Ах, эта неравномерная Земля!
Сегодня в распоряжении ученых стабильное атомное время. Но астрономы
по-прежнему упрямо смотрят на звезды... Зачем?
Иммануил Кант, который был не только философ, но и астроном-теоретик
(гипотеза Канта – Лапласа!), утверждал, что считать Землю идеальным
волчком – значит делать ей незаслуженный комплимент. В работе 1754 г.
«Исследование вопроса, претерпела ли Земля некоторые изменения в
своем вращении вокруг оси, которым обусловливается смена дня и ночи»
ученый писал, что морские приливы должны играть роль тормоза и удлинять
сутки на 0,0016 секунды в столетие.
Этот труд Канта был ответом на мнение английского астронома Эдмунда
Галлея, который считал, что Земля вращается равномерно, а Луна из
года в год ускоряет свое движение. Мнение Галлея, высказанное им
в 1693 г., основывалось на том, что даты солнечных затмений
в древних хрониках расходятся с датами, вычисленными по формулам
астрономии.
Завязался спор, шедший с переменным успехом вплоть до первого десятилетия
XX в. Земля или Луна? Безоговорочно принять ту или иную точку зрения
у науки не было оснований. Речь ведь шла о десятитысячных секунды
за столетие, а часы тогдашних астрономов улавливали в лучшем случае
десятую секунды в сутки.
В 1906 г., когда в обсерваториях появились часы Рифлера, наблюдения
показали, что Солнце тоже «ускоряется» в своем фиктивном движении
вокруг Земли (для расчетов иногда выгодно считать Землю «центром
мира»). Еще некоторое время спустя «ускоряться» стали Меркурий и
Венера (это уже была заслуга часов Шорта и кварцевых). Тут уж всем
стало ясно: виновата Земля! Слишком одинаковы все эти ускорения,
разумнее было считать, что наша планета просто вращается медленнее
и медленнее.
Странно только, что замедление оказалось очень большим, почти в
два с половиной раза превышающим то, которое следовало из работы
Канта: порядка 0,003 секунды за 75 лет. Три тысячных секунды для
Земли – это такая энергия, что даже четвертой части ее хватило бы,
чтобы стереть до основания всю Памиро-Гималайскую горную систему.
Откуда такая энергия берется? Ответа на вопрос пока нет...
Наблюдения, из которых вытекало, что Земля по части вращения норовиста,
велись буквально на грани чувствительности тогдашних приборов времени,
даже кварцевых. И когда в 1955 г. в распоряжении науки оказались
первые квантовые стандарты частоты, астрономы не упустили благоприятной
возможности организовать «Службу вращения Земли». Точность измерений
резко возросла, удалось подметить некоторые закономерности в поведении
«шарика».
Скажем, весенние и осенние сутки: они отличаются примерно на две
тысячных секунды. Зимой по-иному распределяются воздушные массы
над планетой: почти над всей Азией образуется устойчивая область
высокого давления, собираются миллионы и миллионы тонн воздуха.
На обширных пространствах выпадает снег. Эффект накапливается, момент
инерции волчка-Земли постепенно изменяется, иной становится скорость
его вращения. Потом весна, снег стаял – опять сезонное изменение
скорости. Летом леса покрылись листвою – небольшой скачок скорости
отмечает и это событие.
Год на год не приходится, метеообстановка разная – все это хорошо
прослеживается на графиках скорости вращения Земли, которые вот
уже больше двадцати лет ведут сотрудники отдела ВНИИФТРИ.
– А нет ли связи между скоростью вращения Земли и активностью Солнца?
– спросил я Давида Юльевича Белоцерковского, руководителя отдела.
– Да, довольно явственно намечается 11-летний цикл, – ответил он,
– но чтобы окончательно удостовериться, надо еще долго наблюдать.
Однако даже если все абсолютно точно подтвердится, нам легче от
этого не станет. Возникнет новый вопрос: каков механизм передачи
влияний? Хорошей гипотезы до сих пор нет. Покойный директор Парижской
обсерватории Данжон – тот прямо так и говорил: во всех неравномерностях
вращения Земли виновато Солнце. У нас новосибирский ученый Д.Ю. Калинин
выдвинул аналогичную гипотезу. Но как дело доходит до формул, расчетные
эффекты оказываются в сто, тысячу, десять тысяч раз меньше наблюдаемых.
Может быть, все-таки Земля сама по себе, Солнце само по себе, а
потом накапливающиеся незначительные эффекты собираются, и Солнце
как бы играет роль руки, нажимающей на спусковой крючок? Мы в лаборатории
пробовали посчитать, так вот, нам кажется, что изменения скорости
идут ступеньками, маленькими скачками, а вовсе не плавно. Но так
ли это на самом деле? Чтобы изменилась скорость вращения, должен
стать другим момент инерции, должно непременно произойти перераспределение
масс. Помню, в одной из книг читал я, что академик Вернадский в
беседе с академиком Шмидтом как-то сказал, обсуждая его, Шмидта,
гипотезу происхождения Земли, что возможно периодическое перемещение
радиоактивных слоев в недрах планеты. К этим словам стоит прислушаться:
уран, торий и другие элементы его ряда – самые тяжелые из известных
нам веществ... Даже не очень большие количества их (не очень большие
в земном масштабе, конечно) если передвинутся, это может очень сильно
изменить момент инерции земного шара.
А вот бывший директор Международного бюро времени Николай Стойко
и его жена Анна Стойко убеждены, что на вращение влияют землетрясения.
И наш пулковский астроном профессор Н.Н. Павлов так считает.
Он уверен, что когда мы будем лучше знать, как вращается Земля,
то сможем (с учетом других данных, разумеется) предсказывать землетрясения.
Наконец, гипотеза движения материков уже почти бесспорна: так вот,
разве их движение не обязано влиять на момент инерции Земли и скорость
ее вращения? Безусловно.
А метеорологи говорят: дайте возможность прогнозировать изменения
скорости вращения Земли, и мы будем точнее предсказывать погоду,
потому что эти изменения непременно отражаются на перемещениях воздушных
масс. Мы-то, астрономы, считаем, правда, что первична все-таки не
Земля как таковая, а сама погода: давление ветра на горные хребты,
трение воздуха о поверхность планеты... Но поди ж тут, докажи, что
первичное и что вторичное. Ясно только: вращение Земли – ключ ко
многим явлениям...
Вплоть до 1963 г. замедление скорости вращения было довольно
равномерным, и вдруг в течение нескольких дней (!) скорость упала,
как за предыдущие два года, – ни с какими цунами или землетрясениями
связать это событие пока не удалось. Советский исследователь А.Г. Флеер
обнаружил такой феномен: таинственным образом скорость вращения
Земли влияет на скорость распространения радиоволн в атмосфере...
Специалисты, изучающие вращение Земли, сейчас находятся в положении
детективов, идущих по следам неведомого преступника. Между скачком
скорости вращения и моментом, когда об этом узнают ученые, проходит
в лучшем случае несколько недель. Порой наблюдениям звезд мешают
облака, порой запаздывают данные зарубежных обсерваторий, да и на
расчеты нужен не один день.
Работники службы времени мечтают о приборах, которые измеряли бы
скорость вращения Земли не по звездам, а «сами по себе». Способ
почти есть. «Почти» – потому что пока его точность раз в сто ниже
требуемой. Раньше чем лет через десять трудно ожидать радикальных
изменений. Но принцип измерителя хорошо известен: это лазерный гироскоп.
Два луча, испущенные одним лазером, отражаясь от зеркал, бегут по
кругу навстречу друг дружке. Пока сооружение неподвижно, длины волн
обоих лучей одинаковы, но если его начать вращать, положение резко
изменится. Волна, бегущая против вращения, как бы сожмется, другая,
своим движением «согласная» с вращением, как бы растянется. Возникшую
картину можно наблюдать, измерять, автоматически записывать и вводить
в ЭВМ. Когда лазерный гироскоп ощутит неправильность вращения
Земли, ученые получат в свое распоряжение фотографию «рабочего дня»
планеты. И тогда... Вся история науки свидетельствует, что как только
в распоряжении исследователей оказываются новые приборы, рождаются
новые открытия.
Антенна размером с земной шар
Когда в 1931 г. молодой сотрудник американской телефонной
компании «Белл телефон» Карл Янский сооружал свою колоссальную по
тем временам вращающуюся антенну из металлических труб, досок и
четырех автомобильных колес, ни он, ни его начальство, конечно,
не думали, что антенна открывает эру радиоастрономии. Просто нужно
было найти источник помех, забивающих слабые сигналы в одном очень
чувствительном радиоприемнике. Янский думал, что это какая-то радиостанция.
Адрес «станции» оказался довольно необычным: «Космос, Млечный Путь,
созвездие Стрельца». Поскольку исследователь не мог выключить этот
странный передатчик, он стал придумывать способ нейтрализации его
влияния. Более глубоко изучить радиосигналы с небес не позволил
шеф, считавший, что тратить деньги на столь бессмысленное занятие
– значит поистине выбрасывать их в пустоту.
Неизвестно, на сколько бы лет задержалось развитие радиоастрономии,
не прочти маленькую статью Янского радиолюбитель Грот Ребер. Он
соорудил антенну в виде круглого десятиметрового зеркала, составил
радиокарту Млечного Пути и послал ее в астрофизический журнал. Карта
и приложенная к ней статья показались консультантам журнала не то
мистификацией, не то просто творением не совсем нормального человека:
шутка ли, радиостанции на небе! Консультанты-астрономы рекомендовали
воздержаться от печатания. По счастью, главный редактор оказался
человеком проницательным и широких взглядов, и труд Ребера увидел
свет.
Так у радиоастрономии оказалось две даты рождения: одна – когда
сигналы были впервые приняты, и вторая – когда о них с десятилетним
опозданием узнал ученый мир.
С тех пор антенны для приема космических радиоволн становились
все грандиознее. Ведь сигналы, приходящие из глубин Вселенной, страшно
слабы. Больше антенна – шире невод, захватывающий поток электромагнитного
излучения. Радиотелескоп с такой антенной замечает на небе источники
радиоизлучения, все ничтожнее по мощности. Такова первая причина
любви астрономов к гигантским антеннам. Вторая причина в том, что
у большого радиотелескопа велика разрешающая способность, он дает
возможность узнавать более тонкие детали «радионебографии» космоса.
Тридцать, пятьдесят, семьдесят, сто метров – стремительно росли
диаметры антенн. Но чем больше размеры, тем труднее зеркалу сохранить
заданную форму, оно начинает прогибаться под собственным весом.
И американские конструкторы 300-метрового радиотелескопа, построенного
в Аресибо, на острове Пуэрто-Рико, не нашли иного выхода, как только
взять в качестве каркаса... горную котловину! Подходящую по размерам
впадину залили бетоном и разложили на нем металлическую сетку, превратили
ее в отражающую радиоволны чашу...
Здесь нужно сделать очень существенное замечание. Важен не сам
размер зеркала, а отношение его диаметра к длине волны, на которой
ведется прием. Когда, например, оно равно 10, телескоп различит
на небе два радиоисточника, только если угловое расстояние между
ними более 6 градусов, на меньшем расстоянии две радиозвезды сольются
для инструмента в одну. (Шесть градусов – это очень много. Расстояние
между двумя звездами «ковша» Большой Медведицы, дающими направление
на Полярную, – пять градусов.)
Метод простого увеличения размеров антенн быстро исчерпал свои
возможности. Ведь чтобы увеличить разрешающую способность в десять
раз, нужно в сто раз поднять отношение «площадь зеркала – длина
волны»: такова цена новых знаний. А что касается перехода к все
более коротким волнам, то на этом пути есть препятствие иного рода.
Планета Земля поставила радиоастрономов в довольно-таки жесткие
рамки. Она отвела им в спектре электромагнитного излучения участок
с длинами волн от 20 метров до 8 миллиметров. Все, что длиннее,
отражается от ионосферной брони планеты, все, что короче, поглощается
ее атмосферой. Предел уменьшения рабочей длины волны существует,
и его не перепрыгнешь. Конечно, когда радиотелескопы появятся на
околоземной орбите или на Луне, удастся принимать и более короткие
волны.
Вести прием на 8 миллиметрах очень непросто. Радиотелескоп обеспечит
расчетную разрешающую способность лишь тогда, когда зеркало антенны
по форме своей будет отличаться от идеала – правильного параболоида
– менее чем на 1/10 длины волны. Прикиньте-ка, легко ли обеспечить
такую точность, если диаметр отражающей поверхности, например, у
Пулковского радиотелескопа – 200 метров, а крупнейшего в мире радиоастрономического
телескопа АН СССР РАТАН-600 – 1200 метров.
Пулковский телескоп считался уникальным: его разрешающая способность
15 секунд дуги. С его помощью разглядели на Солнце, угловые размеры
которого всего полградуса, маленькие яркие радиоисточники, связанные
с солнечными пятнами. РАТАН-600 обладает еще большей разрешающей
способностью. Однако даже такой замечательный инструмент не может
соперничать по этому показателю с простеньким 30-сантиметровым оптическим
телескопом.
Что же делать? И возникает идея: взять два радиотелескопа, разнести
их зеркала на несколько сотен метров и направить на один и тот же
участок неба. Такой составной инструмент – радиоинтерферометр –
будет работать так, словно это один прибор, длина антенны которого
равна расстоянию между зеркалами.
Несколько сотен метров... А может быть, несколько тысяч? Несколько
десятков тысяч? Когда английские ученые раздвинули антенны своего
радиоинтерферометра на 130 километров, они получили разрешающую
способность в 0,1 секунды дуги, что втрое выше, чем у самых лучших
оптических приборов.
Кстати, об оптических телескопах. С ростом их размеров разрешающая
способность не возрастает так, как должно было бы следовать из расчетных
формул. Хотя 5-метровый рефлектор американской обсерватории Маунт
Паломар и обладает теоретическим разрешением в несколько сотых секунды,
реально он обеспечивает Лишь около 0,3 секунды: мешает атмосфера,
искажающая изображение. Зато на работу больших радиотелескопов она
почти не влияет, и размеры их, а стало быть, и разрешающая способность
вроде бы не ограниченны. Но...
Росту расстояний между антеннами помешали сами расстояния. Принятые
сигналы надо передать к приемнику. На малых дальностях это делают
по кабелю, на больших – по радиорелейной линии. Но всегда наступает
такой момент, когда неизбежные при передаче искажения начинают мешать
столь сильно, что радиотелескоп отказывается работать.
Исследователи остановились в раздумье. Чем заменить радиосвязь?
Советские ученые Н.С. Карташов, Г.В. Шоломицкий и Л.М. Матвеенко
в 1963 г. предложили метод, который полностью снял всякие ограничения
на размеры радиотелескопов-интерферометров. Теперь можно разнести
антенны на весь диаметр земного шара или поставить одну на Земле,
а другую на Луне.
Суть их предложения – магнитофон и квантовые часы: пусть каждый
радиотелескоп, входящий в состав интерферометра, записывает принятые
сигналы и сигналы атомного эталона времени на ленту. Затем обе записи
дадим прослушать электронно-вычислительной машине. Магнитные ленты
сыграют роль неискажающих линий связи, ЭВМ – роль общего приемника,
а сигналы атомных эталонов создадут иллюзию «естественного» приема
космических «радиостанций».
Четыре года спустя эту идею проверили на своих радиотелескопах
сначала американские, потом канадские астрономы. В Советском Союзе
стали совместно работать радиотелескопы Симеиза и города Пущина-на-Оке.
Потом расстояния приобрели межконтинентальный размах: Австралия
– США, Швеция – США, Англия – Канада, СССР – США.
Эти сложнейшие исследования требовали слаженной работы многих научных
учреждений. Например, когда в 1971 г. проводился советско-американский
эксперимент (сигналы принимались Советским радиотелескопом в Симеизе
и американскими – в Грин-Бэнк и Голдстоуне), в нем участвовали или
помогали ему такие советские и иностранные организации: Главная
астрономическая обсерватория (СССР, Пулково), Институт космических
исследований АН СССР, Калифорнийский технологический институт (США),
Корнельский университет (США), Крымская астрофизическая обсерватория
(СССР), Массачусетский технологический институт (США), Национальная
ассоциация по аэронавтике и исследованию космического пространства
(США), Национальная радиоастрономическая обсерватория (США), Парижская
обсерватория (Франция), Смитсонианская астрофизическая обсерватория
(США), Физический институт им. П.Н. Лебедева АН СССР, Хайстекская
обсерватория (США), Чалмерский технологический институт (Швеция).
Немудрено, что при такой сложной организации дела возникали порой
и довольно напряженные ситуации. «Советские ученые несколько раз
приезжали на аэродром встречать своего американского коллегу доктора
Барри Кларка, который вез с собой атомные часы для синхронизации
времени, – вспоминает на страницах журнала «Наука и жизнь» один
из авторов идеи «безграничного» радиотелескопа кандидат физико-математических
наук Л.М. Матвеенко. – Но он никак не прилетал. Через несколько
дней во время встречи профессора М. Коуэна стали выяснять,
где же Кларк. Профессор недоуменно пожал плечами, и вдруг через
головы встречающихся показал на одинокую фигуру: это был Кларк.
А на табло атомных часов уже горела красная лампочка – до их остановки
(из-за разрядки внутреннего источника тока) оставались считанные
минуты. Часы все же не остановились, – их успели своевременно подключить
к аккумулятору первого попавшегося под руку автомобиля».
Эксперимент дал уникальные результаты: на волне 1,35 сантиметра
была получена разрешающая способность в 0,00012 секунды дуги.
|
