Поиск тёмной материи: подробно о загадочном

«Мой старый принцип расследования состоит в том, чтобы исключить все явно невозможные предположения. Тогда то, что останется, является истиной, какой бы неправдоподобной она ни казалась», – говорил знаменитый сыщик Шерлок Холмс. Именно таким методом ученые ищут темную материю.

Мы живем в темном и холодном мире. Хотя Вселенная сияет звездами и квазарами, несветящихся объектов в ней много больше. Среди них планеты и планетоиды, кометы, коричневые карлики, околозвездные газопылевые диски и гигантские газовые облака — родоначальники новых звезд. Температуры этих объектов варьируют от нескольких десятков до примерно тысячи кельвинов, поэтому они испускают невидимое человеческому глазу инфракрасное электромагнитное излучение. Такие же лучи приходят к нам и от очень далеких галактик, чей свет по дороге к Земле претерпевает большое красное смещение.

У инфракрасного диапазона имеются вполне почтенные соседи. Справа (со стороны более коротких волн) к нему примыкает оптический спектр, а слева — субмиллиметровый диапазон, на котором «светят» самые холодные скопления космического газа с характерной температурой порядка 10 К. Наблюдения космических объектов в инфракрасных лучах составляют предмет ИК-астрономии. На авансцену науки о космосе она вышла сравнительно недавно, но зато сейчас развивается чрезвычайно быстро.

IRAS, год: 1983

Инфракрасная орбитальная обсерватория, запущена с космодрома Ванденберг с помощью ракеты-носителя «Дельта-3910»

Первые шаги

Инфракрасные лучи открыл великий астроном Уильям Гершель, и отнюдь не случайно. В 1790-е годы он занимался телескопическими наблюдениями солнечных пятен, а для защиты глаз пользовался цветными фильтрами. Именно тогда он заметил, что кожа чувствует тепло по-разному в зависимости от цвета фильтра. В 1800 году Гершель вплотную занялся тепловым действием солнечного света, разлагая его на отдельные цвета с помощью стеклянной призмы и измеряя степень нагрева в разных участках спектра. Обнаружив, что температура больше всего растет в красной зоне, он поместил термометр за ее границами и увидел, что нагрев продолжается. Так было выявлено невидимое излучение, которое Гершель назвал ультракрасным. Во второй половине XIX столетия астрономы начали осваивать новые приборы для тепловых измерений — термопары, термостолбики, радиометры и платиновые болометры, использовавшие сильную зависимость сопротивления этого металла от температуры. Первые успехи были весьма скромны, но эти методы со временем позволили выявить сотни линий поглощения в ближнем и среднем ИК-диапазонах солнечного спектра и тем самым получить информацию о составе солнечной атмосферы. С их помощью был выполнен анализ ИК-излучения ряда ярких звезд и определены их температуры. Немалую пользу этим исследованиям принесли вакуумные термопары, изобретенные профессором МГУ П. Н. Лебедевым (тем самым, который впервые измерил давление света) и приспособленные для нужд астрономии Уильямом Кобленцем. В ходе таких наблюдений были обнаружены первые звезды-сверхгиганты Ригель и альфа Геркулеса.

iSO, год: 1995

Орбитальный космический телескоп, запущен с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-4»

Пожалуй, главное открытие той эпохи сделал в 1930 году американский астроном швейцарского происхождения Роберт Трамплер. Он обнаружил поглощение звездного света в космическом пространстве и совершенно правильно приписал его рассеянию на частицах межзвездной пыли. Вообще-то Трамплер пришел к этому выводу на основе оптических наблюдений, но его результаты стали крупнейшим вкладом в ИК-астрономию.

Пора становления

В первые десятилетия второй половины ХХ века ИК-астрономия обрела мощные аппаратные ресурсы, радикально расширившие ее возможности. В ее арсенал вошли высокочувствительные полупроводниковые болометры, прототипы которых в предшествующие годы были созданы в военных лабораториях (см. «ПМ» № 7'2015). Были разработаны методы охлаждения этих детекторов сжиженным газом — сначала азотом, а потом и гелием (для этого американский астроном Фрэнк Лоу придумал специальный металлический дюар, который применяют и сейчас). Все это дало возможность проводить наземные наблюдения во всех участках ближнего и среднего ИК-диапазонов, прозрачных для теплового излучения. Вообще-то детектор Лоу мог регистрировать даже излучения с длиной волны вплоть до миллиметра, но для таких измерений требовались высотные и космические платформы.

Spitzer, год: 2003

Космический аппарат научного назначения, запущен с космодрома на мысе Канаверал ракетой-носителем «Дельта-2»

Создание полупроводниковых детекторов повлекло за собой и появление ИК-телескопов. Первый такой инструмент со 152-см апертурой начал действовать в 1970 году в обсерватории на горе Леммон в Аризоне. Во второй половине 1970-х увидели первый свет три телескопа с апертурами от 300 до 380 см в Чили и на Гавайях. В конце 1974 года встала на двадцатилетнюю вахту американская летающая обсерватория имени Койпера — 90-см ИК-телескоп на борту переоборудованного военно-транспортного самолета. С ее помощью были обнаружены кольца Урана, водяные пары в атмосферах Юпитера и Сатурна и собрана информация о синтезе тяжелых ядер при взрыве сверхновой 1987А.

Главными достижениями ИК-астрономии в 1950—1970-е годы стали наблюдения процессов рождения звезд из коллапсирующих газовых облаков, открытие пылевых оболочек, окружающих погибающие звезды, и накопление массива данных о межзвездной пыли.