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

В то время, как радиоволны оказались для человечества полезными во многих отношениях, как в бытовом, так и в космическом масштабе, гамма-лучи полезными обычно не считаются – скорее наоборот.

Гамма-излучение, занимающее высокоэнергетический конец электромагнитного спектра, было открыто в 1900 году как побочный продукт радиоактивности. К 1950-м сложилось представление, что гамма-лучи могут приходить на Землю из космического пространства, но зарегистрированы они были только в 1961 году короткоживущим детектором нового типа, установленным на борту запущенного NASA спутника Explorer XI.

Как и рентгеновские лучи, гамма-излучение трудно зарегистрировать – оно проходит сквозь обычные линзы и зеркала, и поэтому его нельзя сфокусировать, как мы фокусируем радиоволны и видимый свет. Что годится для операций с радиоволнами, микроволнами, инфракрасным, видимым и ультрафиолетовым излучением, не работает с рентгеновскими или гамма-лучами. Приемники в этих полосах спектра требуют применения новых принципов регистрации. Фотопленка тоже регистрирует только видимый и ультрафиолетовый свет; чтобы записать сигналы от объекта, излучающего на других длинах волн, требуются новые методы детектирования.

Приемник на борту «Эксплорера XI» представлял собой устройство, называемое сцинтиллятором. Оно отдаленно похоже на телескоп – примерно так же, как кит на паука. Сцинтиллятор – это небольшая пластина энергетически чувствительного материала (например, йодистого цезия), производящая слабые световые вспышки – или выбросы заряженных частиц – каждый раз, когда сквозь нее проходит гамма-излучение. Если эти вспышки усилить фотоумножителем, получится приемник гамма-лучей. Измеряя энергию выброшенных сцинтиллятором заряженных частиц, вы можете определить, какого рода излучение их породило. За четыре месяца полета «Эксплорера XI» его приемник занимался сбором данных на протяжении двадцати трех дней и отметил за это время целых двадцать два достоверных случая регистрации гамма-лучей.

Хоть мы называем «гамма-лучами» электромагнитное излучение с самыми короткими длинами волн (и самой высокой энергией), они занимают очень широкую полосу спектра. Кроме гамма-лучей во Вселенной есть и другие переносчики сверхвысоких энергий: например, так называемые космические лучи, состоящие не из квантов света, а из частиц. Но едва ли хоть какая-то часть ежедневной порции приходящих к Земле из глубин космоса гамма-лучей и космических лучей достигает поверхности нашей планеты. Атмосферный озон – трехатомная модификация молекулы кислорода – хорошо, хоть и не на 100 %, защищает нас от них, а заодно и от ультрафиолетового и рентгеновского излучения, имеющего солнечное или какое-либо иное космическое происхождение. Поэтому, чтобы надежно зарегистрировать гамма-лучи, требуются специализированные спутники на заатмосферных орбитах.

Как вы, возможно, уже подумали, высокоэнергетическое излучение должно порождаться высокоэнергетическими явлениями. Попытайтесь представить одновременную детонацию всех когда-либо изготовленных ядерных бомб: и существующих, и взорванных во время войны или в ходе испытаний, и тех, которые были демонтированы во имя мира. Представьте звезду, в сто раз более массивную, чем Солнце, коллапсирующую, обрушивающуюся внутрь себя в момент своей гибели. Или представьте раскинувшуюся в пространстве галактику, образовавшуюся в течение первого миллиарда лет существования нашей Вселенной, и колоссальную черную дыру, скрывающуюся в ее центре, заключающую в себе вещество многих миллиардов давно умерших звезд и непрерывно заглатывающую все, что находится в поле ее притяжения. Или подумайте об остатке взорвавшейся гигантской звезды – образовании столь плотном, что наперсток его весил бы сотню миллионов тонн, – вращающемся в далеком космосе с частотой в десятки тысяч оборотов в секунду и сливающемся с обычной звездой-компаньоном. Все эти яростно взаимодействующие конфигурации материи, эти события, происходящие с выделением сверхвысокой энергии, наблюдаются нами именно в сверхвысокоэнергетическом диапазоне – например, в виде внезапных, кратковременных, зачастую узконаправленных выбросов, всплесков гамма-излучения: взрывов астрономического масштаба. Одна такая вспышка может затмить своим блеском целую галактику – как будто энергия сотен миллиардов Солнц сконцентрировалась в несколько мгновений ослепительного сияния. Невероятно эффектно… и смертельно для того, кто окажется поблизости[304].

Гамма-всплески происходят где-то в дальней Вселенной в среднем раз в день. Относительно более слабые длятся меньше секунды: более редкие, сверхвысокоэнергетические – до нескольких минут. Источник этой невероятной энергии – сочетание гравитационных, вращательных, магнитных и термоядерных процессов. Объект, высвобождающий эту энергию, может быть сверхновой, килоновой, гиперновой, блазаром или квазаром. Эта энергия может порождаться веществом непосредственно перед его падением в черную дыру, а может и ядерным взрывом на Земле. Повторим: ядерным взрывом здесь, на Земле. Человеческий ум задумал, изобрел и привел в действие эквивалент одного из самых смертельных явлений природы.

Мы все еще до конца не понимаем, каков механизм возникновения космических гамма-всплесков. Но еще до того, как астрофизики впервые узнали о существовании космического гамма-излучения, все – как ученые, так и политики – уже были уверены, что на Земле оно появится там и тогда, где и когда будет взорвана термоядерная бомба[305]. Неважно, будет этот взрыв испытанием или боевой атакой, так же как не имеет значения, будет он произведен в пустыне, в центре острова Манхэттен или на Луне, – он будет сопровождаться выбросом смертоносных гамма-лучей. И не успела окончиться вторая глобальная война XX века, как проектирование опустошительного, всеуничтожающего оружия пошло полным ходом, рождая ужас и взаимное недоверие как среди его непосредственных разработчиков, так и среди свидетелей этого процесса. Сам Эйнштейн, прекрасно осведомленный о появившемся в мире новейшем средстве всеобщего уничтожения, сказал в 1949 году в интервью для журнала «Либеральный иудаизм»: «Не знаю, каким оружием будут сражаться в Третьей мировой войне, но в Четвертой драться будут камнями и дубинками».

Перед лицом быстрого нарастания арсенала разрушительных средств, все более опасаясь долговременных последствий радиоактивного заражения, министры иностранных дел Советского Союза, Соединенных Штатов и Великобритании в начале августа 1963 года подписали Договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия. Слово «частичный» в данном случае оставляло открытой возможность подземных ядерных испытаний. Два месяца спустя, после того как Сенат США ратифицировал Соглашение, президент Кеннеди подписал его, и 10 октября оно обрело силу закона.

Любой политический скептик скажет вам, что одно дело – подписать договор и совсем другое – его соблюдать. Поэтому появилась необходимость (и возможность) отслеживать из космоса любые признаки недопустимых детонаций на земной поверхности. Для этого США решили отправить в космос несколько спутников, оснащенных современными чувствительными гамма-детекторами. Это были не телескопы, а простые орбитальные приемники, неспособные определить точное место термоядерного взрыва. Однако, если вы располагаете целой сетью таких спутников, каждый из которых регистрирует точное время прихода гамма-лучей, точку взрыва можно определить методом триангуляции. Более того, если орбита достаточно высокая, спутники окажутся вне зоны электромагнитных шумов, создаваемых радиационными поясами Ван Аллена – областью пространства вокруг нашей планеты, которую один специалист из NASA метко описал как «два бублика, наполненных испепеляющим излучением».

И не успели на подписанном договоре высохнуть чернила, как 16 октября 1963 года, руководствуясь принципом «доверяй, но проверяй», Соединенные Штаты запустили разнесенную по орбите на 180 градусов первую пару спутников серии Vela Hotel: на очень высокую орбиту в 100 000 километров, далеко за пределами земной атмосферы и вне зоны действия поясов Ван Аллена. Их задача была простой и ясной: регистрировать гамма-излучение, порожденное взрывом ядерной бомбы. Приемниками были знакомые нам сцинтилляторы.