Радиоастрономия
Радиоволны открывают новое окно на свирепую Вселенную. Испускаемые взрывающимися звездами и потоками из черных дыр, радиоволны определяют самые быстрые частицы в сильных магнитных полях. Предельный пример — радиогалактики, где двойные релятивистские струи (джеты) питают лепестки, похожие на пузыри, выхлестывающие далеко за пределы звезд галактики. Распределение радиогалактик — еще один аргумент в поддержку модели Большого взрыва.
Реликтовое излучение — не единственное астрономическое открытие, сделанное в попытках найти источник помех в радиоприемниках. В 1930-х годах инженер из лабораторий «Белл» по имени Карл Янский изучал шум, мешавший его коротковолновым голосовым передачам через Атлантику. Он нашел сигнал, возникавший примерно раз в сутки. Сначала он заподозрил, что это может быть Солнце, поскольку другие ученые, включая Николу Теслу и Макса Планка, предсказывали, что наша звезда должна испускать электромагнитные волны по всему спектру. Послушав подольше, он обнаружил, что сигнал приходит с другой стороны. Его временные периоды были чуть меньше суток, они соответствовали дневному обороту неба с точки зрения вращающейся Земли, из чего следовало, что сигнал небесного происхождения.
В 1933 году Янский вычислил, что помехи исходят из Млечного Пути, в основном из созвездия Стрельца, в котором расположен центр нашей Галактики. Раз они шли не от Солнца, значит, происходили не из звезд, а из межзвездного газа и пыли. Янский не остался в астрономии, но тем не менее прославился как основоположник радиоастрономии, и единица спектральной плотности потока излучения Янский (Jy) была названа в его честь. Другим пионером был Гроут Ребер, радиолюбитель из Чикаго, он собрал первый радиотелескоп у себя во дворе в 1937 году. Ребер построил параболическую отражающую тарелку более 30 футов в диаметре и установил радиодетектор в ее фокусе, на 20 футов выше. Радиоприемник усиливал космические радиоволны в миллионы раз. Эти электронные сигналы затем поступали на перьевой самописец и регистрировались в виде графиков.
«Новые радиоволны ведут к центру Млечного Пути... Никаких свидетельств межзвездных сигналов» «Нью-Йорк таймс», 1933
Радиотелескопы
Хотя современные радиотелескопы могут работать в дневное время (солнечный свет им не помеха), Ребер делал наблюдения по ночам, чтобы избежать зашумления автомобильными двигателями. В течение 1940-х он исследовал небо на радиоволновых частотах. Строя контурные карты яркости, он набросал форму Млечного Пути, и самые яркие волны, как выяснилось, исходили из его центра. Ребер также обнаружил несколько других ярких источников радиоволн — например, в созвездиях Лебедя и Кассиопеи. А радиоволны, исходящие от Солнца, обнаружил лишь в 1942 году исследователь-военнослужащий британской армии Дж. С. Хей.
Хотя наука радиоастрономия пошла на взлет после Второй мировой войны, немалая часть технического обеспечения возникла, когда разные страны взялись наперегонки разрабатывать радарные системы. Радар — сокращение от Radio Detection And Ranging, радиообнаружение и масштабирование. Разработка таких систем привела к созданию многих используемых и ныне электронных устройств.
Обзоры
К началу 1950-х физики в Великобритании и Австралии уже составляли обзоры радионеба, используя методику радиоинтерферометрии. В телескопе Ребера была всего одна тарелка и один детектор, как зеркало в оптическом рефлекторном телескопе, а в радиоинтерферометрах детекторов много, и они распределены на большем расстоянии. Такое распределение равноценно применению большого зеркала, но, совмещая сигналы от многих детекторов, астрономам удается отобразить области неба детальнее, чем с одной большой тарелкой. Такой подход к сбору данных идеален для обзоров. При помощи радиоинтерферометра в Кембридже британские астрономы Энтони Хьюиш и Мартин Райл начали серию обзоров самых ярких радиоисточников в северном небе на частоте 159 МГц. Вслед за двумя предыдущими публикациями их итоговый третий Кембриджский обзор, или ЗС, — первый обзор удовлетворительного качества — был опубликован в 1959 году. Более ранние версии изобиловали недочетами калибровки, и их сомнительная достоверность привела к столкновениям с австралийскими астрономами, параллельно составлявшими обзоры южного неба. Между 1954 и 1957 годами Бернард Миллс, Эрик Хилл и Брюс Сли, применив крестообразный телескоп Миллса в Новом Южном Уэльсе, записали и опубликовали список более 2000 радиоисточников. К моменту публикации 3C споры между учеными разрешились, и радионебо было открыто к исследованиям в обоих полушариях.
Следующий вопрос — природа радиоисточников: ученые искали оптические спектры. Но поскольку расположение источников радиоволн было известно лишь приблизительно, оказалось трудно понять, какая звезда или галактика соответствует какому сигналу. Но источники постепенно выдавали свои секреты. Помимо центра Млечного Пути, некоторые из ярчайших источников — необычные объекты в нашей Галактике. Например, Кассиопея А и Крабовидная туманность — остатки сверхновых, газовые оболочки, раскиданные катастрофическим взрывом умирающей звезды, последняя — с пульсаром в центре.
Радиогалактики
Другие источники куда более экзотичны. Яркий источник в созвездии Лебедя — Лебедь А — это далекая галактика. Ее открыл Ребер в 1939 году. В 1953-м было показано, что это не один источник, а два. Такие двойные источники — черта многих галактик, испускающих радиоволны. У таких галактик с обеих сторон есть развернутые «лепестки» — обширные пузыри, надутые тонкими потоками высокоэнергетических частиц, исходящих из центра галактики. Симметрия лепестков — они обычно расположены на одинаковом расстоянии и имеют одинаковый размер и форму — предполагает, что их питает общий источник. Считается, что этот источник — черная дыра, скрытая в центре радиогалактики.
Когда материю засасывает в черную дыру, ее разрывает на составляющие частицы, которые распыляются джетами с околосветовой скоростью. Радиоволны возникают, поскольку частицы взаимодействуют с сильными магнитными полями и порождают так называемое синхротронное излучение. Большинство радиоволн в космосе возникает от взаимодействия частиц и магнитных полей в горячем разреженном газе, который наполняет нашу собственную Галактику и галактические скопления, в потоках или вблизи компактных объектов, где магнитные поля усиливаются, — например, рядом с черными дырами. В центре Млечного Пути тоже имеется черная дыра.
Космическое шипение
Некоторые считают, что шум Млечного Пути можно уловить при помощи небольшого радиоприемника. Настройте его так, чтобы не принимать никакие радиостанции и слышать только шум. Затем помашите антенной — и вы услышите, что шум делается то громче, то тише. Небольшое приращение шума — это, возможно, радиоволны, принятые от Млечного Пути.
Райл против Хойла
Количество радиоисточников во Вселенной критически важно для теории Большого взрыва. Райл, пламенный лидер группы радиоастрономии в Кембриджском университете, выступил против Фреда Хойла, астронома-харизматика, работавшего через дорогу, в Институте астрономии, и исследовавшего процессы ядерного синтеза, возникновения химических элементов в звездах и Большой взрыв. Во времена до открытия реликтового излучения модель Большого взрыва не принимали — сам Хойл придумал термин «Большой взрыв» в насмешку. Он держался точки зрения о стабильном состоянии Вселенной, считая, что у нее не было начала и она существовала всегда. Он предполагал, что галактики разбросаны по космосу случайным образом и разлетаются бесконечно.
Но Райл нашел доказательства того, что радиоисточники распределены неравномерно: он увидел больше относительно ярких радиоисточников, чем ожидалось бы от случайного распределения. Следовательно, утверждал он, Вселенная должна быть конечна, а модель Большого взрыва верна. Правота Райла была доказана открытием реликтового излучения, хотя двое великих астрономов продолжали спорить. И по сей день эти две исследовательские группы работают независимо друг от друга — из-за той давней вражды.