Для определения орбиты космической ракеты необходимо иметь возможность наблюдать ее положение в межпланетном пространстве. В принципе эту задачу можно решить двумя методами — радиофизическим и оптическим. Первый, радиофизический, метод позволяет с большой точностью определять расстояние до ракеты и с меньшей точностью — ее угловые координаты на небесной сфере. Обработка большого количества подобных наблюдений позволяет с достаточной точностью определить орбиту космической ракеты.

Другим, более «привычным» для астрономов методом, позволяющим решить ту же задачу, является оптический. Однако оптические наблюдения космической ракеты наталкиваются на значительные трудности. Дело в том, что отражающая солнечные лучи ракета, находящаяся на очень больших расстояниях от Земли, будет казаться очень слабой звездочкой. Чтобы почувствовать, как сильно упадет яркость ракеты на большом расстоянии, приведем следующий пример. Третий советский спутник, когда он находится на расстоянии около 300 километров от наблюдателя, представляется звездочкой приблизительно 4-й величины. Если бы он находился на расстоянии 300 000 километров, т. е. в тысячу раз большем, поток отраженного от него солнечного света (который обратно пропорционален квадрату расстояния) уменьшился бы в миллион раз. Это значит, что спутник казался бы нам звездочкой ничтожной яркости 19-й величины. На расстоянии 100 000 километров от Земли звездная величина спутника была бы около 16,5. Расчет позволяет оценить ожидаемую яркость ракеты во время ее движения в межпланетном пространстве. Находясь на расстоянии около 100 000 километров от Земли, ракета имеет яркость слабее 14-й звездной величины.

Такие слабые оптические объекты наблюдать весьма затруднительно. Нужно еще учесть, что космическая ракета должна была наблюдаться на фоне довольно яркого неба, так как она была близка к Луне, находившейся в последней четверти. Только в самые большие телескопы, находящиеся на немногих крупных обсерваториях, можно было бы наблюдать полет ракеты. Однако осуществление таких наблюдений наталкивается на ряд специфических затруднений, связанных с фотографированием слабых объектов при помощи инструментов с небольшим полем зрения в условиях повышенной яркости неба.

В создавшейся обстановке возникла необходимость разработки такого метода, который позволил бы увеличить яркость космической ракеты во много раз, пусть даже на сравнительно короткое время. Идею этого метода подсказала сама природа. Всем хорошо известно явление комет. Так, например, в феврале и в августе позапрошлого, 1957 года можно было наблюдать невооруженным глазом довольно яркие кометы. Некоторые кометы иногда достигали совершенно исключительной яркости, значительно превосходящей яркость самых ярких звезд и планет.

В чем причина свечения кометы?

Комета представляет собой довольно большое количество холодных камней и пыли. Когда комета подходит сравнительно близко к Солнцу, эти камни и пыль сильно нагреваются. При этом из них начинают выделяться различные газы, некоторые из которых обладают способностью весьма интенсивно рассеивать солнечный свет в отдельных спектральных линиях и полосах. Поэтому спектры комет содержат яркие линии и полосы, принадлежащие молекулам циана, углерода, ионизированным молекулам азота и т. д. Иногда в спектрах комет наблюдаются характерные яркие желтые линии натрия. В дальнейшем эти газы отбрасываются от Солнца световым давлением, что приводит к образованию у комет хвоста.

Фотография искусственной кометы, полученная в 3 часа 56 минут 20 секунд московского времени 3 января 1959 года на Горной станции Главной астрономической обсерватории Академии наук СССР вблизи Кисловодска начальником станции М. Н. Гневышевым. Так как при фотографировании применялся интерференционный светофильтр, то слабые звезды, окружающие искусственную комету, на фотографии не получились. Определение расположения искусственной кометы по отношению к звездам, необходимое для получения точных координат кометы, делалось при помощи специальных меток.

Явление интенсивного рассеяния некоторыми газами отдельных спектральных линий и полос (характерных для данного газа) давно известно в физике и называется резонансной флюоресценцией. В чем причина этого явления? Мы можем рассматривать каждый атом или молекулу таких газов как миниатюрную антенну, настроенную на определенную длину волны. Падающее излучение, если в его составе имеется излучение, на волну которого «настроен» атом, как бы «раскачивает» электроны в атоме.

При этом каждый атом-«антенна» станет излучать по всем направлениям электромагнитные волны той же самой длины.

Какова масса газов, находящихся в комете и вызывающих по причине резонансной флюоресценции ее свечение? Оказывается, что эта масса удивительно мала, разумеется, по астрономическим масштабам. Масса газов «средней» по размерам кометы, удаленной от Земли на огромное расстояние приблизительно в 100 000 000 километров и легко видимой невооруженным глазом, составляет всего лишь около 1000 тонн.

Тут естественно возникает вопрос: сколько нужно газа, чтобы комета была видна невооруженным глазом на расстоянии, скажем, 100 000 километров? Так как поток излучения обратно пропорционален квадрату расстояния, то, как легко убедиться, для этого нужно около 1 килограмма газа!

Отсюда следует, что если с борта космической ракеты выбросить даже небольшое количество паров подходящего вещества, то образуется облако, которое вполне может быть наблюдаемо. В качестве такого вещества удобно воспользоваться натрием. Как уже упоминалось выше, в спектрах комет наблюдаются характерные желтые линии натрия. Расчеты показывают, что облако паров натрия с массой в 1 килограмм на расстоянии 100 000 километров от Земли будет наблюдаться как объект приблизительно 6-й звездной величины. Эта величина является предельной для наблюдения невооруженным глазом в безлунную ночь. Рассеивающее солнечные лучи натриевое облако является исключительно мощным источником света.

Можно подсчитать, что мощность этого источника при массе паров натрия в 1 килограмм составляет около 7000 киловатт. Нужно еще иметь в виду, что коэффициент «световой отдачи» этого источника близок к 100 процентам. Таким образом, открывается совершенно реальная возможность увеличить яркость космической ракеты в несколько тысяч раз. Однако такое увеличение яркости возможно лишь на короткое время. Образовавшееся облако через одну — две минуты расширится настолько, что его поверхностная яркость станет очень маленькой, и оптические наблюдения станут невозможными.

Неоценимым достоинством натриевого облака является то обстоятельство, что оно рассеивает свет строго определенной длины волны 0,589 микрона (желто-оранжевая часть спектра). Это позволяет путем применения подходящих светофильтров проводить наблюдения натриевого облака, даже если оно проектируется на довольно яркий фон неба. Подобные светофильтры во много раз уменьшают яркость фона неба и почти не ослабляют излучение натриевого облака.

Камера, с помощью которой была получена фотография искусственной кометы.

С борта советской космической ракеты была создана подобная «комета».

При создании кометы нужно было обеспечить в течение короткого времени испарение натрия в атомарном состоянии, так как молекулы натрия, его соединения, а также ионы способностью интенсивно рассеивать солнечный свет не обладают.

Устройство (испаритель) для образования облака атомарного натрия производит испарение натрия при помощи термита, который воспламеняется в момент, заранее определенный программным устройством.

Предварительные испытания работы испарителя были проведены на высотных геофизических ракетах. Натрий был испарен при одном из подъемов ракеты на высоте 430 километров. Образовалось удивительной красоты золотисто-оранжевое облако, которое довольно медленно расплывалось в атмосфере. Это облако было видно на очень большой части территории Советского Союза. Обработка измерений яркости облака позволила определить количество испарившихся атомов натрия, которое оказалось довольно близким к теоретически ожидаемому при полном испарении. Попутно из анализа скорости расплывания натриевого облака удалось с большой точностью определить плотность земной атмосферы на такой большой высоте. Полученное значение плотности оказалось в хорошем согласии со значением, выведенным из анализа торможения искусственных спутников Земли. Как известно, эти значения плотности оказались неожиданно высокими.

Схематическая карта области неба, где была образована искусственная комета 3 января 1959 года.

Опыты по испарению натрия в атмосфере проводились в США, начиная с 1955 года. Однако эти опыты, произведенные на высотах 70-140 километров, ставили своей целью изучение ветров на этих высотах и химических реакций находящихся в этих слоях атмосферы газов с натрием.

Первый опыт советских ученых на высотной геофизической ракете, произведенный на значительно большей высоте — 430 километров, привел к существенно новым результатам и позволил впервые изучить явления в условиях разреженной среды.

Другой важной частью проекта создания искусственной кометы является разработка и изготовление специальных фотографических камер для проведения наблюдения вспышки натриевого облака. Для этой цели были изготовлены две серии светосильных камер — фотографических и электроннотелескопических. Эти камеры были снабжены высококачественными интерференционными светофильтрами и размещены в ряде пунктов Советского Союза.

Когда первая советская космическая ракета, имея на своем борту среди прочего оборудования аппаратуру для создания искусственной кометы, начала свой исторический полет, наземная сеть станций наблюдения, оснащенная специальной аппаратурой, была в состоянии полной готовности. Точно в предусмотренный программой момент времени — в 3 часа 56 минут 20 секунд московского времени 3 января 1959 года испаритель сработал и за несколько десятков секунд образовалась искусственная комета — облако паров натрия размером в сотню километров. В это время космическая ракета находилась на высоте 113 000 километров. По условиям видимости лучше всего ее можно было наблюдать в Средней Азии, на Кавказе, в Крыму. Хотя на большей части станций, где проводились наблюдения, стояла пасмурная погода, в отдельных пунктах искусственная комета успешно наблюдалась. Полученные фотографии позволяют с большой точностью определить угловые координаты космической ракеты и дают возможность уточнить траекторию ее полета.

Несомненно, методика создания искусственных комет будет в дальнейшем совершенствоваться. Конкретные пути такого усовершенствования намечаются уже сейчас.

Создание советскими учеными искусственной кометы открывает принципиально важную возможность сделать межпланетные ракеты будущего как бы «трассирующими». При этом они могут быть наблюдаемыми оптически с очень больших расстояний. Это имеет важное значение для будущего астронавтики.

«Правда» от 18 января 1959 г.