Эпоха космического ренессанса (Сурдин В

Эпоха космического ренессанса (Сурдин В.Г., “Природа” № 3, 2004)
gazeta59@bk.ru
Выпуск № 17
Астрономы М.Бремер (M.Bremer; Бристольский университет, Англия) и М.Ленерт (M.Lehnert; Институт внеземной физики
им. М.Планка, Германия) смогли заглянуть во Вселенную на рекордное расстояние и обнаружить там галактики, возраст
которых всего на 10% меньше возраста самой Вселенной. Эти галактики родились в самом начале эры космического возрождения (Cosmic
Renaissance), наступившей сразу после «темной» эпохи (Dark Ages), которая в контексте человеческой истории ассоциируется с мрачным
средневековьем.
Космологическая модель Большого взрыва указывает, что возраст Вселенной составляет сейчас 13.7 млрд лет. Сразу после первичного взрыва
горячее плотное вещество и излучение, однородно заполнявшие пространство, стремительно расширялись и охлаждались. Через несколько сотен
тысяч лет температура вещества и излучения понизилась до нескольких тысяч кельвинов; в эту эпоху электроны стали объединяться с ядрами,
образуя нейтральные атомы, отчего космологи называют те времена эпохой рекомбинации. Лишенное свободных электронов, вещество стало
прозрачным для охладившегося длинноволнового излучения, которое почти беспрепятственно доходит до нас из той далекой эпохи в виде
радиоволн. Именно это излучение мы и называем реликтовым, или, более официально, микроволновым фоновым космическим излучением. После
эпохи рекомбинации вещество, оставаясь практически однородным, продолжало остывать и уже не излучало света. Наступила «темная» эпоха.
Но и темноте приходит конец: мелкие неоднородности плотности вещества, амплитуда которых поначалу не превышала 0.001%, под действием
гравитации постепенно нарастали и по прошествии нескольких сотен миллионов лет достигли значительной величины — родились первые звезды,
начали формироваться галактики, появились квазары. Их ультрафиолетовое излучение нагревало окружающее вещество; вокруг каждого яркого
источника росла сфера ионизованного газа, и постепенно они перекрывали друг друга; наконец, все межгалактическое вещество вновь стало
ионизованным и горячим — наступила эпоха космического возрождения, или, на языке астрономов, — эпоха повторной ионизации. Чрезвычайно
интересно знать, когда точно и какие именно объекты рождались во Вселенной первыми; поэтому астрономы и пытаются обнаружить эти объекты,
стараясь «дотянуться» взглядом телескопа до границы между космическими средневековьем и возрождением.
Очередную, и весьма удачную, попытку в этом направлении предприняли Бремер и Ленерт, использовав тот факт, что в спектрах горячих звезд,
а значит, и в спектрах молодых галактик на волне 912 А наблюдается глубокая ступенька — так называемый лаймановский скачок, вызванный тем,
что все кванты с меньшей длиной волны интенсивно поглощаются атомами водорода, отрывая у них электрон. У близких к нам галактик наблюдать
оптическим методом лаймановский скачок практически невозможно, поскольку он лежит в далекой УФ-области. Но в излучении, приходящем от
далеких галактик с красным смещением z = 5-6, лаймановский скачок попадает в оптический диапазон (4500-5500 А) и проявляется весьма заметно: с
красной стороны от него спектр намного интенсивнее, чем с голубой. Следовательно, галактики, лежащие на расстоянии, соответствующем красному
смещению 5-6, должны выглядеть значительно ярче при их наблюдении через красный светофильтр, чем, скажем, через зелено-голубой.
Этим и воспользовались астрономы Европейской южной обсерватории, организуя поиск сверхдалеких галактик с помощью 8-метрового
телескопа VLT-Yepun (на местном чилийском наречии Йепун означает «утренняя звезда», т.е. Венера) и его штатного многофункционального
приемника света FORS2. На площади неба в 40 квадратных минут дуги (5% от площади лунного диска) они обнаружили 20 «красных» галактик.
Полученные затем спектры подтвердили, что все они имеют красное смещение в интервале z = 4.8-5.8. Более того, есть подозрение, что одна из них
имеет z = 6,6! Если это подтвердится, то она получит чемпионский титул самого далекого среди известных объектов Вселенной. До сих пор этот титул
носил квазар SDSS J1148+5251, наблюдаемый в созвездии Большой Медведицы и имеющий z = 6.4. А самой далекой галактикой считалась система
z6VDF J022803-041618 в созвездии Кита, имеющая z = 6.17.
Изучение спектров экстремально далеких галактик показало, что это очень молодые системы с активным звездообразованием, их возраст не
превосходит 100 млн лет, однако светимость не очень велика и в пространстве они распределены довольно редко, так что одного лишь их излучения
недостаточно для наступления эпохи космического возрождения. Вероятно, помимо обнаруженных наиболее ярких галактик тогда существовало и
значительное число менее ярких систем, помогавших процессу повторной ионизации межгалактического вещества. Кроме того, в нашу эпоху
наблюдается заметно больше крупных галактик, чем их было, когда Вселенной исполнился первый миллиард лет, следовательно, все это время
происходил их рост, вероятно путем объединения малых в более крупные.
Полученный результат стал первым весомым вкладом астрономов Великобритании в работу Европейской южной обсерватории, в состав
которой ученые туманного Альбиона вошли в июле 2002 г. Это вновь продемонстрировало эффективность коллективной работы европейских
организаций, способных объединенными усилиями создавать великолепные приборы, такие как гигантские 8-метровые телескопы VLT с их
замечательным научным оборудованием.
Тепловая индукция марсианской поверхности («Природа» № 3, 2004)
Установленный на космическом аппарате «Mars Odyssey» прибор THEMIS (Thermal Emission Imaging System — Система, строящая изображение
тепловой эмиссии) уже больше года картирует геологические структуры на поверхности Красной планеты и анализирует их состав. Разрешающая
способность «тепловизора» чрезвычайно высока, в отдельных случаях — до 18 м. Результаты изучения полученных данных опубликовала большая
группа американских специалистов, возглавляемая Ф.Р.Кристенсеном (Ph.R.Christensen).
Еще десятилетие назад, когда аппарат «Viking» прислал на Землю первую информацию о тепловом излучении планеты (измерения
проводились в инфракрасном диапазоне с разрешением около 60 км), начались споры, насколько такие данные важны для раскрытия геологического
прошлого Марса. Существенным параметром поверхности служит ее тепловая инерция — скорость, с какой меняется температура при изменении
освещенности, что связано с размерами частиц, составляющих поверхность, их сцементированностью и т.п. «Viking» позволил открыть на Красной
планете обширные районы с очень низким уровнем тепловой инерции. По-видимому, там на поверхности преобладает мелкозернистая, слабо
связанная пыль. В других районах, составляющих до трети поверхности всего Марса, обнаружены отдельные скалы и камни диаметром более 10 см;
особенно это характерно для мест посадки аппаратов «Viking» и «Mars Pathfinder». Но поскольку пространственное разрешение приборов составляло
всего около 60 км, различить выходы коренных пород было невозможно, и поэтому для картирования поверхностного слоя использовались данные о
тепловой инерции и альбедо (отражающей способности). Они, однако, мало что говорили о геологии Марса; судить об этом можно было лишь
косвенно — по морфологии, различимой на фотографиях, сделанных аппаратом «Viking» в видимой части спектра. Несколько большую информацию
специалисты получили, когда тепловая инерция была измерена спектрометром аппарата «Mars Global Surveyor» с разрешающей способностью около
3 км.
Однако результаты «тепловизора» THEMIS совершенно меняют прежние представления ученых: тепловые портреты Марса в масштабе 100 м
позволяют широко и непосредственно судить о физической природе его пород. Оказалось, в некоторых районах тепловая инерция поверхности
настолько высока, что она может быть связана лишь с обнаженными коренными породами, а не с пылью и изолированными утесами. Многие области
Марса представляют собой равнины, покрытые толстым слоем мелкозернистой, слабо сцементированной пыли; другие же отличаются большим
разнообразием физических свойств. Новые данные позволяют различать даже свежие выбросы из молодых кратеров, образующие полосы из
каменных блоков или мелкозернистых материалов, по которым можно определять их возраст.
Левитирующее стекло: раскалённые капли высвечивают будущее (www.membrana.ru)
NASA разрабатывает новые материалы для электроники, медицинской техники и других важных
технических сфер. Для получения уникальных образцов нужно, чтобы к ним в процессе создания не
прикасались не только руки человека, но вообще какие-либо инструменты. У NASA есть установка,
которая позволяет это проделать.
Представьте, что вы сильно нагреваете некие исходные вещества, а потом охлаждаете смесь, чтобы
создать новый материал. Из чего бы вы ни сделали ёмкость для расплава, она так или иначе вступит в
химическое или физическое взаимодействие с вашим веществом и неизбежно загрязнит его. Это означает,
что вы не сможете с высокой точностью определить свойства нового материала. Другое, не менее важное
следствие состоит в том, что ваш образец будет иметь характеристики отличные от тех, что вы планировали, К этому шару с самого его
сочиняя оригинальный "рецепт". Можно ли провести все стадии эксперимента, ничем не прикасаясь к "рождения" не прикасались
никакие инструменты, если не
образцу? На ум сразу приходит невесомость и космическая станция, но есть более простой выход.
считать
лучей лазера (фото с
С 1997 года в космическом центре Маршалла (Marshall Space Flight Center) работает удивительный
сайта msfc.nasa.gov).
аппарат — "Электростатический левитатор". До сих пор он регулярно приносит эффективные и, можно
сказать, эффектные научные результаты. Сердце прибора — вакуумная камера с шестью электродами.
Шарики исходной смеси подвешиваются в центре камеры в мощном электростатическом поле. Для восполнения электрического заряда образца
(который теряет электроны при сильном нагреве) служит специальная дейтериевая дуговая лампа. Пересекающиеся под прямым углом лазеры
используются для контроля положения образца в пространстве. Компьютеры регулируют заряд на электродах, чтобы удерживать шарик точно в
центре камеры. И, опять-таки, мощный лазер нагревает его до расплавленного состояния. Также дистанционно учёные изучают свойства
получаемых сплавов как в жидком, так и в застывшем состоянии. Лишь когда все
эксперименты проведены, остывшую каплю можно с чистой совестью взять в руки.
Главное назначение прибора — создание необычных сортов стекла, металлических
сплавов, керамики и анализ их свойств. Сейчас с центром Маршалла сотрудничает
маленькая частная фирма Containerless Research, Inc (CRI). Именно благодаря
левитатору она изобрела REAl-стекло. REAl — это аббревиатура, означающая
"редкоземельный алюминиевый оксид" (Rare Earth and Aluminum oxides). Состоят эти
стёкла из смеси нескольких редкоземельных оксидов, оксида алюминия и небольшой
примеси диоксида кремния.
Этому материалу уже подбирают сферы применения. Например, в медицине.
"Большинство хирургических лазеров используют дорогие кристаллы, такие как
Расплавленная капля стекла висит в центре камеры (фото сапфиры, — объясняет доктор Ричард Вебер (Richard Weber), один из руководителей
с сайта science.nasa.gov).
CRI. — И эти кристаллы не только дороги, но и сильно ограничивают доступный диапазон длин волн и энергии. REAl-стекло потенциально даст
хирургам больший выбор. Новые лазеры позволят куда гибче подстраивать излучение, исходя из того, что лучше всего подходит для
определённого типа хирургии".
Работа Вебера финансируется NASA. И не спроста — новые стеклянные и керамические материалы могут оказаться незаменимыми при
создании космических кораблей будущего. А также — новых научных инструментов. Вообще, разнообразные материалы, полученные благодаря
левитатору, со временем могут заметно улучшить технику в самых различных областях. Скажем, появятся новые оптические системы связи для
Интернета или лазеры для выкройки металлических деталей автомобилей. По словам Вебера, после того, как свойства нового материала и
процесс его получения детально изучены, можно рассчитать, как произвести такой же материал традиционным способом — в формах для
отливок. Это как раз и открывает новым стёклышкам путь на конвейер.
Кстати, среди исследуемых на левитаторе материалов есть такой необычный их класс, как металлическое стекло. Это металл или сплав
металлов, который при комнатной температуре и в твёрдом состоянии существует в аморфной агрегатной форме (как стекло), а не в виде
кристаллической решётки, которую традиционно считают едва ли не самым главным признаком металлов. Секрет его получения в том, что
сверхчистый образец охлаждается, плавая в вакууме, не касаясь стенок. А раз нет центров кристаллизации и внешних механических
возмущений, капля металла остаётся жидкостью, даже при температуре много ниже точки плавления. Затем в какой-то момент она вдруг резко
затвердевает (за доли секунды), испуская при этом вспышку света. И получается металлическое стекло. Такие материалы обладают иными
магнитными свойствами, а также — намного более прочны и твёрже, чем те же самые вещества в традиционном кристаллическом виде.
Металлические стёкла уже нашли применение в производстве ряда изделий (например, элитного спортинвентаря, вроде теннисных
ракеток), но потенциал необычного материала далеко не исчерпан.
Не менее любопытно и биологически активное стекло, которое будучи введённым в организм, в конечном счёте распадается, когда его
работа проделана. Микроскопические количества такого стекла, говорят в NASA, могут использоваться для обработки раковой опухоли.
Разумеется, самые интересные образцы стёкол можно создать в условиях микрогравитации — в космосе. Такие опыты (на борту шаттлов) уже
проводились. Теперь Вебер планирует продолжить своё исследование, используя наземный левитатор для создания необычных сплавов и
далее очищая полученный на Земле материал уже на Международной Космической Станции.
Кстати, на Луне и в других местах в космосе много исходных компонентов для выработки
стекла. А значит, для развития будущих колоний на других планетах очень важно понять — как
именно создавать самые необычные его разновидности. Электростатический левитатор как раз
помогает американским учёным в этом исследовании. Тем более, что, если в первом левитаторе
шарики расплава не могли быть больше трёх миллиметров (не хватало мощности
поддерживающих полей), то со временем учёные построили более крупные установки В том
числе, позволяющие выпускать ограниченные партии новых материалов в виде, скажем,
Образцы REAl-стекла
цилиндров диаметром сантиметр и длиной сантиметров шесть. А это уже шаг к промышленному
(фото с сайта msfc.nasa.gov).
производству "космического", левитирующего стекла на Земле.