Говорит Вселенная. Радиоастрономия

0
83
views

На протяжении нескольких столетий астрономы вы­нуждены были довольствоваться изучением окружаю­щего мира лишь через сравнительно небольшое оптиче­ское «окно прозрачности» в атмосфере. Второе «окно прозрачности» электромагнитных волн, расположенное в радиодиапазоне, долгое время не удавалось использо­вать. Дело в том, что космическое радиоизлучение, по сравнению со световыми лучами, несет с собой ничтож­ную энергию. И уловить его можно лишь при помощи чрезвычайно чувствительных приемников радиоволн.

История радиоастрономии — науки о радиоголосах Вселенной — напоминает увлекательный приключенче­ский роман. Здесь были и неоправдавшиеся сенсации, и неожиданные открытия, и блестящие предвидения.

Первые сообщения о таинственных радиопередачах из космоса появились на страницах газет уже вскоре после того, как было изобретено радио. Какие только предположения не строились па этот счет. Но, увы, за­гадочные «космические» сигналы оказались просто ра­диопомехами вполне земного происхождения. Приемники тех времен работали только в диапазоне длинных воли. А такие волны вообще не могут проходить сквозь верх­ние электропроводящие слои земной атмосферы», так называемую ионосферу.

Настоящая встреча с космическими радиоволнами произошла только в 1931 г. Было замечено, что коротко­волновые радиоприемники улавливают какие-то стран­ные сигналы непонятного происхождения. Вскоре уда­лось установить, что сигналы повторяются через равные промежутки времени, в течение которых Земля как раз успевает совершить очередной полный оборот вокруг своей оси. Это наводило на мысль о том, что таинствен­ные радиостанции расположены где-то за пределами земной атмосферы, в космическом пространстве.

 

Но одно лишь открытие, даже, самое удивительное, само по себе еще не делает науки. Для этого нужны соответствующие технические средства. А в начале30-х годов таких средств не было. Они появились только в следующем десятилетии. И тогда ученые еще раз встретились с радиоголосами космоса. Встретились совершенно неожиданно и при необычных обстоятель­ствах.

 

Это произошло в годы второй мировой войны. Гит­леровская авиация обрушила бомбовые удары на сто­лицу Великобритании Лондон. Первое время фашист­ские самолеты чувствовали себя безнаказанными. Но вскоре англичане применили секретное оружие… Охрану побережья приняли на себя чуткие антенны радиолока­торов. Невидимыми лучами ощупывали они небо и, при­нимая отраженные от фашистских самолетов радиовол­ны, вовремя сообщали противовоздушной обороне об их’ приближении. Стервятники получали достойный отпор. Небо над Англией было для них закрыто.

И вдруг у фашистов нашелся таинственный союзник. Когда немецкие самолеты появлялись в утренние часы со стороны пролива, эфир заполнялся неизвестными ра­диосигналами. Они искажали показания локационных станций, путали операторов. На экранах локаторов изо­бражения фашистских самолетов безнадежно терялись в океане помех. Самолеты прорывались к городу и успевали сбросить свой смертоносный груз.

Английское военное командование отдало приказ: во что бы то ни стало обнаружить таинственную радио­станцию помех и любой ценой уничтожить ее. Однако приказ удалось выполнить только наполовину. Неизве­стная радиостанция была обнаружена. Но разбомбить ее оказалось выше сил человеческих, так как располо­жена она была не в Европе, а на расстоянии… 150 млн. км от Земли. Английским локационным стан­циям мешало своими радиопередачами… Солнце.

 

Так было обнаружено, что наше дневное светило представляет собой мощную космическую радиостанцию. Собственно говоря, само по себе открытие, о котором идет речь, не было чем-то абсолютно неожиданным. Уже задолго до этого астрономы и физики предполагали, что многие космические тела должны излучать радиоволны. Еще выдающийся русский ученый Столетов говорил, что Солнце излучает не только свет, но и другие электро­магнитные волны.

Окончилась война. Оружие защиты превратилось в оружие наступления. Но повели его не солдаты, а астро­номы. Новый «вестник далеких миров» оказался необы­чайно эффективным. Он во многом обогнал своего пред­шественника — световые лучи. И в этом нет ничего уди­вительного, так как радиоволны обладают целым рядом замечательных свойств. Главное из них состоит в том, что они могут свободно проникать сквозь пыль, облака, межзвездную среду — там, где видимый свет пройти не может. Благодаря этому космические радиоволны позво­лили ученым заглянуть в самые потаенные уголки Все­ленной, недоступные обычным телескопам.

 

Радиоволны могут рассказать много интересного не только о тех космических объектах, которые их поро­ждают, но и о тех, сквозь которые они проходят по до­роге к Земле.

Подобное «просвечивание» космическими радиолу­чами позволяет астрономам получать, например, очень интересные данные о слоях солнечной атмосферы. Ис­точником этого «просвечивающего» излучения является в данном случае одна из самых мощных космических радиостанций, так называемая Крабовидная туманность. Ежегодно в середине июля Солнце в результате движе­ния нашей планеты в мировом пространстве оказывается для земного наблюдателя на одной прямой линии с Крабовидной туманностью. Благодаря этому ее радиоволны по дороге к Земле проходят сквозь солнечную корону. Изменения, которые они при этом испытывают, позво­ляют судить о физическом состоянии верхних слоев сол­нечной атмосферы.

Немаловажное преимущество нового вестника Все­ленной заключается еще и в том, что создание мощных приемников космического излучения, так называемых радиотелескопов, представляет собой менее сложную в техническом отношении задачу, чем постройка крупных оптических телескопов.

 

При шлифовке зеркал, предназначенных для собира­ния света, требуется колоссальная точность. Так, напри­мер, теоретически допустимое отклонение от рассчитан­ной формы для зеркала шестиметрового телескопа со­ставляет всего лишь одну двадцатую долю микрона. Это объясняется тем, что электромагнитные волны чувстви­тельны к неоднородностям, размеры которых сравнимы с длиной их волны. Поэтому для очень коротких волн, а именно таковы световые лучи, требования к отражаю­щей поверхности весьма жестки.

Иное дело радиоволны, длина которых значительно больше. При обработке зеркал, которые должны соби­рать такие волны — антенн радиотелескопов, — вполне можно удовлетвориться и значительно меньшей точно­стью. В некоторых случаях таким зеркалом может слу­жить, простая металлическая сетка с более или менее крупными ячейками или даже система натянутых про­волок.

И хотя строительство радиотелескопов — сравнитель­но молодая отрасль современной техники, оно по мас­штабам создаваемых инструментов уже далеко обогнало обычное телескопостроение. Так, например, радиотеле­скоп английской радиоастрономической станции в Джо-дрелл Бэнк имеет зеркало диаметром 76 м. Эта гигант­ская установка способна улавливать космические радио­сигналы длиной от 20 см и выше. С помощью этого радиотелескопа советские и английские ученые не раз проводили совместные эксперименты по приему радио­сигналов, отраженных от поверхности искусственных спутников Земли и различных небесных тел.

Целый ряд мощных радиотелескопов созданы и совет­скими учеными. Вот один из них. Это большой радиоте­лескоп РТ-22 Физического института имени П. И. Лебе­дева Академии наук СССР, разработанный советски­ми учеными П. Д. Калачевым и А. Е. Саломоновичем и введенный в строй в 1959 г. на Окской радиоастро­номической станции вблизи Серпухова. Он имеет изго­товленное с большой точностью металлическое зеркало поперечником в 22 м, которое несмотря на огромный вес в 463 т, может быть легко наведено на любую точку неба.

Второй экземпляр двадцатидвухметрового радиотеле­скопа установлен на Крымской астрофизической обсер­ватории. От своего серпуховского брата он отличается еще более высокой точностью обработки поверхности металлического приемного зеркала. Она достигает (1,5 мм — точность, еще невиданная для инструментов подобного класса. Это позволяет производить измерения очень коротких космических радиоволн — вплоть до 4—5 мм.

На Окской станции по проекту П. Д. Калачева, В. В. Виткевича и И. Д. Калинина построен один из крупнейших в мире радиотелескопов — крестообразный и специальных синхронизирующих устройств они мо­гут строго одновременно поворачиваться на угол до 135°.

Аналогичный принцип положен и в основу устройства радиотелескопов Института радиофизики и электроники АН УССР, которые расположены в степи между Изюмом и Чугуевом, недалеко от Харькова. Эти инструменты также состоят из целого ряда соединенных между собой отдельных антенн-вибраторов различной конфигурации, расположенных на большой плошали.

Интересно отметить, что этот радиотелескоп будет работать на метровых волнах, т. с. в таком диапазоне, для изучения которого в мире пока еще почти нет мощ­ных инструментов.

Управление харьковским радиотелескопом должно осуществляться с помощью электронно-вычислительной машины, которая в соответствии с заданной программой будет направлять его в определенную точку неба.

Своеобразный радиотелескоп создан учеными Пулков­ской обсерватории под Ленинградом. Он построен по расчетам проф. С. Э. Хайкппа и кандидата физико-мате­матических наук Н. И. Кайдановского. Телескоп состоит из нескольких десятков больших металлических щитов, расположенных рядом друг с другом по огромной дуге на протяжении 330 м. Отраженные этим необычным зер­калом радиоволны улавливаются антенной, установлен­ной на особой тележке, которая может перемещаться по специальным рельсам. Изменяя наклон щитов и поло­жение антенны, можно вести наблюдение за различными участками неба.

Любопытный проект гигантского радиотелескопа предложен армянскими учеными. Огромную чашу его антенны поперечником в 100 м они предполагают сделать неподвижной. Она будет покоиться в углублении, вре­занном в скалу. Над главной антенной укрепляется по­движное зеркало диаметром около 14 м. В свою очередь это зеркало будет связано с оптическим телескопом. Поворачивая вспомогательное зеркало, ученые смогут направлять радиотелескоп в любую точку неба и одно­временно наблюдать те же участки в обычных световых лучах. Такое устройство позволит отождествлять радио-объекты Вселенной с оптическими.

В настоящее время советскими учеными разрабаты­ваются проекты оригинальных радиотелескопов новой конструкции. Эти инструменты должны состоять из очень большого числа независимых подвижных элемен­тов. Как показывают вычисления, комбинация подобных небольших антенн способна заменить обычный радиоте­лескоп с антенной в десятки и даже сотни раз большей площади. А это значит, что открывается возможность сравнительно простыми средствами создать радиотелескопы, мощность и чувствительность которых значи­тельно превосходила бы мощность и чувствительность самых крупных современных инструментов.

Кстати, о чувствительности современных радиотеле­скопов. Однажды в обсерватории Кембриджского уни­верситета в Англии была организована выставка, по­священная радиоастрономии. Одним из экспонатов этой выставки служил обыкновенный стол, на котором лежала купа бумажных листков. Посетителям предла­галось взять один из листков. Сделав это, он мог прочи­тать на нем следующие слова: «Взяв со стола эту бумажку, вы затратили больше энергии, чем радиотелескопы всего мира приняли за всю историю радиоастро­номии».

Чувствительность этих устройств продолжает возра­стать. Поэтому есть все основания рассчитывать, что с их помощью в недалеком будущем удастся получить еще немало необычайно важной информации.

Любопытно, однако, что с увеличением чувствитель­ности приемного устройства радиотелескопов у них по­является серьезный враг — новый источник радиопомех. Это — сама Земля. Как и всякое нагретое тело, как и другие планеты солнечной системы, наша собственная планета является источником радиоволн. И эти волны уже начинают мешать сверхчувствительным приемни­кам. Видимо, в будущем придется ограждать антенны радиотелескопов от земного радиоизлучения с помощью специального защитного экрана. А для того, чтобы и сами экраны не излучали (ведь они тоже являются на­гретыми телами), их надо будет специально охлаждать сильными охладителями, быть может, жидким азотом или даже жидким гелием.

Радиоастрономия — молодая наука. Она насчитыва­ет немногим более 20 лет своего существования. Однако, несмотря на это, она быстро сделалась важным мето­дом изучения Вселенной.

Сегодня, пожалуй, трудно найти такую обсервато­рию, где наряду с «традиционными» астрономическими наблюдениями ученые не занимались бы приемом и изучением радиоголосов космоса.

Новый способ исследования Вселенной позволяет как бы «взглянуть» на окружающий мир другими глазами и увидеть незнакомые ранее картины. Ведь источники ра­диоизлучения далеко не всегда совпадают по своему расположению и мощности с источниками видимого све­та. Кто, например, в ясный солнечный день не любо­вался бездонной голубизной неба, не радовался велико­лепному разнообразию красок окружающей природы. Но представьте себе, что наши глаза были бы чувствительны не к световым лучам, а к радиоволнам длиной от 3 до 5 м. Тогда, взглянув на небо, мы увидели бы примерно такую картину: на месте Солнца — яркое пят­но, гораздо больших размеров и неправильной формы; справа и слева от него еще два таких же ярких свети­ла— мощных источника космического радиоизлучения.

А если бы паши глаза воспринимали еще более длинные волны, от 15 до 25 м. то окружающий мир предстал бы перед нами в еще более необычном виде. На исключительно ярком фоне ослепительного неба мы увидели бы темное пятно — наше дневное светило.

Хотя наблюдения с помощью современных радиоте­лескопов приносят сравнительно небольшое количество информации, ценность этой информации чрезвычайно велика.

Представьте себе военачальника, который готовится к сражению с противостоящей ему вражеской армией. Он может получить от своей разведки данные о про­тивнике, в которых будут точно указаны фамилия, имя и отчество каждого солдата, год и место его рождения, рост, вес, цвет глаз, цвет волос и т. п. Объем подобной информации будет чрезвычайно велик, а ценность ее — ничтожной. В то же время можно получить гораздо более сжатую, но куда более содержательную информа­цию, например, час наступления противника и направ­ление главного удара.

Ценность радиоастрономической информации объ­ясняется прежде всего тем, что большинство источников космического радиоизлучения находится в активных, не­равновесных состояниях. А именно такие объекты мо­гут больше всего рассказать о закономерностях процес­сов, происходящих во Вселенной. Оптически эти объекты могут почти не выделяться, между тем радиоизлучение является прямым следствием их необычного физическо­го состояния. В то же время проведение параллельных оптических и радионаблюдений одних и тех же объектов дает чрезвычайно важный сравнительный материал для все более глубоких выводов о природе различных космических процессов.

Информация, содержащаяся в космических радио­волнах, обладает еще одним важным достоинством — новизной. Она содержит большое количество сведений, которые мы не могли получить с помощью других мето­дов. Благодаря этому радиоастрономия указала ученым на целый ряд неизвестных ранее космических объектов.

Так, например, советскими радиофизиками на Ок­ской радиоастрономической станции ФИАН и в Пул­ковской обсерватории было обнаружено и исследовано радиоизлучение возбужденного водорода. Это излучение возникает при переходе возбужденных атомов с одного энергетического уровня на другой.

Анализ излучения возбужденного водорода позво­ляет измерять скорость движения межзвездного веще­ства, определять размеры его скоплений, изучать их распределение в Галактике.

Попутно было сделано еще одно неожиданное от­крытие. Оказалось, что в космических условиях атомы водорода могут как бы раздуваться и достигать разме­ров, колоссальных с точки зрения наших обычных пред­ставлений— до одной тысячной доли миллиметра к по­перечнике.

Это открытие еще раз наглядно подтвердило, что в космосе мы можем встретить совершенно необычные об­разования и состояния материи.

Интересно отметить, что радиоастрономия может сослужить людям и чисто практическую службу. Как из­вестно, одним из важных применений астрономии всегда являлось определение географических координат по по­ложениям небесных светил. Но подобные наблюдения на­ходятся в полной зависимости от состояния погоды. От­крытие мощных источников космического радиоизлучения положение которых па небе известно с большой точ­ностью, открывает в этом направлении хорошие воз­можности, так как радиоволны свободно проходят сквозь любую облачность. В настоящее время для подобных измерений уже созданы специальные приборы — радио­секстаны. Можно думать, что радионавигационные на­блюдения будут иметь важное значение и в дальнейших космических полетах.

 

Приглашаем Вас обсудить данную публикацию на нашем форуме о космосе.

Комаров В. Н. «Увлекательная астрономия» 1968 год. «Наука»

 

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here