Радиотелескоп и радиометр
Видимый свет способен рассказать ученому немало интересного, но картина Вселенной была бы неполной, если бы астрономы не научились видеть невидимые излучения. Свет не может поведать о многих событиях в Галактике. Временами он просто не доходит до Земли из-за поглощения его межзвездной пылью. А нередко бывает и так, что какой-то космический объект вообще не испускает видимого света, хотя обильно посылает в мировое пространство невидимые волны. Все эти невидимые лучи изучаются особым разделом астрономии – многоволновой астрофизикой .
Что значит это название? Физика – это наука о самых общих законах природы. Поэтому астрофизикой называют ту область астрономии, где первоочередное внимание уделяется не движению небесных тел и не вычислению их положений, а изучению их природных (физических) свойств. Астрофизика отвечает на следующие вопросы: из чего состоят, как устроены и в каких условиях существуют те или иные космические объекты.
Слово «многоволновой» применяется потому, что все излучения движутся в пространстве волнами, в точности похожими на морские. Но если морские волны мы видим, то волны излучения – нет. Лишь волны видимого света, если они проникают через зрачок в наши глаза, способны восприниматься человеком. Связано это с разницей в длине волны, то есть в расстоянии между гребнями этих волн. Длина волн видимого света составляет от 3,8 до 7,6 тысячной доли миллиметра. Более короткие волны соответствуют проникающим и насыщенным энергией излучениям: ультрафиолетовому, рентгеновскому, гамма-лучам. Более длинные волны соответствуют инфракрасному излучению и радиосигналам.
История многоволновой астрофизики началась с радиоастрономии – науки о «бродящих» по космосу радиоволнах и их источниках. Как известно, чтобы испускать радиоволны, человеку необходимо собрать специальное устройство – радиопередатчик, оснащенный антенной. С такого передатчика сигнал будет поступать на радиоприемники. Приемник расшифровывает сигналы, которыми кодируются человеческая речь, пение, музыка и прочие звуки. Так работает радио.
Строго говоря, радиосигнал способен нести не только звуковую, но и зрительную информацию. А расшифровывает такое сообщение телевизор. Приходящие к нему из телецентра радиоволны телевизор разбивает на два потока – звуковой и зрительный сигналы. Затем каждый сигнал обрабатывается. На основе зрительного сигнала телевизор рисует картинку на своем экране, на основе звукового создает нужный звук в динамике.
Впервые передача радиосигнала была осуществлена в 1895 году русским изобретателем Александром Поповым (1859–1906). Но за тысячи лет до Попова испускать радиоволны умели разнообразные космические тела – планеты, звезды и даже галактики. Первым человеком, который узнал об этом, стал американский инженер Карл Янский (1905–1950). В 1931 году он изучал влияние грозы на радиопередачи. Дело в том, что молнии создают сильные помехи, засоряя радиоэфир собственными волнами. Такие помехи в радиотехнике принято называть шумом .
Янский направил специальную антенну на небо и в течение года отслеживал грозовые помехи, среди которых оказалась запись странных шумов, повторяющихся с периодичностью 24 часа. Именно за такой срок поворачивается вокруг оси земной шар. Все выглядело так, словно источник шумов где-то неподвижно висит, а планета регулярно поворачивается к этому сигналу своим боком. Янский догадался, что шумы приходят из глубин космоса. Более поздние исследования инженера показали, что источник шума находится где-то в центре Галактики.
Но затем началась Вторая мировая война, и открытия Янского на какое-то время оставили без внимания. Однако в 1945 году война закончилась, и с 1946 года началось систематическое изучение приходящих из космоса радиоволн. Оказалось, что сигналы испускаются преимущественно облаками холодного и горячего межзвездного газа, магнитными полями туманностей, ядрами галактик (включая и нашу), нейтронными звездами, вспышками сверхновых, а также множеством других источников.
Инструментом радиоастрономии являются радиотелескопы . В их устройстве нет никаких линз, потому что каждый радиотелескоп – это похожая на тарелку огромная антенна, снабженная высокочувствительным приемником (радиометром). У некоторых телескопов тарелка выполняется в виде каркаса, покрытого металлической сеткой. У других антенна и впрямь похожа на огромное блюдо, сплошь выложенное металлическими зеркалами.
Скажем, телескоп обсерватории Аресибо (ПуэртоРико) построен в кратере потухшего вулкана. Дно этого кратера залили бетоном, затем поверхность бетонного покрытия выровняли и нанесли на нее слой металла. Диаметр получившегося в результате этих работ телескопа составляет 300 м.
Это очень внушительная конструкция, но отнюдь не самая крупная. Среди астрономов вообще считается, что радиотелескопы с антенной менее 100 м – небольшие. Дело в том, что на Землю поступает так мало радиоволн и они настолько слабы, что поймать их обычными антеннами крайне сложно. А уж о целенаправленном изучении и говорить не приходится. Вообразите только: когда человек встает с кресла, чтобы включить в комнате свет, то затрачивает гораздо больше энергии, чем все радиотелескопы мира приняли за всю историю радиоастрономии.
Вот почему ученые старались строить как можно более крупные радиотелескопы. Самый большой инструмент такого рода находится в России, на Северном Кавказе, в Зеленчукской обсерватории. Это РАТАН-600, название которого означает «РАдиоТелескоп Академии Наук с диаметром около 600 м». Это гигантское сооружение расположено на высоте 970 м. Его антенна включает в себя 895 зеркал и занимает площадь 15 тысяч квадратных метров.
Сегодня астрономы все чаще прибегают к сооружению радиоинтерферометров . С оптическими интерферометрами мы уже знакомы. Радиоинтерферометры действуют точно так же. Каждый такой инструмент представляет собой несколько радиотелескопов, которые пересылают пойманные сигналы на общий радиометр. Тем самым обеспечивается большая четкость сигнала и высокая точность измерений.
Один из крупнейших радиоинтерферометров называется «Очень большая решетка» (Very Large Array, сокращенно VLA). Он находится в долине Сан-Августин, близ города Сокорро (США). Инструмент включает в себя 27 связанных в сеть антенн, каждая из которых достигает 25 м в диаметре. Строительство этого сооружения было завершено в 1980 году. Если учитывать расстояние между антеннами, то протяженность радиоинтерферометра составит 20 900 м.
...
В планах астрономов строительство на Луне радиоантенны, связанной с земными антеннами. Длина такого телескопа составит 384 тыс. км, а значит, и «зоркость» его превзойдет разрешающую способность всех построенных на сегодня инструментов.
Преимущества радиотелескопа перед оптическим состоят, во-первых, в том, что радиоволны исходят от любых объектов Вселенной, а вот свет испускают лишь немногие источники. Астрономы по радиоволнам открыли немало новых, совершенно неизвестных прежде космических объектов, о существовании которых и предположить не могли: радиогалактики, квазары, радиопульсары и проч.
Во-вторых, свет активно гасится межзвездным газом, а вот радиоволны свободно проходят через туманности.
И в-третьих, сооружать крупные оптические телескопы очень сложно, потому что приходится особо тщательно полировать зеркала и линзы. Поверхность многотонного зеркала должна быть идеальной – а ведь этого так трудно добиться! Зато поверхность антенны может иметь мелкие дефекты, которые не повлияют на точность измерений.
А поскольку радиотелескопы не имеют ограничений в размерах, то и разрешающая способность у них выше, чем у оптических телескопов. Современные радиоинтерферометры «видят» в сотни и даже тысячи раз лучше, чем рефлекторы.
Важно заметить, что наша планета тоже постоянно ощупывается радиоантеннами: искусственные спутники Земли проводят радиометрический контроль за погодой и прочими природными явлениями, изучают разнообразные процессы на земной поверхности и в атмосфере. Каждый день, слушая прогноз погоды, мы получаем ту информацию, которую собрали для синоптиков радиометры спутников.
Космические следопыты измеряют температуру и влажность больших объемов воздуха, следят за скоплениями туч, за ветрами и морскими течениями, за движением и таянием льдов. Но и это не все! Собственное радиоизлучение Земли сообщает ученым о свойствах горных пород, о распределении почв, о жизни больших растительных сообществ (лесов, степей и т. д.). Охрана природы, отслеживание лесных пожаров, поиск полезных ископаемых и многие другие функции сегодня возложены человеком на радиометрические спутники.
Другие виды телескопов
