Радиотелескопы набирают силу

Иногда случайное открытие приводит к возникновению нового направления в науке. Так было с радиоастрономией, которая за полвека превратилась в один из главных разделов современной астрономии.

А началось все с того, что американский радиоинженер Карл Янский в декабре 1931 г. обнаружил какие-то странные радиошумы, мешавшие радиопередаче на волне длиной 14,7 м. Выяснилось, что источником помех было радиоизлучение Млечного Пути. Так родилась радиоастрономия, которая первые полтора десятилетия почти не развивалась.

Во время второй мировой войны радиолокаторы широко вошли в практику и были приняты на вооружение всех армий. В 1943 г. советские академики Л. И. Мандельштам и И. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны, что было осуществлено три года спустя. В послевоенные годы прогресс радиоастрономии приобрел бурный, почти взрывной характер.

Вслед за радиолокацией метеоров (1945) и Венеры (1958) последовала радиолокация Юпитера (1963) и Меркурия (1963). В 1946 г. на волне длиной 4,7 м был открыт мощный космический источник радиоизлучения в созвездии Лебедя. Еще годом раньше голландский астрофизик Ван де Хюлст теоретически обосновал возможность космического радиоизлучения на волне длиной 21 см, которое было обнаружено в 1951 г. Радиоизлучение Солнца на волне длиной 18,7 м, открытое еще в 1944 г., стало одним из важных явлений, характеризующих физическую природу центрального тела Солнечной системы.

Современные радиотелескопы принимают космические радиоволны в шести диапазонах - от субмиллиметрового (длина волны меньше миллиметра) до декаметрового (длина волны более десяти метров). Известно, что земная атмосфера пропускает радиоволны в диапазонах около 1, 4 и 8 мм и в интервале от 1 см до 20 м. Иначе говоря, наибольшая пропускаемая атмосферой длина радиоволны в 20 000 раз больше наименьшей. Между тем в оптическом диапазоне аналогичное отношение крайних длин электромагнитных волн близко к двум. Таким образом, в этом смысле "радиоокно" в 10 000 раз шире оптического "окна".

Различают два типа космического радиоизлучения - тепловое и нетепловое. Согласно закону Планка, любое нагретое тело излучает электромагнитные волны всех длин, в том числе и в радиодиапазоне. Если энергия радиоизлучения тела достигает уровня, определенного кривой Планка, его называют тепловым, потому что оно создается за счет энергии тепловых движений атомов. В тех случаях, когда в соответствующем диапазоне радиоизлучение тела имеет иную природу, его называют нетепловым. Для радиоастрономов нетепловое радиоизлучение особенно интересно, так как оно обычно достигает больших энергий и порождается нетривиальными, необычными причинами.

Для приема космического радиоизлучения имеются различные типы радиотелескопов. Некоторые из них напоминают рефлекторы. В таких радиотелескопах радиоволны собирает металлическое вогнутое зеркало, иногда сплошное, иногда решетчатое. Как и у рефлекторов, поверхность его имеет параболическую форму. Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой дипольной антенне, облучая ее. По этой причине приемная антенна в радиотелескопах называется облучателем. Меняя облучатель, можно вести радиоприем на разных диапазонах. Возникающие в облучателе токи передаются на приемное устройство и там исследуются.

У описанных радиотелескопов применяются два типа установок - азимутальная и параллактическая. В отличие от рефлекторов, зеркала радиотелескопов имеют очень большие размеры - метры и даже десятки метров. Самый большой радиотелескоп с подвижной антенной имеется в Радиоастрономическом институте им. Планка (ФРГ). Поперечник его зеркала равен 100 м. Еще больше неподвижный радиотелескоп на острове Пуэрто-Рико. Его зеркало сделано из кратера потухшего вулкана, оно имеет поперечник 305 м и занимает площадь более 7 га! В фокусе зеркала на высоте 135 м при помощи специальных стальных мачт укреплена гондола с облучателями. Гондола может перемещаться над зеркалом и потому принимать радиоизлучение с достаточно большой зоны неба.

Несколько лет назад вблизи станицы Зеленчукская (Северный Кавказ) вступил в строй еще более крупный радиотелескоп "РАТАН-600" (рис. 48) - радиоастрономический телескоп Академии наук СССР. Он состоит из 895 отдельных зеркал общей площадью 10 000 м2, которые установлены по окружности диаметром 600 м. Специальные устройства позволяют из отдельных зеркал формировать параболическую поверхность, которая фокусирует космическое радиоизлучение на небольшом облучателе. "РАТАН- 600" может принимать радиоволны в диапазоне от 8 мм до 30 см. Для приема миллиметровых радиоволн лучшими считают радиотелескопы станции Физического института АН СССР (поселок Пущино на Оке) и Крымской астрофизической обсерватории. Диаметр их подвижных приемных зеркал равен 22 м.

Рис. 48. Радиотелескоп 'РАТАН-600'

В радиоастрономии широко применяют давно известный в физике принцип интерференции, т. е. сложение электромагнитных волн с разными фазами.

В простейшем варианте радио-интерферометр представляет собой два одинаковых радиотелескопа, разделенных некоторым расстоянием (базой) и соединенных между собой кабелем, к середине которого присоединен радиоприемник. От радиотелескопов радиоволны приходят на приемник в разных фазах, так как тем из них, которые попадают на левое зеркало, приходится пройти несколько больший путь, чем радиоволнам, уловленным правым радиотелескопом (рис. 49). Сложение радиоволн в приемнике приводит к тому, что при разных углах ф радиоволны либо усиливают, либо гасят друг друга. Такие эффекты очень чувствительны к изменению угла ф, что и дает возможность измерять весьма малые угловые расстояния на небе.

Рис. 49. Схема радиоинтерферометра

У некоторых радиоинтерферометров база небольшая и приемное их устройство состоит из крестообразной системы антенн. При базе в десятки километров и более соединить радиоантенны кабелем нелегко. Применяют другие методы, например радиосигналы от каждой антенны регистрируются на магнитной ленте, а затем сопоставляются друг с другом. При такой системе радиотелескопы могут устанавливаться на разных континентах и длина базы возрастает до многих тысяч километров. Очень большой базой обладает, например, радиоинтерферометр, один телескоп которого установлен в США, а другой в Австралии. Такая база имеет длину 12 090 км.

При сверхдлинных базах точность угловых измерений давно превзошла ту, которая достигнута в оптике. Так, на длине радиоволн 3 см разрешающая способность радиоинтерферометров равна 0,003".

Радиоастрономия позволила исследовать излучение отдельных космических тел, а также изучить спиральное строение Галактики. Радио-телескопы обнаружили удивительные квазизвездные радиоисточники (сокращенно "квазары"), природа которых остается загадочной. Кроме того, радиоастрономы зарегистрировали поразительно малые потоки энергии. Например, за всю полувековую историю радиоастрономии из космоса на волне длиной 21 см принято энергии меньше 10^-7 Дж.