Радиоизлучение и «уши» астрономов - радиотелескопы

Всякое нагретое тело испускает электромагнитные волны - ультрафиолетовые, видимые, тепловые и радиоволны, но в разной пропорции, в зависимости от свойства тела и его температуры. Мы уже говорили, что для так называемого абсолютно черного тела - идеального излучателя Планк вывел формулу, показывающую, как будет распределяться энергия в его полном спектре в зависимости от температуры.

В нагретом теле происходит хаотическое тепловое движение частиц. Кинетическая энергия, т. е. энергия движения частиц при их столкновениях, переходит в энергию электрического и магнитного поля и выход электромагнитной энергии растет с ростом быстроты движений, которой и определяется температура. Солнце, звезды и облака межзвездного разреженного газа испускают тепловое радиоизлучение, которое мы можем измерять. Но есть и другие причины радиоизлучения.

Электрически заряженная частица при перемене скорости создает переменное электромагнитное поле, т. е. излучает энергию. Перемену скорости электрона, а именно торможение, производит протон, когда он притягивает пролетающий мимо него электрон.

Мощность этого излучения крайне мала, но в газах космического пространства электронов и протонов бывает множество и в сумме они иногда дают значительное радиоизлучение. Изменение скорости электронов и протонов может происходить и под действием магнитного поля. Оно заставляет электрон двигаться по спирали, и испытываемое им при этом ускорение порождает электромагнитное излучение, в частности, радиоизлучение. Это - процесс магнитотормозного излучения, и он также встречается в Космосе, где есть магнитные поля. В случае, когда электроны несутся со скоростью, близкой к скорости света, в магнитном поле тоже возникает магнитотормозное излучение, но с гораздо большей энергией. Оно называется синхротронным по названию применяемого в ядерной физике сооружения - ускорителя частиц - синхротрона, где такое излучение впервые наблюдалось. Электроны же, скорость которых близка к скорости света, называются релятивистскими. Синхротронное излучение тоже обнаружено в Космосе. Все перечисленные выше виды радиоизлучения образуют в радиодиапазоне частот такой же непрерывный, сплошной спектр, какой наблюдается в спектральном анализе. К сожалению, сплошное радиоизлучение небесных светил не доходит до нас целиком из-за его поглощения в земной атмосфере. Точнее, радиоволны поглощаются верхними наэлектризованными слоями атмосферы, называемыми ионосферой.

Окно прозрачности в ионосфере оставляет доступными для излучения длины волн от 16-20 м до 1г/4 см. Микрорадиоволны длиною около 1 мм проходят через атмосферу уже плохо. На этот раз им мешают не наэлектризованные слои воздуха, а водяной пар в атмосфере. Такие волны примыкают к тепловым волнам, а они, как известно, поглощаются водой очень сильно. Вот через это «радиоокно» мы только и выглядываем, если хотите - прислушиваемся, к тому, что делается в радиодиапазоне за пределами земной атмосферы. Только в этом диапазоне возможна и посылка радиосигналов с Земли в Космос. С межпланетных космических кораблей за пределами земной атмосферы теперь стал возможен прием и передача радиосигналов на любых частотах, но пока космические корабли еще не могут брать с собой на борт такую мощную радиоаппаратуру и такие запасы энергопитания, которые нужны для изучения очень слабого или очень далекого космического радиоизлучения.

Частота, на которой ведется широковещательная передача, в радиоприемнике преобразуется в звуковую частоту, в шум. Когда есть много помех, эти посторонние шумы заглушают интересующий нас концерт, особенно, если он передается слабой станцией или очень издалека. И в радиоастрономии говорят о шумах. Эти шумы создаются множеством процессов в Космосе; ведь пространство между небесными телами, называемое безвоздушным, не пусто. В нем носятся заряженные электрические частицы, в нем есть магнитные поля. Шумят и наша атмосфера и даже сам радиоприемник. Бороться с этими шумами и выделять из них нужное нам радиоизлучение какого-либо небесного тела - в этом и состоит основная задача радиоастронома. С усилением чувствительности радиоприемника возрастает, вообще говоря, и шум.

Запись радиоизлучения сейчас делается автоматически при помощи самописцев. Перо прибора на движущейся бумажной ленте записывает «уровень», т. е. силу поступающего сигнала. Шум изображается зубчатой полоской, а сигнал - пиком над нею, тем белее высоким, чем сигнал сильнее. Обработка таких записей - сложное дело. В частности, приходится учитывать особенности радиоприема. Часто прибор реагирует не только на тот излучатель, на который он направлен, но и на некоторые излучатели, расположенные в стороне, хотя и с меньшей чувствительностью. Так астрономы «слушают» радио-шумы и радиоизлучение. Антенна радиотелескопа - как бы ухо астронома.

Чем больше «ухо» радиотелескопа, чем больше его антенна, тем больше энергии, идущей от далеких светил, она улавливает. Антенны радиотелескопов бывают очень различных конструкций. Больше всего похож на оптический телескоп-рефлектор радиотелескоп, имеющий главной частью такое же зеркало, но металлическое. Это гигантская чаша, в фокусе которой, где собирается излучение, помещен облучатель - небольшая антенна. От нее энергия по волноводу передается в помещение, где находится приемная аппаратура. Зеркало направляется на желаемый участок неба из этого помещения путем нажатия нужных кнопок, управляющих электрически движением телескопа. Отличие радиотелескопа от оптического телескопа состоит в том, что облака для него не помеха. Радиоволны проходят и через них. Облака не прерывают наблюдений, но как утомительны непрерывные наблюдения в течение долгой зимней ночи!

Рис. 20. Радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк (Англия) диаметром 76 м

Как известно, для того чтобы зеркало собрало лучи как можно точнее в фокус, надо, чтобы отклонения его поверхности от правильной формы не превышали длины волны принимаемого излучения. Длина световых волн меньше одного микрона, а длина радиоволн - сантиметры и метры. Поэтому зеркало радиотелескопа можно делать с гораздо меньшей точностью, чем оптическое зеркало, а изготовлять большие радиотелескопы легче. Это важно в двух отношениях.

Во-первых, они собирают больше энергии.

Во-вторых, у -больших радиотешеекбпов по сравнению с малыми разрешающая способность, т. е. возможность различить но отделшмстш два источника радиоизлучения на малом угловом расстоянии друг от друга, больше. Но разрешающая сила падает с увеличением длины волны. Однако сейчас в радиоастрономии достигают иногда точности определения положения или размера источника даже большей, чем при наилучших оптических наблюдениях. Большое сплошное зеркало весит очень много. К счастью, как известно, мелкие царапины на зеркале, если они раз в 10 меньше, чем длина волны, не мешают. Поэтому зеркало радиотелескопа, предназначенного для метровых радиоволн, может быть без вреда продырявлено отверстиями до 10 см диаметром, следовательно, можно сделать зеркало не сплошным, а в виде металлической сетки. Это облегчает его вес, облегчает изготовление и значительно уменьшает его стоимость.

Радиотелескопы с зеркалом достигли поэтому уже за немногие годы диаметра почти в сто метров(!). Но зато и весят они сотни тонн, даже если они решетчатые. Понятно, что при таких размерах радио-телескопы помещаются не в башне, а прямо на открытом месте. Чем больше и тяжелее телескоп, тем труднее его поворачивать, да еще с нужной точностью, и следить им за суточным вращением неба. Поэтому иногда идут на ограничение подвижности телескопа, устанавливая его так, что он может наблюдать небо только вблизи меридиана или даже только вблизи зенита.

Рис. 21. Радиотелескоп Аресибо с неподвижным зеркалом на острове Пуэрто-Рико

Какой сейчас радиотелескоп является самым лучшим и большим? Я на это затрудняюсь ответить.

Во-первых, все время строятся новые, все большие телескопы, и прежде чем я допишу эту книгу, прежде чем она будет издана и попадет вам в руки, положение изменится.

Во-вторых, радиотелескопы очень различны. У них разные возможности движения, некоторые велики, но изготовлены в расчете на прием только очень длинных волн, а другие более универсальны. Самое большое зеркало радиотелескопа совсем неподвижно и установлено на дне жерла потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико. Его диаметр достигает 300 м! Наводка его на светило, возможная только вблизи зенита, осуществляется перемещением кабины, подвешенной на тросах между мачтами на высоте 135 т.

Рис. 22. Антенна радиолокатора, с помощью которой люди крикнули Луне 'ау'

Есть радиотелескопы в виде множества согласованных друг с другом малых зеркал. В Пулковской

обсерватории радиотелескоп имеет вид дуги с концами, отстоящими друг от друга на 120 м. В СССР установлен также радиотелескоп из системы зеркал, расположенных по дуге окружности диаметром 600 м. Есть радиотелескопы (интерферометры) в виде креста со сторонами, тянущимися на сотни метров, и телескопы-антенны в виде плоской рамы с укрепленными на ней многочисленными стержнями диполями. Увидев такие гигантские сооружения, «ни на что не похожие», вы даже не догадаетесь, что это радиотелескопы. Наибольшей точности интероферометрический метод достигает тогда, когда радионаблюденргя объекта одновременно ведут два больших радиотелескопа, удаленных друг от друга... на диаметр земного шара. Большее раздвижение радиотелескопов, больший базис осуществить пока невозможно. Описанным способом удается измерять углы на небе порядка О",001 (!), что недоступно оптическим телескопам.

Итак, радиотехника тоже связывает Землю со звездным миром. Говоря словами поэта:

 «Морозной ночи тишина,
 Лесной завороженный воздух,
 Земля в хрусталь погружена,
 С ней разговаривают звезды.

 Пространств  бездонных светляки,
 Светила вечной сказки сказок,
 Так высоки, так далеки
 Над ветками берез и вязов...

 Им говорит Земля про нас
 И, под натянутой антенной,
 Стоишь, не опуская глаз,
 На очной ставке со Вселенной».

(А. Коваленков)