Глазами физика. От края радуги к границе времени Левин Уолтер

Одна из самых популярных демонстраций, которые я показываю студентам вот уже много лет, заключается в том, что я, рискуя собственной жизнью, сую голову прямо под своего рода снаряд для сноса зданий – мини-версию шарового тарана, но такую, которая легко может убить, уверяю вас. Если настоящие тараны, используемые командами по сносу, обычно представляют собой огромную гирю, или сферический груз, весом 1000 килограммов, то я сделал свой из груза весом в 15 килограммов. Стоя в одной части лекционного зала с головой, прижатой к стене, я держу груз в руках прямо у подбородка. Отпускать его следует очень осторожно, чтобы не дать ему ни малейшего толчка, даже самого крошечного. Любой толчок непременно приведет к тому, что я буду травмирован, а то и убит, – так я говорю студентам. Я прошу их не отвлекать меня, не шуметь и даже прекратить на какое-то время дышать, в противном случае, сетую я, это может стать последней лекцией в моей жизни.

Должен признаться, что каждый раз, выполняя эту демонстрацию, я и правда чувствую мощный прилив адреналина, когда тяжелый шар пролетает рядом с моей головой. Я, конечно, совершенно уверен, что моя любимая физика меня спасет, но все равно всегда нервничаю, когда шар со свистом проносится совсем близко от моего подбородка. Инстинктивно я даже стискиваю зубы. И, если честно, всегда зажмуриваюсь! Что же, спросите вы, дает мне силы раз за разом проводить этот эксперимент? Полная и абсолютная уверенность в одной из самых важных концепций всех областей физики – законе сохранения энергии.

Среди самых замечательных особенностей нашего мира можно отметить способность одной формы энергии превращаться в другую, а затем в следующую и следующую, и даже обратно в исходную. Энергия может трансформироваться, но никогда никуда не исчезает и не появляется ниоткуда. По сути, такое преобразование происходит постоянно. Все цивилизации мира, не только развитые, но и самые технологически отсталые, зависят от этого процесса во множестве вариаций, что наиболее очевидно на примере еды. Химическая энергия пищи, в основном содержащаяся в углероде, преобразуется в химическое соединение аденозинтрифосфат (АТФ), который сохраняет энергию, а наши клетки используют ее для выполнения различных видов работ. То же самое происходит, когда мы зажигаем костер, превращая химическую энергию, хранящуюся в древесине или древесном угле (в процессе соединения углерода с кислородом), в тепло и углекислый газ. Именно это заставляет стрелу, выпущенную из лука, лететь по воздуху, преобразуя потенциальную энергию, увеличивающуюся при натяжении тетивы, в кинетическую, которая и движет стрелу вперед. В пистолете химическая энергия пороха превращается в кинетическую энергию быстро расширяющегося газа, выталкивающего пулю из ствола. А когда вы едете на велосипеде, энергия, толкающая педали, зарождается изначально как химическая энергия вашего завтрака или обеда, которую ваше тело преобразует в другую форму химической энергии (АТФ). Потом ваши мышцы используют ее, превращая некоторую ее часть в механическую энергию, чтобы сокращаться и расслабляться, благодаря чему вы и толкаете педали. Химическая энергия, хранящаяся в аккумуляторе вашего автомобиля, преобразуется в электрическую при повороте ключа зажигания. Часть электрической энергии идет к цилиндрам, где она воспламеняет смесь бензина, высвобождая химическую энергию горящего бензина. Затем эта энергия превращается в тепло, увеличивающее давление газа в цилиндре, который, в свою очередь, толкает поршни. Они вращают коленчатый вал, и трансмиссия направляет энергию в колеса, заставляя их крутиться. Благодаря этому удивительному процессу химическая энергия бензина позволяет нам ехать на автомобиле.

В гибридных автомобилях этот процесс частично происходит в обратном порядке. Часть кинетической энергии автомобиля, генерируемой при нажатии на тормоз, преобразуется в электрическую, которая сохраняется в аккумуляторе и запускает электродвигатель. А в нефтяной печи химическая энергия нефти превращается в тепло, повышая температуру воды в системе отопления, которую насос затем прокачивает через радиаторы. В неоновых лампах кинетическая энергия электрических зарядов, движущихся через неоновую газовую трубку, преобразуется в видимый свет.

Этот список, судя по всему, не имеет конца. В ядерных реакторах ядерная энергия, хранящаяся в ядре урана или плутония, преобразуется в тепло; оно превращает воду в пар, вращающий турбины, которые генерируют электричество. Химическая энергия, хранящаяся в ископаемом топливе – не только в нефти и бензине, но также в угле и природном газе, – преобразуется в тепло и, если говорить об электростанции, в конечном счете в электроэнергию.

Вы можете без труда стать свидетелем чудес трансформации энергии, соорудив электрическую батарейку, которых существует огромное множество – от тех, что установлены в традиционном или гибридном автомобиле, до тех, от которых питаются беспроводная мышь компьютера и мобильный телефон. Хотите верьте, хотите нет, но батарейку можно сделать из картофелины, монетки, оцинкованного гвоздя и двух кусочков медной проволоки (каждая длиной сантиметров пятнадцать; с каждого конца надо соскрести сантиметра полтора изоляции). Воткните гвоздь с одной стороны картофелины почти до конца, сделайте прорезь с другого конца и вставьте в нее монетку. Приложите конец одного куска проволоки к гвоздю (или оберните вокруг его шляпки), а другой кусок проволоки – к монетке, или вставьте его в щель так, чтобы он прикасался к монетке. Теперь прикоснитесь свободными концами проводов к выводам лампочки для новогодней гирлянды. Она должна засветиться. Мои поздравления! На YouTube можно найти демонстрации десятков таких хитроумных приспособлений.

Ясно, что процесс преобразования энергии происходит вокруг нас повсеместно, но в одних случаях он очевиден, а в других нет. Более всего противоречит здравому смыслу то, что мы называем гравитационной потенциальной энергией. Мы обычно не думаем о статических объектах как об имеющих энергию, однако она у них есть, причем порой совсем немалая. Поскольку сила тяжести всегда пытается притянуть объекты к центру Земли, каждый предмет, падающий с некоторой высоты, будет набирать скорость. При этом он теряет гравитационную потенциальную энергию, но приобретает кинетическую – как вы помните, энергия никогда не теряется и не возникает из ничего; это игра с нулевым результатом! Если предмет массой m падает вертикально вниз с высоты h, его потенциальная энергия уменьшается на величину mgh (g – ускорение свободного падения, которое составляет около 9,8 метра в секунду за секунду), а кинетическая возрастает на ту же величину. А если перемещать предмет вверх по вертикали на расстояние h, его гравитационная потенциальная энергия увеличится на величину mgh, и эту энергию должны будете произвести вы (то есть должны будете выполнить эту работу).

Если книга массой один килограмм, стоящая на полке в двух метрах над уровнем пола, падает на пол, ее гравитационная потенциальная энергия уменьшится на 1  9,8  2 = 19,6 джоуля, а кинетическая энергия в момент падения книги на пол будет 19,6 джоуля.

Я считаю, что гравитационная потенциальная энергия – отличное название. Подумайте об этом с такой точки зрения. Если я подниму книгу с пола и поставлю ее обратно на полку, мне для этого потребуется затратить 19,6 джоуля своей энергии. Теряется ли она бесследно? Нет! Теперь, когда книга опять в двух метрах над уровнем пола, она имеет «потенциал» возвращения этой энергии мне в виде кинетической энергии всякий раз, когда я опять уроню книгу на пол, будь то на следующий день или в следующем году! Чем выше над полом находится книга, тем больше энергии «потенциально» доступно, но, конечно, чтобы поставить книгу выше, мне придется выдать дополнительную энергию на ее подъем.

Подобным образом, чтобы пустить стрелу, мне потребуется натянуть тетиву лука. Эта энергия хранится в луке и «потенциально» доступна в тот момент, когда мы решаем преобразовать потенциальную энергию в кинетическую, которая придает стреле скорость.

А теперь с помощью простого уравнения я вам покажу кое-что совершенно замечательное. Если вы не против несложных математических упражнений, это позволит вам понять, как и почему работает самый известный (не)эксперимент Галилея. Напомним, что ученый якобы бросал шары разной массы (и, следовательно, разного веса) с Пизанской башни, чтобы показать, что скорость их падения не зависит от массы. Как следует из законов движения Ньютона, кинетическая энергия движущегося объекта пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости, что в виде уравнения выглядит так: E_кин=mv. А поскольку мы знаем, что гравитационная потенциальная энергия объекта преобразуется в кинетическую, то можем сказать, что mgh равно mv, следовательно, уравнение – mgh = mv. Если разделить обе стороны на m, то m исчезает из уравнения полностью и у нас остается gh = v. Чтобы избавиться от дроби, умножаем обе части уравнения на 2 и получаем 2gh = v. Это означает, что v, скорость, – именно то, что тестировал Галилей, – равняется квадратному корню из 2gh[20]. И обратите внимание, что масса из уравнения исчезла! Стало быть, скорость действительно не зависит от массы. Приведу практический пример. Если мы уроним камень (любой массы) с высоты 100 метров, то при отсутствии аэродинамического сопротивления он врежется в землю со скоростью около 45 метров в секунду, или около 160 километров в час.

Представьте себе камень (любой массы), падающий на Землю с высоты нескольких сотен тысяч километров. С какой скоростью он войдет в атмосферу Земли? К сожалению, мы не можем в данном случае использовать простое уравнение, приведенное выше, согласно которому скорость равна квадратному корню из 2gh, потому что ускорение земного притяжения сильно зависит от расстояния до Земли. На расстоянии, как до Луны (около 386 тысяч километров) это ускорение примерно в 3600 раз меньше, чем у поверхности Земли. Чтобы избежать излишне сложных расчетов, поверьте мне на слово: интересующая нас скорость составит более 40 тысяч километров в час!

Думаю, теперь вы наверняка поняли, насколько важна гравитационная потенциальная энергия в астрономии. Как мы будем обсуждать в главе 13, когда материя падает с большого расстояния на нейтронную звезду, она обрушивается на нее со скоростью примерно 160 тысяч километров в секунду, да-да, в секунду! Иными словами, при массе камня всего один килограмм его кинетическая энергия составляла бы около 13 тысяч триллионов (13  10¹⁵) джоулей, что примерно равно количеству энергии, вырабатываемой крупной (1000 МВт) электростанцией за полгода.

Способность разных видов энергии снова и снова преобразовываться друг в друга, безусловно, замечательна сама по себе, но еще более удивителен факт отсутствия чистых потерь энергии. Их не бывает вообще. Потрясающе! А ведь именно поэтому мой строительный таран до сих пор меня не угробил.

Подтягивая 15-килограммовый шар к подбородку по вертикали на расстояние h, я увеличиваю его гравитационную потенциальную энергию на mgh. После того как я отпускаю его, под действием силы тяжести он начинает раскачиваться через весь зал, и mgh преобразуется в кинетическую энергию. В данном случае h – это расстояние по вертикали между моим подбородком и самым низким положением груза на конце веревки. Когда шар достигает низшей точки колебания, его кинетическая энергия составляет mgh. По мере того как он завершает дугу и достигает верхнего предела колебания, кинетическая энергия снова преобразуется в потенциальную – поэтому в самой высокой точке колебания шар на мгновение останавливается. Нет кинетической энергии – нет движения. Но это длится всего долю секунды, потому что шар начинает опять двигаться вниз, совершая очередное колебание, и потенциальная энергия снова преобразуется в кинетическую. Сумма кинетической и потенциальной энергии называется механической энергией, и при отсутствии трения (в нашем случае сопротивления воздуха) суммарная механическая энергия не меняется – она сохраняется.

Это означает, что шар никогда не долетит до точки, хоть немного выше той, в которой его отпустили, если только в каком-то месте его пути ему не будет придана дополнительная энергия. Таким образом, аэродинамическое сопротивление – моя надежнейшая подушка безопасности. Им отбирается очень небольшое количество механической энергии маятника и преобразуется в тепло. В результате груз останавливается в считаных миллиметрах от моего подбородка, как вы можете увидеть на видео лекции № 11 из курса 8.01. Сьюзен смотрела эту демонстрацию трижды, и каждый раз вздрагивала. Меня постоянно спрашивают, много ли я тренировался, чтобы показывать такой опасный фокус, и я всегда отвечаю чистую правду: мне не нужны тренировки, потому что я на сто процентов доверяю закону сохранения энергии. Но если бы я хоть немного толкнул шар, отпуская его – скажем, случайно кашлянул именно в этот момент, – он качнулся бы назад до места чуть выше, чем то, в котором я его отпустил, и разбил бы мне подбородок.

Следует отметить, что сохранение энергии было открыто во многом благодаря сыну английского пивовара, жившему в XIX веке, Джеймсу Джоулю. Его работа была настолько важна для понимания природы энергии, что в его честь международная единица измеренияэнергии была названа джоулем. Отец послал Джеймса и его брата учиться к известному ученому-экспериментатору Джону Дальтону. Очевидно, Дальтон хорошо учил Джоуля. Позже, унаследовав пивоварню отца, Джоуль провел в ее подвале множество новаторских экспериментов, различными хитроумными способами изучая характеристики электричества, тепла и механической энергии. Помимо всего прочего, он, помещая катушки из разных видов металла с пропускаемым в них током в емкости с водой и измеряя, как при этом меняется ее температура, обнаружил, что электрический ток генерирует в проводнике тепло.

Джоуль первым понял, что тепло представляет собой форму энергии, что в корне изменило взгляды в этой области, господствовавшие на протяжении многих лет. До этого считалось, что тепло – это своего рода жидкость, невесомый флюид, называемый теплородом, что оно вытекает из областей высокой концентрации в области низкой концентрации и не может быть ни создано, ни уничтожено. Но Джоуль обратил внимание на то, что тепло может производиться многими способами, а это предполагает, что оно имеет иную природу. Например, изучая водопады, он определил, что на дне вода теплее, чем в верхней части, и пришел к выводу, что разница гравитационной потенциальной энергии между верхней и нижней частями водопада преобразуется в тепло. Он также заметил, что когда гребное колесо бьет по воде – очень известный эксперимент ученого, – ее температура повышается, и в 1881 году получил на удивление точные показатели преобразования кинетической энергии гребного колеса в тепло.

В этом эксперименте Джоуль соединил набор лопастей в емкости с водой со шкивом и бечевкой, к которой был прикреплен груз. Когда груз опускался, бечевка поворачивала вал лопастей, вращая их в емкости с водой. Если описывать это в технических терминах, то исследователь опускал массу m на шнурке на расстояние h. Потенциальная энергия изменялась на величину mgh, которую хитроумное приспособление преобразовывало во вращательную (кинетическую) энергию лопасти, а та, в свою очередь, нагревала воду. Вот изображение этого устройства:

Поистине гениальным этот эксперимент сделало то, что Джоуль сумел вычислить точное количество энергии, которую он передавал в воду и которая равнялась mgh. Груз опускался медленно, потому что вода не давала лопастям быстро вращаться, в итоге он ударялся о землю с очень незначительным количеством кинетической энергии. Следовательно, практически вся доступная гравитационная потенциальная энергия передавалась в воду.

Какова же величина одного джоуля? Если вы уроните килограммовый объект с высоты в 0,1 метра (10 сантиметров), его кинетическая энергия увеличится на mgh, что и составляет около 1 джоуля. Звучит не так уж грандиозно, но джоули могут довольно быстро накапливаться. Чтобы бейсбольный мяч летел со скоростью чуть менее 160 километров в час, питчеру Главной лиги бейсбола требуется затратить около 140 джоулей энергии – примерно столько же, сколько понадобится для поднятия ящика с сотней 140-граммовых яблок на один метр[21].

Удара с кинетической энергией в 140 джоулей достаточно, чтобы убить человека, если она быстро высвобождается и направлена концентрированно. Если же распределить ее на час или два, никто ничего даже не заметит. И если все эти джоули приложить к подушке, которая потом ударит по вам, вас это тоже не убьет. Но что, если энергия будет сосредоточена в пуле, камне или бейсбольном мяче и сконцентрирована в крошечную долю секунды? Согласитесь, это уже совсем другая история.

И это вновь возвращает нас к строительным шаровым таранам. Предположим, вы сбросили вертикально с высоты 5 метров тысячекилограммовый (весом в одну тонну) таран. Это преобразует около 50 тысяч джоулей потенциальной энергии (mgh =1000  10  5) в кинетическую, что довольно много, особенно если вся энергия высвобождается за очень короткий промежуток времени. С помощью уравнения для кинетической энергии мы также можем вычислить скорость. В самом низу колебания шар будет двигаться со скоростью 10 метров в секунду (36 километров в час), довольно высокой для однотонного тарана. Если хотите посмотреть этот вид энергии в действии, найдите в интернете потрясающее видео, в котором показано, как тяжеленный шар ударяет в минивэн, случайно заехавший на строительную площадку в Манхэттене, отбрасывая его в сторону, словно игрушечную машинку. Вот адрес: www.lionsdenu.com/wrecking-ball-vs-dodge-mini-van/.

Сколько калорий нужно человеку?

Мы сможем по достоинству оценить чудо преобразования энергии, которая не дает пропасть нашей цивилизации, обсудив количество джоулей, участвующих в основных жизненных процессах. Подумайте, например, о том, что за один день организм человека вырабатывает около 10 миллионов джоулей теплового излучения. Если у вас нет жара, ваше тело живет и работает при температуре примерно 37 °C и излучает тепло в форме инфракрасного излучения со средней скоростью около 100 джоулей в секунду, то есть приблизительно 10 миллионов джоулей в день. Этот поток энергии довольно сильно зависит от температуры воздуха и размеров человеческого тела. Чем больше человек, тем больше энергии он излучает за одну секунду. Можно сравнить этот поток с энергией, излучаемой лампочкой; один ватт эквивалентен расходам энергии в один джоуль в секунду, так что 100 джоулей в секунду равняется 100 ваттам, а значит, в среднем люди излучают примерно столько энергии, сколько стоваттная лампочка. Вы не производите такой жар, как лампочка, потому что ваше тепло распределяется на гораздо большую площадь. Кстати, поскольку мощность электрического одеяла всего 50 ватт, очевидно, что зимой вы гораздо быстрее согреетесь, если рядом в постели будет человеческое существо, чем под одеялом.

Существуют десятки разных единиц измерения энергии: британская тепловая единица для кондиционеров; киловатт-часы для электроэнергии; электрон-вольты для атомной энергии; эрги в астрономии. Британская тепловая единица равна приблизительно 1055 джоулям; 1 киловатт-час является эквивалентом 3,6  10⁶ джоулей; 1 электрон-вольт – 1,6  10^–19 джоулей; 1 эрг – 10^–7 джоулей. Очень важная единица энергии, с которой мы все отлично знакомы, безусловно, калория, она равна приблизительно 4,2 джоуля. Так вот, если наши тела генерируют около 10 миллионов джоулей каждый день, то мы затрачиваем ежедневно чуть более 2 миллионов калорий. Но как такое может быть? Человеку нужно потреблять всего 2000 калорий в день. Когда вы видите на упаковках пищевых продуктов слово калории, знайте, что составители этих текстов на самом деле имеют в виду килокалории[22], то есть тысячу калорий, так как одна калория – очень маленькая единица, это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на один градус Цельсия. Следовательно, чтобы излучать 10 миллионов джоулей в день, вы должны ежедневно потреблять примерно 2400 килокалорий (или калорий). И если вы едите намного больше, то рано или поздно за это придется расплачиваться фигурой. Математика неумолима, и это известно большинству из нас, хотя многие стараются этот факт игнорировать.

А как насчет физической активности человека в течение дня? Сколько надо есть, чтобы поддерживать такую деятельность? Нам ведь приходится подниматься по лестнице или, скажем, работать по дому? Ведь домашняя работа может быть довольно утомительной, и мы затрачиваем на нее немало энергии, не так ли? Что ж, боюсь, вас ждет неприятный сюрприз. Это действительно ужасно обидно. Та деятельность, которой мы занимаемся в течение дня, требует ничтожно мало энергии, поэтому при попытке сбалансировать прием пищи ею можно смело пренебречь, если только вы не ходите в спортзал и не тренируетесь там долго и упорно.

Предположим, чтобы подняться на третий этаж, где находится ваш кабинет, вы предпочитаете лестницу лифту. Я знаю много людей,которые, поступая так, чувствуют себя настоящими героями, но проведем несложные подсчеты. Допустим, высота этих трех этажей около 10 метров, и вы преодолеваете ее трижды в день. Будем считать, что ваша масса около 70 килограммов. Сколько энергии потребуется, чтобы три раза подняться по лестнице? Давайте не будем мелочиться – пять раз. Пять раз в день подъем на три этажа. Энергия, которую вы должны для этого выработать, равна mgh, где h – разница высоты между первым и четвертым этажами. Умножаем 70 килограммов (m) на 10 метров в секунду за секунду (g), на 10 метров (h) и на 5, так как вы делаете это пять раз в день, и получаем 35 тысяч джоулей. Сравните это с 10 миллионами джоулей в день, которые излучает ваше тело. Думаете, вам нужно есть немного больше ради этих жалких 35 тысяч джоулей? Забудьте об этом. Это ничто: треть одного процента от общей вырабатываемой вами энергии. Впрочем, данный факт вовсе не мешает современным маркетологам делать абсурдные заявления о новых приспособлениях для сжигания калорий. Например, я буквально сегодня утром, открыв каталог для заказа товаров по почте, предлагающий высококлассные гаджеты, увидел там рекламу специальной утяжеленной одежды и аксессуаров, которые обеспечивают «дополнительное сжигание калорий при нормальной повседневной активности пользователя». Возможно, их ношение поможет вам нарастить мышечную массу или, может, вам нравится ощущать дополнительную тяжесть своих рук и ног (хотя лично мне это кажется странным), но не стоит ожидать, что в результате этих мучений вы заметно похудеете!

Тут проницательный читатель наверняка укажет на то, что мы, конечно же, не можем пять раз в день подниматься по лестнице, не спускаясь по ней. Когда вы идете вниз, 35 тысяч джоулей будут высвобождаться в виде тепла в ваших мышцах, обуви и в полу. Если бы вам пришлось прыгать вниз с третьего этажа, вся накопленная во время подъема по лестнице гравитационная потенциальная энергия преобразовалась бы в кинетическую энергию вашего тела, и вы, скорее всего, сломали бы пару-другую костей. Так что, хотя вам и придется затратить 35 тысяч джоулей, чтобы забраться наверх, спускаясь вниз, вы не получите их обратно в удобной форме, если только не придумаете хитроумного устройства, которое будет принимать вашу кинетическую энергию и преобразовывать ее, скажем, в электричество, то есть делать именно то, что делают гибридные автомобили.

А теперь посмотрим на это с другой стороны. Представьте, что вы распределили хождение по лестнице более чем на десять часов, скажем один-два раза в первой половине дня, два раза – во второй и последний раз ранним вечером. За эти десять часов, или 36 тысяч секунд, вы тратите около 35 тысяч джоулей. Это, честно говоря, абсурдно мало – в среднем около одного ватта. Сравните данный результат со своим телом, излучающим в среднем около 100 джоулей в секунду, или 100 ватт. Как видите, энергия, сжигаемая благодаря хождению по лестнице, очень мала и вряд ли поможет сделать тоньше вашу талию.

Предположим, вы поднимаетесь не по лестнице, а на гору километра полтора высотой. Для этого вам придется генерировать и использовать миллион джоулей – в дополнение к обычной «выработке». А миллион по сравнению с 10 миллионами – величина уже вовсе не такая жалкая и незначительная. После восхождения вы точно почувствуете себя голодным, и теперь вам действительно понадобится больше калорий и, соответственно, пищи. Если вы поднялись на гору за четыре часа, средняя мощность, которую вы выработали (мощность – это количество джоулей в секунду), будет весьма существенной, около 70 ватт (понятно, в течение этих четырех часов). И вот теперь тело посылает мозгу настойчивое сообщение: «Мне нужно хорошенько подкрепиться».

Вы можете подумать, что поскольку использовали на 10 процентов больше энергии по сравнению с вашими обычными 10 миллионами джоулей, то вам надо съесть всего на 10 процентов больше (то есть на 240 калорий), чем вы обычно едите, так как миллион – это 10 процентов от 10 миллионов. Но это не совсем верно, что вы, вероятно, и сами интуитивно понимаете. В этом случае вам нужно съесть намного больше, чем обычно, потому что с точки зрения физики система преобразования пищи в энергию тела не слишком эффективна. Наилучший результат человеческого организма в среднем составляет всего 40 процентов – иными словами, мы превращаем в полезную энергию не более 40 процентов потребленных калорий. Все остальное теряется в виде тепла. И оно должно на что-то расходоваться, поскольку, как мы уже знаем, вся энергия сохраняется. Таким образом, чтобы генерировать дополнительный миллион джоулей энергии и «прокормить» свою страсть к альпинизму, вам нужно потребить около 600 дополнительных калорий, приблизительно один дополнительный прием пищи в день.

Где получить необходимое?

Меня не перестает удивлять, как мало энергии нужно человеку для поддержания жизнедеятельности. Предположим, я решил принять ванну и хочу вычислить, сколько энергии потребуется для нагрева воды. Уравнение очень простое: количество требуемой энергии в килокалориях – это масса воды в килограммах, умноженная на изменение температуры в градусах Цельсия. Таким образом, если моя ванна вмещает около 100 килограммов воды, а температура должна повыситься примерно на 50 °С, значит, чтобы нагреть воду, мне потребуется примерно 5000 килокалорий, или 20 миллионов джоулей энергии. Так что горячая ванна, конечно, дело хорошее, но чтобы ее принять, придется затратить немало энергии. Замечательно, что энергия в США все еще стоит дешево: горячая ванна вам обойдется примерно в полтора доллара. Двести лет назад воду для ванн грели дровами. В килограмме дров содержится около 15 миллионов джоулей, так что для нагрева одной ванны воды нужно сжечь килограмм дров. Но это современные дровяные печи работают с относительно высокой 70-процентной эффективностью, а открытый огонь или печи, которые люди использовали 200 лет назад, преобразовывали древесину в тепло гораздо менее эффективно, и занимало это гораздо больше времени. Для подогрева стокилограммовой ванны требовалось от 5 до 10 килограммов древесины. Неудивительно, что наши предки мылись намного реже, чем мы, и часто вся семья мылась в одной и той же воде.

Приведу еще некоторые цифры, чтобы вы имели лучшее представление об использовании энергии в быту. Обогреватель потребляет примерно 1000 ватт, значит, за один час вы расходуете около 3,6 миллиона джоулей, или, в общепринятых показателях потребления электроэнергии, 1 киловатт-час. Электрическая печь в холодном климате потребляет примерно 2500 ватт, оконный кондиционер – 1500 ватт, а центральная система кондиционирования воздуха – от 5 до 20 киловатт. При температуре 180 °C электрический духовой шкаф использует 2 киловатта, а посудомоечная машина – около 3,5 киловатта. А теперь любопытный факт для сравнения. Настольный компьютер с 17-дюймовым монитором с электронно-лучевой трубкой потребляет 150–350 ватт, а компьютер и монитор в спящем режиме всего 20 ватт, а то и меньше. Самый экономный – радиоприемник, всего 4 ватта. Поскольку в девятивольтовой батарейке около 18 тысяч джоулей, или около 5 ватт-часов, она будет питать ваш радиоприемник в течение немногим более часа.

Идем дальше. На Земле живет более 6,5 миллиарда[23] человек, которые потребляют около 5  10²⁰ джоулей энергии в год. Даже сегодня, через сорок лет после введения ОПЕК нефтяного эмбарго, 85 процентов наших энергетических потребностей по-прежнему обеспечиваются за счет ископаемых видов топлива: угля, нефти и природного газа. На США, где проживает немногим более 300 миллионов человек, или двадцатая часть населения планеты, приходится пятая часть мирового потребления энергии. И это, к сожалению, чистая правда: мы самые настоящие энергетические мародеры. Кстати, по этой причине я был невероятно рад, когда узнал, что президент Обама назначил министром энергетики лауреата Нобелевской премии по физике Стивена Чу. Если мы хотим решить свои энергетические проблемы, нам действительно необходимо обратить саое пристальное внимание на физику энергии.

Сегодня большие надежды возлагаются на потенциал солнечной энергии, и я обеими руками за активные разработки в данной области. Но мы должны помнить об ограничениях, с которыми непременно при этом столкнемся. Солнце, несомненно, на редкость эффективный источник энергии. Оно вырабатывает 4  10²⁶ ватт (4  10²⁶ джоулей в секунду), и большая часть этих мощностей представляет собой видимый и инфракрасный свет. Поскольку нам известно расстояние между Землей и Солнцем (150 миллионов километров), мы можем вычислить, какая доля этой энергии достигает нашей планеты. Около 1,7  10¹⁷ ватт, или около 5  10²⁴ джоулей в год. Если направить солнечную батарею площадью в один квадратный метр прямо на Солнце (в безоблачный день!), до нее дойдет примерно 1200 ватт (я исхожу из того, что около 15 процентов передаваемой мощности отражается и поглощается атмосферой Земли). Ради простоты округляем до 1000 ватт (1 киловатт) на квадратный метр при условии направленности панели прямо на Солнце и полного отсутствия облаков.

Потенциал солнечной энергии поистине огромен. Чтобы собрать количество солнечной энергии, достаточное для общемирового потребления, хватит батареи площадью 2  10¹⁰ квадратных метра. Это примерно в пять раз больше площади моей родной страны – Нидерландов, отнюдь не самой большой в мире.

Однако не все так просто. Во-первых, сутки делятся на день и ночь, что мы пока не учитывали, так как исходили из того, что Солнце светит всегда. И облака тоже никуда не денешь. И если наши солнечные панели нельзя двигать, они не могут быть все время направлены прямо на Солнце. Имеет значение и то, где именно на Земле вы находитесь. Страны, расположенные на экваторе, получают больше энергии (в них же не зря жарче), чем более северные (расположенные в Северном полушарии) или более южные (в Южном полушарии) страны.

Далее, нужно учесть эффективность устройств для улавливания солнечной энергии. Для этого существует множество разных технологий, и их число постоянно растет, однако максимальная эффективность самых практичных на сегодняшний день кремниевых солнечных батарей (в отличие от изготовленных из дорогостоящих материалов) составляет всего 18 процентов. Конечно, если использовать солнечную энергию для нагрева воды напрямую (не преобразовывая в электроэнергию), эффективность будет значительно выше. Для сравнения скажу, что печи, работающие на жидком топливе, даже не самые современные, могут без особого труда достигать эффективности в 75–80 процентов. Итак, после того как мы примем во внимание все вышеперечисленные ограничивающие факторы, нам потребуется панель площадью более миллиона квадратных километров, то есть в три раза больше площади Германии. И это без учета затрат на строительство батарей и систем для сбора солнечной энергии и преобразования ее в электричество. В настоящее время снабжение электроэнергией благодаря Солнцу обходится примерно в два раза дороже, чем получение ее из ископаемого топлива. И дело не только в заоблачной стоимости преобразования солнечной энергии в электрическую, но и в том, что для реализации такого проекта у нас попросту пока нет технологических возможностей и политической воли. Поэтому еще какое-то время значение солнечной энергии в мировой экономике будет неуклонно повышаться, хотя ее роль относительно невелика.

Впрочем, если начать прямо сейчас, уже в следующие четыре десятилетия мы могли бы сделать огромный шаг вперед. По оценкам Greenpeace International и Международного энергетического агентства, по состоянию на 2009 год при существенной поддержке правительства солнечная энергия могла бы удовлетворять «до 7 процентов мировой потребности в электроэнергии к 2030 году и четвертую часть этих потребностей к 2050 году». А в журнале Scientific American несколько лет назад утверждалось, что революционная программа в этой области и более 400 миллиардов долларов в виде субсидий на протяжении следующих сорока лет приведут к тому, что солнечная энергия обеспечит 69 процентов потребностей в электроэнергии в США и 35 процентов от общей потребности в энергии этой страны.

А как насчет энергии ветра? В конце концов, мы применяем ее с тех пор, как человек построил первую парусную лодку. Ветряные мельницы использовались задолго до появления электроэнергии, может быть, на тысячи лет раньше. И принцип получения энергии у природы и ее преобразования в другой вид энергии для потребления человеком оставался неизменным и в Китае XIII века, и в еще более древнем Иране, и в Европе XX века. Во всех этих странах мельницы помогали людям выполнять самую тяжелую работу: поставляли воду для питья или полива полей или огромными камнями перемалывали в муку зерно. А для работы любой ветряной мельницы необходима энергия ветра – независимо от того, производит она электричество или решает другие задачи.

В качестве источника электроэнергии энергия ветра легкодоступна, возобновляема и не приводит к выбросу в атмосферу Земли загрязняющих газов. В 2009 году объемы выработки энергии данного типа во всем мире достигли 340 тераватт-часов (в тераватт-часе триллион ватт-часов), что составляет около 2 процентов от мирового потребления электроэнергии. И эта отрасль быстро растет; в сущности, производство электроэнергии благодаря энергии ветра удвоилось за последние три года.

Не будем забывать и о ядерной энергии. Прежде всего, она намного более вездесуща, чем многие думают. По сути, она окружает нас повсюду. В оконном стекле содержится радиоактивный калий-40 с периодом полураспада 1,2 миллиарда лет, и энергия, производимая его распадом, вносит свой вклад в нагревание ядра Земли. Весь гелий в атмосфере – результат радиоактивного распада естественных изотопов в земле. То, что мы называем альфа-распадом, на самом деле является излучением ядер гелия из больших неустойчивых ядер.

Я собрал уникальную и очень большую коллекцию посуды Fiestaware – тарелок, мисок, блюдец, чашек и прочего, – которая изготавливалась в Америке начиная с 1930-х годов. Я очень люблю приносить некоторые из тарелок в аудиторию и показывать своим ученикам. В оранжевых тарелках под названием Fiesta red содержится оксид урана, который в те времена был обязательным компонентом керамической глазури. Я подношу к тарелке счетчик Гейгера, и он тут же начинает противно пищать. Это значит, что уран в тарелке радиоактивен и испускает гамма-лучи. После этой демонстрации я всегда приглашаю студентов к себе на обед, но, как ни странно, пока еще никто не принял приглашение.

Деление, или расщепление, тяжелых ядер высвобождает огромное количество энергии, будь то в ядерном реакторе, в котором цепные реакции, расщепляющие ядро урана-235, тщательно контролируются, или в атомной бомбе, в которой цепные реакции неконтролируемы и приводят к огромным разрушениям. Атомная электростанция, производящая около миллиарда джоулей в секунду (109 ватт, или 1000 мегаватт), потребляет около 1027 ядер урана-235 в год, то есть всего около 400 килограммов этого радиоактивного вещества.

Однако уран-235 (99,3 процента – это уран-238) составляет только 0,7 процента природного урана. Поэтому атомные электростанции работают на обогащенном уране; степень обогащения варьируется, но обычно равна 5 процентам. Это означает, что вместо 0,7 процента урана-235 урановые топливные стержни электростанций содержат 5 процентов урана-235. Таким образом, тысячемегаваттный ядерный реактор потребляет около 8000 килограммов урана в год, из которых около 400 килограммов – уран-235. Для сравнения скажу, что электростанция такой же мощности, работающая на ископаемом топливе, потребляет около 5 миллиардов килограммов угля в год.

Обогащение урана – процесс невероятно дорогостоящий: в нем используются тысячи центрифуг. Оружейный уран – это обогащенный по меньшей мере до 85 процентов уран-235. Думаю, теперь вы понимаете, почему мир так обеспокоен деятельностью стран, обогащающих уран до неустановленной степени, и никто не может это проверить!

В атомных электростанциях тепло, вырабатываемое управляемой цепной реакцией, превращает воду в пар,который затем приводит в действие паровую турбину и вырабатывает электричество. Эффективность преобразования ядерной энергии в электричество на атомной электростанции составляет около 35 процентов. Если вы прочли, что ядерная электростанция производит 1000 мегаватт, вы не можете сказать, идет ли речь о 1000 мегаваттах общей мощности (из которых преобразуется в электрическую энергию, а теряются в виде тепла) или обо всей электроэнергии. Во втором случае суммарная мощность станции составляет около 3000 мегаватт, а это совсем не одно и то же! Вчера в новостях я прочитал, что Иран в скором времени собирается ввести в действие атомную электростанцию, которая будет производить 1000 мегаватт электричества (вот тут все четко и ясно!).

Последние несколько лет в мире растет беспокойство по поводу глобального потепления и попутно усиливается интерес к ядерной энергии, поскольку в отличие от электростанций, работающих на ископаемом топливе, атомные электростанции не выбрасывают в атмосферу огромное количество газов, что ведет к парниковому эффекту. В США уже сегодня работают более ста атомных электростанций, которые производят около 20 процентов потребляемой нами энергии. Во Франции этот показатель составляет около 75 процентов. Если говорить о мире в целом, то около 15 процентов от общего объема потребляемой электроэнергии производится сегодня в ядерных установках. В разных странах действуют разные политики в отношении ядерной энергетики, но для строительства новых заводов потребуется немалая политическая воля и убежденность, вызванная страхом, порожденным печально известными авариями на Три-Майл-Айленд, в Чернобыле и Фукусиме. Кроме того, ядерные электростанции очень дороги: по приблизительным оценкам, их стоимость варьируется от 5–10 миллиардов долларов в США до 2 миллиардов долларов в Китае. И наконец, огромной технологической и политической проблемой было и остается хранение радиоактивных отходов атомных станций.

На земле еще остались огромные запасы ископаемого топлива, однако мы расходуем его гораздо быстрее, чем природа способна воспроизводить. Население планеты тоже продолжает расти, и одновременно во многих быстрорастущих странах, например Китае и Индии, чрезвычайно высокими темпами ведутся разработки в области энергоемких технологий. И изменить это пока никому не под силу, ведь сегодня в мире очень серьезный энергетический кризис. Что же нам со всем этим делать?

Прежде всего, чрезвычайно важно осознать, какое огромное количество энергии мы используем каждый день, и постараться сократить ее потребление. Я лично потребляю энергию довольно скромно, но, поскольку живу в Соединенных Штатах, уверен, что и мое скромное потребление в четыре-пять раз превышает потребление среднего жителя планеты. Я пользуюсь электричеством, отапливаю дом и нагреваю воду газом и готовлю на газе. Я пользуюсь автомобилем – не очень много, но некоторое количество бензина все же сжигаю. Если все это сложить, думаю, получится, что я потребляю в среднем около 100 миллионов джоулей (30 киловатт-часов) в день, из которых около половины приходится на электроэнергию. А это, знаете ли, энергетический эквивалент эксплуатации двух сотен рабов, тяжело работающих на меня по двенадцать часов в день. Только подумайте об этом! В древности такое могли себе позволить лишь самые богатые рабовладельцы. В какие же невероятно роскошные времена мы живем! Двести рабов вкалывают на меня по двенадцать часов в день, без остановки, и все для того, чтобы я мог жить так, как живу. За один киловатт-час электроэнергии, то есть 3,6 миллиона джоулей, я плачу всего 25 центов. Суммарно мой счет за энергию (я включил в него газ и бензин, так как их цена на единицу энергии не слишком сильно отличается) за этих двести рабов составляет в среднем около 225 долларов в месяц – чуть больше одного доллара за одного раба в месяц! Как видите, изменение сознания людей в этом отношении поистине жизненно важно. Но эту задачу нам еще предстоит решить.

Улучшить ситуацию позволит изменение привычек и переход на использование энергосберегающих устройств, например компактных люминесцентных ламп вместо ламп накаливания. Мне лично довелось убедиться в эффекте подобных перемен весьма впечатляющим способом. Расход электроэнергии в моем доме в Кембридже составил 8,860 киловатт-часа в 2005 году и 8,317 киловатт-часа в 2006-м. Сюда входит освещение, кондиционер, стиральная машина и сушилка (для нагрева воды, приготовления пищи и отопления я, как уже говорил, использую газ). А в середине декабря 2006 года мой сын Чак (кстати, основатель некоммерческой организации New Generation Energy) сделал мне замечательный подарок: заменил все лампы накаливания в моем доме (в общей сложности их семьдесят пять) на люминесцентные. И потребление электр ичества резко сократилось – до 5 251 киловатт-часа в 2007 году, 5 184 киловатт-часов в 2008-м и 5 226 киловатт-часов в 2009-м. Это сорокапроцентное сокращение потребления электроэнергии уменьшило мой ежегодный счет почти на 850 долларов. Поскольку в США на одно только освещение приходится около 12 процентов бытового потребления электрической энергии и 25 процентов коммерческого, совершенно очевидно, что это верный путь! Это не только существенно сократит выброс в атмосферу газов, создающих парниковый эффект, но и уменьшит расходы на электроэнергию в каждом домохозяйстве (как это сделал я в своем доме). Однако этого явно недостаточно.

По-моему, единственный способ, который позволит нам выжить, сохранив при этом нынешнее качество жизни, – это разработка ядерного синтеза как надежного и эффективного источника энергии. Речь идет не о делении урана, в результате которого ядра урана и плутония распадаются на части и излучают энергию, питающую ядерные реакторы, а именно о слиянии. В ходе этого процесса атомы водорода объединяются и создают гелий, высвобождая энергию. Ядерный синтез – это процесс, питающий звезды и термоядерные бомбы, самый мощный процесс производства энергии в расчете на единицу массы из всех известных, за исключением столкновения материи и антиматерии, которое, однако, нельзя считать потенциальным генератором энергии.

По довольно трудно объяснимым причинам для термоядерных реакторов подходят только определенные типы водорода (дейтерий и тритий). Дейтерий, ядро которого состоит из одного нейтрона и одного протона, легкодоступен; примерно один из каждых шести тысяч атомов водорода на Земле – дейтерий. Поскольку в наших океанах около миллиарда кубических километров воды, запасы дейтерия, по сути, безграничны. Тритий же в естественном виде на Земле не встречается (это радиоактивный элемент с периодом полураспада около двенадцати лет), но его несложно произвести в ядерных реакторах.

Сложность заключается в создании надежно работающего, практичного и полностью контролируемого ядерного реактора. Пока неясно, удастся ли когда-нибудь его сделать. Чтобы заставить ядра водорода соединиться, нужно создать на Земле температуру в диапазоне 100 миллионов градусов, приближающуюся к температуре ядра звезды.

Ученые бьются над этой задачей уже много лет, и, похоже, все более и более напряженно, ибо все больше правительств постепенно убеждаются в том, что энергетический кризис стал реальностью. Это, безусловно, огромная проблема. Но я оптимист. В конце концов, за долгую профессиональную жизнь я уже не раз становился свидетелем умопомрачительных изменений в своей области деятельности, буквально переворачивавших наши представления о Вселенной с ног на голову. Например, космология, которая прежде базировалась преимущественно на домыслах и совсем немного на науке, теперь стала поистине экспериментальной наукой, позволившей многое узнать о происхождении Вселенной. Фактически мы с вами живем во времена, которые не без оснований называют золотым веком космологии.

Когда я начал заниматься исследованиями в области рентгеновской астрономии, нам было известно лишь о десятке источников рентгеновского излучения в глубоком космосе. Теперь мы знаем о десятках тысяч. Пятьдесят лет назад вычислительные мощности килограммового ноутбука заняли бы большую часть здания МТИ, где находится мой кабинет. Пятьдесят лет назад астроноы полагались в основном на наземные оптические и радиотелескопы – больше практически ничего не было! Сегодня же в нашем распоряжении не только космический телескоп «Хаббл», но и целый ряд рентгеновских спутниковых обсерваторий и обсерваторий для изучения гамма-излучения, и мы используем и строим новые обсерватории для исследования нейтрино! Пятьдесят лет назад даже вероятность гипотезы о некогда произошедшем Большом взрыве ставилась под сомнение. Сейчас же мы не только думаем, что знаем, как выглядела наша Вселенная в первую миллионную долю секунды после него, но и уверенно изучаем астрономические тела возрастом свыше 13 миллиардов лет – объекты, образовавшиеся в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва, создавшего нашу Вселенную. Как же я могу на фоне всех этих глобальных открытий и преобразований не быть уверенным в том, что ученые решат задачу контролируемого ядерного синтеза? Я вовсе не намерен упрощать трудности или важность ее скорейшего решения, но считаю, что это лишь вопрос времени.

Небо всегда ежедневно и еженощно бросало вызов людям, которые издавна стремились понять окружающий мир, и это одна из причин, по которой многие физики очарованы астрономией. «Что такое Солнце? – не перестаем размышлять мы. – И почему оно движется?» А что такое Луна, планеты и звезды? Только представьте, сколько сил и времени потребовалось нашим предкам, чтобы выяснить, что планеты отличаются от звезд, что они вращаются вокруг Солнца и их орбиты можно наблюдать, составлять их карты, объяснять и предсказывать их движение. Многие из величайших научных умов XVI–XVII веков – Николай Коперник, Галилео Галилей, Тихо Браге, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон и другие – не могли оторвать взгляда от неба в надежде разгадать эти потрясающие загадки. Представьте, что почувствовал Галилео, когда навел свой телескоп на Юпитер, который казался чуть больше светящейся точки, и обнаружил на его орбите четыре маленьких спутника! И в то же время как же всем этим великим людям должно было быть досадно оттого, что они так мало знали о звездах, начинавших призывно светиться в небе каждый вечер! Примечательно, что и древнегреческий философ Демокрит, и астроном XVI века Джордано Бруно, предполагали, что звезды похожи на наше Солнце, но у них не было никаких доказательств, способных подтвердить эту гипотезу. Что такое звезды? Что удерживает их в небе? Насколько далеки они от Земли? Почему одни звезды ярче других? Почему они разных цветов? А что это за широкая полоса света, которая ясной ночью тянется от горизонта к горизонту?

С давних пор история астрономии и астрофизики – это история поиска ответов на все эти и другие вопросы, которые возникают, как только мы начинаем додумываться до некоторых ответов. В течение последних четырехсот лет все, что имели возможность видеть астрономы, в огромной степени зависело от мощности и чувствительности их телескопов. Исключением стал Тихо Браге, который провел на удивление подробные наблюдения невооруженным глазом, с помощью простейшего оборудования, что впоследствии позволило Кеплеру сделать три основных открытия, известных сегодня как законы Кеплера.

Большую часть этого времени в нашем распоряжении были только оптические телескопы. Я понимаю, что для неастронома это звучит довольно странно. Когда слышишь слово «телескоп», автоматически представляешь себе «трубку с линзами и зеркалами, в которую человек смотрит на небо», не так ли? Так каким же еще может быть телескоп, кроме как оптическим? Кстати, когда президент Обама в октябре 2009 года проводил знаменитую «Астрономическую ночь», на лужайке у Белого дома было установлено множество телескопов, и все они были оптическими.

Однако начиная с 1930-х годов, после обнаружения Карлом Янским радиоволн, излучаемых Млечным Путем, астрономы упорно стараются расширить диапазон электромагнитного излучения, с помощью которого они наблюдают Вселенную. Так, они довольно долго охотились и обнаружили микроволновое излучение (радиоволны высокой частоты), инфракрасное и ультрафиолетовое излучение (с частотами чуть ниже и чуть выше частот видимого света), рентгеновские лучи и гамма-излучение. Чтобы выявить это излучение, мы создали множество специально разработанных телескопов – некоторые из них установлены на спутниках для изучения рентгеновского и гамма-излучения, – которые позволяют человечеству все глубже и шире проникать во Вселенную. Сегодня существуют даже нейтринные телескопы, расположенные под землей, один из них построен прямо на Южном полюсе и назван Ледяным кубом.

Последние сорок пять лет своей карьеры в астрофизике я занимаюсь рентгеновской астрономией. Эта область астрономии специализируется на обнаружении новых источников рентгеновского излучения и объяснении многих других наблюдаемых явлений. Как я уже рассказывал, начало моей карьеры совпало с пьянящими и захватывающими первыми шагами этого направления, и в следующие четыре десятилетия я, можно сказать, находился в самой гуще событий. Рентгеновская астрономия в корне изменила мою жизнь, но, самое важное, она изменила лицо самой астрономии. В этой главе и четырех последующих вас ждет увлекательная экскурсия по рентгеновской вселенной, и проведет ее человек, который прожил и проработал в этой вселенной практически всю свою научную жизнь. Предлагаю начать с рентгеновского излучения.

Что такое рентгеновское излучение?

Название рентгеновских лучей (по-английски они называются X-rays) звучит довольно экзотически, ведь в его основу легла буква, обозначающая нечто неизвестное (как «икс» в уравнении). На самом деле это обычные фотоны – электромагнитное излучение, – составляющие часть невидимого человеческому глазу электромагнитного спектра и находящиеся в нем между ультрафиолетовым светом и гамма-лучами. На многих других языках мира они называются рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена, который обнаружил их в 1895 году. Мы различаем их так же, как и других обитателей этого спектра, тремя разными, но взаимосвязанными способами: по частоте (число циклов в секунду, выраженное в герцах), длине волны (длина отдельной волны в метрах, в данном случае в нанометрах) или уровню энергии (измеряется в электрон-вольтах, эВ, или в килоэлектрон-вольтах, кэВ).

Вот некоторые данные для общего представления. Длина волны зеленого света около 500 миллиардных метра, или 500 нанометров, а энергия – около 2,5 электрон-вольта. Минимальная энергия фотона рентгеновского излучения равна около 100 эВ, что в 40 раз больше энергии фотона зеленого света, а длина волны – приблизительно 12 нанометров. Наиболее высокоэнергетические рентгеновские лучи имеют энергию примерно 100 кэВ и длину волны около 0,012 нанометра. (Ваш стоматолог использует рентгеновские лучи с энергией фотонов до 50 кэВ). На другом конце электромагнитного спектра находятся радиостанции, работающие в AM-полосе, между 520 килогерцами (длина волны – 577 метра) и 1710 килогерцами (длина волны – 175 метров, то есть почти две длины футбольного поля). Их энергия в миллиард раз меньше энергии зеленого света и в триллион раз меньше энергии рентгеновского излучения.

Природа создает рентгеновские лучи различными способами. Большинство радиоактивных атомов испускают их естественным образом в процессе ядерного распада. Происходит это при спрыгивании электронов с более высокого энергетического состояния в более низкое; разница в энергии излучается в виде фотона рентгеновского излучения. У таких фотонов очень точные, дискретные значения энергии, поскольку энергетические уровни электронов квантованы. Иногда, проходя мимо атомных ядер с очень высокими скоростями, электроны меняют направление и испускают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей. Мы называем этот вид рентгеновского излучения, чрезвычайно распространенного в астрономии, а также обязательного компонента любой медицинской или стоматологической рентгеновской установки, «тормозным излучением». Интересные и полезные анимированные видео, описывающие процесс появления этого типа рентгеновского излучения, можно посмотреть по адресу: www.youtube.com/watch?v=3fe6rHnhkuY. Хотя рентгеновские лучи с дискретными значениями энергий могут генерироваться и некоторыми видами медицинской рентгеновской аппаратуры, в общем и целом в них доминирует тормозное излучение, которое производит непрерывный спектр рентгеновского излучения. Когда высокоэнергичные электроны движутся по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, направление их скорости все время меняется, поэтому они также излучают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей; мы называем это излучение синхротронным, или магнитотормозным (именно оно имеет место в Крабовидной туманности – но об этом чуть позже).

Природа также создает рентгеновские лучи, нагревая плотную материю до чрезвычайно высоких температур, миллионов градусов по шкале Кельвина. Мы называем это излучением абсолютно черного тела (см. главу 14). Материя нагревается так сильно только в очень экстремальных условиях – например, во время вспышки сверхновых, весьма эффектного смертельного взрыва некоторых массивных звезд, – или когда газ падает на очень высоких скоростях в направлении черной дыры или нейтронной звезды (подробнее об этом я расскажу в главе 13, обещаю!). Солнце, кстати, с его температурой поверхности около 6000 градусов Кельвина, излучает чуть меньше половины своей энергии (46 процентов) в форме видимого света. Львиная доля остальной энергии излучается в форме инфракрасного (49 процентов) и ультрафиолетового (5 процентов) излучения, которое недостаточно горячо, чтобы испускать рентгеновские лучи. Солнце также испускает некоторые рентгеновские лучи; их физика до конца не изучена, но энергия в виде рентгеновского излучения составляет лишь около одной миллионной от общего количества излучаемой им энергии. Кстати, ваше собственное тело – тоже источник инфракрасного излучения (см. главу 9), просто оно недостаточно горячее, чтобы излучать видимый свет.

Одним из самых интересных и полезных свойств рентгеновских лучей является то, что некоторые виды материи, например наши кости, поглощают их сильнее других, скажем мягких тканей. Поэтому-то рентгеновский снимок рта или кисти состоит из светлых и темных зон. Если вы когда-нибудь делали рентген, то знаете, что перед этим на человека надевают специальный фартук для защиты остальных частей тела, поскольку воздействие рентгеновских лучей повышает риск развития онкологических заболеваний. Так что, можно считать, нам очень повезло, что атмосфера нашей планеты столь эффективно поглощает рентгеновские лучи. На уровне моря около 99 процентов низкоэнергетического рентгеновского излучения (1 кэВ) поглощается всего лишь одним сантиметром воздуха. Для поглощения 99 процентов рентгеновских лучей в 5 кэВ потребуется уже около 80 сантиметров воздуха. А для поглощения той же доли рентгеновских лучей высоких энергий – 25 кэВ – необходим слой воздуха почти 80 метров.

Рождение рентгеновской астрономии

Теперь-то вы, конечно, понимаете, почему в 1959 году, когда Бруно Росси пришла в голову идея заняться поисками рентгеновских лучей из космоса, он предложил использовать ракету, которая смогла бы выйти за пределы земной атмосферы. Но тогда даже сама идея поиска рентгеновских лучей казалась дикой. У ученых не было никаких разумных теоретических оснований считать, что есть рентгеновские лучи, поступающие из-за пределов Солнечной системы. Но Росси не был бы Росси, если бы не убедил своего бывшего студента Мартина Энниса из American Science and Engineering (AS&E) и одного из его сотрудников по имени Риккардо Джаккони в том, что эта идея заслуживает внимания.

Джаккони и его коллега Фрэнк Паолини разработали специальный счетчик Гейгера – Мюллера, который обнаруживал рентгеновские лучи и крепился к носовой части ракеты. И они действительно установили три таких прибора на одной ракете. Изобретатели назвали приспособление «крупноразмерным детектором», хотя на самом деле оно было размером с кредитную карту. Затем ребята из AS&E занялись поиском финансирования, чтобы провести эксперимент, но в НАСА их предложение отклонили.

Тогда Джаккони изменил его, включив в качестве объекта исследований Луну, и подал в Кэмбриджскую исследовательскую лабораторию ВВС (AFCRL – Air Force Cambridge Research Laboratories). Им и его единомышленниками выдвигался следующий аргумент: солнечные рентгеновские лучи должны производить так называемое флуоресцентное излучение с поверхности Луны и данное исследование существенно облегчит химический анализ лунной поверхности. Они также ожидали обнаружить тормозное излучение с поверхности Луны, возникающее в результате воздействия электронов, содержащихся в солнечном ветре. А поскольку Луна находится близко к Земле, рентгеновские лучи, скорее всего, действительно можно выявить. Надо сказать, это был очень умный ход, поскольку AS&E уже заручилась поддержкой ВВС в отношении ряда других проектов (некоторые под грифом секретности), и им, скорее всего, было известно, что AFCRL заинтересуют исследования Луны. Как бы там ни было, на этот раз предложение было одобрено.

И вот, после двух неудачных попыток в 1960 и 1961 годах за минуту до полуночи 18 июня 1962 года состоялся очередной запуск, заявленная миссия которого состояла в попытке обнаружить рентгеновское излучение Луны и найти источники такого излучения за пределами Солнечной системы. На высоте 80 километров над Землей, где счетчики Гейгера – Мюллера смогли обнаружить рентгеновские лучи в диапазоне 1,5–6 кэВ без атмосферных помех, эта ракета провела всего шесть минут. Вот так ученые наблюдали за космосом с помощью ракет в те далекие дни. Они отправляли ракету за пределы атмосферы, где та сканировала небо всего пять-шесть минут, после чего возвращалась на Землю.

Поистине удивительно, что исследователи сразу же обнаружили рентгеновское излучение, но исходило оно не от Луны, а откуда-то из-за пределов Солнечной системы.

Рентгеновское излучение из глубокого космоса? Откуда? Никто не понимал, в чем, собственно, суть данного открытия. До этого полета мы знали лишь об одной звезде – источнике рентгеновского излучения – нашем Солнце. А если бы оно находилось в десяти световых годах от Земли (что, кстати, по астрономическим меркам буквально в двух шагах), то оборудование, используемое в том историческом полете, было в миллион раз менее чувствительным, чем требовалось бы для обнаружения его рентгеновских лучей. Это было ясно всем. Так что, где бы ни располагался источник, он должен был излучать по крайней мере в миллион раз больше рентгеновских лучей, чем Солнце, а это возможно только в том случае, если он находится очень близко. Но об астрономических телах, испускающих (по меньшей мере) в миллион или в миллиард раз больше рентгеновских лучей, чем Солнце, в буквальном смысле слова никто никогда не слышал. И никакая физика не могла описать такой объект. Иными словами, это должно было быть какое-то принципиально новое явление на небесах.

Так в ночь с 18 на 19 июня 1962 года родилась целая новая область науки – рентгеновская астрономия.

Астрофизики начали направлять в космос оснащенные детекторами ракеты, чтобы точно выяснить, где находится этот источник и нет ли там каких-либо других источников. Оценка положения небесных тел всегда сопряжена с неопределенностью, потому-то астрономы и говорят о неопределенности координат, воображаемом «окне ошибки», наклеенном на купол неба, стороны которого измеряются в градусах или угловых минутах (минута дуги) либо в секундах. Это окно достаточно велико, и это обеспечивает 90-процентную вероятность того, что объект действительно размещен внутри него. Астрономы просто зациклены на этих «окнах», что вполне объяснимо: чем меньше окно, тем точнее известно положение объекта. Это особенно важно в рентгеновской астрономии: ведь чем меньше окно, тем выше вероятность, что можно найти оптический аналог интересующего источника. Так что окно действительно малого размера считается весьма серьезным достижением.

Профессор Энди Лоуренс из Университета Эдинбурга ведет астрономический блог под названием The e-Astronomer, в котором однажды разместил свои воспоминания о работе над диссертацией на тему обнаружения координат сотен рентгеновских источников. «Однажды ночью мне приснилось, что я окно ошибки и никак не могу найти в себе источник рентгеновского излучения, который просто обязательно должен во мне быть. Знаете, я проснулся в холодном поту». Думаю, вы отлично понимаете, почему!

Размер окна ошибки источника рентгеновского излучения, обнаруженного Риккардо Джаккони, Хербом Гурски, Фрэнком Паолини и Бруно Росси, составлял 10  10 градусов, или 100 квадратных градусов. Учтите при этом, что размер Солнца – полградуса. Иными словами, неопределенность оценки местонахождения источника предполагала окно, площадь которого эквивалентна пяти сотням наших Солнц! В это окно входили части созвездий Скорпиона и Наугольника, а по краю оно соприкасалось с созвездием Жертвенник. Ясно, что определить, в каком именно созвездии расположен источник, астрономы тогда не могли.

В апреле 1963 года группа Герберта Фридмана из Военно-морской научно-исследовательской лаборатории в Вашингтоне существенно уточнила местоположение источника. Ученые определили, что он находится в созвездии Скорпион, поэтому его назвали Sco X-1 (от названия Scorpio): х означает рентгеновские лучи, а цифра 1 указывает на то, что это первый источник рентгеновского излучения, обнаруженный в созвездии Скорпион. Кстати, любопытный, хоть и крайне редко упоминающийся факт: Sco X-1 расположен почти в 25 градусах от центра окна ошибки, которое Джаккони и другие ученые указали в отчете, ознаменовавшем рождение рентгеновской астрономии. Когда астрономы обнаружили новые источники в созвездии Лебедь (Cygnus), те получили имена Cygnus X-1 (сокращенно Cyg X-1), Cygnus X-2 (Cyg X-2) и т. д.; первый источник, выявленный в созвездии Геркулес (Hercules), назвали Her X-1; в созвездии Центавр (Centaurus) – Cen X-1. За следующие три года с помощью ракет было найдено с десяток новых источников, но за одним важным исключением, а именно Tau Х-1, расположенным в созвездии Телец (Taurus), никто не имел ни малейшего представления, что они собой представляют или как испускают рентгеновское излучение в таких огромных количествах, что мы смогли обнаружить его на расстоянии в тысячи световых лет.

Исключением же был один из самых необычных объектов в небе – Крабовидная туманность. Если вам кажется, что вы ничего о ней не слышали, не поленитесь найти ее в интернете и посмотрите, как она выглядит – подозреваю, что вы ее сразу узнаете. В Интернете полно ее впечатляющих фотографий. Это действительно замечательный объект, находящийся на расстоянии около 6 000 световых лет от Земли, – потрясающие остатки вспышки сверхновой в 1054 году, записи о которой нам оставили древнекитайские астрономы (кстати, вполне возможно, упоминание о ней содержится и в пиктограммах коренных американцев). В результате этой вспышки на небе в созвездии Телец вдруг практически ниоткуда появилась сверхъяркая звезда. (Есть разные мнения насчет точной даты этого события, но многие астрономы утверждают, что это случилось 4 июля.) В том месяце это был самый яркий после Луны объект в небе, и на протяжении нескольких недель он был виден даже днем и еще два года оставался видимым по ночам.

После того как он поблек, ученые, судя по всему, забыли о его существовании вплоть до XVIII века, когда его независимо друг от друга обнаружили сразу два астронома, Джон Бивис и Шарль Мессье. К этому времени остатки вспышки сверхновой (астрономы называют их остатками сверхновой) превратились в небулярный (облакоподобный) объект. Позже Мессье составил важный астрономический каталог небесных тел, таких как кометы, туманности и звездные скопления, и Крабовидная туманность стала его первым пунктом, M-1. А в 1939 году Николас Мэйолл из Ликской обсерватории (в Северной Калифорнии) определил, что М-1 является остатком вспышки сверхновой в 1054 году. Сегодня, через тысячу лет после взрыва, в Крабовидной туманности продолжают происходить настолько потрясающие вещи, что некоторые астрономы посвящают ее изучению всю свою карьеру.

Группа Херба Фридмана определила, что 7 июля 1964 года Луна будет проходить прямо перед Крабовидной туманностью и перекроет ее в поле зрения. Астрономы используют для обозначения такого блокирования термин «покрытие» – Луна попросту заслоняет Крабовидную туманность. Фридман не только хотел подтвердить, что Крабовидная туманность действительно источник рентгеновского излучения, но и надеялся продемонстрировать кое-что еще – нечто куда более важное.

Дело в том, что к 1964 году среди астрономов возродился интерес к объектам звездной природы, существование которых было впервые постулировано в 1930-х, но пока никем не подтверждено, – к нейтронным звездам. Высказывалось предположение, что эти странные объекты, которые мы обсудим подробнее в главе 12, представляют собой один из заключительных этапов жизни звезды; возможно, они рождаются во время взрыва сверхновой и состоят в основном из нейтронов. Если они на самом деле существуют, то их плотность настолько велика, что нейтронная звезда с массой нашего Солнца будет иметь радиус всего около 10 километров – можете себе представить? В 1934 году (через два года после открытия нейтронов) Вальтер Бааде и Фриц Цвикки придумали термин «сверхновая» и предположили, что нейтронные звезды могут формироваться в результате вспышки сверхновой. Так вот, Фридман считал, что источником рентгеновского излучения в Крабовидной туманности может быть только такая нейтронная звезда. И если астроном был прав, то наблюдаемое им рентгеновское излучение должно было внезапно исчезнуть, когда перед ним будет проходить Луна.

Ученый решил запустить серию ракет, одну за другой, как раз в тот момент, когда Луна будет проходить перед Крабовидной туманностью. Поскольку точное положение Луны по мере ее передвижения по небу было уже известно, астрономы могли направить датчики точно в нужном направлении и наблюдать за ослаблением рентгеновского излучения по мере исчезновения Крабовидной туманности. Их детекторы действительно зарегистрировали ослабление, и это наблюдение стало первым убедительным оптическим опознаванием источника рентгеновского излучения (то есть его отождествлением с оптически наблюдаемым объектом). Это было чрезвычайно важное достижение, так как первая оптическая идентификация вселила в астрономов оптимизм, и они начали верить, что скоро найдут механизм, лежащий в основе этих загадочных и мощных рентгеновских источников.

Но сам Фридман был разочарован. Вместо того чтобы резко «отключиться», когда Луна проходила над Крабовидной туманностью, рентгеновские лучи исчезали постепенно, а значит, их излучала туманность в целом, а не какой-то единичный малый объект. Получалось, что ему не удалось найти нейтронную звезду. А между тем весьма особая нейтронная звезда в Крабовидной туманности есть, и она действительно испускает рентгеновские лучи. Эта нейтронная звезда вращается вокруг своей оси около тридцати раз за одну секунду! Если хотите получить истинное удовольствие, зайдите на сайт Космической рентгеновской обсерватории Чандра (http://chandra.harvard.edu/) и найдите фотографии Крабовидной туманности. Обещаю, они в самом деле потрясающие. Но сорок пять лет назад у нас не было космических рентгеновских телескопов и приходилось быть более изобретательными. (После открытия Джоселин Белл в 1967 году радиопульсаров, то есть пульсаров, излучающих в радиодиапазоне, в 1968 году группа Фридмана наконец обнаружила рентгеновские пульсации – около тридцати в секунду – нейтронной звезды в Крабовидной туманности.)

Пока Фридман наблюдал покрытие Крабовидной туманности, в Техасе мой (тогда еще будущий) друг и коллега по МТИ Джордж Кларк готовился к ночному полету на высотном аэростате, чтобы найти высокоэнергетическое рентгеновское излучение от Sco X-1. Но когда Джордж услышал о результатах Фридмана – даже без интернета новости тогда распространялись довольно быстро, – он полностью изменил свои планы и переключился на дневной полет, решив найти рентгеновские лучи исходящие из Крабовидной туманности и превышающие 15 кэВ. И он их нашел!

Сейчас трудно выразить словами, насколько захватывающей была эта работа. Мы стояли у дверей новой эры научных исследований. Мы чувствовали, что приподняли занавес, скрывавший от нас удивительные тайны Вселенной. И действительно, подняв свои детекторы так высоко, в космос, в самые верхние слои атмосферы, в которые рентгеновское излучение может проникать, не поглощаясь воздухом, мы смогли снять ослеплявшие нас фильтры, всю предыдущую историю человечества закрывавшие наши глаза. Мы начали оперировать в совершенно новом спектральном диапазоне.

Впрочем, такое в истории астрономии не редкость. Каждый раз, когда мы узнавали, что небесные тела испускают новые или иные виды излучений, нам приходится в корне менять свои представления о звездах, их жизненных циклах (как они рождаются, как живут, почему умирают), о формировании и эволюции скоплений звезд, о галактиках и даже о скоплениях галактик. Радиоастрономия, например, показала, что центры галактик способны извергать струи длиной в сотни тысяч световых лет. Она помогла отрыть пульсары, квазары и радиогалактики. Ей принадлежит заслуга открытия реликтового излучения, коренным образом изменившего наши взгляды на раннюю Вселенную. А астрономия в диапазоне гамма-излучений позволила обнаружить некоторые из наиболее мощных и (к счастью) далеких взрывов во Вселенной, известных как гамма-всплески, излучающих послесвечение в виде рентгеновских лучей и видимого света, вплоть до радиоволн.

Мы знали, что обнаружение рентгеновских лучей в космосе непременно изменит наше понимание Вселенной. Мы просто не представляли, как это сделать. Куда бы мы ни смотрели с помощью своего нового оборудования, мы видели что-то новое. И это, как мне кажется, вовсе не удивительно. Когда оптические астрономы начали получать первые изображения с космического телескопа «Хаббл», они тоже были взволнованы, испытывали благоговение и – хоть, может, не так очевидно – жаждали большего. Но они, по сути, лишь расширили диапазон возможностей многовекового инструмента в области исследований, существовавшей не первое тысячелетие. Мы же, рентгеновские астрономы, стояли на пороге совершенно нового научного направления. Кто знал, куда ведет эта дорога и что мы там обнаружим? Уж нам-то это точно было неизвестно!

Как же мне повезло, что Бруно Росси пригласил меня в МТИ именно в январе 1966 года, как раз тогда, когда эта новая область «становилась на крыло», и что я немедленно присоединился к группе Джорджа Кларка. Джордж оказался очень умным физиком и вообще весьма впечатляющим человеком, с которым я подружился на всю оставшуюся жизнь. Даже теперь мне с трудом верится в свое тогдашнее везение: новый друг и новая карьера – и все это я получил в один и тот же месяц.

Когда я начал работать в Массачусетском технологическом институте, в мире существовало пять активных групп воздухоплавания группа Джорджа Кларка в МТИ, Кена Мак-Кракена в Университете Аделаиды в Австралии, Джима Овербекома тоже в МТИ, Ларри Петерсона в Калифорнийском университете в Сан-Диего и Боба Хеймса в Университете Райса. Эта глава в основном посвящена моему собственному опыту в области использования воздухоплавания для исследования рентгеновского излучения, которое было ключевой темой моих изысканий с 1966 по 1976 год. За эти годы я проводил наблюдения с территории Палестины в Техасе, Пейджа в Аризоне, Калгари в Канаде и Австралии.

Аэростаты поднимали детекторы рентгеновского излучения на высоту около 44 километров, где атмосферное давление составляет всего 0,3 процента от давления на уровне моря. Когда атмосфера так разрежена, через нее проходит значительная доля рентгеновского излучения с энергией свыше 15 кэВ.

Наши аэростатные наблюдения весьма эффективно дополняли наблюдения с помощью ракет. Детекторы, крепившиеся на ракетах, обычно обнаруживали рентгеновские лучи только в диапазоне от 1 до 10 кэВ и только в течение минут пяти за весь полет. А аэростатные наблюдения могли длиться часами (мой самый длинный полет продолжался 26 часов), и детекторы наблюдали рентгеновское излучение в диапазоне выше 15 кэВ.

Конечно, не все источники, обнаруженные во время наблюдений с использованием ракет, можно выявить с помощью аэростата, так как эти источники часто излучали большинство энергии в виде низкоэнергетического (мягкого) рентгеновского излучения. Тем не менее благодаря аэростатам нам удалось обнаружить источники, излучающие в основном высокоэнергетические рентгеновские лучи, невидимые для детекторов, монтируемых на ракетах. Таким образом, мы не только открыли новые источники и расширили спектр известных источников до высоких энергий, но и смогли выявить изменчивость рентгеновской светимости источников на временных шкалах от нескольких минут до нескольких часов, что было бы невозможно при наблюдении исключительно с применением ракет. Это, кстати, стало одним из первых успехов моей исследовательской деятельности на ниве астрофизики.

В 1967 году мы обнаружили рентгеновскую вспышку от Sco X-1, что стало для всех специалистов настоящим шоком; я расскажу об этом подробнее чуть позже. Моя группа также выявила три источника рентгеновского излучения – GX 301-2, GX 304-1 и GX 1 + 4, – которых никто не замечал во время наблюдений с использованием ракет, и все они характеризовались изменчивостью интенсивности рентгеновского излучения на минутных временных периодах. Периодическая изменчивость GX 1 + 4 вообще имела период всего около 2,3 минуты. В то время мы понятия не имели, что может быть причиной столь быстрых изменений интенсивности рентгеновского излучения, не говоря уже о такой малой периодичности, но осознавали, что входим в совершенно новую область и стоим на пороге открытия новой территории.

Впрочем, даже в конце 1960-х годов не все астрономы понимали важность рентгеновской астрономии. В 1968 году я, будучи в гостях у Бруно Росси, познакомился с голландским астрономом – одним из самых знаменитых – по имени Ян Оорт. Этот человек обладал невероятно богатой фантазией и сразу после Второй мировой войны начал реализовывать в Нидерландах масштабную программу радиоастрономических исследований. Когда он в том же 1968 году пришел к нам в МТИ, я показал ему данные, полученные в результате аэростатических наблюдений в период между 1966 и 1967 годами. Но он сказал мне (я никогда не забуду его слова): «Рентгеновская астрономия не представляет особой важности». Вы можете в это поверить? «Не представляет особой важности». Как же он ошибался! Это был один из величайших астрономов всех времен, но тут он оказался полностью слеп, не сумел разглядеть значимости нового направления в астрономии. Возможно, потому, что я был намного моложе и горел жаждой открытий – по правде сказать, Оорту к тому времени стукнуло шестьдесят восемь, – мне было совершенно ясно, что мы напали на настоящую золотую жилу и пока еще, как говорится, только скребем по верхам.

Помню, в 1960-1970-е годы я жадно набрасывался на каждую статью из области рентгеновской астрономии. В 1974-м я прочел пять лекций в Лейдене (Оорт, кстати, присутствовал в аудитории) и смог уместить в них все, что нам было известно о рентгеновской астрономии. В настоящее же время каждый год на эту тему публикуются тысячи работ, по множеству разных направлений, и ни один докладчик в мире не способен охватить всю эту область деятельности в целом. Многие исследователи на протяжении всей своей карьеры занимаются лишь одной из десятков конкретных тем, таких, например, как одиночные звезды, аккреционные диски, рентгеновские двойные, шаровые скопления, белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, остатки сверхновой, всплески рентгеновского излучения, рентгеновские струи, ядра и скопления галактик. Для меня лично самыми незабываемыми и фантастическими были первые годы существования рентгеновской астрономии. Они также оказались и самыми требовательными, причем со всех точек зрения: интеллектуальной, физической и даже логистической. Запуск аэростатов был настолько сложным и дорогостоящим, отнимал так много времени и был связан со столькими проблемами, что это трудно описать словами. Но я все же попробую.

Все выше, и выше, и выше: аэростаты, детекторы рентгеновского излучения

Каждому физику, чтобы добиться реальных результатов (если он, конечно, не теоретик, которому нужен только лист бумаги или экран компьютера), необходимо достать деньги на оборудование, платить аспирантам и лаборантам, а иногда и довольно далеко путешествовать. Для получения финансовой поддержки своих исследований ученые подают заявки на гранты, которые распределяются на конкурентной основе. Я знаю, что это звучит не слишком воодушевляюще, но, поверьте, без этого в нашей науке ничего не бывает. Ничего.

Вы можете иметь прекрасную идею научного эксперимента или наблюдений, но если вы не знаете, как превратить ее в выигрышное предложение, то вы не сдвинетесь с места. Мы, ученые, всегда конкурировали с лучшими из лучших, так как это поистине беспощадный бизнес. И он таким и остается – для любого ученого, в любой области деятельности. Всякий раз, когда вы видите успешного ученого-экспериментатора в любой области науки – биологии, химии, физики, информатики, экономики или астрономии, – знайте: перед вами человек не выдающихся интеллектуальных способностей, а выдающегося умения обойти конкурентов, занимающийся этим постоянно, а не раз и не два. Как правило, такой талант не делает людей милыми в общении конформистами. Вот почему моя жена Сьюзен, десять лет проработавшая в Массачусетском технологическом институте, любит говорить: «В МТИ работают только люди с большим эго».

Итак, предположим, нам удалось получить финансирование – кстати, у нас это действительно получалось: меня всегда щедро поддерживали Национальный научный фонд и НАСА. Поднять почти на 50-километровую высоту аэростат с установленным на нем рентгеновским телескопом весом около тонны (вместе с парашютом), который вам нужно получить назад целым и невредимым, – чрезвычайно сложно. Вам необходима постоянно тихая погода на старте, потому что аэростат – штука настолько деликатная, что сильный порыв ветра может уничтожить всю миссию. Вам понадобится определенная инфраструктура – пусковые площадки, пусковые устройства и тому подобное, – чтобы аэростат поднялся выше атмосферного слоя Земли. Вам нужно оборудование, позволяющее отслеживать перемещения аэростата. Поскольку я хотел вести наблюдение в общем направлении центра Млечного Пути, который мы называем галактическим центром, где расположены многие рентгеновские источники, мне обязательно следовало делать это в Южном полушарии. Я выбрал для запуска австралийские города Милдьюру и Эллис-Спрингс. В результате я много времени проводил вдали от дома и семьи, обычно по несколько месяцев без перерыва, а ведь к тому моменту у меня было четверо детей.

Как я уже говорил, запуск аэростата – дело весьма дорогостоящее. Сами аэростаты огромные. Самый большой из них (в то время самый большой в мире и, вполне может быть, по-прежнему самой большой из всех когда-либо запущенных) имел объем около полутора миллионов кубометров; когда он летал на высоте 44 километра в полностью надутом состоянии, его диаметр превышал 70 метров. Аэростаты изготавливались из очень легкого полиэтилена, тоньше папиросной бумаги. Если такой шар прикасался во время запуска к земле, он рвался. Эти гигантские и очень красивые воздушные шары весили более 300 килограммов. Мы обычно имели дублирующие шары стоимостью 100 тысяч долларов каждый – и это, заметьте, было сорок лет назад, когда такие деньги были действительно большими.

Изготавливались аэростаты на огромных заводах. Клинья, секции шара, внешне похожие на дольки мандарина, производились отдельно, а затем соединялись с помощью термосклеивания. Склейку производитель доверял исключительно женщинам, потому что, по его словам, мужчины для такой работы не годятся: они слишком нетерпеливы и делают чересчур много ошибок. Кроме того, нам нужно было доставить в Австралию гелий для надувания аэростатов, а он обходился почти в 80 тысяч долларов на аэростат. Короче говоря, по нынешним ценам мы платили более 700 тысяч долларов за один воздушный шар и гелий для него – и это не учитывая затрат на аэростат-дублер и нашу транспортировку, жилье и питание. А ведь мы, как ни странно, пытались раскрыть тайны дальнего космоса, забираясь в самый центр австралийской пустыни, и к тому же всецело зависели от погодных условий. Я еще не рассказал вам о Джеке, что непременно сделаю позже.

Впрочем, по сравнению с телескопами аэростаты были еще дешевы. Чтобы построить телескоп, чрезвычайно сложный аппарат весом около тонны, требовалось почти два года и миллион долларов – 4 миллиона в нынешних деньгах. У нас никогда не хватало средств на два телескопа одновременно. И если мы теряли телескоп – а такое с нашей группой случалось дважды, – нам приходилось откладывать наблюдения в лучшем случае на два года. И мы не могли начать строить новый телескоп, не получив финансирования. Так что потеря оборудования была настоящей катастрофой. И не только для меня лично, отнюдь нет. У моих аспирантов тоже возникали большие проблемы. Они активно занимались созданием телескопов, ведь их диссертации базировались на результатах наших наблюдений, а значит, и на этих аппаратах. Можно сказать, их ученые степени двигались вверх и вверх вместе с нашими аэростатами.

Как я уже говорил, мы очень зависели от погоды. В стратосфере гуляют сильные ветры, примерно полгода дующие с востока на запад со скоростью до 160 километров в час, и еще полгода с запада на восток. Два раза в год эти ветры меняют направление на обратное – мы называем это разворотами, – и тогда их скорость на высоте 44 километра резко снижается, что позволяло нам проводить наблюдения в течение многих часов. Таким образом, мы должны были находиться в месте, где могли измерить скорость ветров и начать запуск именно на этапе разворота. Мы через день исследовали атмосферу с помощью метеозондов, которые отслеживались посредством радара. В большинстве случаев они лопались, поднявшись вверх километров на сорок. Но предсказывать поведение атмосферы – вовсе не то же самое, что катать по желобу металлические шарики во время лабораторной демонстрации. Атмосфера несравненно более сложна и непредсказуема, а ведь буквально все, что мы делали, в огромной мере зависело от правильности прогнозов.

Впрочем, это еще не все. На высоте 10–20 километров находится слой атмосферы, называемый тропопаузой; там очень холодно – минус 50 °C, – от этого наши аэростаты становились очень ломкими. Там также были сильные потоки ветра, которые мощно ударяли в шар, отчего он запросто мог лопнуть. И вообще очень многое в нашем деле могло пойти не так, как ожидалось. Однажды мой аэростат сдуло в море – и конец телескопу. Девять месяцев спустя обломки очень дорогого экспериментального оборудования были найдены на пляже в Новой Зеландии. Чудом, с помощью компании Kodak, мы смогли извлечь данные, записанные прибором на пленку.

Мы готовились к запускам снова, и снова, и снова, и все же, как я всегда говорил, как ни старайся, без доли везения не обойтись. Иногда везения требовалось много. Мы должны были доставить оборудование на станцию, расположенную, как правило, очень далеко. Затем мы проверяли телескоп, калибровали приборы и убеждались, что все нормально работает. Далее нам надо было прикрепить телескоп к парашюту, который затем крепился к аэростату. Проведение всех тестов на пусковой площадке и подготовка аэростата к полету порой занимали около трех недель, а за это время вполне могли измениться погодные условия. И нам не оставалось ничего другого, как сидеть и ждать, поддерживая оборудование в рабочем состоянии. Хорошо еще, что Элис-Спрингс – фантастический город в пустыне в самом сердце Австралии. В нем и впрямь создавалось впечатление, что ты находишься в середине пустоты. Однако небо было очень ясным, а ранние утра, когда мы пытались произвести запуск, невероятно зрелищными: ночное небо прямо на наших глазах приобретало предрассветный синий оттенок, а когда вставало Солнце, небо и пустыня окрашивались в яркие розовые и оранжевые цвета.

После того как мы были готовы начинать, нам следовало дождаться ветра скоростью около 5 километров в час, стабильно дующего в нужном направлении в течение как минимум трех-четырех часов – именно столько времени требуется на то, чтобы оторвать аэростат от земли (на одно только надувание уходило два часа). Поэтому мы в основном производили запуск на рассвете, когда ветер был наиболее слаб. Но нередко случалось, что наш прогноз оказывался неверным, и нам опять приходилось ждать, ждать и ждать подходящей погоды.

Однажды, как раз посередине запуска в Милдьюре – мы даже еще не начали надувать шар, – вопреки прогнозу метеорологов, поднялся сильный ветер. Аэростат порвался, но, слава богу, телескоп уцелел! Вся наша подготовка, а с ней и 200 тысяч долларов, улетучились в считаные секунды. И нам ничего не оставалось, как ждать лучшей погоды и проверять запасной аэростат с нуля. Так что всякое бывало.

Неудачи порой просто преследовали нас. Во время моей последней экспедиции в Элис-Спрингс мы потеряли два аэростата прямо при запуске, потому что команда допустила несколько очень серьезных ошибок. Та экспедиция вообще оказалась провальной, но, по крайней мере, телескоп уцелел. Он так и не оторвался от земли. А во время моей последней экспедиции (в 1980 году) в Палестину, в Техасе, восемь часов полета прошли вполне успешно, но когда мы с помощью радиокоманды прекратили полет, то лишились телескопа, потому что не открылся парашют.

Сегодня запуски аэростатов по-прежнему сопряжены с риском. Во время одной попытки запуска, предпринятой НАСА в том же Элис-Спрингсе в апреле 2010 года, что-то пошло не так, и шар лопнул при попытке взлететь, уничтожив оборудование стоимостью в миллионы долларов и чуть не покалечив людей, наблюдавших за процессом. Вы можете увидеть это по адресу: www.physorg.com/news191742850.html.

За много лет исследований я запустил около двадцати аэростатов. Только пять из них дали сбой во время запуска или не поднялись до нужной высоты (должно быть, помешала утечка гелия). Это считается довольно хорошим показателем успеха – 75 процентов.

За несколько месяцев до приезда на пусковую площадку мы обычно тестировали экспериментальное оборудование в городе Уилмингтон, штат Массачусетс. Мы помещали телескоп в вакуумную камеру и понижали давление воздуха до уровня, который будет на высоте, то есть почти до трех тысячных от одной атмосферы. Затем мы охлаждали телескоп до – 50 °C и включали оборудование – все детекторы рентгеновского излучения – и на протяжении двадцати четырех часов подряд каждые двадцать минут по десять секунд отслеживали рентгеновские лучи из радиоактивного источника. Некоторые телескопы наших конкурентов – да-да, мы действительно относились к другим командам, занимавшимся такими же исследованиями, как к конкурентам, – иногда давали сбой из-за разрядки аккумуляторов при низких температурах, а то и вовсе не работали. Но с нами такого никогда не случалось, потому что мы очень тщательно тестировали оборудование. Если на этапе тестирования выяснялось, что аккумуляторы плохо держат заряд, мы разбирались, как при необходимости исправить ситуацию и сохранить энергию.

Была еще проблема коронного разряда – искрения высоковольтных проводов. Некоторое наше оборудование работало на очень высоком напряжении, а сильно разреженный воздух, давление в котором очень низкое, – идеальная среда для искрения проводов. Помните о жужжании, издаваемом высоковольтными линиями передач, о нем я упоминал в главе 7? Это и есть коронный разряд. Каждый физик-экспериментатор, имеющий дело с высоким напряжением, знает о вероятности коронного разряда. Я показываю примеры этих искр на своих лекциях. Там коронный разряд – зрелище красивое и веселое, но на огромной высоте в разреженном воздухе это настоящая катастрофа.

Для непрофессионалов объясняю: оборудование начинает работать с перебоями, и вы получаете так много электронных помех, что не можете выделить рентгеновские фотоны. Насколько серьезна эта проблема? Да она грандиозная! Вы вообще не получаете полезных данных в течение полета. Обычно она решается покрытием всех используемых в оборудовании высоковольтных проводов силиконовой изоляцией. Правда, некоторые исследователи делали это и все равно получали коронный разряд. Но наше тщательное тестирование и подготовка дали результаты. У нас ни разу не было коронных разрядов. Это лишь один из десятков сложных инженерных вопросов, связанных со строительством телескопов, – вот почему их изготовление столь дорого обходится.

Как же мы обнаруживали рентгеновское излучение, когда нам, несмотря на все трудности, все же удавалось вывести телескоп в верхние слои атмосферы? Ответ на этот вопрос не так уж прост, поэтому вам придется послушать мои объяснения. Начнем с того, что мы использовали специальный вид детектора (кристаллы йодида натрия), а не пропорциональные счетчики (заполненные газом), которые устанавливаются на ракетах, то есть приборы, способные обнаружить рентгеновские лучи с энергиями выше 15 кэВ. Когда рентгеновский фотон проникает в один из таких кристаллов, он может выбить электрон с его орбиты и передать ему свою энергию рентгеновского излучения (это называется фотоэлектрическим поглощением). Этот электрон, в свою очередь, создает в кристалле след из ионов, после чего останавливается. Когда ионы нейтрализуются, они высвобождают энергию – в основном в форме видимого света. Так получается вспышка света – в нее преобразуется энергия рентгеновского фотона. Чем выше энергия рентгеновских лучей, тем сильнее мигает световой индикатор. Мы использовали для обнаружения вспышек света и преобразования их в электрические импульсы фотоэлектронный умножитель (ФЭУ): чем ярче вспышка света, тем выше напряжение импульса.

Затем мы усиливали эти импульсы и отправляли их в дискриминатор, который измеряет напряжение электрических импульсов и сортирует их по величине, указывающей на энергетические уровни рентгеновского излучения. В те далекие дни мы регистрировали рентгеновское излучение только на пяти различных энергетических уровнях.

Чтобы получить запись обнаружений излучения после полета аэростата, мы регистрировали их в полете с указанием уровня энергии и времени обнаружения. Мы подсоединяли дискриминатор так, чтобы он направлял эти упорядоченные импульсы на светодиоды, которые создавали картинку огней, мигающих на пяти разных энергетических уровнях. И фотографировали эти мигающие огни непрерывно работающей камерой.

Если свет был, он оставлял на пленке след. В целом пленка наблюдения выглядела как ряд штрихов и линий, полосок и черточек. Вернувшись в МТИ, мы «читали» ее с помощью специального устройства, разработанного Джорджем Кларком. Этот прибор преобразовывал линии и черточки в перфоленту – бумажную ленту с отверстиями. Затем мы расшифровывали эти перфоленты с помощью светочувствительных диодов и записывали полученные данные на магнитную ленту. Мы даже написали специальную компьютерную программу на языке Fortran (я понимаю, как доисторически это сейчас звучит) и использовали ее для считывания информации с магнитной ленты в память компьютера, который – наконец-то! – выдавал данные о рентгеновском излучении в пяти различных энергетических каналах.

Я знаю, что все это, скорее всего, покажется вам на редкость заумным. Но только подумайте, какая перед нами стояла задача! Мы пытались измерить скорость счета (количество рентгеновских лучей в секунду) и уровни энергии рентгеновских фотонов, а также определить местонахождение источника, испускающего эти фотоны, которые на протяжении тысяч лет со скоростью света распространялись по всей галактике, разрежаясь с каждым участком пройденного расстояния. И в отличие от стабильного оптического телескопа, система управления которым способна удерживать его наведенным на одно и то же место в течение многих часов и возвращать на это место ночь за ночью, мы могли воспользоваться только конкретно определенным периодом времени (чаще всего не более одного раза в год) – всегда в те считаные часы, когда хрупкий аэростат возносил тяжеленный телескоп на много километров над поверхностью земли.

После успешного запуска аэростата я, как правило, следовал за ним в небольшом самолете, держа шар в поле зрения (в дневное время – не ночью) на высоте 1,5–3 километра. Можете себе представить, на что были похожи эти многочасовые полеты. Я человек немаленького роста. В этих крохотных четырехместных самолетах летать было страшно неудобно, особенно если находишься в воздухе восемь, десять, а то и двенадцать часов подряд. В довершение всего все время, пока шар был в воздухе, я ужасно нервничал: вдруг что-то пойдет не так. Расслабиться удавалось только после того, как в руках оказывались нужные данные.

Аэростат был настолько огромным, что даже на высоте почти 45 километров при ярком солнечном свете его, как правило, было отлично видно. После запуска мы могли следить за ним довольно долго с помощью радара – до тех пор, пока это не становилось невозможным из-за линии изгиба Земли. Поэтому мы оснастили шар радиопередатчиком и по ночам переходили на слежение исключительно с помощью радиомаяка. Мы постоянно оповещали население о проводящихся исследованиях, размещая статьи о запуске в местных газетах, но наши воздушные шары могли дрейфовать на сотни километров, и мы получали сотни сообщений о НЛО. Это было забавно, но вполне объяснимо. А что еще должны были думать люди, заметив в небе нечто неопределенного размера? Для них это действительно был неопознанный летающий объект.

Стоит отметить, что, несмотря на все наши прогнозы погоды и тщательное планирование, даже на этапе разворота ветры, дующие на высоте 45 километров, оказывались крайне ненадежными. Однажды в Австралии мы ожидали, что аэростат полетит из Элис-Спрингс на север, а он вместо этого направился прямиком на юг. Мы наблюдали за ним до захода солнца и всю ночь с помощью радиосвязи. К утру шар слишком приблизился к Мельбурну, а нам не разрешалось входить в воздушное пространство между Сиднеем и Мельбурном. Конечно, никто не собирался его сбивать, но мы обязаны были что-то предпринять. Когда своенравный аэростат почти достиг запрещенной зоны воздушного пространства, нам, хоть и с огромной неохотой, пришлось отдать радиокоманду об отделении экспериментального оборудования от шара. Отделение телескопа повреждало аэростат: он не выдерживал мощной ударной волны вследствие резкого катапультирования тяжелого оборудования. Телескоп начинал падать, парашют раскрывался (кроме того случая в 1980 году), и аппаратура в медленном полете благополучно возвращалась на землю. Огромные куски воздушного шара тоже падали вниз, как правило, в радиусе пяти километров. Рано или поздно это случалось с каждым запущенным аэростатом, и это всегда было очень грустно (хотя неизбежно и необходимо), потому что нам приходилось прерывать миссию, останавливая поступление данных. А нам, понятно, хотелось, чтобы телескоп находился на высоте как можно дольше. В те дни мы остро нуждались в полученной с его помощью информации – она была нашей самой желанной целью.

Спасательные работы в пустыне: Джек по прозвищу Кенгуру

Чтобы смягчить посадку телескопа, мы устанавливали на его нижней части картонные амортизаторы. Если дело происходило днем и мы поддерживали визуальный контакт с аэростатом, который прекращался сразу после того, как посылалась команда об отделении оборудования, то вскоре замечали парашют и делали все возможное, чтобы следовать за ним по пятам, нарезая круги на своем самолетике. А когда телескоп приземлялся, мы как можно точнее отмечали его местоположение на очень подробной карте.

И тут начиналось самое интересное. Мы находились в самолете, и у нас перед глазами было экспериментальное оборудование со всеми собранными им данными, кульминацией многолетнего труда; оно лежало на земле, под нами, почти в пределах досягаемости, но мы же не могли просто приземлиться посередине пустыни и забрать его! Оставалось одно – привлечь внимание местных жителей, что мы обычно и делали, летая над нужным домом на очень небольшой высоте. Дома в пустыне располагались довольно далеко друг от друга. Все местные жители знали, что означает низколетящий самолет и, как правило, выходили из дома и махали нам, подтверждая принятый сигнал. А мы приземлялись на ближайшем аэродроме (не следует путать с аэропортом) в пустыне и ждали, пока кто-нибудь объявится.

Так вот, во время полета, о котором я хочу рассказать, в нужном районе оказалось очень мало домов, и нам пришлось немного полетать над песками. В конце концов мы нашли парня по имени Джек; он жил в пустыне километрах в восьмидесяти от своего ближайшего соседа. Парень был вечно пьян и, судя по всему, несколько не в себе. Но мы тогда этого, конечно, не знали. Мы подождали, пока он нам помашет, после чего отправились на местный аэродром и стали ждать. Джек появился часов через пятнадцать на старом разбитом грузовике без лобового стекла – просто крыша над кабиной и открытый кузов сзади. Джек обожал носиться на нем по пустыне на огромной скорости, преследуя кенгуру и паля по ним из ружья.

Вместе с одним из моих аспирантов мы сели к Джеку в грузовик, а наш самолет направлял нас к месту, где лежало оборудование. Грузовику приходилось перемещаться по неисследованной местности. Мы поддерживали радиосвязь с самолетом. Надо сказать, нам здорово повезло с Джеком. Благодаря своей охоте за кенгуру он отлично знал, как добраться в любое место.

А еще он играл в ужасную игру, которую я просто возненавидел, но, поскольку мы зависели от него, мало что мог сделать; однажды он показал мне ее. Джек поставил свою собаку на крышу грузовика, разогнался почти до ста километров в час и резко нажал на тормоза. Собака, ясное дело, слетела на землю. Бедный пес! А Джек захохотал и изрек свою коронную фразу: «Старую собаку новым трюкам не научишь».

Чтобы добраться до оборудования, которое, как оказалось по прибытии, охраняла полуметровая игуана – весьма неприятное на вид существо, у нас ушло полдня. По правде говоря, меня она до смерти напугала. Но, конечно, я не собирался этого показывать и сказал аспиранту: «Ничего страшного. Эти животные совершенно безвредны. Вы идете первым». И он вышел из машины. Как оказалось, игуаны действительно безвредны. В течение четырех часов, пока мы возились с аппаратурой и грузили ее на грузовик Джека, животное даже не шелохнулось.

Профессор с аэростатом

Потом мы вернулись в Элис-Спрингс и, конечно же, попали на первую полосу местной газеты Centralian Advocate вместе с большой фотографией запуска аэростата. Заголовок гласил: «Запуск космического зонда», а в самой статье рассказывалось о «профессоре с аэростатом». Я стал чем-то вроде местной знаменитости и выступил перед членами Ротари-клуба[24], учениками средней школы и даже один раз в стейк-хаусе, чем заработал бесплатный ужин для всей нашей команды. Но больше всего на свете нам хотелось как можно быстрее отвезти домой пленку, расшифровать и проанализировать данные и посмотреть, что нам удалось «нарыть». Потратив несколько дней на уборку станции, мы отправились в обратный путь. Думаю, теперь вы понимаете, насколько трудными были наши исследования. Я находился вдали от дома в течение двух месяцев как минимум каждые два года, а иногда и каждый год. Конечно же, мой первый брак от этого сильно пострадал.

В то же время, несмотря на нервозность и напряжение, все это было чрезвычайно интересно и очень весело, и я горжусь своими аспирантами, Джеффом Мак-Клинтоком и Джорджем Рикером. Джефф теперь старший астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики; в 2009 году он получил Приз Росси (угадайте, в честь кого он назван?) за работу в области измерения массы черных дыр в рентгеновских двойных звездных системах (мы еще вернемся к этому в главе 13). А Джордж, к моему огромному удовольствию, до сих пор работает в Массачусетском технологическом институте. Ему нет равных в проектировании и разработке инновационной измерительной аппаратуры. Больше всего он прославился своими потрясающими исследованиями в области гамма-всплесков.

Надо сказать, исследования с помощью аэростатов были по-своему невероятно романтичными. Встаешь в четыре утра, едешь в аэропорт, видишь восход солнца и зрелищный процесс надувания шара – и все это происходит в прекрасной пустыне, под открытым небом, на котором сначала видны звезды, а потом начинает медленно подниматься солнце. Чуть позже, когда уже надутый аэростат вздымается в небо, он переливается серебром и золотом на фоне розового рассвета. А вы отлично знаете, как много мелких факторов должно совпасть, чтобы все прошло удачно, и ваши нервы все время напряжены до предела. Просто море эмоций! И если запуск удается, для чего действительно должны сложиться мириады деталей (каждая из которых в противном случае является источником потенциальной катастрофы), испытываешь поистине непередаваемое ощущение.

В те дни мы и правда находились на переднем крае радиоастрономии. И подумать только: наш успех в немалой степени зависел от вечно пьяного австралийского охотника за кенгуру.

Рентгеновская вспышка от Sco X-1

Ни одно открытие, сделанное нами в те годы, не было для меня более захватывающим, чем абсолютно неожиданное наблюдение. Оказывается, в числе излучаемых некоторыми рентгеновскими источниками рентгеновских лучей встречаются довольно заметные вспышки. Идея о том, что интенсивность рентгеновского излучения некоторых источников варьируется, витала в воздухе еще с середины 1960-х годов. Филипп Фишер и его группа в Lockheed Missiles and Space Company сравнили интенсивность рентгеновского излучения семи рентгеновских источников, обнаруженных во время полета их ракеты 1 октября 1964 года, с интенсивностью источников, выявленных с помощью ракет группой Фридмана 16 июня 1964 года. Исследователи обнаружили, что интенсивность рентгеновских лучей (называемая потоком рентгеновского излучения) источника Cyg XR-1 (сейчас называется Cyg X-1) 1 октября была в пять раз ниже, чем 14 июня. Однако по-прежнему оставалось неясным, отображало ли данное наблюдение реальную изменчивость излучения. Группа Фишера указала на то, что группа Фридмана использовала более чувствительные к низкоэнергетическому рентгеновскому излучению детекторы, чем те, которые применяли они, и предположила, что разница может объясняться именно этим.

Ответ на этот вопрос был найден в 1967 году, когда группа Фридмана сравнила поток рентгеновского излучения из тридцати источников за предшествующие два года и установила, что многие источники действительно меняют свою интенсивность. Особенно впечатляла изменчивость Cyg X-1.

В апреле 1967 года группа Кен Мак-Кракена из Австралии запустила ракету и обнаружила источник почти столь же яркий, как Sco X-1 (источник самого яркого рентгеновского излучения из всех нам тогда известных), которого не было, когда детекторы наблюдали то же самое место полтора года назад. Через два дня после анонса этой «рентгеновской новой» (так назвали источник) на весеннем заседании Американского физического общества в Вашингтоне я разговаривал по телефону с одним из самых выдающихся пионеров в области рентгеновской астрономии, и он спросил меня: «Вы действительно верите в эту ерунду?»

Между тем интенсивность источника снизилась через несколько недель в три раза, а пять месяцев спустя более чем в 50 раз. Сегодня мы без особых затей называем такие источники «кратковременными источниками рентгеновского излучения».

Группа Мак-Кракена локализировала такой источник в созвездии Южный Крест (Crux). Ребята страшно обрадовались, поскольку именно это созвездие изображено на австралийском флаге. Когда оказалось, что источник расположен сразу за пределами Южного Креста, в созвездии Центавр, и первоначальное название Crux X-1 было изменено на Cen X-2, австралийцы разочаровались. Ученые вообще чрезвычайно эмоционально относятся к своим открытиям.

А 15 октября 1967 года мы с Джорджем Кларком, наблюдая Sco X-1 в течение десятичасового полета аэростата, запущенного из Милдьюра в Австралии, сделали важное открытие. Следует сказать, что наша ситуация не имела ничего общего с тем, что запечатлено на фотографиях Космического центра НАСА в Хьюстоне, где в случае стоящего открытия все поздравляют друг друга, обнимаются, пожимают руки, хлопают друг друга по спине. Дело в том, что эти ребята видят наблюдаемое в режиме реального времени, мы же не имели доступа к данным в ходе наблюдений, поэтому нам оставалось только надеяться на то, что аэростат продолжит полет, а наше оборудование не даст сбоя. И конечно же, мы всегда беспокоились, получим ли свой телескоп и данные обратно. Иными словами, сплошная нервотрепка.

Собранные данные мы проанализировали лишь несколько месяцев спустя, вернувшись в МТИ. Однажды вечером я сидел в компьютерном зале, мне помогал Терри Торсос. В те времена у нас были очень большие компьютеры. В помещении должны были постоянно работать кондиционеры, потому что компьютеры сильно нагревали воздух. Помнится, было около одиннадцати часов вечера. В те дни, чтобы компьютер нормально работал, лучше всего было проскользнуть в компьютерный зал вечером. А еще тогда исследователь не мог обойтись без оператора компьютерной техники, который запускал нужные программы. Так что я встал в очередь к оператору и терпеливо ждал своего часа.

И этот час настал. Я смотрел на экран, на данные, полученные в ходе исследования с аэростатом, и вдруг заметил весьма существенное увеличение потока рентгеновского излучения от Sco X-1. Прямо там, на распечатке, поток рентгеновских лучей вырос в четыре раза примерно за десять минут; это длилось почти тридцать минут, после чего свечение постепенно исчезло. Мы наблюдали рентгеновскую вспышку Sco X-1, и она была огромной. Никто никогда не видел ничего подобного! Обычно в такой ситуации мы говорили себе: «А может, эта вспышка объясняется чем-то другим? А вдруг она вызвана неточностью детектора?» Но в тот раз у меня не было ни малейших сомнений. Я знал свою аппаратуру вдоль и поперек. Я знал, что мы все отлично подготовили и протестировали и на протяжении всего полета непрерывно проверяли детектор, каждые двадцать минут делая контрольный замер рентгеновского спектра известных радиоактивных источников – приборы работали безотказно. Иными словами, я доверял собранным данным на сто процентов. Глядя на распечатку, я ясно видел, что поток рентгеновского излучения увеличивался и уменьшался; из всех источников, которые мы наблюдали за время того десятичасового полета, только один резко увеличился и так же резко затух, и это Sco X-1. Все было по-настоящему!

На следующее утро я показал результаты Джорджу Кларку, и он чуть не свалился со стула. Мы оба отлично понимали, что это значит, и были вне себя от радости! Никто не предполагал – не говоря уже о том, чтобы наблюдать, – что поток рентгеновского излучения может меняться в течение десяти минут. Конечно, поток частиц от Cen X-2 уменьшился в три раза через несколько недель после обнаружения, но здесь мы имели дело с изменчивостью в четыре раза всего за десять минут – почти в три тысячи раз быстрее.