Просто космос: Задачи о межпланетных путешествиях - Владимир Георгиевич Сурдин

недрах планет-гигантов лабораторные установки еще недотягивают. Что уж говорить о ядре Солнца, где плазма сжата до плотности 150 г/см3, и мы имеем возможность изучать ее поведение, регистрируя приходящие оттуда нейтрино. А звезды постарше нашего Солнца, уже завершившие свою эволюцию, оставляют после себя остывающие ядра – белые карлики. Плотность их вещества с трудом укладывается в нашем сознании: 105–108 г/см3. Это же сотни тонн в наперстке! И таких объектов астрономы обнаружили вокруг нас около полумиллиона и изучают уже второе столетие.

Но остатки эволюции массивных звезд еще удивительнее – это нейтронные звезды, имеющие плотность 1013 – 1014 г/см3. Пытаясь представить такое вещество, наша фантазия окончательно сдается, ведь тут уже сотни миллионов тонн в наперстке! Никогда на Земле мы не получим вещество при такой плотности в макроскопических количествах. А изучать его в космосе вполне возможно. Обнаружены уже тысячи нейтронных звезд, и мы можем следить за их поведением и наблюдать их поверхность. К примеру, вблизи нее существуют фантастические магнитные поля с индукцией до 1011 Тс, тогда как в лаборатории мы можем создавать лишь до 104 Тс. Разрыв в 10 000 000 раз! Не думаю, что в обозримое время его удастся преодолеть в лаборатории. А изучать поведение вещества в магнитных полях нейтронных звезд мы можем уже сегодня. И это поведение поистине удивляет. Например, атом водорода, помещенный в такое поле, из шарика превращается в ниточку (вспоминаем силу Лоренца). А если вспомнить, что плотность энергии магнитного поля легко перевести в плотность массы (E = mc2) и вычислить плотность массы магнитного поля с индукцией B = 1011 Тс, то получим не менее удивительный результат:

ρB = B2/2µ0c2 = 40 т/см3.

Вы только подумайте: 40 т массы в каждом кубическом сантиметре пустоты, пронизанной магнитным полем! И эти условия доступны для изучения – космос дарит их нам практически бесплатно. Нейтронные звезды с рекордными магнитными полями, так называемые магнитары, сейчас активно исследуют астрофизики.

Еще один «космический бонус» для науки – это частицы высокой энергии, которые физики используют для зондирования внутренней структуры элементарных частиц и рождения новых их типов, ранее неизвестных ученым. Чем выше энергия частицы-ударника, тем интереснее результаты. Большой адронный коллайдер способен разгонять протоны до энергии 1013 эВ. Проект «Очень большого адронного коллайдера» (VLHC) предусматривает энергию 1014 эВ. Вряд ли в обозримое время будет создано что-либо более мощное. А из космоса в составе галактических космических лучей к нам прилетают протоны с энергией до 1020 эВ, то есть они в миллионы раз «энергичнее» тех, что разгоняет коллайдер. Ускоритель с такой энергией вообще нельзя построить на Земле, поскольку он был бы больше, чем сама планета. Не говоря уже о его стоимости. А из космоса быстрые частицы прилетают к нам бесплатно. Академик Яков Борисович Зельдович говорил, что Вселенная – это ускоритель для бедных. Но, как видим, и самые богатые страны не способны создать такой ускоритель, который конкурировал бы со Вселенной.

И наконец, именно астрономия указала физикам на существование в природе двух таинственных сущностей: темной материи и темной энергии. Поисками темной материи (точнее, темного вещества) активно заняты сейчас физики-экспериментаторы. А понять антигравитационную сущность темной энергии пытаются физики-теоретики. Без астрономических наблюдений мы бы никогда не узнали о существовании этих двух загадочных «объектов» природы, заполняющих Вселенную своей массой-энергией на 95%. Можно лишь восхищаться тем, что, наблюдая чуть менее 5% массы Вселенной (планеты, звезды, межзвездный и межгалактический газ), астрономы смогли узнать о существовании и некоторых свойствах невидимых 95% ее массы. Это открывает перед физикой захватывающую перспективу: изучение нашего мира, по сути, только начинается! А для молодых физиков это открывает прекрасную перспективу карьеры (вплоть до получения Нобелевской премии) и, главное, стимулирует их интерес к научной работе.

Обратимся к области, где фундаментальная физика граничит с техникой. Астрономия, как и другие ветви естествознания, использует самые современные технологии и сама стимулирует их развитие. Можно вспомнить, что запущенный в 1990 г. на орбиту космический телескоп «Хаббл» сначала давал некачественные изображения, поскольку его объектив страдал сильной аберрацией. Для исправления этого недостатка и восстановления качества изображения были развиты мощные математические методы решения обратной задачи, в дальнейшем нашедшие применение в компьютерной томографии.

Для улучшения качества изображений, полученных наземными оптическими телескопами, сейчас развиваются методы активной и адаптивной оптики. Результаты поразительны: испорченное неоднородной атмосферой Земли изображение космического объекта удается в реальном времени восстановить до почти идеального состояния, как будто бы телескоп работает за пределом атмосферы, а не на дне воздушного океана.

Изучение Солнечной системы сегодня в значительной степени опирается на космонавтику и автоматические межпланетные зонды, что стало неотъемлемой частью астрономии. При этом космические условия ставят перед техникой небывалые задачи. Созданы зонды, работавшие на поверхности Титана при температуре –180 °C и на поверхности Венеры при +460 °C. Марсоход Opportunity (NASA) 14 лет путешествовал без ремонта по Красной планете, а некоторые межпланетные аппараты в условиях высокой космической радиации исправно несут службу уже более 40 лет! Надежность и миниатюрность современной бытовой электроники в значительной степени обязаны технологиям, развитым при создании этих космических зондов.

Но астрономы не останавливаются на прямом исследовании планет Солнечной системы. За последние годы открыты тысячи планет у соседних звезд, и к некоторым из них тоже хотелось бы послать автоматические разведчики. Еще недавно подобное казалось фантастикой, поскольку межзвездные перелеты требуют околосветовых скоростей. Но в этом направлении уже ведется практическая работа. Проект Breakthrough Starshot предполагает создание сверхмалого исследовательского аппарата, который отправится со скоростью 1/5 от скорости света к планетам ближайших звезд (α Кентавра и других) с помощью светового паруса, «надуваемого» излучением когерентной системы лазеров, использующих адаптивную оптику. Это уже не фантастика, а практическая работа, объединившая в себе астрономию, космонавтику и нанотехнологии.

Подведем итог: возвращаясь в школу и привлекая интерес вузов, астрономия заметно изменила свое лицо. Сегодня «небесная наука» тесно связана с другими ветвями естествознания. Космос теперь воспринимается как научная лаборатория с невероятными возможностями. Удовлетворяя свою любознательность, человек побеждал в борьбе за существование. Сегодня предметом любознательности человека стала вся Вселенная. И в этом гарантия нашего будущего.

Задачи

9.1. Ярче к краю

Астрономам хорошо известен эффект потемнения звезды к краю диска. Например, этот эффект четко виден на фотографиях Солнца.

Рис. 40. Солнце. Легко заметить потемнение к краю

А можно ли наблюдать поярчание звезды к краю?

9.2. Разноцветные зонды

В какой цвет следует красить межпланетные зонды? Например, два зонда одинаковой конструкции были покрашены в разные цвета: «Марс-Экспресс» – в