§ 34. Методы радиоастрономии

Новый способ исследования космоса - радиоастрономия - возникла сравнительно недавно. За короткий срок ее существования она успела получить ценнейшие результаты, и хотя радиоастрономические наблюдения для любителя астрономии не доступны, тем не менее ему нужно иметь понятие как о методах радиоастрономии, так и о ее основных результатах.

Методы радиоастрономии можно разделить на пассивные и активные.

Пассивные наблюдения состоят в приеме и анализе радиоволн, приходящих из космоса. Огромные металлические зеркала современных радиотелескопов собирают в главном фокусе радиоволны; здесь помещен чувствительнейший радиоприемник, настроенный на определенную частоту. Он измеряет интенсивность пришедшего радиоизлучения. Изменяя частоту настройки, можно составить общую картину распределения энергии в радиоспектре, который бывает как непрерывным, так и монохроматическим, как у радиолинии водорода.

Таким образом, радиотелескоп одновременно выполняет функции спектрального прибора. Это, с одной стороны, хорошо, а с другой,- плохо. Выделяя монохроматический поток излучения, мы ослабляем воспринимаемую «радиояркость», чем затрудняем регистрацию излучения «слабых» радиообъектов. Для преодоления этого недостатка надо делать параболические зеркала радиотелескопов очень больших размеров, чтобы собрать как можно больше лучистой энергии.

Вторая причина, заставляющая увеличивать размеры зеркал,- дифракция радиоволн (и света). Зеркало не образует в своем фокусе точечного изображения точечного источника излучения. Здесь образуется дифракционный диск, окруженный дифракционными кольцами. Так как длины волн радиоизлучения велики, то и дифракционный диск имеет большие размеры. Чтобы их уменьшить, приходится изготовлять зеркало возможно большего диаметра. Это также необходимо и для того, чтобы определить точное положение излучающего объекта на небесной сфере.

Для уменьшения влияния дифракции разработан способ одновременного наблюдения одного и того же объекта двумя радиотелескопами, разнесенными на большое расстояние друг от друга. При этих наблюдениях используется явление интерференции волн.

Активная радиоастрономия - это радиолокация, исследователь посылает в пространство направленный поток радиоволн. Встречая на своем пути препятствие, этот поток рассеивается и часть его отражается к наблюдателю. Принимая отраженные радиосигналы, исследователь судит по их запаздыванию о расстоянии препятствия и о его свойствах. Раньше всего развилась радиолокация метеоров. Впоследствии радиолокация была применена к исследованию Луны, Венеры, Меркурия, Марса и окрестностей Солнца.

Большим достоинством радиометода является его чувствительность к изменениям частоты сигналов. Это дает возможность использовать принцип Доплера для определения лучевых скоростей как в пассивной, так и в активной радиоастрономии. В частности, именно благодаря этому удалось определить периоды осевых вращений Венеры и Меркурия.

Радиолокационный способ исследования планет заслуживает более детального рассмотрения. Как мы увидим, он основан на исследовании частотного профиля «отраженнго» сигнала. Для его построения создают график: по горизонтальной оси откладывают частоты радиоволн, а по вертикальной - их интенсивности.

К планете направляют мощный поток почти монохроматических радиоволн. К сожалению, нельзя послать строго монохроматического потока, но частотный профиль посылааемого мощного «сигнала» известен. Следовательно, все наши заключения о свойствах планеты можно будет сделать, сравнивая профили двух потоков - посланного и отраженного. Почему они могут отличаться друг от друга?

Хотя размеры планеты малы по сравнению с тем расстоянием, которое электромагнитное излучение пробегает в течение одной секунды, размеры планеты сказываются на форме отраженного сигнала. В самом деле, то место на планете, которое радиолуч встречает раньше всего, так называемая «субрадарная» точка, совпадает с тем местом, в котором Земля была бы видна в зените (рис. 79).

Рис. 79. К объяснению радиолокации планет. Стрелками указаны напрвления скоростей вращения

Кольцевые зоны, окружающие субрадарную точку, это те зоны, куда сигнал придет одновременно, но с опозданием. При этом опоздание будет тем больше, чем больше расстояние, отделяющее эту зону от Земли. Следовательно, общий сигнал, отраженный всей поверхностью планеты, складывающийся из сигналов, отраженных от каждой зоны, имеет иную форму, чем посланный с Земли. Если в какой-либо из зон есть область, обладающая повышенным отражением, то на профиле отраженного сигнала появится пик.

На форме сигнала сказывается также и осевое вращение планеты. Если ось вращения совпадает с направлением посланного сигнала, то никаких изменений в профиле отраженного сигнала мы не обнаружим. Если же ось вращения расположена иначе, то часть кольцевой зоны, например, правая, будет удаляться от нас, в то время как левая ее часть будет к нам приближаться. Это также изменит частоту отраженного сигнала, но уже за счет эффекта Доплера. При удалении отражающей .площадки длина волны будет возрастать, а частота - уменьшаться; при приближении - длина волны уменьшится, а частота увеличится. Таким образом, форма отраженного сигнала позволяет не только выявить осевое вращение планеты, но и определить его скорость.

Как определить направление оси вращения планеты? Для этого надо наблюдать ее не один раз, а многократно, при различных расположениях по отношению к Земле. Более того, по форме отраженного сигнала можно судить о направлении вращения планеты.

Радиолокационные исследования планет - мощный способ их изучения. Хотя посланный к планете сигнал, пройдя огромное расстояние, отделяющее Землю от планеты, становится не узко направленным, а «освещает» всю планету сразу, остроумный анализ профилей отраженного сигнала позволяет даже построить приближенную карту планеты, определить температуру ее поверхности и выяснить некоторые характеристики грунта.

Таким путем было исследовано вращение Меркурия и Венеры и построена карта Венеры, прочно окутанной облачным покровом.