Южный полюс

А теперь перенесемся на континент самого юга Земли, в Антарктиду. Центр Антарктиды примерно совпадает с южным географическим полюсом. 21 июля 1983 года в Восточной Антарктиде на советской антарктической станции «Восток» была зарегистрирована самая низкая температура воздуха на Земле за всю историю метеорологических измерений: 89,2 °C ниже нуля. Район считается полюсом холода Земли.

9 декабря 2013 года на конференции Американского Географического Союза группа американских исследователей сообщила о том, что 10 августа 2010 года температура воздуха в одной из точек Антарктиды опускалась до –93,2 °C (–135,8 ° Ф). Данные были получены в результате анализа переданной со спутника НАСА информации. Однако это значение не было зарегистрировано в качестве рекордного, поскольку определено в результате спутниковых измерений, а не с помощью термометра. Средние температуры зимних месяцев (в Антарктиде это июнь, июль и август) – от –75 до –60 °C, а летних – от –50 до –30 °C; на побережье зимой от –35 до –8 °C, а летом 0–5 °C. Помимо полюса холода, в Антарктиде располагаются точки самой низкой относительной влажности воздуха, там дует самый сильный и продолжительный ветер и зафиксирована самая интенсивная солнечная радиация. Это самый высокий континент на планете Земля, средняя высота поверхности континента над уровнем моря составляет более 2000 м, а в центре континента достигает 4000 метров. На тихоокеанском побережье расположены горы Антарктические Анды, их высота превышает 4000 м; самая высокая точка континента – 4892 м над уровнем моря в горах Элсуорт. Сам полюс находится на высоте немного выше 2800 м, причем 2700 из них всегда покрыты льдом. Антарктида отличается крайне суровым холодным климатом.

Американцы постоянно работают в Антарктиде с 1956 года. Конечно, условия работы изменились по сравнению с начальными, и новая базовая станция, официально открытая в 2008 году, больше напоминает круизный корабль. На ней могут одновременно жить 200 человек, там имеется фитнес-центр, спортзал, оранжерея, кинозалы, столовая работает круглосуточно, а Интернет – 9 часов в сутки, когда соответствующие спутники находятся над горизонтом.

В Антарктиде ученых больше всего интересует так называемый телескоп Южного полюса, появившийся там в 2006 году. Это один из самых крупных телескопов на поверхности Земли, он установлен на американской полярной станции «Амундсен – Скотт», а она в свою очередь – на самом Южном полюсе. Его диаметр составляет 10 м, высота 22 м, а вес 280 тонн. Стоимость – 19,2 млн долларов. Для строительства пришлось перевезти 235 метрических тонн материалов, причем обходными путями. Вначале грузы доставлялись в Крайстчерч в Новой Зеландии, одной из самых близко расположенных к Антарктиде стран. Уже оттуда, фактически из аванпорта Крайстчерча Литтлтона они переправлялись на антарктическую станцию Мак-Мердо на побережье Антарктиды. Это крупнейшее поселение, порт и исследовательский центр на шестом континенте. А уже оттуда было совершено 25 рейсов военно-транспортными самолетами, которые за один раз могли понять по 4500 кг.

Телескоп на Южном полюсе – это в некотором роде матрешка. Он состоит из многих частей, например, имеется специальная защита для антенны, блокирующая как можно больше света с земли – и множество составляющих внутри, предназначение которых понятно только узкому специалисту.

Телескоп Южного полюса расположен на высоте 2830 метров в окружении льдов. Этот телескоп был построен в первую очередь для изучения реликтового излучения. Как говорят сами ученые – это активный инструмент, зондирующий эволюцию Вселенной. Он ищет реликтовое излучение, получая все больше информации, больше деталей, уменьшая вероятность ошибки.

Проект финансируется Национальным фондом содействия развитию науки, в работе участвуют представители разных университетов. Холод, ветер, лед не мешают работе телескопа, но представляют трудности для обслуживающего его персонала, астрономов и астрофизиков, проводящих на нем исследования. С другой стороны, чистый и разреженный воздух Южного полюса является благом для всех: меньше искажений попадает в получаемые изображения. Самым важным для астрономии является сухость воздуха. Даже малые количества влаги могут поглощать микроволновые сигналы, а это значит, что фотоны не дойдут до телескопа. Эти испарения сами могут излучать сигналы такого же рода, а это в свою очередь означает, что наблюдатели могут ошибиться и принять влажность за историю. Технически, Антарктида – пустынный климат, снег идет редко. Снег на самом полюсе – это результат работы ветра, который миллионы лет приносит его сюда с периферийных частей континента. Вода практически не испаряется в атмосферу и не приносится от далекого и расположенного на три километра ниже океана. Потрескавшиеся от сухости руки у людей, работающих в Антарктиде, не заживают неделями, зато не приходится бороться с потом.

Место выбрано не случайно – фактически это лучшие условия для занятия астрономией на Земле. Следует отметить стабильность атмосферы из-за отсутствия нагревания и охлаждения, которые бывают там, где каждый день встает и садится Солнце.

В этой книге уже говорилось о теории возникновения Вселенной и ее «поведении» сразу после Большого взрыва. Проверить их можно только через косвенные наблюдения. Согласно основной принятой теории, всего через 10–36 секунд после Большого взрыва начался этап экспоненциального расширения, или инфляция. Источником этого процесса была некая энергия с отрицательной плотностью. Инфляционная теория объясняет неравномерность реликтового излучения и темную энергию. К тому же все оставляет следы.

Внезапная остановка инфляции должна была послать сквозь Вселенную гравитационные волны. В отличие от электромагнитных, эти волны легко могли пройти сквозь молодую непрозрачную Вселенную. Их частота и амплитуда связана со свойствами Вселенной в момент окончания инфляции.

В настоящее время разрабатываются эксперименты по регистрации гравитационных волн, предсказываемых общей теорией относительности. Аппаратура, установленная на Южном полюсе, должна их заметить, хотя пока этого не произошло. Она направлена на регистрацию самых мощных гравитационных волн, возникающих при столкновении двух черных дыр. Остатки древних волн тем более недоступны, опять же приходится обращаться к косвенным методам наблюдения, и снова – к реликтовому излучению. Оно должно хранить следы древних гравитационных волн.

Одна из камер телескопа Южного полюса (а к нему регулярно добавляется новое оборудование) предназначена для различения поляризации в реликтовом излучении. Это явление возникает при рассеивании электронов в излучении, но воздействие гравитационных волн должно слегка изменять картину. Продвигаясь через пространство и время, волна немного сдвигает электроны, из-за чего поляризация реликтового излучения меняется. Это изменение очень незначительно.

Кроме изменения поляризации из-за волн присутствуют намного более сильные изменения из-за неравномерно распределения материи, а значит и рассеиваемых электронов, во Вселенной. С помощью установленной аппаратуры американцы надеются запечатлеть происходившее в триллионную в третьей степени долю секунды после рождения Вселенной. Только что родившаяся Вселенная была невероятно плотная, горячая и наполненная мощным излучением. По мере расширения и остывания Вселенной наполнявшее ее вначале излучение становилось не таким заметным. Длины волн изначального излучения удлинялись вместе со Вселенной, и теперь, почти 14 млрд лет спустя, нам осталось от тех времен только слабое микроволновое излучение.

Исследование реликтового излучения – основной способ проникновения в тайны прошлого, в первые секунды после рождения Вселенной. Например, около 20 лет назад изучение еле заметных вариаций в интенсивности реликтового излучения в пространстве показало, что материя в молодой плотной Вселенной была распределена неравномерно. Там, где она незначительно скопилась, затем появились галактики.

Реликтовое излучение – фоновое космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютного черного тела с температурой около 3К. Оно наблюдается на волнах от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, оно практически изотропно. Происхождение реликтового излучения связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела очень высокую температуру и плотность излучения.

Читатели помнят, что в соответствии с теорией Большого взрыва ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму, которая состояла из электронов, барионов и фотонов. Фотоны постоянно взаимодействовали с остальными частицами плазмы, сталкиваясь с ними и обмениваясь энергией. Излучение находилось в состоянии теплового равновесия с веществом, а его спектр соответствовал спектру абсолютного черного тела. Но шло расширение Вселенной, и красное смещение приводило к остыванию плазмы, а электроны получили возможность соединяться с протонами (ядрами водорода) и альфа-частицами (ядрами гелия), таким образом появлялись атомы. Свободного пространства между частицами стало больше, заряженных частиц меньше, фотоны перестали так часто рассеиваться и смогли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Реликтовое излучение и составляют те фотоны, которые были в то время излучены плазмой, избежали рассеяния и до сих пор достигают Земли через пространство продолжающей расширяться Вселенной. Реликтовое излучение было предсказано еще в 1948 году Георгием Гамовым, Ральфом Альфером и Робертом Германом.

Один из ветеранов работы на Южном полюсе – Уильям Хольцапфель, астрофизик из Калифорнийского университета в Беркли, он начинал работать в Антарктиде, когда телескопа Южного полюса еще не было. Еще в студенческие годы он заинтересовался теорией Большого взрыва и принимал участие в нескольких проектах по его моделированию. Теперь ученый занимается поиском реликтового излучения в наиболее подходящих для этого условиях на планете Земля.

Телескоп Южного полюса – еще один из дюжин экспериментов, связанных с темной энергией, которые проводились и продолжают проводиться в XXI веке. Ученые исследуют эволюцию структуры Вселенной со времени Большого взрыва до того состояния, которое мы наблюдаем сегодня. Как говорит Уильям Хольцапфель, его цель – попробовать определить, как Вселенная стала такой, как сегодня. Более того, телескоп должен заглянуть и в будущее. То есть Хольцапфель интересуется и судьбой Вселенной, тем самым, чем занимались группы Сола Перлмуттера и Брайана Шмидта.