Как война помогает науке: боевая астрономия
История связей между армейскими фундаментальной наукой и ведомствами началась в годы Первой Мировой и собрала силу на протяжении Второй мировой войны. Ядерная физика, радиохимия и гидродинамика без шуток продвинулись благодаря созданию ядерного оружия, прогрессу радиофизики содействовала разработка радиолокаторов, а потребности оборонки в вычислительных методах, твердотельной электронике и компьютерах стали причиной стремительному формированию IT.
Но имеется вещи и менее узнаваемые. Армейский пирог был очень питательным и для наук о Вселенной. Расширение наблюдательной базы астрономии за счет применения всех диапазонов электромагнитного спектра, увеличение разрешающей свойстве огромных оптических телескопов посредством лазерной техники, создание совокупностей связи с космическими аппаратами — все эти успехи применяли армейские разработки либо хотя бы частично — военное финансирование.
В инфракрасных лучах
Выход астрономии за рамки оптических наблюдений начался с освоения инфракрасного диапазона. Первым был британец Чарльз Пиацци Смит, что во второй половине 50-ых годов девятнадцатого века посредством термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. Во второй половине 70-ых годов XIX века физик и американский астроном Сэмюэл Пирпонт Лэнгли изобрел второй детектор, регистрирующий трансформации электрического сопротивления платиновой пластинки под действием теплового потока.
Прибор Лэнгли, что он назвал болометром, различал перепады температур порядка стотысячной доли градуса. С его помощью астрологи измерили тепловое излучение Солнца, Сатурна и юпитера, а после этого и самых Арктура и — ярких звёзд Веги. Но, сенсоры на термопарах также не остались без дела.
В 1915 году сотрудник американского Национального бюро стандартов Уильям Кобленц так повысил их чувствительность, что смог детектировать ИК-излучение свыше сотни светил отечественной Галактики. В 1920-е годы американские астрологи, в первую очередь Сет Николсон и Эдисон Петтит, приступили к первому систематическому инфракрасному мониторингу ночного неба.
Но прогресс ИК-астрономии в течение всей первой половины XX века сдерживался очень ограниченными возможностями устройств. термопары и Металлические болометры легко не хватает чувствительны для регистрации сверхслабого тепла туманностей и далёких звёзд. К тому же они не владеют спектральной селективностью (это указывает, что их показания зависят от дозы поглощенной тепловой энергии излучения, но не от его частотного состава).
Этим бедам имели возможность оказать помощь полупроводниковые устройства, но их тогда не существовало.
И вот тут астрономия взяла помощь от армейских. В первой половине 30-ых годов двадцатого века аспирант физического факультета Берлинского университета Эдгар Вальтер Кучнер начал изучать изменение электрического сопротивления кристаллов сульфида свинца (PbS) под действием теплового излучения (это свойство именуется фотопроводимостью). Уже на следующий год он взял финансирование от армейского министерства, которое заинтересовалось возможностью применения этого результата в устройствах ночного видения.
Во второй половине 30-ых годов XX века Кучнер возглавил разработку инфракрасных совокупностей для германских ВВС, которыми занималась компания Electroacustic в Киле. Во второй половине 40-ых годов двадцатого века Кучнер эмигрировал в Соединенных Штатах, где сперва трудился в лабораториях ВМФ, а позже в космической корпорации Lockheed. Инфракрасными совокупностями наведения для ракет и самолётов на базе сульфида таллия и сульфида свинца занимались и другие германские компании, в частности AEG и Carl Zeiss.
По окончании войны информация об этих разработках попала в Америку.
Подобные программы в 1940-е годы осуществлялись кроме этого в Соединенных Штатах и Британии. Подобно германским проектам, все они были очень сильно сохраняються в тайне. По окончании войны в Соединенных Штатах были созданы новые полупроводниковые детекторы инфракрасного излучения с применением теллурида и селенида свинца и антимонида индия; в английских лабораториях были созданы детекторы на базе соединения ртути, кадмия и теллура.
Уже в середине 1950-х такие детекторы показались в совокупностях наведения американских ракет класса «воздух-воздух» Sidewinder, каковые разрабатывались с 1946 года.
В осеннюю пору 1945 года о полупроводниковых детекторах ИК-диапазона определил перебравшийся в Соединенных Штатах голландский астролог Джерард Койпер (тот самый, в честь которого назван «пояс» далеких спутников Солнца, обращающихся за орбитой Плутона). Эти сведенья он извлек из бесед с германскими учеными, которых допрашивали американские армейские.
Койпер связался с физиком из Северо-Западного университета Робертом Кэшманом, что с 1941 года разрабатывал такие детекторы в Соединенных Штатах, и они договорились о совместном запуске программы наблюдений звезд и планет в ИК-диапазоне в техасской обсерватории Макдональд. Эта программа и стала первой ласточкой в области ИК-астрономии на базе полупроводниковых детекторов. В Англии подобные наблюдения скоро начал Питер Фелгетт, что в армейские годы также принимал участие в создании детекторов на базе сульфида свинца.
Полтора десятка лет астрологи по большей части применяли детекторы ИК-излучения, созданные в рамках оборонных программ. Но в первой половине 60-ых годов XX века доктор наук астрономии Аризонского университета Фрэнк Лоу изобрел высокочувствительный полупроводниковый болометр, что уже был специально предназначен для телескопических наблюдений.
С его помощью Лоу и его сотрудники сделали много превосходных открытий — в частности, установили, что галактические ядра сильно излучают в дальнем ИК-диапазоне. Но не обращая внимания на наличие гражданских детекторов, их изучения частично финансировались Пентагоном, потому, что руководство американских ВВС было заинтересовано в инфракрасном картировании небосвода (как считалось, оно имело возможность оказать помощь в идентификации советских баллистических ракет).
За пределами воздуха
Несложные радиотелескопы показались еще в 1930-х в чисто научных целях. Но бурное развитие радиоастрономии началось лишь в послевоенные годы, причем этому сильно помогли наработки в области радиолокационных совокупностей ПВО. Но в случае если радиоастрономия и ИК-астрономия появились еще до начала освоения космоса, то рентгеновская астрономия — детище ракетно-космического века.
Она просто не могла показаться раньше в силу законов физики. Воздух надежно защищает поверхность отечественной планеты от коротковолнового электромагнитного излучения, исходя из этого регистрация рентгеновских квантов внеземного происхождения вероятна только на громадных высотах. Рентген самых высоких энергий возможно найти посредством устройств, размещенных на борту стратостатов, но полностью рентгеновский диапазон раскрывается лишь при выведении аппаратуры конкретно в космическое пространство.
Первые опыты для того чтобы рода были осуществлены во второй половине 40-х годов в Соединенных Штатах, причем уже под эгидой Пентагона. Сотрудник вашингтонской Военно-морской исследовательской лаборатории Герберт Фридман тогда сконструировал модифицированный счетчик Гейгера, детектирующий кванты высоких энергий и потому талантливый засечь атмосферный ядерный взрыв. Посредством этих устройств американские ученые взяли данные об опробованиях первой советской ядерной бомбы 29 августа 1949 года.
С сентября его коллеги и Фридман начали отправлять новые счетчики в космос в носовых конусах трофейных германских ракет «Фау-2», каковые стартовали с военного полигона Уайт-Сэндз в штате Нью-Мексико. Первый же запуск принес наиболее значимую данные: Солнце испускает рентгеновские лучи.
Фридман уже тогда пробовал найти и рентгеновское излучение звезд, но чувствительности детекторов очевидно не хватало. Только в первой половине 60-ых годов двадцатого века его несколько нашла рентгеновское излучение Крабовидной туманности, которая появилась на месте вспыхнувшей в первой половине 50-ых годов одинадцтого века сверхновой, покинувшей по окончании себя нейтронную звезду. Но это не было первой регистрацией рентгеновского источника за пределами Нашей системы.
В первый раз данный прорыв в июне 1962 года совершили Риккардо Джаккони, Герберт Гурски, Фрэнк Паолини и Бруно Росси, причем и они много средств получили от щедрот американских ВВС.
Война на далеких звездах
Гамма-астрономия также испытывает недостаток в аппаратуре высотного либо, значительно лучше, космического размещения. Первый гамма-телескоп был послан в космос уже в первой половине 60-ых годов XX века — на борту американского спутника Explorer-11. Но самое сенсационное открытие в данной области сделано позднее, причем с прямым участием спутников космической разведки.
Во второй половине 50-ых годов двадцатого века руководство американских ВВС желало устроить ядерный взрыв на Луне (об этом стало известно только спустя 4 десятилетия). Дальше замыслов дело не пошло, но в Вашингтоне задумались, как найти советские ядерные опробования на обратной стороне Луны, если они состоятся. Физик из Лос-Аламоса Стерлинг Колгейт советовал воспользоваться спутниками с бортовыми детекторами гамма-излучения, которое в обязательном порядке сопутствует ядерному взрыву.
Данный проект назвали Vela (от испанского глагола velar — дежурить, отслеживать).
Аппараты семейства Vela уходили на орбиту парами (первая — в первой половине 60-ых годов двадцатого века) и имели на борту устройства для детектирования нейтронов, гамма излучения и-рентгена. Сначала эти устройства не отличались особенной чувствительностью, но запущенные в апреле 1967 года 350-килограммовые Vela-4 были оснащены в полной мере приличными гамма-сенсорами с временным разрешением порядка одной восьмой секунды.
Сигналы со спутников выдавались в виде компьютерных распечаток, но разбирали их вручную, автоматической обработки аналогичных данных тогда не было. Этим занималась маленькая группа из Лос-Аламоса, которая в настоящем времени трудиться просто не успевала. В следствии на эти за середину лета 1967 года в первый раз посмотрели только в марте 1969-го.
Как раз тогда Рей Клибсадел и Рой Олсон нашли на распечатках от 2 июля два импульса космического гамма-излучения. Первый был весьма маленьким, второй же растянулся на две с лишним секунды.
Ученые были 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 также может дать о себе знать потоком гамма-квантов. Потому, что иных объяснений не пребывало, первооткрыватели таинственного явления решили подождать и подкопить данные. Уже готовься к запуску спутники Vela-5, а через год за ними последовала и шестая пара.
На них было установлено лучшее оборудование, чем на Vela-4, и Клибсадел с сотрудниками сохраняли надежду, что с его помощью обстановка станет яснее. И вправду, к лету 1973 года устройства зарегистрировали 16 гамма-вспышек, источники которых, "Наверное," распределялись по небесной сфере случайным образом. Было разумеется, что эти источники очень далеки от Почвы и что в момент происхождения импульсы владели огромной энергией.
Сейчас уже не приходилось сомневаться в серьезности сделанного открытия. Клибсадел, Олсон и трудившийся с ними Йен Стронг в первый раз сказали о нем в заметке, опубликованной 1 июня 1973 года на страницах Astrophysical Journal Letters. И вдобавок через пара дней Клибсадел выступил с докладом на сессии Американского астрономического общества. Среди слушателей затесался репортер, захотевший определить, возможно ли растолковать вспышки ядерными битвами внеземных цивилизаций.
Клибсадел высказался в том смысле, что земные ядерные взрывы имеют совсем иные гамма-подписи, но a priori отрицать возможность галактических сражений он не берется. Желающему сенсаций журналисту хватило этого невинного замечания для статьи о звездных войнах, которая показалась в популярном таблоиде National Enquirer. Исходя из этого и оказалось, что и астрологи, и широкая публика определили об открытии фактически в один момент.
Природа гамма-вспышек продолжительно оставалась тайной. Только по окончании долгих изучений астрофизики заключили , что они появляются при гравитационном коллапсе весьма массивных звезд и при столкновениях нейтронных звезд. А ведь все началось с экзотического проекта разведки!
Эластичные зеркала
О том, что «дрожь воздуха» ограничивает разрешающую свойство любого астрономического оптического прибора, в 1703 году додумался великий Ньютон. Он же внес предложение для борьбы с этими помехами устраивать обсерватории на вершинах высоких гор. Впредь до создания космических телескопов это было единственным методом частичной нейтрализации атмосферных турбулентностей.
Первую идею коррекции атмосферных возмущений посредством вариабельной оптической совокупности телескопа в первой половине 50-ых годов XX века выдвинул американский астролог Хорейс Бэбкок. Он внес предложение покрыть фокусирующее зеркало телескопа узкой масляной пленкой и варьировать форму ее поверхности посредством электрических полей. Само собой разумеется, Бэбкок не предлагал применять еще не изобретенные лазеры и не думал о возможности создания деформируемых зеркал — до этого наука еще не дошла.
В любом случае, тогда его мысль была фактически неосуществима. Более реалистичную схему применения составного зеркала со смещаемыми элементами во второй половине 50-ых годов XX века внес предложение академик Владимир Линник.
Но все сдвинулось с места, в то время, когда приблизительно полвека назад в Пентагоне начали думать об применении телескопов для получения качественных фотографий советских спутников. Этому мешали атмосферные турбулентности, приводящие к расплыванию изображений (и к мерцанию звезд). Те же самые процессы мешали и разработке лучевого оружия для уничтожения боеголовок советских баллистических ракет, что входило в заявленную Рональдом Рейганом программу «звездных войн».
Исходя из этого из американских оборонных бюджетов отпускались большие деньги для изучения возможностей «прощупывания» неоднородностей воздуха посредством лазеров. Такие работы с середины 1960-х годов стали проводиться в большом исследовательском и конструкторском комплексе американских ВВС RADC (Rome Air Development Center) в штате Нью-Йорк. Позднее к ним подключились другие подразделения минобороны США и частные компании.
Данной программе в Пентагоне был присвоен большой уровень приоритетности. В первой половине 80-ых годов XX века армейские испытали первую действенную совокупность 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 для необходимо подчеркнуть, что американские разработчики обширно использовали способы анализа турбулентностей воздушного бассейна, развитые заведующим лабораторией Университета физики воздуха АН ССР Валерианом Ильичом Татарским.
Результаты, полученные на протяжении исполнения данной программы, продолжительное время не подлежали разглашению, но в первой половине 90-ых годов двадцатого века их частично рассекретили. Они были использованы для разработки так называемой адаптивной оптики «с неестественной звездой», весьма действенного способа компьютерной коррекции формы запасного зеркала телескопа.
Благодаря адаптивной оптике с лазерным отслеживанием атмосферных возмущений сейчас удалось так расширить разрешающую свойство наземных астрономических телескопов, что они смогут сейчас соперничать с космическими обсерваториями. Телескопы с зеркалами диаметром 8−10 м, оснащенные корректирующими совокупностями, снабжают угловое разрешение в 30−60 мс, тогда как без них оно при самых совершенных условиях не было бы ниже половины угловой секунды. Не просто так многие эксперты вычисляют эту разработку наибольшим достижением астрономической телескопии со Ньютона и времён Галилея.
Разговор с космосом
Космические аппараты должны приобретать команды с Почвы и отправлять обратно данные. Страны, участвующие в освоении космоса, располагают специальными радиотелескопами, предназначенными для дальней космической связи. Такую совокупность, Deep Space Network (DSN), имеет и NASA. В ее состав входят три станции, расположенные в Австралии, Испании и Калифорнии.
На каждой станции установлен радиотелескоп с поворотной параболической антенной 70-метрового диаметра и еще несколькими запасными телескопами с антеннами меньших размеров.
История данной совокупности снова восходит к потребностям Пентагона. Первый американский ИСЗ Explorer 1 ушел на орбиту в январе 1958 года. К этому времени в калифорнийской Лаборатории реактивного перемещения (JPL) была создана разработка телеметрического слежения Microlock, которая использовалась при опробованиях баллистических ракет.
В то время JPL была армейским исследовательским центром, и только в декабре 1958 года ее передали под контроль только что созданного гражданского агентства NASA. Созданная в том месте аппаратура была задействована на станциях слежения в Нигерии, Калифорнии и Сингапуре, каковые вели наблюдение за спутником. Как раз посредством данной совокупности на Землю пришла информация о существовании поясов Ван Аллена.
Неспециализированная концепция будущей совокупности глобальной космической связи кроме этого была создана в совокупности минобороны США. Эту работу выполнило Управление по перспективным исследовательским проектам (Advanced Research Projects Agency, ARPA), конкретно подчиненное Пентагону. Оно предложило создать на различных континентах три комплекса с замечательными радиотелескопами, поделёнными по долготе угловыми расстояниями примерно в 120 градусов.
Такое размещение снабжало надежное круглосуточное покрытие всех участков небосвода. ARPA закупило для будущих станций 26-метровые вращающиеся антенны, каковые в 1958—1961 годах были установлены в Калифорнии, Австралии и ЮАР. В первой половине 70-ых годов XX века южноафриканская станция была закрыта по политическим обстоятельствам, и третий узел сети DSN перенесли в Испанию.
К тому времени эта сеть уже давно была частью NASA, что, конечно, не отменяет ее военного происхождения.
Так что стремительный прогресс науки о Вселенной во второй половине двадцатого века в большой степени обязан покровительству Марса — не планеты, а римского всевышнего войны.
Сейчас технологии, созданные для армейских задач, существенно продвигают вперед фундаментальную науку. хороший пример этого процесса — современная астрономия.
На поверхности и над ней
Земная воздух имеет пара достаточно узких «окон прозрачности», так что с поверхности Почвы возможно заметить совсем немногое (по астрономическим меркам). Упрочнения армейских не только сделали вероятным выведение научной аппаратуры в космос, но и без шуток оказали влияние на становление радиоастрономии (которая трудится именно в одном из «окон прозрачности»).
По окончании продолжительных изучений ученые узнали, что гамма-вспышки появляются при гравитационном коллапсе весьма массивных звезд и при столкновении нейтронных звезд.
Адаптивная оптика
- Дальние родственники Датчики, созданные для головок самонаведения ракет, много содействовали и прогрессу астрономии.
Адаптивная оптика «с неестественной звездой» основана на отслеживании наведенного излучения атомов натрия, рассеянных в воздухе на высотах порядка 90−100 км. Состыкованный с телескопом лазер возбуждает эти атомы излучением на резонансной длине волны 589 нм. Возвращаясь в обычное состояние, атомы натрия излучают фотоны.
В то время, когда желтый свет данной «неестественной звезды» возвращается в телескоп, он проходит через атмосферные возмущения, следы которых остаются в его волновом фронте. Световой поток регистрируют датчики, каковые отправляют сигналы компьютерной совокупности, управляющей зеркалом с изменяемой геометрией. По командам компьютера рельеф поверхности зеркала «подстраивается» к возмущениям волнового фронта, улучшая разрешающую свойство телескопа.
В другом варианте свет зеленого лазера рассеивается на молекулах воздуха на 15−20-километровой высоте и также возвращается в телескоп.
Адаптивная оптика с лазерным отслеживанием атмосферных возмущений разрешила быстро расширить разрешающую свойство наземных астрономических телескопов.
Статья «Под покровительством Марса» размещена в издании «Популярная механика» (№153, июль 2015).
<
h4>