Разведка далеких планет - Владимир Сурдин

Особенно тесно рентгеновские источники расположены на небе в направлении галактического центра. К счастью, через этот район время от времени проходит Луна. В 1971 г. в ходе ракетного эксперимента удалось определить координаты близкого к галактическому центру рентгеновского источника GX3+1 с точностью 25"×1". Рентгеновским телескопам такая точность стала доступна лишь в конце 1970–х гг.

А еще раньше, в 1950–е гг., аналогичная ситуация сложилась в радиоастрономии. В то время радиотелескопы в метровом диапазоне имели угловое разрешение около 10°. Поэтому радиоастрономы часто использовали методы лунных покрытий для определения точных координат источников. В наше время на радиоинтерферометрах достигнута фантастическая разрешающая способность — 0,0001", но Луна по — прежнему остается в арсенале радиоастрономов. Например, в последние годы при наблюдении радиоизлучения межзвездных молекул метод лунных покрытий позволил детально исследовать ядро нашей Галактики.

Начиная с 1973 г. Луна стала выступать в новой роли: американский радиоастрономический спутник «Эксплорер-49», выйдя на окололунную орбиту, развернул 230–метровые антенны и приступил к исследованию низкочастотного радиоизлучения Солнца, Юпитера и других объектов, закрываясь с помощью Луны от радиошумов земного происхождения. Заметим, что при наблюдении с борта искусственных спутников Земли и Луны метод лунных покрытий удается распространить практически на все небо. Первый опыт работы в радиотени Луны оказался удачным, и теперь радиоастрономы готовятся к созданию постоянной обсерватории на обратной стороне Луны. Впрочем, я опасаюсь, что пока эта обсерватория будет создана, наши музыкальные радиостанции доберутся и до обратной стороны Луны.

Итак, Луна отлично исполняет роль заслонки. А на что еще она годится? В следующем разделе мы узнаем, что Луна — подходящая мишень для нейтрино; вполне вероятно, что скоро она будет использована в этом амплуа. А недавно у нее появилась еще одна роль: Луну можно использовать как зеркало. Мы не имеем в виду любительскую радиосвязь «через Луну», когда принимаются отраженные от нее радиоволны: это интересно, но не имеет отношения к планетам. Астрономы стали использовать Луну в роли зеркала следующим образом: во время лунных затмений на поверхность Луны попадает солнечный свет, прошедший сквозь земную атмосферу, затем он частично отражается от Луны, и астрономы на Земле могут его наблюдать. Яркость Луны во время затмения показывает, насколько прозрачна атмосфера Земли, велика ли в ней облачность; цвет лунной поверхности говорит о степени запыленности нашей атмосферы.

А совсем недавно лунное затмение позволило взглянуть на Землю как на экзопланету. Испанские астрофизики (Е. Palle и др.) опубликовали результаты любопытной работы, которые увеличивают шанс успешного поиска внесолнечных планет с органической жизнью. Наблюдая частное лунное затмение 16 августа 2008 г., они получили спектр солнечного излучения, прошедший через атмосферу Земли и отраженный от Луны. В нем без особого труда обнаружились линии молекулярного кислорода, озона, водяного пара, метана и углекислого газа. Эти биомаркеры в своей совокупности однозначно свидетельствуют о наличии жизни на Земле. Такие же наблюдения за экзопланетами можно проводить в период их прохождения на фоне их звезды.

Рис. 5.4. Частное лунное затмение 16 августа 2008 г. Вверху слева: схема прохождения Луны через полутень и тень Земли. Указано всемирное время (UT). Справа: фото Луны в максимальной фазе затмения (21:10 UT). Внизу: схема (не в масштабе) прохождения солнечных лучей сквозь атмосферу Земли к Луне и отражения обратно к Земле.

Еще одно неожиданное использование Луны как зеркала произошло в области гамма — астрономии. В последние годы астрофизики интенсивно исследуют короткие гамма — всплески, источниками которых, по — видимому, служат самые удивительные космические объекты — нейтронные звезды, взрывы сверхновых и, возможно, что‑то еще неизвестное. Аппаратура для регистрации гамма — лучей устанавливается на космических обсерваториях, поскольку сквозь земную атмосферу эти лучи не проходят. У каждого гамма — детектора есть определенный динамический диапазон: очень слабых вспышек он не замечает, а от слишком сильных его зашкаливает. Именно такая сверхсильная вспышка наблюдалась 27 декабря 2004 г. от источника SGR 1806-20, по — видимому, связанного с нейтронной звездой — магнитаром. Вспышку зафиксировали многие спутники, имеющие соответствующую аппаратуру, но измерить параметры самой яркой ее фазы не смогли, поскольку приборы «ослепли» от слишком сильного потока гамма — лучей. В это время российский спутник «Коронас-Ф» с гамма — спектрометром на борту оказался в тени Земли, и вспышка его не ослепила, но через несколько секунд он зафиксировал ослабленное эхо этой вспышки: лучи отразились от Луны! Их потока оказалось достаточно для измерений. Прав был Козьма Прутков: Луна полезнее Солнца!

Земля — фильтр, мишень, детектор

Тут самое время вспомнить, что наша Земля — не только «модель экзопланеты», но и сама — полноправная планета. Может ли она играть роль телескопа или хотя бы как‑то способствовать изучению Вселенной? Казалось бы, земные явления только мешают астрономическим наблюдениям: достаточно вспомнить о свечении ночного неба, атмосферном дрожании, почти полной непрозрачности атмосферы в рентгеновском, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Несмотря на это, в последние годы Земля все чаще становится элементом астрофизических приборов. Вот несколько примеров.

Чтобы наблюдать космическое гамма — излучение, как уже говорилось, аппаратуру приходится выводить за пределы земной атмосферы на космических аппаратах. Но и в космическом пространстве трудно зарегистрировать «сверхжесткие» гамма — кванты, энергия которых превышает 100 ГэВ. Это «сверхпроникающее» излучение способны задержать и обнаружить только детекторы размером в десятки и сотни метров. Для их запуска в космос даже нет достаточно грузоподъемной ракеты. К счастью, оказалось, что детектором для таких квантов может быть… атмосфера Земли! Ученые воспользовались тем обстоятельством, что гамма — квант сверхвысокой энергии, проходя через земную атмосферу, создает в ней ливень элементарных частиц. Каждая заряженная частица этого ливня, двигаясь с околосветовой скоростью (которая выше скорости распространения света в атмосфере), вызывает черенковское свечение. Поток оптических фотонов распространяется в том же направлении, что и породивший его гамма — квант. Остается только зарегистрировать этот свет с помощью обычного телескопа.

Первыми в мире систематические наземные исследования космического гамма — излучения начали проводить сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) еще в 1964 г. На Тянь — Шаньской высокогорной станции ФИАНа и в Крымской астрофизической обсерватории регистрация черенковского излучения успешно осуществлялась сначала с помощью параболических зеркал диаметром 1,5 м (от прожекторов ПВО), а позже — с помощью многозеркальных коллекторов света. Атмосфера Земли не только не мешала им, но и была необходимым элементом установки. Сейчас уже в нескольких странах действуют подобные гамма — телескопы. Один из крупнейших — VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System) в Аризоне состоит из четырех 12–метровых коллекторов света и регистрирует кванты с энергией от 50 ГэВ до 50 ТэВ. Каждый из коллекторов собран из 350 плоских шестиугольных зеркал, которые отражают свет в фокус коллектора, где находится система регистрации на основе фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). С помощью этих приборов уже обнаружены десятки источников сверхжесткого гамма — излучения, как в нашей Галактике, так и в соседних. Кстати, таким же методом регистрируют и частицы космических лучей сверхвысокой энергии, которые также При взаимодействии С атмосферой Земли порождают ПОТОК вторичных частиц — широкий атмосферный ливень, дающий вспышку черенковского излучения.

Рис. 5.5. Схема регистрации сверхжестких космических гамма — квантов, порождающих в земной атмосфере черенковское свечение. Атмосфера планеты играет роль сцинтиллятора — прозрачной среды в  которой рождаются черенковские фотоны.

Неоценима роль Земли и при наблюдении космических нейтрино. В нашей стране в недрах горы Андырчи в Приэльбрусье сооружен один из крупнейших в мире нейтринных телескопов, в котором Земле отведено сразу несколько важных функций. Во — первых, она служит фильтром, не пропускающим к телескопу потоки космических лучей. Во — вторых, земной шар используется в качестве мишени, взаимодействуя с которой нейтрино рождают потоки мюонов. Эти мюоны регистрируются счетчиками нейтринного телескопа. Сравнивая потоки нейтрино, приходящие сверху и снизу, можно определить сечение взаимодействия нейтрино с земным шаром, иначе говоря, измерить коэффициент пропускания планеты — фильтра.