сигналом при этом уменьшался как корень квадратный из числа измерений.
По условиям эксперимента уровень шума нужно уменьшить ни много ни мало в 1 млн. раз. Число измерений, совершаемое каждую секунду,
Некоторое представление о том, какие чисто технические трудности пришлось преодолевать молодым ученым при создании уникального прибора, дает следующий пример, иллюстрирующий создание одного из устройств, входящих в состав не самого сложного — контактного устройства.
Представьте себе лунку, сделанную в полупроводниковом кристалле диаметром 3 мкм, и позолоченную пружинку толщиной с человеческий волос и длиной всего 0,5 мм. Пружинку изгибают по сложному профилю и, заострив с одного конца, попадают ею в лунку так, чтобы обеспечить надежный электрический контакт. 40 млрд. раз в секунду через это устройство будет проскакивать электрический разряд с фантастической плотностью 10 9А/м 2. Это в несколько раз выше, чем в канале ствола молнии!
Характерная деталь: микроскопический контакт должен работать даже в экстремальных условиях без малейшего сбоя в течение нескольких лет, причем заточенное жало пружинки не должно и на микрон сдвинуться в сторону ни при выводе спутника «Прогноз» на орбиту, ни в других экстремальных условиях.
Итак, эксперимент завершен. И хотя обработка результатов будет еще продолжаться, я прошу Игоря Струкова сказать несколько слов о его итогах.
— Выполнение наблюдения позволяет сделать предварительные суждения о характере перемещения нашей Галактики в пространстве. Со скоростью около 515 км/с она движется в направлении ближайшего скопления галактик в созвездии Девы. Угол между вектором скорости и направлением на галактические скопления составляет приблизительно 50°.
Одним из самых интересных и неожиданных результатов явилось то, что интенсивность излучения Млечного Пути на волне 8 мм оказалась значительно выше, чем по ранее сделанным оценкам. Это, по-видимому, связано с существованием гигантских объемов ионизированного водорода, расположенных в спиральных областях нашей Галактики. Такие области, заполненные плазмой и ослабляющие проходящее сквозь них излучение, получили название Н II области. Масса наиболее крупных из них превосходит Солнце в сотни тысяч раз, температура достигает 10 000 К.
Подмечена такая любопытная закономерность. Чем меньше Н II — область, тем выше в ней плотность водорода. Объяснение этому факту пока не найдено. Ряд областей удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов, другие видны только в радиодиапазоне. Установить причины их возникновения и найти разгадку столь необычной зависимости плотности плазмы от размеров области — дело дальнейшего.
Самым же главным достижением эксперимента «Реликт» является безукоризненная работа уникального радиотелескопа, превосходящего по своим характеристикам все зарубежные аналоги. Удалось добиться настолько высокой его чувствительности, что он различал две точки на небесной сфере, если их температура разнилась всего лишь на десятитысячные доли градуса. Судя по сообщениям зарубежной печати, чувствительность созданного советскими учеными радиометра вдвое выше, чем у подобного прибора на американском спутнике СОВЕ, запуск которого еще только планируется. «Прогноз-9» подтвердил высокую однородность распределения по небу яркости реликтового излучения. Никаких, даже слабых, эффектов, предусматриваемых другими моделями Вселенной, обнаружено не было, что уже ставит эти модели под сомнение.