На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Тайсон Нил Деграсс

В конце 1930-х теоретические и практические исследования в области радиоволн сфокусировались на отправке и приеме радиосигналов. И только после того, как эти задачи-близнецы были как следует продуманы и решены, стало возможным обратиться к другой паре близнецов: проблемам регистрации радиосигналов и того, как ее избежать. Но в 1930-х годах на радиофронте произошло еще нечто крайне важное – была начата работа над еще одним практическим проектом, принесшим еще один непредсказуемый научный результат. Фактически этот проект привел к рождению целой новой ветви астрофизики.

Объект, известный нам под названием «телефон», появился как устройство для перенаправления радиоволн. Сегодня наши смартфоны перенаправляют микроволны. В «средневековую» эру телефонной связи гигантская американская телефонная и телеграфная компания AT&T была монополистом на рынке и пользовалась поддержкой правительства. Девиз ее был: «Одна система, одна политика, универсальный сервис». В 1885 году AT&T провела первый междугородный телефонный разговор в пределах Соединенных Штатов, между Нью-Йорком и Филадельфией. Трансатлантическая двусторонняя связь на основе радио (она еще называлась радиотелефонной) открылась в 1927 году, но единственным местом, куда в то время получилось бы позвонить, был Лондон. Транстихоокеанская связь с Токио заработала в 1934 году. Но со связью на таких больших расстояниях была одна проблема – не считая, конечно, цены разговора, – которую в самой AT&T описывают так: «При существующей радиотехнике качество телефонной связи было далеким от идеального: периодические затухания сигнала, помехи и жестко ограниченные возможности»[268]. Другая обоюдоострая трудность заключалась в том, что в низкочастотном и длинноволновом участке радиоспектра было доступно мало каналов связи, в то время как высокочастотная и коротковолновая часть – именно та, в которой можно было передать гораздо больше информации, – была еще неизведанной территорией как в научном, так и в техническом смысле. И только после того, как этот плацдарм был завоеван, в начале 1970-х стали возможными прямые стереотрансляции в УКВ-диапазоне из Метрополитен-опера.

Но не будем забегать вперед.

В 1928 году в трехлетнюю «дочку» AT&T, лабораторию Bell Telephone Laboratories, поступил на работу молодой физик Карл Янский. Ему было поручено изучать наземные радиоисточники, которые могли быть причиной всех этих шипений и тресков – то есть шумов и помех – в радиокоммуникациях. Построив вращающуюся антенну новой конструкции, настроенную на радиоволну 14,6 метра (то есть на частоту 20,5 МГц), Янский провел несколько лет, принимая приемником искомые сигналы, изучая их структуру, и тщательно интерпретируя результаты анализа. В 1932 году он опубликовал предварительное описание своих находок.

Тон работы Янского был скромным и осторожным, его заявления – сдержанными, внимание к фактам – образцовое. В своей статье, касаясь «направления прихода и интенсивности помех на коротких волнах», он указывает на три различимых типа помех: один от местных гроз, другой от далеких, а третий – неотождествленный, «постоянная шипящая помеха неизвестной природы», которая казалась «связанной с Солнцем». В следующей своей работе 1933 года – весь этот год он занимался только изучением этой третьей помехи – Янский заключает, что ее источник лежит намного, намного дальше Солнца. Он должен быть «фиксирован в пространстве», вблизи места, «очень близкого к точке, где прямая, проведенная от Солнца через центр огромной галактики, состоящей из звезд и туманностей, галактики, членом которой является наше Солнце, пересекает небесную сферу». Короче говоря, примерно в сердце Млечного Пути[269].

Каждые 23 часа и 56 минут Земля совершает полный оборот вокруг своей оси относительно звезд. Каждые 23 часа и 56 минут центр Млечного Пути оказывается на небе Земли в одной и той же точке. Каждые 23 часа и 56 минут сигнал от указанной Янским фиксированной точки в пространстве принимается его вертящейся антенной, и мы слышим знаменитое шипение. Отсюда следует неизбежный вывод: эта фиксированная точка в пространстве является центром Млечного Пути. Если бы источником было Солнце, интервал между шипениями составлял бы ровно 24 часа и ни минутой меньше.

Это было рождением радиоастрономии, хотя и концом радиоастрономической карьеры самого Янского. Вместо того чтобы согласиться на его предложение продолжить исследования и построить для этого стофутовую «тарелку», лаборатория Белла – ведь она получила ответ на свои практические вопросы и вовсе не собиралась финансировать фундаментальные исследования – поручила Янскому выполнять другие задания.

К счастью, молодой радиоинженер из штата Иллинойс, Грот Ребер – он оказался «жертвой момента», начав поиски работы как раз в разгар Великой депрессии, – решил двигаться дальше и построил для этого у себя на заднем дворе собственный радиотелескоп. В 1938 году Ребер подтвердил открытие Янского, а затем в полном одиночестве провел следующие пять лет за составлением карт всего радионеба с низким разрешением. Спустя полстолетия Ребер опубликовал написанную очень легким для чтения языком статью «Пьеса “Начало радиоастрономии”», в которой («жертва момента»!) он отмечает, что Янский

проводил свои наблюдения вблизи минимума солнечной активности. Ионосферная дыра на частоте 20,5 МГц была днем и ночью открыта от зенита до горизонта. Если бы он работал на несколько лет раньше или позже, его наблюдения были бы искажены ионосферными эффектами, особенно в дневное время. Янский – пример того, как нужный человек в нужном месте делает нужную работу в нужное время[270].

Для каждой полосы излучения требуется собственный приемник. Никакой телескоп не может работать во всех полосах спектра. Если вы собираете сверхкоротковолновое рентгеновское излучение, ваше зеркало должно быть исключительно гладким, иначе оно будет искажать получающиеся изображения. Но если вы собираете радиоволны, отражательные элементы можно сделать из проволочной сетки, которую вы можете согнуть прямо руками, потому что неоднородности проволоки все равно будут меньше длины радиоволн, которые вы хотите зарегистрировать. Степень гладкости поверхности вашего зеркала должна соответствовать масштабу длин волн, которые вы принимаете. И не забывайте о разрешении: если вы хотите получить достаточно детальное изображение, диаметр вашего зеркала должен быть значительно шире, чем длина волны принимаемого излучения.

Приемники, которые построили Янский и Ребер, были первыми эффективными радиотелескопами. С них началась история регистрации невидимого излучения из космоса. О стеклянных зеркалах в этом случае не могло быть и речи – радиоволны просто прошли бы сквозь них. Рефлекторы радиоизлучения должны были изготовляться из металла.

Стофутовое сооружение Янского немного походило на оросительную установку современной сельскохозяйственной фермы. Антенна представляла собой ряд высоких прямоугольных металлических рамок, укрепленных деревянными крестовинами и смонтированных на передних колесных шасси, найденных на свалке «Фордов-Т». Маленький моторчик каждые 30 минут поворачивал всю эту конструкцию на 360 градусов. В расположенном тут же сарайчике находился приемник, оборудованный автоматическим регистратором температуры, переделанным для записи интенсивности радиосигналов[271].

У Ребера был телескоп другого типа – девятиметровая «тарелка», от которой и произошли следующие поколения радиотелескопов, чаще всего параболических, похожих на половинку яичной скорлупы. Такая «тарелка», по сути, представляет собой зеркало для сбора радиоволн и фокусировки их на приемнике. Главным для Ребера был сам факт регистрации излучения; его устройство оказалось недостаточно большим, чтобы достичь хорошего разрешения. Но в начале 1940-х и простая регистрация невидимого космического явления уже стала огромным шагом вперед.