Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

С давних пор история астрономии и астрофизики – это история поиска ответов на все эти и другие вопросы, которые возникают, как только мы начинаем додумываться до некоторых ответов. В течение последних четырехсот лет все, что имели возможность видеть астрономы, в огромной степени зависело от мощности и чувствительности их телескопов. Исключением стал Тихо Браге, который провел на удивление подробные наблюдения невооруженным глазом, с помощью простейшего оборудования, что впоследствии позволило Кеплеру сделать три основных открытия, известных сегодня как законы Кеплера.

Б о льшую часть этого времени в нашем распоряжении были только оптические телескопы. Я понимаю, что для неастронома это звучит довольно странно. Когда слышишь слово «телескоп», автоматически представляешь себе «трубку с линзами и зеркалами, в которую человек смотрит на небо», не так ли? Так каким же еще может быть телескоп, кроме как оптическим? Кстати, когда президент Обама в октябре 2009 года проводил знаменитую «Астрономическую ночь», на лужайке у Белого дома было установлено множество телескопов, и все они были оптическими.

Однако начиная с 1930-х годов, после обнаружения Карлом Янским радиоволн, излучаемых Млечным Путем, астрономы упорно стараются расширить диапазон электромагнитного излучения, с помощью которого они наблюдают Вселенную. Так, они довольно долго охотились и обнаружили микроволновое излучение (радиоволны высокой частоты), инфракрасное и ультрафиолетовое излучение (с частотами чуть ниже и чуть выше частот видимого света), рентгеновские лучи и гамма-излучение. Чтобы выявить это излучение, мы создали множество специально разработанных телескопов – некоторые из них установлены на спутниках для изучения рентгеновского и гамма-излучения, – которые позволяют человечеству все глубже и шире проникать во Вселенную. Сегодня существуют даже нейтринные телескопы, расположенные под землей, один из них построен прямо на Южном полюсе и назван Ледяным кубом.

Последние сорок пять лет своей карьеры в астрофизике я занимаюсь рентгеновской астрономией. Эта область астрономии специализируется на обнаружении новых источников рентгеновского излучения и объяснении многих других наблюдаемых явлений. Как я уже рассказывал, начало моей карьеры совпало с пьянящими и захватывающими первыми шагами этого направления, и в следующие четыре десятилетия я, можно сказать, находился в самой гуще событий. Рентгеновская астрономия в корне изменила мою жизнь, но, самое важное, она изменила лицо самой астрономии. В этой главе и четырех последующих вас ждет увлекательная экскурсия по рентгеновской вселенной, и проведет ее человек, который прожил и проработал в этой вселенной практически всю свою научную жизнь. Предлагаю начать с рентгеновского излучения.

Название рентгеновских лучей (по-английски они называются X-rays) звучит довольно экзотически, ведь в его основу легла буква, обозначающая нечто неизвестное (как «икс» в уравнении). На самом деле это обычные фотоны – электромагнитное излучение, – составляющие часть невидимого человеческому глазу электромагнитного спектра и находящиеся в нем между ультрафиолетовым светом и гамма-лучами. На многих других языках мира они называются рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена, который обнаружил их в 1895 году. Мы различаем их так же, как и других обитателей этого спектра, тремя разными, но взаимосвязанными способами: по частоте (число циклов в секунду, выраженное в герцах), длине волны (длина отдельной волны в метрах, в данном случае в нанометрах) или уровню энергии (измеряется в электрон-вольтах, эВ, или в килоэлектрон-вольтах, кэВ).

Вот некоторые данные для общего представления. Длина волны зеленого света около 500 миллиардных метра, или 500 нанометров, а энергия – около 2,5 электрон-вольта. Минимальная энергия фотона рентгеновского излучения равна около 100 эВ, что в 40 раз больше энергии фотона зеленого света, а длина волны – приблизительно 12 нанометров. Наиболее высокоэнергетические рентгеновские лучи имеют энергию примерно 100 кэВ и длину волны около 0,012 нанометра. (Ваш стоматолог использует рентгеновские лучи с энергией фотонов до 50 кэВ). На другом конце электромагнитного спектра находятся радиостанции, работающие в AM-полосе, между 520 килогерцами (длина волны – 577 метра) и 1710 килогерцами (длина волны – 175 метров, то есть почти две длины футбольного поля). Их энергия в миллиард раз меньше энергии зеленого света и в триллион раз меньше энергии рентгеновского излучения.