Скоро заработает гигантский телескоп

В конце сентября прошлого года на сайте LOFAR появилось сообщение: впервые удалось совместить наблюдения сразу с двух станций — в Экслу (Нидерланды) и в Эффельсбреге (Германия), отстоящих друг от друга на сотни километров. Сигналы от далекой сверхъяркой галактики, находящейся в десяти миллиардах световых лет от Земли, были зарегистрированы обеими станциями и переданы на центральный компьютер в Гронингене. Там их удалось свести воедино, получив тем самым четкое и несомненное свидетельство работы обеих станций как двух частей единого радиотелескопа.

Это был важный шаг на пути завершения нового масштабного астрономического проекта — создания международного радиотелескопа, состоящего из почти сотни отдельных станций, размещенных (поодиночке и в больших комплексах) в разных странах мира и насчитывающих в общей сложности свыше 25 тысяч антенн. Сегодня существует уже около 10 таких станций, и вот две первые из них, как уже сказано, удалось превратить в одну. На очереди — дальнейшее расширение как самой сети станций (в том числе во Франции, Швеции, Польше, Украине и т.д.), так и их соединений. В конечном счете все эти станции будут объединены в гигантский телескоп, способный улавливать самые слабые радиосигналы от самых далеких участков Вселенной до самых близких к моменту возникновения нашей Вселенной. Заглянув туда, астрономы рассчитывают увидеть то, что происходило во Вселенной миллиарды лет назад, то есть увидеть то, чего давно уже нет.

Проект LOFAR настолько нов, что даже аббревиатура (Low Frequency Array) еще не вошла во многие другие языки (в том числе и в русский). Но сами приемы наблюдения, используемые в этом проекте, разработаны уже сравнительно давно и широко применяются в радиоастрономии. Главным является замена огромных (и соответственно трудных в обращении) параболических радиозеркал прежних радиотелескопов отдельными станциями общим числом 45 (из которых 6 уже существует, 20 строится и еще 16 начнет строиться в 2010 году). Каждая из таких станций представляет собой систему простых и дешевых антенн (диполей), не имеющих никаких движущихся частей и размещенных на одной площади (размером с футбольное поле) таким образом, чтобы сигналы, приходящие в каждую антенну, всегда были сдвинуты по фазе друг от друга на одну и ту же величину. При таком сдвиге сигналы складываются (интерферируют, как говорят в оптике), усиливая друг друга. Затем общий сигнал каждой такой станции превращается в электрический сигнал, записанный двоичным кодом, и передается на центральный компьютер. Здесь он по специальной программе обрабатывается так, что превращается в<радиокарту>наблюдаемого (всеми станциями одновременно) участка неба.

Одна из особенностей такого<составного радиотелескопа>состоит в том, что его антенны, как всякие антенны, могут одновременно принимать сигналы разных частот (разной длины волны), так что компьютер может построить<радиоизображение>не одного, а нескольких участков неба. Иными словами, наблюдения могут охватить сразу огромную его часть. Другая не менее важная его особенность состоит в существенном, ранее недостижимом повышении чувствительности — на 2 — 3 порядка сразу, — которая обеспечивается огромным числом антенн на огромной площади (согласно проекту, ее суммарный, взятый по всем станциям диаметр должен быть доведен до 10 тысяч километров). Вплоть до 2017 года LOFAR будет самой чувствительной радиообсерваторией мира.

Но, пожалуй, самая важная особенность LOFAR состоит в том, что этот радиотелескоп будет работать на таких низких частотах (отсюда и название), на каких ни один существующий радиотелескоп еще не работал с такой чувствительностью, и потому сумеет увидеть то, чего ни один прежний телескоп еще не видел. Его возможности сосредоточены в двух диапазонах частот: 30 — 80 и 110 — 240 мегагерц. Поясним хотя бы на одном примере, что это значит. За счет расширения Вселенной видимый нами спектр излучения всех ее объектов сдвигается в красную часть. Мера этого сдвига обозначается буквой z. Это<красное смещение>приводит к тому, что частота излучения далеких от нас объектов уменьшается примерно в z раз.

И если, например, водородные атомы в земной лаборатории излучают на частоте 1420 мегагерц, то излучение тех же атомов, имеющих сдвиг z от 6 до 10, будет составлять уже не 1420, а всего 236 — 142 мегагерц, и тогда это излучение как раз попадет в область наблюдения LOFARа.

И это — как раз одна из важнейших причин, побудивших голландский Институт радиоастрономии попросить (и получить) у правительства Голландии 150 миллионов евро для постройки этого радиотелескопа. Ибо, хотя у LOFARа есть еще ряд в высшей степени важных и перспективных задач, но главной его задачей является наблюдение водородных атомов, у которых 6< z< 10. И вот почему. В близкой к нам части космоса нет атомов, которые излучали бы на этой частоте. Значит, уловив такое излучение, можно сразу сказать, что оно пришло от атомов, находящихся на огромных расстояниях от нас (где z порядка 6 — 10), и следовательно, было излучено очень-очень давно.

И значит, мы получаем информацию об атомах водорода, какими они были огромное время назад. Например, если z = 20, это уже время, близкое к моменту рождения нашей Вселенной. Если z между 6 и 10, то это более близкое время, но все равно миллиарды лет назад.

Но почему нужно изучать именно водород? Новейшая космология полагает, что на протяжении первых 400 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена ионизованной плазмой, состоявшей из фотонов очень высокой энергии, а также бешено мечущихся протонов и электронов. Но за 400 тысяч лет эта плазма остыла настолько, что энергия фотонов стала много меньше, и они уже не могли помешать образованию атомов водорода. Вся Вселенная заполнилась облаком нейтрального водорода, которое было таким разреженным, что даже прозрачным, так что фотоны теперь пронизывали его насквозь, не теряя энергии на столкновения.

Затем, однако (так продолжаются эти предположения), вокруг случайных микросгущений водорода возникли центра притяжения, которые за последующие миллионы лет привели к образованию огромных сгустков газа, из которых еще позднее возникли первые звезды и первые галактики. Определенные наблюдения и теоретические модели заставляют думать, что в этот период что-то во Вселенной начало светиться и притом очень ярко. Настолько ярко, что кванты этого света обладали достаточной энергией, чтобы снова оторвать электроны от многих протонов и тем самым заново превратить нейтральный водород в ионизированный. Вот эта<эпоха реионизации>весьма интересует астрофизиков и космологов, потому что изучение ее позволило бы понять, как образовались первые звезды и галактики. А так как Вселенную тогда наполняли, по сути, одни лишь атомы водорода, то и изучать ее можно лишь с помощью водорода. Донести до нас картину<того, чего нет>, могут только<древние>кванты, излученные атомами водорода миллиарды лет назад.

Что же астрономы ожидают увидеть? Представим себе, как происходил процесс развития Вселенной. Сначала ее заполнял нейтральный водород, который поглощал на длине волны 21 сантиметр, потом должны были возникнуть первые звезды или галактики, а вокруг них — ионизированный водород, который не излучает и не поглощает. Первое состояние Вселенной было раньше. Поэтому сигнал от него придет с большего расстояния (например, где z=10), то есть его частота будет 142 мегагерца. А более поздний сигнал<эпохи реионизации>придет с более близкого расстояния (скажем, z=6), и его частота будет 236 мегагерц. По мнению астрономов, карты неба для этих двух частот будут отличаться: на первой карте поглощение будет равномерным по всему небу (Вселенная сплошь заполнена поглощающим нейтральным водородом), а на второй в некоторых участках (где появился непоглощающий реионизированный водород) должны появиться<дырки>, отвечающие отсутствию поглощения. Эти<дырки>покажут астрономам, где располагались первые яркие объекты ранней Вселенной, которые реионизировали окружающий водород. Детальное изучение таких карт позволит выяснить, как происходили эти процессы, как именно возникали звезды и галактики, что чему предшествовало и так далее.