Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 14)
Рис. 1.8.2. Схема накачки космического мазера.Внешнее излучение (в оптической области спектра) или столкновения молекул переводят молекулы с нижних энергетических уровней
Все особенности эмиссионных линий ОН, которые поначалу так удивили исследователей, удалось объяснить с помощью мазерного механизма. В дальнейшем было обнаружено мазерное излучение других молекул в межзвездной среде: молекулы воды Н2О на частоте 22,2 ГГц (длина волны 1,35 см), молекулы метилового спирта СН3ОН на волне 1,2 см и кремния SiO в миллиметровом диапазоне спектра.
Гипотеза искусственного происхождения эмиссионных линий ОН продержалась недолго. Но значение их для проблемы SETI, по-прежнему, велико. Прежде всего, как было установлено, источники мазерного излучения ОН являются областями, где происходит процесс звездообразования. По этому поводу И. С. Шкловский, который впервые выдвинул эту гипотезу, образно заметил: «...новорожденная звезда оповещает о своем рождении всю Галактику, пользуясь новейшей техникой квантовой радиофизики...». Далее, если в определенной области межзвездной среды реализуются условия для действия космического мазера, то он будет усиливать не только естественное излучение данной частоты, но и искусственный сигнал на частоте мазера, проходящий через мазерное облако. Эта идея была использована при поиске радиосигналов ВЦ. Наконец, частота радиолиний гидроксила (так же, как и линии водорода 21 см) относится к числу так называемых «магических» частот, на которых ведется поиск радиосигналов. А интервал частот между линией водорода 1420 МГц и самой низкочастотной линией гидроксила 1612 МГц (так называемая «водяная дыра» или «водяная щель») рассматривается как область, отведенная космическими цивилизациями для межзвездной связи.
Еще более драматическая история произошла в связи с открытием пульсаров. Это случилось в 1967 г., когда загадка «мистериума» уже была решена. По мнению И. С. Шкловского, открытие пульсаров можно отнести к числу самых выдающихся открытий XX века. Как и всякое истинное открытие, оно было сделано совершенно случайно.
В июле 1967 г. на Маллардской радиоастрономической обсерватории Кембриджского университета (Англия) вступил в строй новый радиотелескоп метрового диапазона волн. Его антенна состоит из 2048 диполей, расположенных в 16 радов по 128 диполей в каждом в направлении восток-запад, образуя прямоугольник размером 470 × 45 м. Телескоп предназначался для исследования радиоисточников методом мерцаний. Мерцания возникают при рассеянии радиоволн на неоднородностях межзвездной среды и позволяют оценить некоторые параметры источника, например, его угловые размеры. Эффект аналогичен мерцанию звезд при распространении света в земной атмосфере. Работа проводилась под руководством известного радиоастронома А. Хьюиша, впоследствии удостоенного Нобелевской премии. Для регистрации быстрых изменений радиопотока (мерцаний) использовалась радиоприемная аппаратура с малой постоянной времени. Это обстоятельство оказалось решающим для обнаружения пульсаров.
Наблюдения проводились на частоте 81,5 МГц, в полосе 1 МГц, с постоянной времени 0,1 с. Почти сразу же после начала наблюдений, в августе 1967 г., был зарегистрирован довольно сильный сигнал в виде периодически повторяющихся импульсов. Длительность каждого импульса составляла 0,3 с, а период их повторения 1,337 с, т. е. промежуток времени между импульсами составлял около 1 секунды. Дальнейшие наблюдения позволили уточнить значение периода и показали, что он сохраняется постоянным с точностью до 10-7(!).
Излучение было обнаружено молодой аспиранткой Джоселин Белл, именно она обратила внимание на периодически появляющиеся импульсные сигналы. Поначалу этому не придали большого значения, так как радиоастрономы довольно часто регистрируют импульсные помехи от наземных радиолокационных станций, самолетных радаров и других технических средств, созданных людьми. По своим характеристикам принятые сигналы напоминали подобные помехи. Однако дальнейшие исследования показали, что источник импульсных сигналов занимает неизменное положение среди звезд, для земных помех это невозможно. Измерение координат источника и сравнение с имеющимися каталогами показало, что в этом месте на небе ранее никаких радиоисточников не наблюдалось. Был оценен параллакс источника, он не превышал 2 угловые минуты, следовательно, расстояние до источника больше 1 000 астрономических единиц[37], т. е. он находится за пределами Солнечной системы. Итак, был обнаружен космический источник импульсных сигналов! Ничего подобного ранее не наблюдалось, да и вообразить такое было трудно.
Впоследствии, когда были обнаружены другие такие же источники, они получили название пульсары (от английского слова puls — импульс). Пульсар, впервые обнаруженный группой Хьюиша, получил обозначение СР 1919, что означает: кембриджский пульсар с координатами по прямому восхождению 19h 19m.
Излучение пульсара СР 1919 наблюдалось в виде серии импульсов длительностью около 1 минуты, затем в течение 3 минут излучение отсутствовало, а потом импульсы появлялись вновь. Амплитуда импульсов менялась от одной серии к другой и внутри каждой серии — от одного импульса к другому. Наиболее мощные импульсы имели плотность потока порядка 20 янских[38], в то время как средняя за минуту плотность потока не превышала 1 Ян.
Это позволяет понять, почему пульсары не были обнаружены ранее, до эксперимента Хьюиша. Обычный радиоастрономический приемник (радиометр) регистрирует среднюю мощность сигнала за время накопления длительностью τ. Эта величина (ее называют также постоянной времени) аналогична длительности экспозиции при фотографических наблюдениях. Чем больше постоянная времени, тем чувствительнее радиометр, тем более слабое излучение он может обнаружить. Поэтому радиоастрономы всегда стремились наблюдать с максимально возможной постоянной времени. Но для регистрации отдельных импульсов необходимо, чтобы постоянная времени не превышала промежуток времени между импульсами, иначе будет зарегистрирована лишь средняя за период мощность сигнала. Эта средняя мощность значительно меньше пиковой мощности импульса, и поэтому ее трудней обнаружить. Для пульсара СР 1919 средняя плотность потока значительно ниже предельно обнаружимой для предшествовавших обзоров неба на метровых волнах, поэтому он не мог быть обнаружен. Но если бы даже с повышением чувствительности удалось зарегистрировать среднюю мощность излучения, информация об импульсном характере сигнала при постоянной времени, превышающей промежуток между импульсами, была бы полностью потеряна. Наилучшие условия обнаружения импульсных сигналов реализуются, когда постоянная времени не превышает длительности одного импульса. Это условие оказалось выполненным в эксперименте Хьюиша, так как, готовясь наблюдать кратковременные вариации радиопотока, связанные с мерцаниями, исследователи использовали очень малую (совершенно не свойственную радиоастрономическим наблюдениям) постоянную времени 0,1 с. Если бы она была больше 1,337 с, никаких импульсных сигналов не было бы зарегистрировано.
Надо отметить, что здесь сыграло роль еще одно обстоятельство. Как показали дальнейшие исследования, истинная длительность импульса пульсара значительно меньше 0,1 с, она не превышает 40 милисекунд. Однако при распространении в межзвездной среде, из-за разности групповой скорости электромагнитных волн на разных частотах, низкочастотные составляющие импульса запаздывают по отношению к высокочастотным, в результате импульс «растягивается», длительность его увеличивается. Наблюдаемая в эксперименте Хьюиша длительность импульса 0,3 с пульсара СР 1919 определялась величиной запаздывания между крайними частотными составляющими в полосе 1 МГц (полоса приема) на частоте 81,5 МГц. По счастливой случайности эта величина оказалась порядка постоянной времени приемной аппаратуры и при том несколько больше ее, т. е. реализовались наилучшие условия обнаружения импульсных сигналов.
Обнаружение пульсара СР 1919 поставило перед исследователями сложную проблему — о природе источника. Астрономам хорошо были известны многочисленные переменные звезды различных типов, наблюдаемые в оптическом диапазоне спектра. Однако они не дают импульсного излучения: при изменении блеска излучение звезды не падает до нуля. Да и временной масштаб процессов совсем иной. Изменения блеска звезд вызваны либо пульсациями их поверхности, либо затмением одной звезды другой в двойной системе. Затменно-переменные звезды имеют периоды от долей суток до 104 суток, пульсирующие звезды — от долей до нескольких десятков суток. Наибольшей стабильностью периодов обладают цефеиды, при этом их периоды составляют от 1 до 50 суток. Но периодов порядка одной секунды не известно в мире переменных звезд!
Наблюдаемые параметры пульсара — импульсный характер радиоизлучения, очень малый период следования импульсов и его высочайшая стабильность (наиболее впечатляющее свойство!), чередование периодов излучения и периодов «выключения» источника, изменение интенсивности импульсов — все это наводило исследователей на мысль, что они столкнулись с каким-то организованным сигналом искусственного происхождения. Поскольку версия о земных помехах не подтвердилась, оставалось предположить, что обнаружен сигнал внеземной цивилизации. Эта возможность рассматривалась настолько серьезно, что группа Хьюиша решила засекретить свое открытие. Даже на ближайшей обсерватории Джодрелл Бэнк ничего не знали об открытии загадочного источника. Впоследствии в одном из газетных интервью А. Хьюиш рассказывал: