Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы

Квазары были идентифицированы в 1963 г., а в 1967-м открыты радиопульсары. Им тоже нашлось применение в народном хозяйстве. Пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильными магнитными полями. Излучение возникает в их магнитосферах. Со временем выяснилось, что испускаются не только радиоволны, но и оптическое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рентгеновская астрономия начала развиваться в 1960-е гг., когда впервые соответствующую аппаратуру стали выводить в космос[149]. В результате полувекового развития рентгеновские детекторы стали компактными, надежными, недорогими и потребляющими мало энергии. Теперь их можно ставить в качестве не основной нагрузки спутника, а дополнительной. Почему это важно?

Дело в том, что пульсары обладают легко наблюдаемыми, уникальными и стабильными периодами вращения. Иначе говоря, пульсары легко идентифицировать по рентгеновским наблюдениям – каждый несет индивидуальную метку, что позволяет создать надежную систему ориентации спутника. Но это еще не все.

Наблюдения пульсаров позволяют определить скорость аппарата (например, относительно центра масс – барицентра, Солнечной системы) без связи с Землей! Если аппарат движется в сторону пульсара, то из-за эффекта Доплера период будет казаться короче, если в противоположную – длиннее. Наблюдение за парой десятков объектов, разбросанных по всему небу, позволяет с высокой точностью измерить трехмерную скорость аппарата.

Таким образом, рентгеновские наблюдения за пульсарами дают возможность реализовать автономную систему ориентации (определения координат и скоростей) спутника. Это важно, например, для межпланетных станций, находящихся далеко от Земли (сигнал идет туда-сюда несколько часов). В настоящее время все ведущие космические агентства ведут разработки подобных систем. Китайский спутник уже тестирует такой способ ориентации. Отдельные элементы системы опробуются на МКС в рамках американского проекта рентгеновского телескопа NICER. Российское и европейское агентства тоже пытаются не отставать.

Научные проекты в самых разных областях являются идеальными заказчиками разработок новых высоких технологий. Проводя современные фундаментальные исследования, ученые работают на пределе возможного. При этом каждый раз хочется отодвинуть этот предел, попытаться исследовать область, ранее недоступную для изучения по причинам несовершенства инструментов. Поэтому каждый новый астрономический спутник – не просто еще один прибор. Это, как правило, принципиально новый аппарат, который хотя бы по одному из существенных параметров (например, по чувствительности) превосходит предшественников на порядок. Спутники далеко не всегда можно делать просто больше по размерам. Это, во-первых, было бы дороже, а во-вторых, есть физическое ограничение, связанное с размером обтекателя ракеты или грузового отсека космического челнока. Поэтому приходится искать новые технические решения, т. е. ученые вообще и астрономы в частности выступают в роли двигателей технического прогресса. Запросы ученых многократно превосходят запросы других категорий заказчиков по уровню требований (разве только военные составляют тут конкуренцию, но разработки, сделанные для них, по очевидным причинам начинают использоваться, скажем так, в бытовой технике куда как медленнее). Существенно, что расходы по этим передовым разработкам, как правило, берет на себя государство, финансирующее фундаментальные исследования. В итоге фирмы получают для коммерческих приложений уже готовый и оплаченный продукт – разнообразные know how (или получают возможность разработать соответствующие технологии на бюджетные средства). Таким образом, государственные расходы на разработку и создание передовых научных установок обычно окупаются, так как являются инвестициями в развитие высоких технологий.

Без заказов со стороны фундаментальной науки нам пришлось бы очень долго ждать многих разработок. Одним из ярких известных примеров является создание важных элементов сети интернет. Необходимость проводить исследования в области физики элементарных частиц, где работают гигантские международные коллективы, привела к развитию системы коммуникации, которая со временем превратилась во Всемирную паутину.

Менее известным примером является история возникновения Wi-Fi. Ключевой элемент этой технологии был разработан радиоастрономом Джоном О'Салливаном (John O'Sallivan), работавшим тогда в Австралии. Интересно, что мотивацией заняться этой областью исследований для него была идея Стивена Хокинга об испаряющихся черных дырах. В 1970-е гг. Мартин Рис (Martin Rees) показал, что финальные стадии процесса могут сопровождаться радиовсплеском. Именно их хотел обнаружить О'Салливан.