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

«тарелки» в Аресибо представляет собой часть сферы, а не традиционного параболоида. Так как сама «тарелка» неподвижна, наводить ее на различные области неба приходится при помощи подвешенного высоко над ее поверхностью подвижного детектора новаторской конструкции. Этот трюк проходит только со сферической поверхностью. Вдобавок гигантский размер антенны в Аресибо позволяет ей регистрировать очень слабые радиосигналы, приходящие как от объектов дальнего космоса, так и из некоторых слоев атмосферы Земли, таких как ионосфера. И еще: телескоп не только регистрирует радиосигналы, но может и посылать их, как радар. Посланные им радиоимпульсы, отражаясь от планет, астероидов или комет, возвращаются на Землю, и мы можем составлять радиокарты этих объектов или вычислять их орбиты.

В 1974 году телескоп в Аресибо впервые отправил в космос радиосообщение, предназначенное для внеземного разума, – в сторону большого звездного скопления в нашей Галактике. Предполагалось, что раз там так много звезд, то найдутся и планеты, на которых может существовать разумная жизнь. Еще одним из многих «звездных часов» обсерватории стала ее роль в присуждении Р. Халсу и Дж. Г. Тейлору Нобелевской премии 1993 года по физике за сделанное в 1974 году на радиотелескопе в Аресибо открытие двойного пульсара, которое, в частности, позволило подтвердить выводы общей теории относительности Эйнштейна.

«Тарелка» в Аресибо удерживала титул самого большого в мире одноантенного радиотелескопа почти пятьдесят лет, и только в 2016 году уступила его еще более поразительному сооружению: пятисотметровой антенне FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope). Ее основой стала гигантская известняковая воронка в малонаселенном горном районе на юго-западе Китая. «Тарелка» телескопа FAST столь огромна, что, по оценке одного из ведущих ученых Национальной астрономической обсерватории Китая, «если наполнить ее вином, то каждому из семи миллиардов человек, населяющих Землю, достанется примерно по пяти бутылок». Как и в Аресибо, форма поверхности антенны сферическая. Благодаря выигрышу в размерах чувствительность FAST значительно превосходит достигнутую в Аресибо. При диаметре в 500 м его собирающая площадь почти втрое больше площади 305-метрового телескопа в Аресибо. В мире нет ничего даже отдаленно похожего на это «чудо света». Если излучение какого-нибудь объекта падает ниже порога чувствительности телескопа в Аресибо, a FAST направлен в ту же точку, он легко выделит сигнал на фоне космических шумов. Таким образом, именно у китайских астрофизиков хорошие шансы стать первыми людьми, которым удастся установить радиосвязь с «пришельцами» – хотя, конечно, ни один народ не обладает монополией на связь с космосом.

Однако, когда главной задачей астрономов становится не регистрация все более слабых объектов, а детализация изображений, они обращаются к «антенным решеткам» – массивам «тарелок» меньших размеров, расставленных на многокилометровых площадях. Направляя все индивидуальные антенны на одну и ту же точку неба и специальным образом складывая полученные сигналы при помощи таких решеток, называемых интерферометрами, мы достигаем разрешения, эквивалентного тому, которое получалось бы с одной «тарелкой» размером с весь массив – если бы ее можно было построить. «Мне двойную»[273] (Supersize me) – этот слоган задолго до его изобретения индустрией фастфуда фактически был девизом радиоинтерферометрии, в которой началась настоящая гонка гигантов. Они возникали в разных концах мира: «Антенная решетка со сверхдлинной базой» (VLBI–Very Long Baseline Array) – десять 25-метровых «тарелок», разбросанных на расстоянии в пять тысяч миль от Гавайских островов до Виргинских, «Гигантский радиотелескоп на метровых волнах» (GMRT – Giant Metre-wave Radio Telescope) – тридцать легких ячеистых «тарелок», каждая поперечником в 45 метров, расставленных на участке размером в шестнадцать миль в безводных долинах к востоку от Мумбай в Индии, и «Атакамская большая антенная решетка миллиметрового и субмиллиметрового диапазона» (ALMA – Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) – шестьдесят шесть антенн, одни диаметром 12, другие 7 метров, разбросанных на высоте более пяти километров в одном из самых сухих мест на Земле, в Чилийских Андах.

В довольно близком будущем все эти колоссальные интерферометры будут оставлены позади совсем уж циклопическим сооружением: антенной решеткой «Квадратный километр» (SKA – Square Kilometer Array). Тысячи «тарелок» будут разбросаны по гигантской пустоши. С высоты птичьего полета одни антенны будут выглядеть как огромные монеты с остро отточенными краями, другие – как миниатюрные Эйфелевы башни. Штаб-квартира SKA будет находиться в Джодрелл-Бэнк, а для самих конструкций уже выбраны участки в Южной Африке и Западной Австралии.

Даже у лучших приемников есть свои ограничения и недостатки. Сверхнизкочастотные радиоволны могут иметь длину в тысячи миль, а у самого большого радиотелескопа антенна все равно не превышает нескольких сот метров в поперечнике. А ведь интерферометрическая решетка неспособна регистрировать излучение с длиной волны, превосходящей размеры самой широкой антенны в решетке. Так и выходит, что сверхнизкочастотные (так называемые ULF и ELF) радиоволны огибают Землю и проходят сквозь нее, оставаясь незарегистрированными теми типами радиотелескопов, какие в ходу у астрофизиков. К тому же регистрируемые радиоволны в определенных полосах искажаются воздействием земных телекоммуникационных башен и других устройств, созданных современной цивилизацией. Да еще есть проблема турбулентности в ионосфере: на различных уровнях этой части атмосферы радиоволны то распространяются свободно, то начинают с ней интерферировать, и эти помехи изменяются в зависимости от времени суток и длины волны.

___________________

Учет воздействия ионосферы ключевым образом повлиял на решение как военных, так и научных задач. Построенным в Третьем рейхе ракетам «Фау-2» – первым в мире баллистическим ракетам – приходилось пролетать сквозь нее и не сбиваться с пути, прежде чем свалиться с неба на свои цели. Столь же важное военное значение имеет ионосфера и ее исследования в истории радара: в этом акрониме соединились идеи регистрации радиоволн и измерения дальности[274].

Регистрация, как всякому ясно, сводится просто к определению и/или подтверждению факта существования чего-то. Измерение дальности – это вычисление расстояния до этого «чего-то» и направления на него. Идея проста: послать радиоволны в направлении удаленного объекта – астероида, Луны, бомбардировщика, подводной лодки – и посмотреть, не вернутся ли эти радиоволны, отразившись от объекта. Если да, то временная задержка, а также интенсивность, частота и форма волны могут рассказать и о форме объекта, и о том, насколько далеко он расположен, в каком направлении и насколько быстро движется. В наши дни главной космической мишенью радарных исследований являются астероиды: мы можем определять их размеры и форму, картографировать их, точно определять параметры их орбит, что особенно интересно, если мы установили, что какой-то из них летит в сторону Земли.

Неугомонный сербско-американский изобретатель Никола Тесла пришел к основной идее радара еще в 1900 году, а в 1905-м формально воплотил ее в патенте США. Более скромная фигура на изобретательском горизонте, Христиан Хюльсмайер, основываясь на изысканиях своего соотечественника Генриха Герца, подал заявку на подобный немецкий патент в 1903–1904 годах[275].