Валерий Чолаков
Нобеловите награди (21) (Учени и открития (1901–1982))

Радиоастрономията

Обстоятелството, че ултракъсите вълни минават безпрепятствено земната атмосфера, се оказа от изключително значение за съвременната астрофизика. Днес изследването на небесните тела с радиотелескопите е всъщност още един прозорец към Вселената. Както много други открития и радиоастрономията се роди случайно.

В 1929 г. ръководството на фирмата Бел възложи на младия инженер Карл Янски да изучи смущенията по трансатлантическия канал на радиовръзка. На негово разположение бе даден чувствителен радиоприемник, към който скоро бе добавена и голяма антена за определяне посоката на шумовете. След продължително наблюдение в общи линии се изясни картината на радиосмущенията. Повечето от тях идваха от гръмотевичните бури. Най-изненадващо обаче се наслагваше и някакъв загадъчен радиошум, идващ от небето.

Янски най-напред определи, че интензитетът на това смущение се променя с период 24 часа времето, за което Земята се завърта около оста си. Към декември 1932 г. той вече можеше да съобщи в научния печат, че максимална интензивност на космическото излъчване се наблюдава в онази част на небесната сфера, където според астрономите се намира центърът на Галактиката. Това откритие бе посрещнато с голям интерес от широката публика, но колкото и да е странно, специалистите не му обърнаха внимание. Единственият човек, който се зае да проучи въпроса от гледна точка на астрономията, бе американският радиолюбител Гроут Рибър. В 1937 г. той собственоръчно изготви десетметров отражателен радиотелескоп и към 1944 г. състави първата радиокарта на небето. Почти едно десетилетие този изследовател-аматьор бе единственият радиоастроном в света.

В средата на 40-те години идеята за радиоизточници в Космоса все още шокираше специалистите и статията на Рибър с първите радиокарти на небето бе отпечатана в „Астрофизикъл джърнъл“ след големи колебания от страна на редакторите. Скоро обаче положението се промени. По време на войната бе възникнал нов вид техника за нуждите на радиолокацията — радарите. В следвоенния период с такива устройства, набързо приспособени за научни изследвания, се правеха вече първите наблюдения от професионални астрономи. Един от пионерите в тази област бе англичанинът Мартин Райл.

През 1952 г. Райл предложи, заедно с П. Шойер, вместо една голяма антена да се използват няколко малки. Съпоставянето на сигналите даваше възможност с компютър да се синтезира такова изображение, каквото би се получило от радиотелескоп с диаметър колкото разстоянието между антените. Този метод, използващ принципите на интерферометрията, се оказа необикновено плодотворен. Скоро започнаха да се използват комбинации от антени, разнесени на голямо разстояние, дори на различни континенти. Така бяха създадени радиоинтерферометри, които определят ъглови размери с точност, далеч надминаваща възможностите на оптическите телескопи.

През цялото време на тази революция в радиоастрономията Мартин Райл бе един от най-продуктивните изследователи. Неговите големи заслуги бяха оценени през 1974 г., когато той стана един от избраниците на Нобеловия комитет по физика. Проф. Райл е член на Лондонското кралско дружество и редица чуждестранни академии, между които и АН на СССР. Интересно е да се отбележи, че след шумното признаване на неговите успехи той бе назначен за кралски астроном. Тази почетна длъжност с големи традиции за първи път бе дадена на радиоастроном.

Другият лауреат на наградата по физика за 1974 г. бе Антъни Хюиш. С помощта на радиотелескоп той откри пулсарите, които са сред най-забележителните обекти във Вселената.

Хюиш и група негови асистенти и студенти провеждаха изследвания върху трептенето на радиоизточници с малки ъглови размери. Техен основен инструмент беше един доста груб, но достатъчно добър радиотелескоп, построен от кембриджките студенти под ръководството на двама радиоинженери. За изработването му бяха изразходвани 10 000 фунта стерлинги. Това е цената на откриването на пулсарите.

През юли 1967 г. бе започната нова разширена изследователска програма. Скоро след това аспирантката Жаклин Барнел откри необикновени радиосигнали. През септември неизвестният радиоизточник бе засечен още няколко пъти и се установи, че той излъчва редовни импулси с интервал малко повече от секунда. Първата мисъл на Хюиш бе дали това не е някакво смущение от близките околности. След като бяха проверени всички възможности за грешка, оставаше изводът, че сигналите идват наистина от Космоса. Съдейки по характера на импулсите, Хюиш реши, че източникът е с много малки размери — приблизително от порядъка на планета. Възникна голямото подозрение, че тези строго периодични сигнали може да са послания на някаква друга цивилизация.

През целия месец декември 1967 г. учените следяха дали източникът на радиовълните се върти около някое небесно тяло. Отговорът бе отрицателен. Следователно сигналите не бяха дело на „зелените човечета“. Тогава Хюиш и сътрудниците му се заровиха в литературата, посветена на звездната еволюция. Те предполагаха, че пулсарите, както вече бяха наречени тези радиоизточници, са определен етап от развитието на звездите. Междувременно към февруари 1968 г., когато Хюиш подготви публикацията за откритието, бяха забелязани още три пулсара.

Хюиш смяташе, че пулсарите са звезди от типа „бели джуджета“. Скоро след това обаче бе доказано, че те са неутронни звезди. От гледна точка на нашите представи това са невероятни обекти. Според съвременните теории те възникват след изключително силните взривове на свръхновите звезди. Огромното налягане води до образуването на тяло с плътност като атомното ядро, изградено само от неутрони. Размерите на този остатък от някогашната звезда са много малки (от порядъка на няколко десетки км) и учените на шега нарекоха неутронните звезди „бели грахчета“.

Едно от най-забележителните постижения на съвременната радиоастрономия е откриването на космическото микровълново фоново излъчване — далечното ехо на големия взрив, от който е възникнала Вселената. Тази теория води началото си от 20-те години. Тя произтича от общите идеи за нестационарност на Вселената, които следват от теорията за относителността на Айнщайн. Той самият бе доста недоволен от тези последствия на теорията си и въведе специални коефициенти, които да позволят съществуването на стационарна Вселена. Редица учени обаче се заеха да разработват динамичната концепция за света. През 1923 г. младият съветски учен Александър Фридман създаде математически модел на разширяваща се Вселена. Към края на същото десетилетие Едуин Хъбъл, изследвайки далечни космически обекти, откри, че тяхното светлинно излъчване е изместено към червения край на спектъра, което бе изтълкувано като Доплеров ефект при отдалечаващи се тела. Получавайки първите данни за червеното преместване, Хъбъл всъщност предостави и първото доказателство за разширяване на Вселената.

През 40-те години известният физик-теоретик Георгий Гамов и неговите сътрудници развиха идеята за „горещото раждане“ на Вселената. От тази теория следваше съществуването на реликтово излъчване, образувало се в момента на големия взрив. С разширяването на Вселената неговата температура е намалявала, за да достигне в сегашната епоха само няколко градуса над абсолютната нула.

На тези ниски температури съответствуват фотони с много малка енергия, носещи електромагнитни вълни от радиодиапазона. Реликтовото радиоизлъчване бе открито през 1965 г. от двама млади изследователи — Арно Пензиас и Робърт Уилсън от лабораториите Бел в Холмдел, Ню Джърси. Измерванията бяха направени със специална високочувствителна рупорна антена, построена в 1960 г. за връзка с ретранслационния спътник „Ехо“. В 1963 г. тази космическа програма бе прекратена и двамата учени взеха антената, за да я използват за радиоастрономически наблюдения. Преди да започнат работа, те решиха да изучат свойствата на самата антена. За целта се определяше фоновото излъчване в различни точки на небесната сфера. Не след дълго Пензиас и Уилсън установиха, че винаги остава някакъв радиошум с температура около 3°K.

По това време в намиращия се недалеч Принстънски университет Р. Дике и Дж. Пийблс работеха върху модела за големия взрив. В 1965 г., когато в Холмдел вече завършваха измерванията, тези двама теоретици изнесоха своите резултати на научен конгрес в Ню Йорк. Запознавайки се с тях, Пензиас и Уилсън веднага разбраха, че остатъчният радиошум в антената никога няма да бъде преодолян, защото това е фоновото излъчване, което запълва цялата Вселена. Двамата изследователи поканиха Дике и сътрудниците му да се запознаят с тяхната работа и в резултат на това в „Астрофизикъл джърнъл“ се появиха две съобщения — едното на наблюдателите от Холмдел за откриването на фоновото излъчване и второто — на теоретиците от Принстън, което обясняваше това явление.

Пензиас и Уилсън имаха щастието да публикуват своите резултати в солидно научно списание. Ако те ги бяха поместили като Янски в някое техническо издание, едва ли биха им обърнали толкова бързо внимание. Когато през 70-те години Нобеловият комитет по физика възприе едно по-широко схващане за обсега на тази наука, астрономите получиха своя шанс и двамата техни представители с „чувствително ухо за големия взрив“ станаха Нобелови лауреати през 1978 г. Арно Пензиас и Робърт Уилсън разделиха наградата заедно с големия съветски учен Пьотр Капица.