- В інфрачервоних променях
- За межами атмосфери
- Війна на далеких зірках
- гнучкі дзеркала
- Розмова з космосом
Протягом тисячоліть багато наукові досягнення людства в першу чергу застосовувалися у військових областях. Але в останні сто років спостерігається і зворотна тенденція: технології, розроблені для суто військових завдань, розширюють наші знання про навколишній світ і значно просувають вперед фундаментальну науку.
Історія зв'язків між військовими відомствами і фундаментальною наукою почалася в роки Першої світової війни і набрала чинності під час Другої світової. Ядерна фізика, гідродинаміка і радіохімія серйозно просунулися завдяки створенню атомної зброї, прогресу радіофізики сприяла розробка радіолокаторів, а потреби оборонки в обчислювальних алгоритмах, комп'ютерах і твердотільної електроніки привели до швидкого розвитку інформаційних технологій.
Але є речі і менш відомі. Військовий пиріг виявився вельми поживним і для наук про Всесвіт. Розширення спостережної бази астрономії за рахунок використання всіх діапазонів електромагнітного спектра, підвищення роздільної здатності гігантських оптичних телескопів за допомогою лазерної техніки, створення систем зв'язку з космічними апаратами - всі ці досягнення використовували військові технології або хоча б частково - військове фінансування.
В інфрачервоних променях
Вихід астрономії за рамки оптичних спостережень почався з освоєння інфрачервоного діапазону. Першим був англієць Чарльз Піацца Сміт, який в 1856 році за допомогою термопари зареєстрував теплове випромінювання Місяця. У 1878 році американський астроном і фізик Семюел Пірпонт Ленглі винайшов інший детектор, реєструючий зміни електричного опору платинової пластинки під дією теплового потоку. Прилад Ленглі, який він назвав болометр, розрізняв перепади температур порядку стотисячної частки градуса. З його допомогою астрономи виміряли теплове випромінювання Сонця, Юпітера і Сатурна, а потім і найяскравіших зірок - Веги і Арктура. Втім, сенсори на термопарах теж не залишилися без діла. У 1915 році співробітник американського Національного бюро стандартів Вільям Кобленц настільки підвищив їх чутливість, що зміг детектувати ІЧ-випромінювання понад сотню світил нашої Галактики. У 1920-ті роки американські астрономи, перш за все Сет Ніколсон і Едісон Петтіт, приступили до першого систематичного інфрачервоного моніторингу нічного неба.
Однак прогрес ІК-астрономії протягом всієї першої половини XX століття стримувався вельми обмеженими можливостями приладів. Металеві болометри і термопари просто недостатньо чутливі для реєстрації надслабкого тепла далеких зірок і туманностей. До того ж вони не володіють спектральної селективність (це означає, що їх показання залежать від дози поглиненої теплової енергії випромінювання, але не від його частотного складу). Цим бід могли допомогти напівпровідникові прилади, але їх тоді не існувало.
Космічні обсерваторії, створення яких стало можливим в тому числі завдяки успіхам ракетної техніки і різних військових систем, істотно розширили можливості астрономії. На зображенні - центр нашого Чумацького шляху, як його бачать космічні телескопи різних діапазонів. Інфрачервоний Spitzer (показано червоним) бачить хмари космічного пилу, Hubble в ближньому ІЧ (жовтим) - області активного зореутворення, а рентгенівський телескоп Chandra (синім) - газ, розігрітий до дуже високих температур при вибухах зірок або падінні (акреції) на надмасивні чорні діри .
І ось тут астрономія отримала допомогу від військових. У 1932 році аспірант фізичного факультету Берлінського університету Едгар Вальтер Кучнер став вивчати зміна електричного опору кристалів сульфіду свинцю (PbS) під впливом теплового випромінювання (це властивість називається фотопроводимостью). Вже через рік він отримав фінансування від військового міністерства, яке зацікавилося можливістю застосування цього ефекту в приладах нічного бачення. У 1937 році Кучнер очолив розробку інфрачервоних систем для німецьких ВПС, якими займалася фірма Electroacustic в Кілі. У 1947 році Кучнер емігрував в США, де спочатку працював в лабораторіях ВМФ, а потім в аерокосмічної корпорації Lockheed. Інфрачервоними системами наведення для літаків і ракет на базі сульфіду свинцю і сульфіду талію займалися і інші німецькі фірми, зокрема AEG і Carl Zeiss. Після війни інформація про ці розробках потрапила в Америку.
Земна атмосфера має кілька досить вузьких «вікон прозорості», так що з поверхні Землі можна побачити зовсім небагато (за астрономічними мірками). Зусилля військових зробили можливим не тільки виведення наукової апаратури в космос, але і серйозно вплинули на становлення радіоастрономії (яка працює як раз в одному з «вікон прозорості»).
Аналогічні програми в 1940-і роки здійснювалися також в США і Британії. Подібно німецьким проектам, всі вони були сильно засекречені. Після війни в США були створені нові напівпровідникові детектори інфрачервоного випромінювання з використанням селеніду і телуриду свинцю і антімоніда індію; в британських лабораторіях були розроблені детектори на базі сполуки ртуті, телуру і кадмію. Уже в середині 1950-х такі детектори з'явилися в системах наведення американських ракет класу «повітря-повітря» Sidewinder, які розроблялися з 1946 року.
Восени 1945 року про напівпровідникових детекторах ІК-діапазону дізнався перебрався в США голландський астроном Джерард Койпер (той самий, в честь якого названий «пояс» далеких супутників Сонця, обертаються за орбітою Плутона). Цю інформацію він витягнув з бесід з німецькими вченими, яких допитували американські військові. Койпер зв'язався з фізиком з Північно-Західного університету Робертом Кешманом, який з 1941 року розробляв такі детектори в США, і вони домовилися про спільне запуску програми спостережень зірок і планет в ІК-діапазоні в техаської обсерваторії Макдональд. Ця програма і стала першою ластівкою в області ІЧ-астрономії на базі напівпровідникових детекторів. В Англії подібні спостереження незабаром почав Пітер Фелгетт, який у воєнні роки теж брав участь у створенні детекторів на основі сульфіду свинцю.
Півтора десятка років астрономи в основному використовували детектори ІЧ-випромінювання, розроблені в рамках оборонних програм. Однак в 1961 році професор астрономії університету Арізони Френк Лоу винайшов високочутливий напівпровідниковий болометр, який вже був спеціально призначений для телескопічних спостережень. З його допомогою Лоу і його колеги зробили багато чудових відкриттів - зокрема, встановили, що галактичні ядра дуже сильно випромінюють в далекому ІЧ-діапазоні. Але незважаючи на наявність цивільних детекторів, їх дослідження частково фінансувалися Пентагоном, оскільки командування американських ВПС був зацікавлений в інфрачервоному картировании небосхилу (як вважалося, воно могло допомогти в ідентифікації радянських балістичних ракет).
За межами атмосфери
Найпростіші радіотелескопи з'явилися ще в 1930-х із суто науковою метою. Однак бурхливий розвиток радіоастрономії почалося тільки у повоєнні роки, причому цього дуже допомогли напрацювання в області радіолокаційних систем ППО. Але якщо радіоастрономія і ІК-астрономія виникли ще до початку освоєння космосу, то рентгенівська астрономія - дітище ракетно-космічного століття. Вона просто не могла з'явитися раніше в силу законів фізики. Атмосфера надійно захищає поверхню нашої планети від короткохвильового електромагнітного випромінювання, тому реєстрація рентгенівських квантів позаземного походження можлива лише на великих висотах. Рентген найвищих енергій можна виявити за допомогою приладів, розміщених на борту стратостатів, але цілком рентгенівський діапазон відкривається тільки при виведенні апаратури безпосередньо в космічний простір.
Перші експерименти такого роду були здійснені в кінці 1940-х років в США, причому вже безпосередньо під егідою Пентагону. Співробітник вашингтонської Військово-морської дослідницької лабораторії Герберт Фрідман тоді сконструював модифікований лічильник Гейгера, детектирующий кванти високих енергій і тому здатний засікти атмосферне ядерний вибух. За допомогою цих приладів американські вчені отримали інформацію про випробування першої радянської атомної бомби 29 серпня 1949 року. З вересня Фрідман і його колеги почали відправляти нові лічильники в космос в носових конусах трофейних німецьких ракет «Фау-2», які стартували з військового полігону Уайт-Сендз в штаті Нью-Мексико. Перший же запуск приніс найважливішу інформацію: Сонце випускає рентгенівські промені.
Фрідман вже тоді намагався виявити і рентгенівське випромінювання зірок, але чутливості детекторів явно не вистачало. Лише в 1964 році його група виявила рентгенівське випромінювання Крабовидної туманності, яка виникла на місці спалахнула в 1054 році наднової, яка залишила після себе нейтронну зірку. Однак це не було першою реєстрацією рентгенівського джерела за межами Сонячної системи. Вперше цей прорив в червні 1962 року вчинили Ріккардо Джакконі, Герберт Гурскі, Френк Паоліні і Бруно Россі, причому і вони чимало коштів отримали від щедрот американських ВПС.
Війна на далеких зірках
Гамма-астрономія теж потребує апаратурі висотного або, ще краще, космічного розміщення. Перший гамма-телескоп був відправлений в космос вже в 1961 році - на борту американського супутника Explorer-11. Але саме сенсаційне відкриття в цій галузі зроблено пізніше, причому з прямою участю супутників космічної розвідки.
У 1958 році командування американських ВПС хотіло влаштувати ядерний вибух на Місяці (про це стало відомо лише через 40 років). Далі планів справа не пішла, проте в Вашингтоні задумалися, як виявити радянські ядерні випробування на зворотному боці Місяця, якщо вони відбудуться. Фізик з Лос-Аламоса Стерлінг Колгейт рекомендував скористатися супутниками з бортовими детекторами гамма-випромінювання, яке обов'язково супроводжує ядерного вибуху. Цей проект назвали Vela (від іспанського дієслова velar - чергувати, відстежувати).
Дотягнутися до далеких планет NASA планує перетворити систему DSN (Deep Space Network) в розгалужену мережу, що включає антенні масиви і лазерні передавачі, розкидані по всій земній кулі, ретранслятори на орбітах навколо Землі і навколо далеких планет, які спростять зв'язок і управління майбутніми космічними місіями до планет Сонячної системи.
Апарати сімейства Vela йшли на орбіту парами (перша - в 1963 році) і мали на борту прилади для детектування нейтронів, рентгена і гамма-випромінювання. Спочатку ці пристрої не відрізнялися особливою чутливістю, але запущені в квітні 1967 року 350-кілограмові Vela-4 були оснащені цілком пристойними гамма-сенсорами з тимчасовим дозволом порядку однієї восьмої секунди. Сигнали із супутників видавалися у вигляді комп'ютерних роздруківок, але аналізували їх вручну, автоматичної обробки подібних даних тоді не було. Цим займалася невелика група з Лос-Аламоса, яка в реальному часі працювати просто не встигала. В результаті на дані за середину літа 1967 вперше поглянули лише в березні 1969-го. Саме тоді Рей Клібсадел і Рой Олсон виявили на роздруківках від 2 липня два імпульсу космічного гамма-випромінювання. Перший був дуже коротким, другий же розтягнувся на дві з гаком секунди.
Вчені були здивовані. Було ясно, що до ядерного вибуху ці імпульси ніякого відношення не мали. Відповідно до архівними відомостями, 2 липня 1967 року спостерігалося ні спалаху наднової, ні сонячної активності, яка теж може дати про себе знати потоком гамма-квантів. Оскільки інших пояснень не знаходилося, першовідкривачі загадкового явища вирішили почекати і підкоп інформацію. Вже були готові до запуску супутники Vela-5, а через рік за ними пішла і шоста пара. На них було встановлено найкраще обладнання, ніж на Vela-4, і Клібсадел з колегами сподівалися, що з його допомогою ситуація стане ясніше. І дійсно, до літа 1973 року прилади зареєстрували 16 гамма-спалахів, джерела яких, судячи з усього, розподілялися по небесній сфері випадковим чином. Було очевидно, що ці джерела надзвичайно далекі від Землі і що в момент виникнення імпульси мали величезну енергією.
Тепер уже не доводилося сумніватися в серйозності зробленого відкриття. Клібсадел, Олсон і працював з ними Йен Стронг вперше повідомили про нього в замітці, опублікованій 1 червня 1973 на сторінках Astrophysical Journal Letters. А ще через кілька днів Клібсадел виступив з доповіддю на сесії Американського астрономічного товариства. Серед слухачів затесався репортер, який побажав дізнатися, чи можна пояснити спалаху ядерними битвами позаземних цивілізацій. Клібсадел висловився в тому сенсі, що земні ядерні вибухи мають зовсім інші гамма-підписи, але апріорі заперечувати можливість галактичних боїв він не береться. Голодному сенсацій журналісту вистачило цього невинного зауваження для статті про зоряні війни, яка з'явилася в популярному таблоїді National Enquirer. Тому і вийшло, що і астрономи, і широка публіка дізналися про відкриття практично одночасно.
Природа гамма-спалахів довго залишалася загадкою. Лише після багаторічних досліджень астрофізики прийшли до висновку, що вони виникають при гравітаційному колапсі дуже масивних зірок і при зіткненнях нейтронних зірок. Але ж все почалося з екзотичного проекту воєнної розвідки!
гнучкі дзеркала
Про те, що «тремтіння атмосфери» обмежує роздільну здатність будь-якого астрономічного оптичного приладу, в 1703 році здогадався великий Ньютон. Він же запропонував для боротьби з цими перешкодами влаштовувати обсерваторії на вершинах високих гір. Аж до створення космічних телескопів це було єдиним способом часткового нейтралізації атмосферних турбулентності.
Адаптивна оптика адаптивна оптика «зі штучною зіркою» заснована на відстеженні наведеного випромінювання атомів натрію, розсіяних в атмосфері на висотах близько 90-100 км. Зістиковано з телескопом лазер збуджує ці атоми випромінюванням на резонансної довжині хвилі 589 нм. Повертаючись в нормальний стан, атоми натрію випромінюють фотони. Коли жовте світло цієї «штучної зірки» повертається в телескоп, він проходить через атмосферні обурення, сліди яких залишаються в його хвильовому фронті. Світловий потік реєструють датчики, які посилають сигнали комп'ютерній системі, що управляє дзеркалом із змінною геометрією. За командам комп'ютера рельєф поверхні дзеркала «підлаштовується» до збурень хвильового фронту, покращуючи роздільну здатність телескопа. В іншому варіанті світло зеленого лазера розсіюється на молекулах повітря на 15-20-кілометровій висоті і теж повертається в телескоп.
Першу ідею корекції атмосферних збурень за допомогою вариабельной оптичної системи телескопа в 1953 році висунув американський астроном Хорейс Бебкок. Він запропонував покрити фокусує дзеркало телескопа тонкої масляної плівкою і варіювати форму її поверхні за допомогою електричних полів. Звичайно, Бебкок не пропонував використовувати ще не винайдені лазери і не думав про можливість створення деформуються дзеркал - до цього наука ще не дійшла. У будь-якому випадку, тоді його ідея була практично нездійсненна. Більш реалістичну схему використання складеного дзеркала зі зміщується елементами в 1957 році запропонував академік Володимир Линник.
Але все зрушила з місця, коли приблизно півстоліття тому в Пентагоні стали думати про використання телескопів для отримання якісних фотографій радянських супутників. Цьому заважали атмосферні турбулентності, що призводять до розпливання зображень (а також до мерехтіння зірок). Ті ж самі процеси перешкоджали і розробці променевого зброї для знищення боєголовок радянських балістичних ракет, що входило в оголошену Рональдом Рейганом програму «зоряних воєн». Тому з американських оборонних бюджетів відпускалися чималі гроші для вивчення можливостей «промацування» неоднорідностей атмосфери за допомогою лазерів. Такі роботи з середини 1960-х років стали проводитися у великому дослідному і конструкторському комплексі американських військово-повітряних сил RADC (Rome Air Development Center) в штаті Нью-Йорк. Пізніше до них підключилися інші підрозділи Міноборони США і приватні фірми. Цією програмою в Пентагоні був привласнений високий рівень пріоритетності. У 1982 році військові випробували першу ефективну систему нейтралізації атмосферних турбулентності CIS (Compensated Imaging System). Створена для цього апаратура була встановлена на 160-сантиметровому телескопі, розташованому на вершині гори Халеакала на гавайському острові Мауї. Справедливості заради варто відзначити, що американські розробники широко застосовували методи аналізу турбулентності повітряного басейну, розвинені завідувачем лабораторією Інституту фізики атмосфери АН РСР Валеріаном Іллічем Татарським.
Результати, отримані в ході виконання цієї програми, довгий час не підлягали розголошенню, проте в 1991 році їх частково розсекретили. Вони були використані для розробки так званої адаптивної оптики «зі штучною зіркою», дуже ефективного методу комп'ютерної корекції форми допоміжного дзеркала телескопа. Завдяки адаптивної оптики з лазерним відстеженням атмосферних збурень в останні роки вдалося настільки збільшити роздільну здатність наземних астрономічних телескопів, що вони можуть тепер змагатися з космічними обсерваторіями. Телескопи з дзеркалами діаметром 8-10 м, оснащені корректирующими системами, забезпечують кутовий дозвіл в 30-60 мс, в той час як без них воно при самих ідеальних умов не було б нижче половини кутової секунди. Не випадково багато фахівців вважають цю технологію найбільшим досягненням астрономічної телескопії з часів Галілея і Ньютона.
Датчики, розроблені для головок самонаведення ракет, чимало сприяли і прогресу астрономії.
Розмова з космосом
Космічні апарати повинні отримувати команди з Землі і відправляти назад інформацію. Країни, що беруть участь в освоєнні космосу, мають у своєму розпорядженні спеціалізованими радіотелескопами, призначеними для далекого космічного зв'язку. Таку систему, Deep Space Network (DSN), має і NASA. До її складу входять три станції, розташовані в Австралії, Іспанії та Каліфорнії. На кожній станції встановлено радіотелескоп з поворотною параболічної антеною 70-метрового діаметру і ще кількома допоміжними телескопами з антенами менших розмірів.
Історія цієї системи знову сходить до потреб Пентагону. Перший американський ШСЗ Explorer 1 пішов на орбіту в січні 1958 року. До цього часу в каліфорнійській Лабораторії реактивного руху (JPL) була розроблена технологія телеметричного спостереження Microlock, яка застосовувалася при випробуваннях балістичних ракет. У той час JPL була військовим дослідницьким центром, і лише в грудні 1958 роки її передали під контроль щойно створеного цивільного агентства NASA. Розроблена там апаратура була задіяна на станціях спостереження в Нігерії, Сінгапурі і Каліфорнії, які вели спостереження за супутником. Саме за допомогою цієї системи на Землю прийшла інформація про існування поясів Ван Аллена.
Загальна концепція майбутньої системи глобальної космічного зв'язку також була розроблена в системі Міноборони США. Цю роботу виконало Управління по перспективним дослідницьким проектам (Advanced Research Projects Agency, ARPA), безпосередньо підпорядковане Пентагону. Воно запропонувало створити на різних континентах три комплексу з потужними радіотелескопами, розділеними по довготі кутовими дистанціями приблизно в 120 градусів. Таке розташування забезпечувало надійне цілодобове покриття всіх ділянок небосхилу. ARPA закупило для майбутніх станцій 26-метрові обертові антени, які в 1958-1961 роках були встановлені в Каліфорнії, Австралії і ПАР. У 1974 році південноафриканська станція була закрита через політичні причини, і третій вузол мережі DSN перенесли в Іспанію. На той час ця мережа вже давно була частиною NASA, що, природно, не скасовує її військового походження.
Так що швидкий прогрес науки про Всесвіт в другій половині двадцятого століття в чималому ступені зобов'язаний заступництву Марса - НЕ планети, а римського бога війни.
Стаття «Під заступництвом Марса» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №7, Грудень 2015 ).
