Квазар – он же точка опоры
Радиоинтерферометры с расстоянием между антеннами в тысячи километров
(«с большими базами»), как и всякий новый инструмент, не замедлили
проявить себя открытиями. Причем открытиями тем более интересными,
что они относились к таинственным квазарам.
Слово «квазар» – это сокращение английских слов «квази стар», «как
бы звезда». Сфотографированные в 1960 и опознанные в 1963 г.,
они поразили радиоастрономов необычайной мощностью излучаемой энергии:
она как минимум в сотню раз превышает энергию, которую выбрасывают
все сто миллиардов звезд нашей Галактики. Находятся, однако, квазары
так далеко, что их свет в сотни, тысячи и десятки тысяч раз слабее
света самых тусклых звезд, видимых невооруженным глазом. Гигантские
оптические телескопы должны сутками смотреть в то место, куда укажет
радиотелескоп, чтобы на фотопластинке появилась еще заметная точечка
– портрет таинственного незнакомца.
Слово «таинственный» употреблено не ради занимательности. Все,
связанное с квазарами, оказывается столь противоречивым, что и по
сию пору ученые не могут разработать гипотезы, хоть сколько-нибудь
примиряющей «как бы звездные» несообразности. Выбрасывая колоссальные
потоки энергии, квазары вовсе не светят столь ровно, как, например,
Солнце: мощность их излучения изменяется, словно ее регулирует какая-то
невидимая рука. Массы их примерно в миллиард раз больше солнечной,
а поперечник – только в 25 тыс. раз больше. Размеры квазаров в астрономическом
понимании чрезвычайно малы. Столь ничтожный размер и столь колоссальная
энергия не могут по земным понятиям принадлежать одному и тому же
объекту, – однако же принадлежат. Наконец, квазары еще и движутся
с невероятными скоростями, доходящими до 80 процентов скорости света,
т.е. 240000 км/с (из-за этой безумной скорости ультрафиолетовые
лучи, испускаемые квазаром среди прочих электромагнитных волн, превращаются
для нас в обыкновенный свет и становятся видимыми).
. Что же увидели в квазарах радиоастрономы, когда повернули к ним
зеркала своих интерферометров с большими базами? В полной мере проявилось
могущество радиометодов, в три тысячи раз превысивших по разрешающей
способности методы оптической астрономии. Фотографии квазаров –
это расплывчатые светлые пятна. А радиоастрономы обнаружили, что
квазар ЗС273, во-первых, состоит из двух частей, отделенных друг
от друга 20 секундами дуги, во-вторых, в одной из них находится
маленькое ядро, в-третьих, внутри ядра – еще два ядрышка размером
по 0,00025 секунды. «Как бы звезда» открывалась изумленным глазам
ученых в виде некой космической матрешки, словно подтверждая слова
незабвенного Козьмы Пруткова: «Нет вещи столь малой, в которую не
вместилась бы еще меньшая».
Те же, кого волнуют проблемы времени, заинтересовались квазарами
с позиций сугубо утилитарных. Долго звезды считались неподвижными,
словно гвоздями прибитыми к небесной сфере. Лишь когда вместо глаза
в телескоп заглянула фотографическая пластинка, удалось заметить,
что расстояние между звездами меняется, стало быть, они движутся.
Если бы Гиппарх, составивший два тысячелетия назад первый каталог
звезд, смог взглянуть на небо сейчас, он с удивлением заметил бы,
что Арктур – одна из самых ярких звезд нашего полушария – сместился
на полградуса, т.е. на целый диаметр Луны. Правда, это самая резвая
звезда, другие куда степеннее, однако при точных измерениях астрономического
времени, особенно если они охватывают несколько десятилетий, приходится
считаться с собственным движением светил.
Зато квазары... Квазары отстоят от нас так далеко, что даже их
безумные скорости еще очень долго не изменят их положения, видимого
с Земли. Координатная сеть, опирающаяся на такие «верстовые столбы»,
– сейчас максимально возможное приближение к «абсолютно неподвижному»
пространству, столь нужному астрономам. Требуется лишь определить
положение квазаров на небосводе. Добиться же необходимой точности
пока не удается. Радиоинтерферометры с большими базами хорошо видят
малые объекты, хорошо отличают их друг от друга, а вот местоположение
узнают еще плохо... Впрочем, все это трудности не принципиального,
а технического порядка. Никто не сомневается, что они будут решены,
и квантовые часы, без которых тут никак не обойтись, окажут науке
еще одну услугу.
Чтобы их пути не пересекались
Два самолета впервые столкнулись в воздухе над Миланским аэродромом
в 1910 г., когда летательных аппаратов во всем мире было не
более полусотни. Сегодня авиапарк только США насчитывает свыше 130
тыс. военных, сельскохозяйственных, частных, транспортных и пассажирских
машин.
В 1895 г. в США было всего четыре автомобиля, но два из них
ухитрились-таки наехать друг на друга в городе Сент-Луисе, ранив
своих водителей. Сегодня по дорогам земного шара мчится четверть
миллиарда машин: дорожные происшествия случаются каждые пятнадцать
секунд.
Когда произошла первая авария с морским судном, никто не знает,
слишком древний это транспорт. Но мы знаем иное: сегодня парк торгового
флота – 57 тыс. с лишним крупных судов, и каждые три-четыре дня
из-за ошибок в навигации одно из них сталкивается с другим или садится
на мель.
Транспортные средства становятся все мощнее, вместительнее, растет
их скорость. Каждая авария сопровождается все большими убытками
и жертвами. Безопасность движения на сухопутных и воздушных путях
стала проблемой века. Решить ее – это уже признают все специалисты
– нельзя без радионавигационных систем, для которых нижней ступенью
будет город, аэродром, порт, а верхней – вся планета. Иными словами,
проблему нельзя решить без службы точного времени.
Принципы радионавигации, известны давно, еще с середины 40-х годов.
Представьте три передатчика, стоящих на берегах Каспийского моря:
один в Астрахани, другой в Баку, третий в Красноводске. На море
как бы наложен огромный треугольник. В школе нас учат, как найти
координаты точки внутри или снаружи треугольника: нужно измерить
расстояния до вершин. Корабли и самолеты берут вместо линейки радиоволну.
Бортовой приемник измеряет время, нужное волне, чтобы пройти к нему
от передатчика. Для этого все три сигнала, излучаемых каждой станцией,
связаны между собой, иначе электроника на борту не сможет их использовать.
Если стабильность частоты передатчиков плоха, определить координаты
удастся только весьма грубо. Так, к сожалению, и обстояло дело,
пока не было квантовых стандартов. Новая же техника хранения времени
и частоты – цезиевые стандарты, почти ничем не отличающиеся от государственных
эталонов, – намного повысила качество работы навигационных станций.
И, что самое главное, стало возможным разносить станции на огромные
расстояния, объять «радиотреугольниками» не только отдельные районы,
но и весь земной шар. На Землю как бы накинули сеть с разными по
размеру ячейками: где-то они крупнее, где-то мельче.
Самые крупные – это радиотреугольники системы «Омега». Ее восемь
станций дают возможность определять координаты судов во всем Мировом
океане с ошибкой 1...2 морские мили, т.е. 1,85...3,7 километра.
Станции «Лоран» служат для навигации в Средиземном море, северном
районе Атлантики, у восточного побережья США и еще в некоторых районах.
Приемники этой системы проще и дешевле, чем «Омеги», да и исторически
она возникла раньше. А точность ее – не хуже «омеговской», только
дальность действия меньше.
Ошибки, вполне допустимые в открытом море, непозволительны для
плавания вблизи берегов. Там штурман включает приемник системы «Декка»,
и точность возрастает до сотен метров. Наконец, в проливах и на
подходах к портам ставят станции систем «Хай-Фикс», «Си-Фикс» и
«Торан», по сигналам которых кораблеводитель узнает место судна
с ошибкой до метра.
Почему систем так много? Потому что точность удается купить только
уменьшением дальности действия. По сигналам «Омеги» решают навигационные
задачи на расстояниях до 5000 километров от станции, для такой же
по точности системы «Лоран-С» (она работает на плохо распространяющихся
средних волнах, а не на сверхдлинных, как «Омега») дальность не
более 2200 километров, «Декка» – всего 650, а «Хай-Фикс» и ее «родственницы»
– порядка 400 километров. И все-таки лишь 20 процентов акватории
Мирового океана охвачено высокоточными системами радионавигации...
Ну, а самолеты? На дальних трассах они держат курс с помощью бортовых
навигационных систем «Омега» и «Лоран»: станции наземного слежения
сообщают, если самолет отклонился от курса, есть также и автономные
бортовые системы навигации – точные и надежные.
Сложности начинаются при подлете к аэродрому. Самолетов становится
все больше, густота движения возрастает с каждым километром, а летчик
не видит других самолетов и полагается только на сообщения с земли.
Операторы наземных станций слежения работают крайне напряженно,
и все-таки порой не в состоянии предотвратить роковое сближение
машин. Поэтому большие надежды возлагают на особо точные системы
воздушной навигации, которые сейчас разрабатываются и основа которых
– опять-таки цезиевые стандарты частоты.
С 1965 г. в США находится в опытной эксплуатации система предотвращения
столкновений в воздухе. Она обслуживает сразу до 2000 самолетов
– количество, более чем достаточное даже с учетом будущего роста
плотности авиадвижения. Если машины опасно сближаются, земля дает
предупредительный сигнал и рекомендует каждому пилоту маневр, который
надо совершить, чтобы избежать столкновения. Никаких словесных команд
летчик не получает: все отображается на индикаторах приборной доски.
Разнообразие систем морской и воздушной навигации может привести
к ошибочному заключению, что для автотранспорта остается только
использовать уже готовые рецепты. Между тем это не так. Появляются
трудности, о которых не думали ни моряки, ни авиаторы. Прежде всего,
массовость: автомобилей в тысячи раз больше, чем самолетов и кораблей,
вместе взятых. Далее, бортовые системы должны быть очень дешевыми,
чтобы владельцы машин захотели их установить. Наконец, в автомобиле
очень мало места, его электрооборудование маломощно, отсюда крайне
жесткие требования к миниатюрности и небольшому потреблению энергии.
Расстояния между машинами на дороге обычно очень малы, а это делает
работу навигационной системы (скажем, предупреждения столкновений)
чрезвычайно сложной: точность измерения времени должна быть не хуже,
чем в авиации, так что без квантовых стандартов снова не обойтись...
|
