Под покровительством Марса. Как война развивает науку
Не секрет, что на протяжении столетий многие научные достижения человечества находили применение в военных областях. Но, по крайней мере, в последние сто лет достаточно четко наметилась и обратная тенденция: технологии, разработанные для сугубо военных целей, позволяют расширить наши знания об окружающем мире и стать стимулом для развития фундаментальной науки.
История кооперации между военными ведомствами и фундаментальной наукой отметилась явной тенденцией к росту в годы Первой мировой войны и значительно укрепилась во время Второй мировой. Гидродинамика, ядерная физика и радиохимия серьезно продвинулись благодаря созданию атомного оружия, прогрессу радиофизики способствовала разработка радиолокаторов, а потребности оборонки в вычислительных алгоритмах, компьютерах и твердотельной электронике привели к скачку в развитии информационных технологий.
Но не все знают, что военный пирог оказался весьма питательным и для наук о Вселенной. Расширение наблюдательной базы астрономии за счет использования всех диапазонов электромагнитного спектра, повышение разрешающей способности гигантских оптических телескопов с помощью лазерной техники, создание систем связи с космическими аппаратами — все эти достижения использовали военные технологии или хотя бы частично финансировались за счет военно-промышленного комплекса.
В лучах «красного» Солнца
Выход астрономии за пределы оптических наблюдений начался с освоения инфракрасного диапазона. Первопроходцем стал англичанин Чарльз Пиацци Смит, зарегистрировавший в 1856 году тепловое излучение Луны с помощью термопары. В 1878 году американский астроном и физик Сэмюэл Пирпонт Лэнгли изобрел детектор, способный регистрировать изменения электрического сопротивления платиновой пластинки под действием теплового потока. Прибор Лэнгли, названный им болометром, различал перепады температур порядка стотысячной доли градуса. С его помощью астрономы смогли измерить тепловое излучение Солнца, Сатурна, Юпитера, а затем и самых ярких звезд — Арктура и Веги. Не остались вне поля зрения и сенсоры на термопарах. В 1915 году сотрудник американского Национального бюро стандартов Уильям Кобленц сумел настолько повысить их чувствительность, что смог детектировать ИК-излучение более сотни светил нашей Галактики. Уже в 1920-е годы американские астрономы, прежде всего Сет Николсон и Эдисон Петтит, приступили к первому систематическому инфракрасному мониторингу ночного неба.
Прогресс ИК-астрономии в течение всей первой половины XX века сдерживали весьма ограниченные возможности приборов. Металлические болометры и термопары были недостаточно чувствительны для регистрации сверхслабого тепла далеких звезд и туманностей, не обладая к тому же спектральной селективностью (т. е. их показания зависили от дозы поглощенной тепловой энергии излучения, но не от его частотных характеристик). Решить проблему могли бы помочь полупроводниковые приборы, но их тогда на тот момент не существовало.
Именно на этом этапе астрономия получает помощь от военных. В 1932 году аспирант физического факультета Берлинского университета Эдгар Вальтер Кучнер занялся изучением изменения электрического сопротивления кристаллов сульфида свинца (PbS) под воздействием теплового излучения (это свойство называется фотопроводимостью). Уже через год его работы были профинансированы военным министерством, заинтересовавшимся возможностью применения этого эффекта в приборах ночного видения. В 1937 году Кучнер совместно с Electroacustic в Киле возглавил разработку инфракрасных систем для ВВС Германии. В 1947 году Кучнер эмигрировал в США, где сначала работал в лабораториях ВМФ, а несколько позже — в аэрокосмической корпорации Lockheed. Инфракрасными системами наведения на базе сульфида свинца и сульфида таллия для самолетов и ракет занимались и другие немецкие фирмы, в частности AEG и Carl Zeiss. Практически сразу после войны информация об этих разработках попала в США.
Аналогичные программы в 1940-е годы под грифом «Совершенно секретно» независимо реализовывались в США и Британии. После войны в США были созданы новые полупроводниковые детекторы инфракрасного излучения с использованием селенида и теллурида свинца и антимонида индия, в лабораториях Британии были разработаны детекторы на базе соединения ртути, теллура и кадмия. Начиная с середины 1950-х такие детекторы появились в системах наведения американских ракет класса «воздух-воздух» Sidewinder, разработка которых велась с 1946 года.
Осенью 1945 года о полупроводниковых детекторах ИК-диапазона узнал перебравшийся в США голландский астроном Джерард Койпер, именем которого назван «пояс» далеких спутников Солнца, обращающихся за орбитой Плутона. Информацию удалось получить из бесед с пленными немецкими учеными. Полученные данные были использованы Койпером и физикомом из Северо-Западного университета Робертом Кэшманом, с 1941 года разрабатывавшим такие детекторы в США. Они сумели договориться о совместном запуске программы наблюдений звезд и планет в ИК-диапазоне на базе техасской обсерватории Макдональд. Эта программа и стала первой ласточкой в области ИК-астрономии на основе полупроводниковых детекторов. Таким образом, полтора десятка лет астрономы использовали главным образом детекторы ИК-излучения, которые изначально разрабатывались в рамках оборонных программ.
В 1961 году профессор астрономии Аризонского университета Фрэнк Лоу изобрел высокочувствительный полупроводниковый болометр для телескопических наблюдений. С его помощью Лоу и его коллеги смогли сделать множество замечательных открытий — в частности, установили, что галактические ядра очень интенсивно излучают в дальнем ИК-диапазоне. Примечательно, что несмотря на использование гражданских детекторов в научно-исследовательских целях, их разработку и сами исследования частично финансировались Пентагоном, поясняющим этот факт тем, что командование американских ВВС было заинтересовано в инфракрасном картировании небосвода (как считалось, оно могло помочь в идентификации советских баллистических ракет).
За пределами атмосферы
Простейшие радиотелескопы появились еще в 1930-х как инструменты, используемые в сугубо научных целях. Вместе с тем, бурное развитие радиоастрономии началось только в послевоенные годы, во многом, благодаря наработкам в области радиолокационных систем ПВО. Но если ИК-астрономия и радиоастраномия возникли еще до начала освоения космоса, то рентгеновская астрономия — продукт ракетно-космического века. И вот почему. Атмосфера надежно защищает поверхность нашей планеты от коротковолнового электромагнитного излучения, поэтому регистрировать рентгеновские кванты внеземного происхождения возможно лишь на больших высотах. Рентген самых высоких энергий возможно зарегистрировать с помощью приборов, размещенных на борту стратостатов, но излучение во всем рентгеновском диапазоне в полном объеме можно зафиксировать только при выведении аппаратуры непосредственно в космическое пространство.
Первые эксперименты такого рода были осуществлены в конце 1940-х годов в США, причем под эгидой Пентагона. Сотрудник вашингтонской Военно-морской исследовательской лаборатории Герберт Фридман тогда предложил свой вариант конструкции модифицированного счетчика Гейгера, детектирующего кванты высоких энергий и способный засечь атмосферный ядерный взрыв. Именно с помощью этих приборов американские ученые смогли получить информацию об испытаниях первой советской атомной бомбы 29 августа 1949 года. С сентября Фридман и его коллеги начали отправлять новые счетчики в космос, используя для этой цели носовые конусы трофейных немецких ракет «Фау-2», которые стартовали с военного полигона Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. Первый же запуск позволил подтвердить гипотезу о том, что Солнце испускает рентгеновские лучи.
Фридман уже в те годы пытался обнаружить и рентгеновское излучение звезд, но чувствительности детекторов оказалось недостаточно. Лишь в 1964 году его группа сумела зафиксировать рентгеновское излучение Крабовидной туманности, возникшей на месте вспыхнувшей в 1054 году сверхновой, оставившей после себя нейтронную звезду. Но это не было первой регистрацией рентгеновского источника за пределами Солнечной системы. Впервые такой прорыв в июне 1962 года совершили Бруно Росси, Риккардо Джаккони, Фрэнк Паолини и Герберт Гурски причем в немалой степени благодаря спонсированию проекта американскими ВВС.
Война на далеких звездах
Гамма-астрономия токже нуждается в аппаратуре высотного или, если точнее, космического размещения. Первый гамма-телескоп был отправлен в космос уже в 1961 году — на борту американского спутника Explorer-11. Но самое сенсационное открытие в этой области было сделано позднее, причем с непосредственным участием спутников космической разведки.
В 1958 году командование американских ВВС планировало подорвать ядерный заряд на Луне (об этом стало известно лишь спустя 40 лет). Дальше планов дело не пошло, однако в Вашингтоне задумались, как в перспективе возможно зафиксировать факт гипотетических советских ядерных испытаний на обратной стороне Луны. Физик из Лос-Аламоса Стерлинг Колгейт рекомендовал воспользоваться спутниками с бортовыми детекторами гамма-излучения — неизбежного спутника ядерного взрывы. Проект был назван Vela (от испанского глагола velar — дежурить, отслеживать).
Аппараты семейства Vela уходили на орбиту парами (первая — в 1963 году) и имели на борту приборы для детектирования нейтронов, рентгена и гамма-излучения. Запущенные в апреле 1967 года 350-килограммовые Vela-4 были оснащены вполне эффективными гамма-сенсорами с временным разрешением порядка одной восьмой секунды. Сигналы со спутников транслировались в виде компьютерных распечаток, но анализировали их приходилось вручную, поскольку автоматической обработки подобных данных тогда не было. Этим занималась небольшая группа из Лос-Аламоса, которая обрабатывать поступающий объем данных в реальном времени физически просто не успевала. В результате на данные, полученные в середине лета 1967 года впервые взглянули лишь в марте 1969-го. Именно тогда Рей Клибсадел и Рой Олсон обнаружили на распечатках от 2 июля два импульса космического гамма-излучения. Первый был очень коротким, второй же растянулся на две с лишним секунды.
Ученые были весьма озадачены. Было ясно, что к ядерному взрыву эти импульсы никакого отношения не имели. В соответствии с архивными сведениями, 2 июля 1967 года не наблюдалось ни вспышки сверхновой, ни солнечной активности, которая тоже может дать о себе знать потоком гамма-квантов. Поскольку иных объяснений не нашлось, первооткрыватели загадочного явления решили подождать и подкопить информацию. Уже была готова к запуску следующая пара спутников Vela-5, а через год за ними последовала и шестая пара. На них было установлено более совершенное оборудование, чем на Vela-4. С его помощью Клибсадел с коллегами надеялись прояснить ситуацию. И действительно, к лету 1973 года приборы зарегистрировали 16 гамма-вспышек, источники которых, судя по всему, распределялись по периметру небесной сферы случайным образом. Было очевидно, что эти источники чрезвычайно далеки от Земли и что в момент своего возникновения импульсы обладали колоссальной энергией.
Полученные результаты позволили говорить о достоверности предыдущих наблюдений и серьезности сделанного открытия. Клибсадел, Олсон и работавший с ними Йен Стронг впервые сообщили о нем в заметке, опубликованной 1 июня 1973 года на страницах Astrophysical Journal Letters. Спустя несколько дней Клибсадел выступил с докладом на сессии Американского астрономического общества. Среди слушателей оказался репортер, пожелавший прояснить, можно ли объяснить наблюдаемые вспышки ядерными битвами внеземных цивилизаций. Клибсадел прокомментировал, что земные ядерные взрывы имеют совсем иные гамма-подписи, но априори отрицать теоретическую и парктическую вероятность галактических сражений он не берется. Дав волю воображению, журналист тут же «оседлал» новый тренд, написав и добившись публикации статьи о звездных войнах в популярном таблоиде National Enquirer. Так и получилось, что и астрономы, и широкая публика узнали об открытии практически одновременно.
Природа гамма-вспышек была долго прикрыта завесой тайны. Лишь после многолетних исследований астрофизики пришли к выводу, что они возникают при гравитационном коллапсе сверхмассивных звезд и при столкновениях нейтронных звезд. А ведь все началось некогда с весьма экзотического проекта военной разведки.
Королевство кривых зеркал
О том, что «дрожь атмосферы» ограничивает разрешающую способность любого астрономического оптического прибора, еще в 1703 году догадался великий Исаак Ньютон. Он же предложил идею бороться с этими помехами, устанавливая обсерватории на высокогорных вершинах. Вплоть до создания космических телескопов такой метод был единственным способом частичной нейтрализации атмосферной турбулентности.
Впервые идея коррекции атмосферных возмущений с помощью вариабельной оптической системы телескопа в 1953 году была выдвинута американским астроном Хорейс Бэбкок. Он предложил покрыть фокусирующее зеркало телескопа тонкой масляной пленкой и варьировать форму ее поверхности с помощью электрических полей. Конечно, Бэбкок и не мечтать не смел о возможностях еще не созданных на тот момент лазеров и был далек от размышлений о возможности создания деформируемых зеркал. В любом случае, тогда его идея была практически неосуществима. Более реалистичную схему использования составного зеркала со смещаемыми элементами в 1957 году предложил академик Владимир Линник.
Вместе с тем, кардинальный сдвиг в решении наметившейся проблемы был осуществлен примерно полвека назад, когда в Пентагоне стали думать об использовании телескопов для получения качественных фотографий советских спутников. Этому мешали атмосферные турбулентности, приводящие к снижению качества картинки, а также к мерцанию звезд. Те же самые процессы препятствовали и разработке лучевого оружия для уничтожения боеголовок советских баллистических ракет, что входило в объявленную Рональдом Рейганом программу «звездных войн».
Рассмотренные причины обуславливали в то время серьезные расходы, заложенные в оборонные бюджеты. Работы, направленные на изучение возможностей «прощупывания» неоднородностей атмосферы с помощью лазеров велись в крупном исследовательском и конструкторском комплексе американских военно-воздушных сил RADC (Rome Air Development Center) в штате Нью-Йорк начиная с середины 1960-х годов. Позднее к ним подключились другие подразделения минобороны США и частные фирмы. Этой программе в Пентагоне был присвоен высокий уровень приоритетности. В 1982 году военными была испытана первая эффективная система нейтрализации атмосферных турбулентностей CIS (Compensated Imaging System). Созданная для этого аппаратура была установлена на 160-сантиметровом телескопе, расположенном на вершине горы Халеакала на гавайском острове Мауи. Справедливости ради следует отметить, что американские разработчики широко применяли методы анализа турбулентностей воздушного бассейна, развитые заведующим лабораторией Института физики атмосферы АН ССР Валерианом Ильичом Татарским.
Результаты, полученные в ходе выполнения этой программы, долгое время не подлежали разглашению, однако в 1991 году их частично рассекретили. Они были использованы для разработки так называемой адаптивной оптики «с искусственной звездой», очень эффективного метода компьютерной коррекции формы вспомогательного зеркала телескопа. Благодаря возможностям адаптивной оптики с лазерным отслеживанием атмосферных возмущений в последние годы удалось настолько увеличить разрешающую способность наземных астрономических телескопов, что они сегодня вполне могут соперничать с космическими обсерваториями. Телескопы с зеркалами диаметром 8−10 м, оснащенные корректирующими системами, обеспечивают угловое разрешение в 30−60 мс, в то время как без них этот показатель при самых идеальных условиях не опустился бы ниже половины угловой секунды. Не случайно многие специалисты считают эту технологию крупнейшим достижением астрономической телескопии со времен Галилея и Ньютона.
Дотянуться до небес
Космические аппараты должны получать команды с Земли и отправлять информацию обратно. Страны, участвующие в освоении космоса, располагают специализированными радиотелескопами, которые предназначены для дальней космической связи. Такую систему, Deep Space Network (DSN), имеет и NASA. В ее состав входят три станции, расположенные в Калифорнии, Австралии и Испании. На каждой станции установлен радиотелескоп с поворотной параболической антенной диаметром в 70 м и еще несколькими вспомогательными телескопами с антеннами меньших размеров.
История этой системы вновь восходит к военным программам Пентагона. Первый американский ИСЗ Explorer 1 ушел на орбиту в январе 1958 года. К этому времени в калифорнийской Лаборатории реактивного движения (JPL) была разработана технология телеметрического слежения Microlock, возможности которой использовались при испытаниях баллистических ракет. В то время JPL была военным исследовательским центром, и лишь с декабря 1958 года ее передали под контроль только что созданного гражданского агентства NASA. Разработанная там аппаратура была задействована на станциях слежения в Калифорнии, Нигерии, Сингапуре, которые вели наблюдение за спутниками. Именно с помощью этой системы астрономы Земли смогли получить информацию о существовании поясов Ван Аллена.
Общая концепция будущей системы глобальной космической связи также была разработана в системе минобороны США. Разработкой проекта занималось Управление по перспективным исследовательским проектам (Advanced Research Projects Agency, ARPA), непосредственно подчиненное Пентагону. Оно предложило создать на разных континентах три комплекса с мощными радиотелескопами, разделенными по долготе угловыми дистанциями в 120 градусов, что смогло бы обеспечить надежное круглосуточное покрытие 100% небосвода. Для будущих станций ARPA закупило 26-метровые вращающиеся антенны, которые в 1958—1961 годах были установлены в Калифорнии, ЮАР и Австралии. В 1974 году южноафриканская станция была закрыта по политическим соображениям, и третий узел сети DSN был перенесен в Испанию. К тому времени эта сеть уже давно была частью NASA, что, впрочем, не отменяет ее происхождения, как военного объекта.
И в наши дни технологии, изначально разработанные для военных целей, становятся мощным стимулом для развития фундаментальной науки. И яркий пример этого процесса — современная астрономия.
Земная атмосфера имеет несколько довольно узких «окон прозрачности», так что с поверхности Земли, по астрономическим меркам, можно увидеть совсем немногое. Усилия военных не только сделали возможным выведение научной аппаратуры в космос, но и серьезно повлияли на становление радиоастрономии, работает как раз в одном из «окон прозрачности».
Резюмируя, мы приходим к выводу, что стремительный прогресс науки о Вселенной во второй половине двадцатого века в немалой степени обязан покровительству Марса, в нашем контексте — римского бога войны.
На этом всё, с вами был Dronk.Ru. Не забывайте возвращать деньги за покупки в Китае и подписываться на наш блог, будет ещё много интересного.
Рекомендуем:
— Экономим до 8% с каждой покупки на AliExpress и других интернет-магазинах Китая
— Почему интернет-магазины отдают деньги за покупки?
— Верните свои деньги — Выбираем кэшбэк-сервис для Aliexpress
— История развития Dronk.ru — от выбора квадрокоптеров до возвращения денег за покупки на AliExpress и не только
— Лучший кэшбэк сервис или 5 основных критериев оценки кэшбэк-сервиса
