День Австралии и знаменательная веха в истории астрономии
Сегодня в Австралии выходной - отмечается День Австралии, национальный праздник призванный увековечить прибытие первой группы кораблей с переселенцами (First Fleet) и поднятие британского флага в этот день в 1788 году. Флаг был поднят капитаном (а в последствии адмиралом и губернатором) Артуром Филлипом на территории современного Сиднея, и эта дата считается датой основания первого постоянного европейского поселения в Австралии и, соответственно, датой основания колонии Нового Южного Уэльса. По традиции, австралийцы отмечают этот день с пивом и барбекю, возможно на пляже, если погода не подкачает. Но я сегодня хочу рассказать совсем о другом событии, событии научного толка, которое произошло в Сиднее в этот же день 70 лет назад и во многом явилось катализатором изменений наших представлений о Вселенной. Это событие - первое наблюдение астрономического источника на радиоинтерферометре.
Реплика этого инструмента показанная на фото (хотя на фото более поздняя, скажем так, "продвинутая" версия инструмента, чем использовалась для первых наблюдений) с мемориальной табличкой установлена в парке Rodney Reserve в тихом восточном пригороде Сиднея Dover Heights, и это единственное, что сейчас там напоминает о некогда существовавшей обсерватории. Добраться туда проще автобусом до пересечения Military Road и Blake Street, но можно и пешком дойти от парома в Rose Bay или Watsons Bay, хотя это и не очень близко. Хороший ориентир - чешское генконсульство.
Честно говоря, до приезда в Австралию я как-то и не осознавал, что ряд значимых в истории радиоастрономии экспериментов были сделаны именно здесь. Как-то так интересно память работает, что запоминается сам научный результат, а не кем, и уж тем более, где он был сделан. Хотя конечно приехал я сюда именно потому, что в доле всей австралийской науки, астрономия занимает непропорционально большое место и имеет заметное мировое влияние для страны с таким маленьким населением. Но вот как-то не осознавалось в чем причина этого перекоса. Надо заметить, что своим существованием в современном виде страна в каком-то смысле обязана астрономическому событию - целью первой экспедиции капитана Кука было наблюдение прохождения Венеры по диску Солнца в южной части Тихого океана. Да и Южный Крест присутствует на флаге.
Во время Второй Мировой войны, и в Австралии, и в Англии, достаточно внимания уделялось радарным разработкам и совершенствованию радиоприемников. Когда война закончилась, это и дало неожиданные плоды, так как имелась техника, квалифицированный персонал и время для исследований в более широкой области. Надо напомнить, что в то время радиоастрономия находилась в своем зачаточном состоянии. Хотя эксперименты Карла Янского, радиоастронома номер один, и были в тридцатых годах, они всего лишь показали наличие радиоизлучения космической природы и связали его с Млечным Путём. Эти эксперименты не нашли особого отклика ни у радиоинженеров, ни у астрономов, и, по-этому, продолжены не были. Правда надо сказать, что Грёт Рёбер (Grote Reber) во многом развил эти первые достижения и, в частности, на момент описываемых событий успел открыть радиоисточник получивший название Лебедь А (самый сильный радиоисточник в созвездии Лебедя обозначался буквой А - пока их было известно мало, в каком-то смысле было удобно их так называть; сразу ясно где на небе он находится).
Первые австралийские эксперименты имели целью подтвердить наличие солнечного радиоизлучения, открытого незадолго до этого. Для этого использовались обсерватории, а по-сути, бывшие радарные станции, в уже упомянутом Dover Heights, а также Collaroy - прибрежном пригороде в северной части Сиднея. А где-то мне встречалось упоминание, что были попытки наблюдать даже из окна лаборатории. Но основной проблемой таких наблюдений с одиночными антеннами было очень низкое угловое разрешение. Решение базировалось опять таки на военном опыте - было достаточно хорошо известно, что в силу интерференции радиоволны с ее отражением от морской поверхности, усложнялось обнаружение низколетящих целей корабельными радарами, или радарами на скалах возле моря, как в случае со станциями в Dover Heights и Collaroy. С другой стороны, интерференционная картинка (или, как говорят, лепестки) позволяла достаточно точно определить высоту этого самолета. Этот эффект широко изучался в Англии с попыткой сделать с помощью тестовых полетов калибровочные таблицы для быстрого использования в боевых условиях.
На картинке - схема действия интерферометра, взято тут.
В общем, 26 января 1946 года состоялось первое наблюдение Солнца с помощью такого интерферометра (sea-cliff interferometer). И да, любопытный факт - первый радиоинтерферометр включал в себя только одну антенну (хотя, наверное, правильно сказать одну станцию, так как она состояла из нескольких антенн Яги, см. заглавную картинку). Основными действующими лицами были Линдзи МакКриди (Lindsay McCready; инженер и конструктор аппаратуры), Джо Пози (Joe Pawsey; руководитель группы и радиоинженер) и Руби Пэйн-Скотт (Ruby Payne-Scott; физик, наблюдатель, интерпретатор данных).
О Руби Пэйн-Скотт надо сказать несколько слов особо. Она считается первой женщиной-радиоастрономом и, считается, что в этих экспериментах ее роль - ключевая. Хотя в книге о ней, написанной Миллером Госсом и Ричардом МакГи, упоминается отсутствие достоверных доказательств, что она сама присутствовала при этих первых наблюдениях Солнца с интерферометром (а также тот факт, что эти первые наблюдения могли на самом деле быть сделаны из Collaroy, а не Dover Heights), также говорится, что обработка и интерпретация данных была, почти наверняка, целиком ее заслугой. А в радиоастрономии, особенно того времени, это львиная часть работы. По-этому, с моей точки зрения, ключевая роль ей приписывается по праву. На удивление, о Руби Пэйн-Скотт очень мало информации на русскоязычных ресурсах. Удалось, разве что, найти заметку mirsoglasnomne, написанную несколько лет назад в ответ на баннер выставленный Google в честь столетия со дня ее рождения. А в ее жизни на самом деле было много моментов достойных упоминания, хоть на первых ролях она продержалась и не очень долго - с прогрессом в наблюдениях компактных источников, солнечная физика отошла на второй план. Наверное один из самых известных фактов ее биографии - тайное замужество и увольнение из CSIRO, когда это замужество было сложно скрывать из-за беременности. По какой-то причине в то время замужним женщинам запрещалось занимать постоянные позиции на госслужбе (не знаю уж, какое логическое обоснование этому было придумано).
Возвращаясь к науке, наблюдения с интерферометром очень быстро показали, что размер области излучения на самом деле гораздо меньше, чем размер солнечного диска. И, вместе с наблюдениями сделанными ранее, стало понятно, что, во-первых, радиоизлучение связано с большой группой пятен, а во-вторых, его яркостная температура превышает 10^9 К. Кроме того, были заложены основы Фурье синтеза изображений, которые используются до сих пор, и во многом подготовлена почва для дальнейшего скачка, когда исследования сфокусировались на компактных источниках вроде уже упомянутого Лебедя А. Тут уже играли роль такие пионеры радиоастрономии, как Джон Болтон (John Bolton), Брюс Сли (Bruce Slee) и Гордон Стэнли (Gordon Stanley). Именно наблюдения из Dover Heights впервые указали на то, что угловой размер Лебедя А - меньше 8 угловых минут. А позже были найдены и другие "компактные" объекты - Телец А, Центавр А, Северная Корона А и еще пара источников. Если вы интересуетесь астрономией, то наверное уже сейчас спрашиваете, что еще за Северная Корона А? Определение абсолютных положений на интерферометре, который использует отражение от морской поверхности, оказалось непростым занятием из-за множества систематик, начиная от волнения моря, кривизны Земли и приливов и заканчивая преломлением радиоволн в атмосфере и необходимостью наблюдать невысоко над горизонтом. Модель задержек для интерферометров с несколькими антеннами, вроде современных интерферометров (см. например тут), или того, что был создан приблизительно во время описываемых событий в группе Мартина Райла в Кембридже (также интересен тот факт, что эта группа фактически переоткрыла интерферометр Майкельсона, подходя к проблеме с другой стороны), в первом приближении не зависит от рефракции. И это заметно упрощет ситуацию. Так что первые опубликованные положения на небе этих радиоисточников имели большие систематические ошибки. После уточнения, для которого потребовалось повторить наблюдения в Новой Зеландии, где можно было наблюдать один и тот же источник и на восходе, и на заходе, из одного и того же места, Северная Корона А превратилась в Деву А. В конечном счете (после еще нескольких итераций), английская и австралийская группы получили согласующиеся между собой результаты.
На фото пример записи сигнала источника Лебедь А, наблюдения с 4-х элементной антенной Яги на 200 МГц, фото (c) из архива CSIRO, ссылка тут.
Интернета в то время не было, так что имел гораздо большее значение факт личных связей в науке. Оптические астрономы были уже вовлечены в процесс поиска оптического отождествления странных радиообъектов (они все еще назывались радиозвездами) на раннем этапе, когда в положениях еще были большие ошибки. Так что, после объяснения и учета систематических отклонений, новые положения компактных радиообъектов были достаточно быстро отождествлены, Телец А - с Крабовидной Туманностью, 900-летним остатком сверхновой, а Лебедь А - со странной туманностью, природа которой была предметом жаркой дискуссии в то время, так как внегалактическая природа была не очевидна. Но самое главное, что это оптическое отождествление подхлестнуло интерес среди исследователей и, в конечном счете, привело к развитию радиоастрономии в ее современном виде.
Кстати, коль я уж заговорил о празднике в начале этой заметки, меня заинтересовал вопрос были ли наблюдения 26 января 1946 года сделаны в праздник или нет. Не то, чтобы меня удивляло, что ученые работают по выходным и праздникам, но было интересно разобраться в самом факте. Оказалось, что День Австралии действительно уже стал праздником во всех штатах и территориях к тому времени, но вот праздновался в ближайший к дате понедельник. А в 1946 году 26 января попадало на субботу. В то время в Австралии суббота была рабочим днем.
Полезные ссылки по теме:
1. Radio Astronomy At Dover Hights
2. Goss, W.M. (Miller) & McGee, Richard; Under the Radar: The First Woman in Radio Astronomy: Ruby Payne-Scott. Springer, 2010
3. Woodruff T. Sullivan, III, Some Highlights of interferometry in early radio astronomy, 1991, ASPC, 19, 132
Пара недавних фотографий с места где когда-то был установлен интерферометр в Dover Heights:
