Глазами физика. От края радуги к границе времени - Уолтер Левин

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.

11. Как мы начинали изучать рентгеновское излучение с помощью аэростатов

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.