Радиотелескопы

Декабрь 1931 года... В одной из американских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне длиной 14,6 м почему-то нарушается шумами, интенсивность которых не остается постоянной. Постепенно выясняется загадочная периодичность - каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.

Впрочем, загадка быстро разгадывается. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Яснее говоря, через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.

Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая "радиостанция" раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.

Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи. И, несмотря на несовершенство приемной радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы...

Так возникла радиоастрономия - одна из наиболее увлекательных отраслей "астрономии невидимого".

Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще неясно, принесут ли радиометоды какую-нибудь существенную пользу астрономии.

Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту радиотехники. Радиолокаторы были приняты на вооружение всеми армиями. Их совершенствовали, всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использовать радиолокаторы для небесных целей.

Советские ученые академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.

Это было первое радиоастрономическое исследование в Советском Союзе. Три года спустя оно было проверено на практике сначала в США, а затем в Венгрии, Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю, где были уловлены чувствительным радиоприемником.

Второе пятнадцатилетие - это период необыкновенно быстрого прогресса радиоастрономии. Его можно назвать триумфальным, так как ежегодно радиоволны приносили из космоса удивительные сведения о природе небесных тел. Ныне радиоастрономия использует самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются недосягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радиокосмос - картина Вселенной в радиоволнах.

Успехи современной радиоастрономии столь значительны, что ей мы посвятим несколько разделов. В этом разделе речь пойдет о радиотелескопах.

Радиотелескопы подражают рефлекторам

Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным телом, падают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его поверхности, собираются в фокусе рефлектора. Здесь получается изображение небесного тела, которое рассматривают через сильную лупу - окуляр телескопа. Маленькое второе зеркало, отражающее лучи в сторону окуляра, имеет чисто конструктивное, а не принципиальное значение.

Роль главного зеркала здесь достаточно ясна. Оно создает изображение небесного тела, и это изображение будет наилучшим в том случае, когда небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. Говоря проще, телескоп в таком случае направлен прямо на наблюдаемый объект.

Приемником излучения в телескопе-рефлекторе служит человеческий глаз или фотопластинка. Чтобы увеличить угол зрения и подробно рассмотреть изображение светила, приходится пользоваться промежуточным устройством - окуляром.

Итак, в телескопе-рефлекторе есть собиратель излучения - параболическое зеркало и приемник излучения - глаз наблюдателя или фотопластинка.

По такой же схеме устроен, в сущности, и простейший радиотелескоп. В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало, иногда сплошное, а иногда решетчатое.

Форма зеркала радиотелескопа, как и в рефлекторе, параболическая. Конечно, и здесь сходство не случайное - параболическая (или, точнее, параболоидная) поверхность способна собрать в фокусе падающее на нее электромагнитное излучение.

Если бы глаз мог воспринимать радиоволны, устройство радиотелескопа могло бы быть неотличимым от устройства телескопа-рефлектора. На самом деле приемником радиоволн в радиотелескопах служит не человеческий глаз или фотопластинка, а высокочувствительный радиоприемник.

Рис. 29. Параболическое зеркало радиотелескопа концентрирует приходящее из космоса радиоизлучение на облучателе

Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой антенне, облучая ее. Вот почему эта антенна в радиотелескопах получила название облучателя, хотя правильнее было бы называть ее собирателем радиоволн.

Радиоволны, как и всякое излучение, несут в себе некоторую энергию. Падая на приемную антенну, они возбуждают в этом металлическом проводнике упорядоченное перемещение электронов, иначе говоря - электрический ток. Точнее, в антенне возникают быстропеременные токи.

Теперь эти токи надо передать на приемное устройство и исследовать. От антенны к радиоприемнику электрические токи передаются по волноводам - специальным проводникам, имеющим форму полых трубок. Форма сечений волноводов и их размеры могут быть различными.

Космические радиоволны или, точнее, возбужденные ими электрические токи поступили в радиоприемник. Можно было бы, пожалуй, подключив к приемнику репродуктор, послушать "голоса звезд". Но так обычно не делают. Голоса небесных тел лишены всякой музыкальности - не чарующие "небесные мелодии", а режущие наш слух шипение и свист послышались бы из репродуктора.

Астрономы поступают иначе. К приемнику радиотелескопа они присоединяют специальный самопишущий прибор, который регистрирует поток радиоволн определенной длины.

Каждый телескоп-рефлектор снабжен специальной установкой, которая позволяет наводить телескоп на любую точку неба. Астрономические установки, или штативы, бывают двоякого рода. В азимутальных установках есть две взаимно перпендикулярные оси, вокруг которых может вращаться телескоп, причем одна из них совпадает с вертикальной линией. Значит, при азимутальной установке телескоп можно поворачивать вокруг вертикальной и горизонтальной осей.

Такую азимутальную установку построить сравнительно просто. Но она обладает одним существенным недостатком. Наведя телескоп на звезду, надо затем его непрерывно подправлять - при видимом движении по небосводу звезды все время изменяют свою угловую высоту над горизонтом. Меняется их расположение и по отношению к сторонам горизонта. Приходится поэтому непрерывно поворачивать телескоп и вокруг второй, вертикальной оси.

В параллактической установке эти неудобства устранены. Телескоп, как и раньше, может вращаться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, но в параллактической установке одна из осей направлена на Полярную звезду (точнее, на полюс Мира - неподвижную точку, вокруг которой совершается видимое суточное движение всех небесных светил). Нетрудно сообразить, что при такой установке телескоп надо непрерывно поворачивать только вокруг одной, "полярной" оси - именно той, которая направлена на полюс Мира. Вращение же вокруг второй оси используется лишь при первоначальном наведении на светило. Заметим, что непрерывное движение телескопа вокруг "полярной" оси осуществляется обычно не вручную, а с помощью особого часового механизма.

Два типа установок можно встретить и у радиотелескопов. Одни из них могут двигаться только вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Другие снабжены параллактической установкой - таких, правда, пока меньшинство. Установки радиотелескопов имеют очень важное назначение: как можно точнее нацелить зеркало на объект и сохранить такую ориентировку во время наблюдений.

Рис. 30. Один из крупнейших современных радиотелескопов

Радиотелескопы несколько напоминают рефлекторы, но есть между ними и большие различия. Столь большие, что забывать о них нельзя.

Прежде всего размеры собирателей излучения - зеркал.

Самый большой из существующих телескопов-рефлекторов находится на горе Паломар вблизи Лос-Анджелеса (США). Поперечник его зеркала равен 5 м.

Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а самый большой из подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76 м.

Из неподвижных радиотелескопов самый большой имеет зеркало поперечником 300 м. Опорой для этого зеркала служит кратер одного из вулканов в Пуэрто-Рико. В недалеком времени будут построены еще большие радиотелескопы, тогда как рефлекторы с поперечником зеркала в 10 м вряд ли удастся создать в ближайшие 20-30 лет. В чем же причина столь существенного различия?

Секрет прост. Изготовить зеркало телескопа-рефлектора в техническом отношении несравненно труднее, чем гораздо большее по размерам зеркало радиотелескопа.

Для того чтобы параболическое зеркало давало в своем фокусе достаточно резкое, четкое изображение небесного объекта (неважно, в видимых или невидимых лучах), поверхность зеркала не должна отклоняться от идеальной геометрической поверхности более чем на ¹/₈ длины волны собираемого излучения. Такой "допуск" верен как для видимых лучей света, так и для радиоволн. Но для радиоволн ¹/₈ длины волны измеряется миллиметрами, а то и сантиметрами, тогда как для лучей видимого света этот допуск ничтожно мал - сотые доли микрона! Как видите, важны не абсолютные размеры шероховатости зеркал, а их отношение к длине волны собираемого излучения.

О том, как создавались крупные рефлекторы, можно написать большую книгу. Это была бы повесть о напряженной, подчас титанической борьбе за изумительную точность шлифовки главных зеркал. А ведь шлифовка - только один из этапов работы.

Огромные трудности возникают и при отливке однородных высококачественных стеклянных дисков для зеркала.

О трудоемкости всех этих процессов свидетельствует тот факт, что изготовление зеркала для американского 5-метрового рефлектора заняло 21 год!

Радиотелескоп с поперечником в десятки метров построить легче. Ведь если даже этот телескоп будет принимать радиоволны длиной 1,25 см, то шероховатости зеркала не должны по размерам превышать 1 мм - допуск, вполне технически осуществимый.

В некоторых радиотелескопах, рассчитанных на прием радиоволн с длиной, измеряемой многими метрами, зеркала делаются не сплошными, а сетчатыми. Этим значительно уменьшается вес инструмента и в то же время, если размеры ячеек малы в сравнении с длиной радиоволн, решетчатое зеркало действует как сплошное. Иначе говоря, для радиоволн отверстия в зеркале радиотелескопа, в сущности, являются неощутимыми "неровностями".

Отметим одну замечательную особенность описываемых радиотелескопов: они могут работать на различных длинах волн. Ведь очевидно, что свойство параболических зеркал концентрировать излучение в фокусе не зависит от длины волны этого излучения. Поэтому, меняя облучатель, то есть приемную антенну, можно "настраивать" радиотелескоп на желаемую длину волны. При этом, конечно, требуется изменить частоту радиоприемника.

Рис. 31. В некоторых радиотелескопах зеркала делаются сетчатыми

Чем больше размеры зеркала, тем больше излучения оно собирает. Количество собираемого излучения, очевидно, пропорционально площади зеркала. Значит, чем больше зеркало, тем чувствительнее телескоп, тем более слабые источники излучения удается наблюдать - ведется ли прием на радиоволнах или в лучах видимого света.

Как уже говорилось, самый большой радиотелескоп с подвижным зеркалом установлен на английской обсерватории Джодрелл Бэнк. Поперечник его исполинского зеркала равен 76 м. Вес этой махины (не считая неподвижных частей) составляет 2000 т, а в высоту вся конструкция простирается на 92 м, что соответствует тридцатиэтажному небоскребу.

Замечательно, что величайший из радиотелескопов имеет азимутальную установку, дающую ему возможность поворачиваться вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Разумеется, все движения осуществляются мощными электродвигателями.

Приемное устройство помещено в специальных зданиях. Оттуда производится и управление телескопом.

Первенство этого исполина, по-видимому, будет недолгим. В Советском Союзе есть ряд крупных радиотелескопов. Так, например, давно уже работает вблизи Серпухова радиотелескоп с диаметром зеркала 22 м. Общий вес установки достигает 380 т, а высота - 26 м. Неровности на поверхности зеркала не превышают 1 мм, что позволяет принимать радиоволны длиной меньше 1 см. Между тем радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк может улавливать наиболее четко излучения с длиной волны лишь больше 20 см. С каждым годом растет мощь советских радиотелескопов.

Интересен большой Пулковский радиотелескоп оригинальной конструкции. Его антенна - в сущности, часть исполинского параболического зеркала поперечником 120 м - как бы полоса, "вырезанная" из такого зеркала. Полоса эта имеет так называемый переменный профиль. Она разбита на много элементов, каждый из которых может перемещаться и в вертикальном, и в горизонтальном направлениях (разумеется, согласованно друг с другом). Получается достаточно удобная "полуподвижная" конструкция.

Есть и другие конструкции радиотелескопов, но вряд ли в этой книге стоит углубляться в технические детали. Важно понять главное - принцип работы этих инструментов.

Замечательно, что устанавливать радиотелескопы можно в любом пункте страны, где помехи от радиостанций невелики. Ведь они совсем не зависят от капризов погоды или прозрачности атмосферы. С помощью радиотелескопов возможно исследовать космос хоть в проливной дождь!

Дань трудностям и борьба с помехами

Нелегко создать сплошное металлическое зеркало поперечником в несколько десятков метров, да еще установить так, чтобы, перемещая зеркало с удивительной плавностью, его можно было нацелить на любой участок неба. Каждое такое творение рук человеческих есть поистине чудо современной техники.

Иногда зеркало радиотелескопа делают очень большим, но неподвижным. При высокой чувствительности подобный радиотелескоп ограничен в своих возможностях - он всегда направлен на одну и ту же точку неба.

Впрочем, и неподвижный телескоп все-таки движется - ведь он находится на поверхности Земли, а земной шар, как известно, непрерывно и равномерно вращается. Поэтому в поле зрения неподвижного радиотелескопа появляются всё новые и новые небесные тела, причем наблюдению становится доступным довольно широкий круговой пояс неба. Разумеется, через сутки, когда Земля завершит полный оборот, картины в поле зрения радиотелескопа снова начнут повторяться.

Неподвижные радиотелескопы приносят большую пользу науке, но их недостатки очевидны, и будущее, по-видимому, все же не за ними.

Нечто подобное было и в историй оптической астрономии. В. погоне за все более и более крупными рефлекторами астрономы создали наконец таких исполинов, что постоянно перемещать их оказалось технически невозможным. Тогда их укрепляли неподвижно или в лучшем случае создавали устройство, позволяющее рефлектору перемещаться только в вертикальной плоскости. Примером такого неуклюжего исполина может служить знаменитый рефлектор ирландского любителя астрономии лорда Росса, названный им Левиафаном. Этот уникальный инструмент, построенный в 1845 году, имел поперечник 180 см и был тогда величайшим в мире телескопом. Теперь такие телескопы - лишь ценная музейная реликвия.

Раз речь зашла о трудностях, нельзя умолчать и о помехах радионаблюдениям.

Радиоприемники, присоединяемые к антенне радиотелескопа, очень чувствительны. Если, например, к ним просто подключить какой-нибудь проводник, то приемник станет реагировать на беспорядочные тепловые движения электронов в этом проводнике. Яснее говоря, тепловое движение электронов вызывает на концах проводника беспорядочно меняющиеся напряжения, кстати сказать, пропорциональные температуре проводника. В приемнике эти процессы приобретут характер "шумов".

Хотя мощность таких помех от антенного устройства ничтожно мала, они все же, как это ни обидно, подчас в десятки, а иногда и в сотни раз превосходят мощность космического радиоизлучения. Мешают также и шумы, возникающие в самом радиоприемнике при работе его электронных ламп.

Шумы, порожденные аппаратурой, как бы маскируются под космическое радиоизлучение. Они похожи друг на друга и усиливаются в приемнике одновременно. Этим обстоятельством ограничивается чувствительность современных радиотелескопов. Однако с помощью большого усложнения аппаратуры удается зарегистрировать сигналы, в сто раз более слабые, чем шумы, создаваемые антенной и приемником.

При изучении слабых источников космических радиоволн применяют различные, довольно сложные и хитроумные методы и устройства, позволяющие уловить неуловимое. И здесь победа остается в конце концов за человеком. Рост техники радиоастрономических исследований происходит очень бурно, и с каждым годом радиотелескопы становятся всё более и более чувствительными.

Впрочем, уже и теперь чувствительность радиотелескопов вызывает удивление. Если сравнить энергию излучения, воспринимаемую самыми лучшими из современных радиотелескопов, с энергией видимого света, посылаемого звездами, то окажется, что радиотелескопы в тысячи раз чувствительнее гигантских телескопов-рефлекторов. Среди всевозможных приемников электромагнитных волн радиотелескопы не имеют себе равных.

Радиотелескопы приобретают "зоркость"

Благодаря сложным оптическим явлениям лучи от звезды, уловленные телескопом, сходятся не в одной точке (фокусе телескопа), а в некоторой небольшой области пространства вблизи фокуса, образуя так называемое фокальное пятно. В этом пятне объектив телескопа конденсирует электромагнитную энергию светила, уловленную телескопом. Если взглянуть в телескоп, звезда покажется не точкой, а кружочком с заметным диаметром. Но это не настоящий диск звезды, а лишь ее испорченное изображение, вызванное несовершенством телескопа и движением воздуха. Мы видим созданное телескопом фокальное пятно.

Чем больше диаметр объектива телескопа, тем меньше фокальное пятно. Следовательно, большие телескопы обладают и большой "зоркостью". Но последняя зависит еще и от длины волны принимаемого излучения. Чем меньше длина волны, тем меньше и размеры фокального пятна.

С величиной фокального пятна тесно связана разрешающая способность телескопов. Так называют наименьшее угловое расстояние между двумя источниками излучения, которые телескоп дает возможность различить в отдельности. Если, например, в двойной звезде обе звезды так близки на небе одна к другой, что их изображения, создаваемые телескопом, попадают практически внутрь одного фокального пятна, двойная звезда покажется в телескоп одиночной. Оптические телескопы обладают весьма большой разрешающей способностью. Например, в небольшой телескоп с диаметром объектива 20 см можно "разделить" двойные звезды с расстоянием между составляющими в 0,1 секунды дуги! Под таким углом виден человеческий волос на расстоянии 30 м.

Радиотелескопы воспринимают весьма длинноволновое излучение. Поэтому фокальное пятно в радиотелескопах огромно. И соответственно разрешающая способность этих инструментов весьма низка. Оказывается, например, что радиотелескоп с диаметром зеркала 5 м при длине радиоизлучения 1 м способен разделить источники излучения, если они отстоят один от другого больше чем на десять градусов!

Десять градусов - это двадцать видимых поперечников Луны. Значит, радиотелескоп не способен "разглядеть" в отдельности такие мелкие для него небесные светила, как Солнце или Луна!

Ясно, что низкая разрешающая способность радиотелескопов - большой недостаток. Даже при огромных размерах зеркала она, как правило, уступает разрешающей силе человеческого глаза (не говоря уж об оптических телескопах). Как же можно устранить это препятствие?

Физикам уже давным-давно известно явление сложения волн, названное ими интерференцией. В школьном учебнике физики подробно описано, какое значение имеет интерференция на практике. Оказывается, интерференцию можно использовать в радиоастрономии.

Вообразим, что одновременно из двух источников распространяются две волны. Если они находятся в противоположных фазах, то есть "горб" одной приходится как раз против "впадины" другой, волны "погасят" одна другую, и колебания среды прекратятся. Если это световые волны, наступит тьма, если звуковые - тишина, если волны на воде - полный покой.

Может случиться, что волны находятся в одинаковых фазах ("горб" одной волны совпадает с "горбом" другой). Тогда такие волны усиливают одна другую, и колебания среды будут совершаться с удвоенной интенсивностью.

Представим себе теперь устройство, называемое радиоинтерферометром (рис. 32). Это два одинаковых радиотелескопа, соединенных между собой электрическим кабелем, к середине которого присоединен радиоприемник. От источника радиоизлучения на оба радиотелескопа непрерывно приходят радиоволны. Однако тем из них, которые попадают на левое зеркало, приходится проделать несколько больший путь, чем радиоволнам, уловленным правым радиотелескопом. Разница в путях, называемая разностью хода, равна отрезку АБ. Нетрудно сообразить, что если в этом отрезке укладывается четное число полуволн улавливаемого радиоизлучения, то "левые" и "правые" радиоволны придут в приемник с одинаковой фазой и усилят одна другую. При нечетном числе полуволн произойдет обратное - взаимное гашение радиоволн, и в приемник радиосигналы вовсе не поступят.

Рис. 32. Схема радиоинтерферометра (d₁ - его база)

Обратите внимание: при изменении направления на источник излучения меняется и разность хода. Достаточно при этом (что очень важно!) лишь весьма незначительное изменение угла Θ, чтобы "гашение" волн сменилось их усилением или наоборот, на что сразу же отзовется весьма чувствительный радиоприемник.

Радиоинтерферометры делают, как правило, неподвижными. Но ведь Земля вращается вокруг своей оси, и поэтому положение светил на небе непрерывно меняется. Следовательно, в радиоинтерферометре постоянно будут наблюдаться периодические усиления и ослабления радиопередачи от наблюдаемого источника космических радиоволн.

Радиоинтерферометры гораздо "зорче" обычных радиотелескопов, так как они реагируют на очень малые угловые смещения светила, а значит, и позволяют исследовать объекты с небольшими угловыми размерами. Иногда радиоинтерферометры устраивают сложными - не из двух, а из нескольких радиотелескопов. При этом разрешающая способность радиоинтерферометра существенно увеличивается. Есть и другие технические устройства, которые позволяют современным "радиоглазам" астрономов стать очень "зоркими", даже более зоркими, чем невооруженный глаз человека.

Рис. 33. Один из неподвижных интерференционных радиотелескопов

В некоторых случаях разрешающая способность радиоинтерферометров составляет тысячные доли секунды дуги - и это еще не предел!

Кстати сказать, и в оптической астрономии используют интерферометры. Их присоединяют к большим телескопам, чтобы измерить реальные поперечники звезд. В обоих случаях интерферометры играют роль своеобразных "очков", позволяющих рассмотреть важные подробности в окружающей нас Вселенной.

На этом мы и закончим краткое знакомство с техническими средствами современной радиоастрономии. Нас ждут теперь поразительные картины, открытые с помощью радиотелескопов, - картины Вселенной "в свете" радиоволн.