Радиоэхо в астрономии

До сих пор речь шла о пассивном изучении космических радиоволн. Они улавливаются радиотелескопами, и задача астронома заключается лишь в том, чтобы наилучшим образом расшифровать эти сигналы, получить с их помощью как можно больше сведений о небесных телах. При этом исследователь никак не вмешивается в ход изучаемого им явления - он лишь пассивно наблюдает.

Та отрасль радиоастрономии, с которой мы теперь кратко познакомимся, имеет иной, активный характер. Ее называют радиолокационной астрономией.

Слово "локация" означает определение местоположения какого-нибудь предмета. Если, например, для этого используется звук, то говорят о звуковой локации. Ею, как известно, широко пользуются современные мореплаватели.

Особое устройство, называемое эхолотом, посылает в направлении ко дну океана короткие, но мощные, неслышимые ультразвуки. Отразившись от дна, они возвращаются, и эхолот фиксирует время, затраченное звуком на путешествие до дна и обратно. Зная скорость распространения звука в воде, легко подсчитать глубину океана.

Подобным же образом можно измерить и глубину колодца или какого-нибудь ущелья. Громко крикнув, ждите затем, когда до вашего уха донесется эхо - отраженный звук. Учтя, что скорость звука в воздухе равна 337 м/сек, легко вычислить искомое расстояние. Любопытно, что звуковая локация встречается и в мире животных. Летучая мышь обладает специальным естественным локационным органом, который, испуская неслышимые звуки, помогает мыши ориентироваться в полете.

Когда говорят о "радиолокации", то под этим словом подразумевают определение местоположения предмета с помощью радиоволн.

Радиолокационная астрономия - молодая отрасль науки. Систематические радиолокационные наблюдения небесных тел начались окало 20 лет назад. И все же достигнутые успехи весьма значительны. Очень интересны и дальнейшие перспективы этого активного метода изучения небесных тел. "Активного" потому, что здесь человек сам направляет в космос созданные им искусственные радиоволны и, наблюдая их отражение, может затем по собственному желанию видоизменять эксперимент.

Образно говоря, в радиолокационной астрономии человек "дотрагивается" до небесных тел созданным им радиолучом, а не пассивно наблюдает их радиоизлучение.

Как устроен радиолокатор

Вам теперь должен быть ясен основной принцип радиолокации. От мощного радиопередатчика посылается радиоволна. Со скоростью света (300000 км/сек) она достигает цели и, отразившись от нее, возвращается назад. Здесь ее надо поймать и исследовать, а для этого необходим приемник очень высокой чувствительности, так как отраженный радиосигнал (как и всякое эхо) гораздо слабее посылаемого.

Такова принципиальная схема радиолокации. На практике же радиолокаторы - устройства, с помощью которых осуществляют радиолокацию, - довольно сложны.

От передатчика быстропеременные электрические токи поступают на передающую антенну радиолокатора. Она напоминает облучатель радиотелескопа. Ее также помещают в фокус металлического параболоидного зеркала, и делают это для того, чтобы радиоволны посылались радиолокаторами не во все стороны, а по определенному направлению параллельным пучком. Тем самым излучаемые радиолокатором радиоволны не "разбрасываются" во все стороны, а концентрируются на одной определенной цели.

В радиотелескопах параболоидное зеркало улавливает космические радиоволны и направляет их на антенну. В радиолокаторе, наоборот, антенна, или, правильнее сказать, излучатель, излучает радиоволны, которые зеркало направляет на определенный предмет.

Между радиолокатором и обыкновенным прожектором есть несомненное сходство. Блестящее зеркало прожектора также имеет параболоидную форму. Благодаря ему потоки света от электрической дуги (излучателя) преобразуются в направленный прожекторный луч. Допустим, что, "шаря" прожектором по небу, мы неожиданно осветили незнакомый самолет. Если бы можно было узнать, сколько времени затратил луч света, чтобы дойти до самолета, а затем вернуться к прожектору, можно было бы, очевидно, узнать расстояние до самолета. Но прожектор - это не "световой" локатор. В нем нет устройств, которые бы решали задачу. Прожектор предназначен только для освещения, а не для локации.

Рис. 51. Схема, устройств радиолокатора

Другое дело радиолокатор. В его состав входит не только передатчик, но и приемник, снабженный дополнительным измерительным устройством, называемым индикатором. Поэтому радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает вернувшийся отраженный радиосигнал. В этот момент он действует как "обычный радиотелескоп.

Если бы радиолокатор посылал радиоволны непрерывно, то он, естественно, не мог бы улавливать радиоэхо. Такое одновременное совмещение двух функций, конечно, невозможно. Поэтому радиолокатор работает иначе. Подражая человеку, который, крикнув, ждет, чтобы услышать эхо, радиолокатор сначала посылает радиосигнал, а затем, превращаясь в радиотелескоп, ловит его радиоэхо.

Радиосигналы, посылаемые радиолокатором, представляют собой кратковременные, но очень мощные импульсы радиоволн. Их вырабатывает специальное устройство, называемое генератором импульсов. В моменты действия передатчика радиолокатор по мощности сравним с мощностью крупнейших радиовещательных станций.

Как только импульс послан, антенный переключатель включает приемник. Теперь радиолокатор "слушает", стараясь уловить слабое радиоэхо. Но вот оно поймано, и снова антенный переключатель вводит в действие передатчик. Так повторяется много раз, причем паузы между импульсами по продолжительности в сотни раз длительнее импульсов; В общей сложности обычный радиолокатор в течение часа только несколько секунд посылает радиосигналы, а остальное время молчит, принимая радиоэхо.

Радиоволны столь же быстры, как и лучи света. Поэтому, посланные радиолокатором, они мгновенно достигают земных целей. Вот почему в современных радиолокаторах продолжительность радиоимпульсов невообразимо мала - миллионные доли секунды. Такими сверхкороткими, но зато очень мощными "очередями" и "стреляют" радиолокаторы.

Несмотря на исключительную кратковременность процессов, протекающих в радиолокаторе, его индикатор способен точно измерить промежутки времени в ничтожные доли секунды. На экране, несколько напоминающем экран телевизора, с помощью специальной шкалы наблюдатель непосредственно видит, чему равно расстояние до объекта наблюдения.

В современных радиолокаторах есть и другое сложное устройство, позволяющее на экране видеть объект наблюдения и окружающую его обстановку.

В устройстве радиолокаторов и радиотелескопов есть много сходного. Неудивительно поэтому, что многие из современных радиотелескопов, в том числе и крупнейший в мире подвижный радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк, одновременно являются и радиолокаторами. Явление отражения радиоволн, то есть радиоэхо, было известно еще на заре радиотехники. Но только в годы второй мировой войны оно было использовано как одно из весьма действенных средств обороны: радиолокаторами были оснащены все воюющие страны.

Окончилась война, и мощные радиолокационные средства стали использовать не только для нужд обороны, но и для исследования небесных тел. Уже первые опыты показали, что радиоэхо способно значительно помочь астрономам в изучении космоса.

Лунное эхо

Еще в 1928 году, когда большинство радиолюбителей пользовались примитивными детекторными приемниками, советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси рассматривали вопрос о посылке радиосигнала на Луну и приеме на Земле радиоэха. Тогда это была только смелая мечта, далеко опережавшая действительность. Но такова характерная черта больших ученых - их мысль видит то, что становится реальностью лишь в будущем.

В годы второй мировой войны Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси снова вернулись к занимавшей их идее. Теперь настали другие времена. Радиолокация прочно вошла в практику военной жизни, и радиолокаторы уверенно нащупывали невидимые цели.

Советские ученые на основе новых данных подсчитали, какова должна быть мощность радиолокатора и другие его качества, чтобы с его помощью можно было осуществить радиолокацию Луны. Научная ценность такого эксперимента была вне сомнений. Ведь до сих пор, чтобы определить расстояние до Луны, приходилось наблюдать ее положение среди звезд одновременно из двух достаточно удаленных одна от другой обсерваторий. Радиолокация решила бы ту же задачу при наблюдениях из одного пункта. Учитывая быстрый прогресс радиотехники, можно было ожидать, что радиолокационные измерения астрономических расстояний дадут результаты, гораздо более точные, чем те, которые были получены в прошлом.

Трудности, однако, оказались огромными. Расчеты показали, что при прочих равных условиях мощность отраженного сигнала убывает обратно пропорционально четвертой степени расстояния до цели. Получалось, что лунный радиолокатор должен обладать примерно в тысячу раз большей чувствительностью, чем обычная радиолокационная станция береговой обороны, обнаруживавшая в те годы самолет неприятеля на расстоянии 200 км.

И все же проект казался довольно убедительным, и уверенность его авторов в успехе вскоре была оправдана фактами.

В начале 1946 года почти одновременно, но с различными установками венгерские и американские радиофизики осуществили радиолокацию Луны.

На Луну посылались мощные импульсы радиоволн длиной 2,7 м. Каждый импульс имел продолжительность 0,25 сек, причем пауза между импульсами составляла 4 сек. Антенна радиолокатора была еще весьма несовершенна: она могла поворачиваться лишь вокруг вертикальной оси. Поэтому исследования велись только при восходе или заходе Луны, когда последняя находилась вблизи горизонта.

Приемное устройство радиолокатора уверенно зафиксировало слабый отраженный сигнал, лунное радиоэхо.

Путь до Луны и обратно радиоволны совершили всего за 2,6 сек, что, впрочем, при их невообразимо большой скорости не должно вызывать удивления. Точность этого первого радиоизмерения из-за несовершенства аппаратуры была еще очень низка, но все же совпадение с известными ранее данными, было весьма хорошее.

Позже радиолокация Луны была повторена на многих обсерваториях, и с каждым разом со все большей точностью и, конечно, с большей легкостью.

Пока такие наблюдения еще не дали ничего принципиально нового. Однако уже теперь отлично видны некоторые заманчивые перспективы этого метода. В будущем, например, удастся, вероятно, создать мощные радиолокаторы, дающие очень узко направленные "потоки" радиоволн. Таким радиолучом можно будет определять не только расстояние до Луны в целом, но и "прощупывать" отдельные детали ее поверхности, измерять высоту лунных гор и глубину лунных ущелий.

Если вокруг Луны есть разреженная газовая оболочка, то под воздействием солнечного излучения в ней должны постоянно образовываться ионы. Но тогда, если Луна окутана хотя бы и очень разреженной ионосферой, чувствительные радиолокаторы будущего непременно это обнаружат. Ведь слой ионизированных газов отражает радиоволны иначе, чем твердая поверхность Луны, и эта разница будет зафиксирована радиолокатором. Вполне возможно, что таким методом удастся обнаружить лунную атмосферу даже в том случае, если она в миллиарды раз разреженнее земной.

Большие возможности радиолокации обнаружились при наблюдении так называемой либрации Луны. Под этим термином астрономы понимают своеобразные "покачивания" лунного шара, вызванные отчасти геометрическими причинами (условиями видимости), отчасти причинами физического характера. Благодаря либрации земной наблюдатель видит не половину, а около 60% лунного шара. Значит, либрация позволяет нам иногда "заглядывать" за край видимого лунного диска и наблюдать пограничные районы обратной стороны Луны.

При "покачивании", или либрации, Луны один ее край приближается к наблюдателю, а другой удаляется. Скорость этого движения очень мала - порядка 1 м/сек, что меньше даже скорости пешехода. Но радиолокатор способен, оказывается, обнаружить и такие смещения.

Радиолокатор посылает на Луну волны определенной длины. Естественно, что и отраженный радиосигнал будет обладать той же длиной волны. Можно сказать, что радиоспектр отраженного сигнала представляет собой одну определенную "радиолинию".

Если бы Луна не "покачивалась" относительно земного наблюдателя, радиоспектры посланного и отраженного импульса были бы совершенно одинаковы. На самом же деле разница, хотя и небольшая, все же есть. Радиоволна, отразившись от того края Луны, который приближается к земному наблюдателю, по принципу Допплера будет иметь несколько большую частоту и, следовательно, меньшую длину, чем радиоволна, посланная на Луну. Для другого, удаляющегося Края Луны должен наблюдаться противоположный эффект. В результате "радиолиния" в радиоспектре отраженного импульса будет более широкой, растянутой, чем "радиолиния" посланного импульса. По величине расширения можно вычислить скорость приближения или удаления краев Луны.

И вот такой, очень тонкий эффект радиолокаторы обнаружили.

Раньше требовались многолетние высокоточные оптические наблюдения Луны, чтобы затем после долгих вычислений получить величину либрации. Радиолокаторы решили эту задачу, так сказать, непосредственно и несравненно быстрее.

Радиолокационные наблюдения Луны несомненно, дадут науке еще очень много.

Масштаб Солнечной системы

В сообщении ТАСС о посылке 12 февраля 1961 года межпланетной автоматической станции к планете Венера говорилось, что одной из задач этого грандиозного эксперимента является "уточнение масштаба Солнечной системы".

О чем идет речь? Неужели мы до сих пор не знаем, на каком расстоянии от Солнца находятся планеты?

При каждом измерении пользуются некоторым эталоном - меркой, употребляемой как единица длины. Для измерений на земной поверхности таким основным эталоном длины служит метр. Для астрономических расстояний ни метр, ни даже километр не являются вполне подходящей единицей масштаба - слишком уж велики расстояния между небесными телами. Поэтому астрономы употребляют вместо метра гораздо более крупную единицу длины. Называется она "астрономической единицей" (сокращенно а. е.). По определению астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Чтобы связать астрономические измерения длины с чисто земными мерками расстояний, астрономическую единицу в конечном счете сопоставляют с метром, то есть, проще говоря, выражают астрономическую единицу в метрах или километрах.

Во времена Иоганна Кеплера (XVII век) величину астрономической единицы еще не знали - она впервые была найдена только век спустя. Не были известны и расстояния от Солнца до других планет Солнечной системы. Тем не менее третий закон Кеплера гласит, что "квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся между собой как кубы их средних расстояний до Солнца". Каким же образом, не зная расстояний от планет до Солнца, Кеплер мог открыть этот важный закон?

Весь секрет, оказывается, в том, что, не зная абсолютных (выраженных в километрах) расстояний от планет до Солнца, можно сравнительно просто из наблюдений вычислить их относительные расстояния, то есть узнать, во сколько раз одна планета дальше от Солнца, чем другая.

Посмотрите на рисунок 52. Допустим, что в некоторый момент Марс очутился в противостоянии. Земля оказалась между Солнцем и Марсом на прямой, соединяющей их. Момент противостояния какой-нибудь планеты определить очень легко. В этот момент планета "противостоит" Солнцу и, следовательно, находится в точке неба, противоположной Солнцу, а значит, наибольшей высоты над горизонтом она будет достигать ровно в местную полночь.

Рис. 52. Схема, поясняющая, как астрономы определяют относительные расстояния планет от Солнца

Пройдет некоторое время, Марс перейдет в точку М₁, а Земля - в точку З₁. Теперь Солнце, Земля и Марс образовали вершины треугольника СЗ₁М₁. В этом треугольнике можно найти все три угла. В самом деле, угол М₁З₁С есть элонгация планеты, то есть угол между направлениями с Земли на Солнце и планету - его находят из наблюдений. Зная (опять же из наблюдений) периоды обращения Земли и Марса вокруг Солнца, можно вычислить дуги, которые они описали на своих орбитах после противостояния (дуги ЗЗ₁ и ММ₁). Разность этих дуг дает угол М₁СЗ₁, и, следовательно, в рассматриваемом треугольнике теперь известны все три угла. Но тогда, по теореме синусов, доказываемой в школьном курсе тригонометрии, получаем:

Таким образом можно узнать, во сколько раз Марс дальше отстоит от Солнца, чем Земля. Разумеется, подобные вычисления можно провести и для других планет.

Описанный способ был известен еще древним. Знал его и Кеплер. Так как в его третьем законе фигурируют отношения расстояний планет, то он и мог вместо абсолютных расстояний пользоваться расстояниями относительными.

Зная относительные расстояния от планет до Солнца, можно сделать чертеж Солнечной системы. В нем не будет хватать только одного - масштаба. Если бы можно было указать, чему равно расстояние в километрах между любыми двумя телами на чертеже, то, очевидно, этим самым был бы введен масштаб чертежа и в единицах данного масштаба сразу можно было бы получить расстояние от всех планет до Солнца.

Попытки определить масштаб Солнечной системы начались еще в XVIII веке. Друг и ученик Исаака Ньютона, известный английский астроном Эдмунд Галлей, в 1716 году предложил определить величину астрономической единицы из наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца. Наблюдая это редкое явление из двух пунктов Земли, можно измерить кажущееся (параллактическое) смещение Венеры на фоне Солнца, а отсюда вычислить расстояние до Венеры. Зная же удаленность Венеры от Солнца, можно, как уже говорилось, подсчитать расстояние от Солнца до других планет, в частности и до Земли.

Способ Галлея не давал желаемой точности, да и, кроме того, его можно было применять очень редко. Позже были предложены гораздо лучшие способы, сохраняющие, впрочем, прежний принцип, - измерялось расстояние до какой-нибудь планеты, а потом вычислялась величина астрономической единицы. При этом совершенно безразлично, какая используется планета, естественная или искусственная. Вот почему для уточнения масштаба Солнечной системы вполне годятся космические ракеты и та советская межпланетная автоматическая станция, которая превратилась в самостоятельный спутник Солнца - крошечную искусственную планету.

До последнего времени среднее расстояние от Земли до Солнца считалось равным 149504000 км. Эта величина измерена не абсолютно точно, а приближенно, с ошибкой в 17000 км в ту или другую сторону.

Кое-кого из читателей может ужаснуть такая ошибка. Может быть, даже они усомнятся, стоит ли называть астрономию точной наукой. Такие упреки, конечно, несправедливы. Точность измерения характеризуется не абсолютной величиной ошибки (или, как говорят, абсолютной ошибкой), а ее отношением к измеряемому расстоянию.

С этой точки зрения, расстояние от Земли до Солнца измерено очень точно - относительная ошибка не превышает сотых долей процента.

Но постоянное стремление к повышению точности характерно для любой точной науки. Поэтому можно понять астрономов, когда они снова и снова уточняют масштаб Солнечной системы и стремятся применить самые совершенные методы для измерения астрономической единицы. Вот тут-то и приходит на помощь радиоастрономия.

Совершенно очевидно, что радиолокация планет из-за их удаленности несравненно труднее радиолокации Луны. Не забудьте, что мощность радиоэха падает обратно пропорционально четвертой степени расстояния, то есть очень сильно. Но современная радиотехника преодолела и эти трудности.

В феврале 1958 года американскими учеными впервые проведена радиолокация ближайшей из планет - Венеры, а в сентябре того же года поймано радиоэхо от Солнца.

Во время радиолокации Венера находилась в 43 миллионах километров от Земли. Значит, радиоволне требовалось примерно 5 мин для путешествия "туда и обратно". Сигналы подавались в течение 4 мин 30 сек, а следующие 5 мин "подслушивалось" радиоэхо. Длительная посылка радиосигналов была вызвана необходимостью - при коротком импульсе единичное отражение от Венеры не могло наблюдаться.

Даже с такими ухищрениями разобраться в принятых радиосигналах было нелегко. Крайне слабые, отраженные от Венеры радиоволны маскировались собственными шумами приемной аппаратуры. Только электронные вычислительные машины после почти годовой обработки наблюдений наконец доказали, что радиолокатор все-таки принял очень слабое радиоэхо от Венеры.

Радиоэхо от Венеры получилось в 10 миллионов раз более слабым, чем радиоэхо от Луны. Но радиолокаторы его все-таки поймали - таков прогресс радиотехники за каких-нибудь двенадцать лет.

Гораздо более уверенно и с лучшими результатами провели радиолокацию Венеры в апреле 1961 года советские ученые во главе с академиком В. А. Котельниковым. По их данным удалось уточнить величину астрономической единицы. Оказалось, что Солнце на 95300 км дальше от Земли, чем считали до сих пор, и астрономическая единица равна 149599300 км.

Ошибка в этом измерении не превышала 2000 км в ту или другую сторону, что по отношению к измеренному расстоянию составляет всего лишь тысячные доли процента!

Солнце для радиолокатора гораздо более крупная цель, чем Венера. Но зато Солнце - само мощный источник космических радиоволн. Чтобы эти радиоволны не "заглушили" радиоэхо, отраженный от Солнца радиосигнал должен быть по крайней мере в сто раз сильнее сигнала, отраженного от Венеры.

Радиолокация Солнца впервые проводилась так. Передатчик включался и выключался с интервалами в 30 сек в продолжение 15 мин. Наблюдения начались в сентябре 1958 года и были продолжены весной 1959 года. При их обработке также пришлось прибегнуть к помощи электронных вычислительных машин. В хорошем согласии с предварительными расчетами получилось, что радиосигнал, посланный с Земли, отразился от тех слоев солнечной короны, которые находятся на расстоянии 1,7 радиуса Солнца от его поверхности.

В июне 1962 года советские астрономы впервые, почти за год до американцев, выполнили радиолокацию Меркурия, а в конце того же года с новой, гораздо более чувствительной аппаратурой была повторена радиолокация Венеры.

В сущности, на этот раз было сделано даже большее - впервые в мире осуществлена радиотелеграфная связь через Венеру! Специальным радиотелеграфным кодом на Венеру были переданы три самых дорогих для советских людей слова: Ленин, Мир, СССР. Спустя 270 сек радиоволны, проделав путь в 85 миллионов километров, донесли отраженный радиосигнал до Земли. Опыт удался блестяще.

В начале 1963 года у нас и в США успешно провели радиолокацию Марса, а в конце того же года - Юпитера. Накопился богатый радиолокационный материал, существенно уточнивший величину астрономической единицы. По данным советских радиоастрономов, расстояние от Земли до Солнца равно 149598000 км с ошибкой в 200 км в ту или другую сторону. По решению Международного астрономического съезда, состоявшегося в Гамбурге в 1964 году, астрономическая единица с той поры принимается равной 149,6 миллиона километров.

Конечно, и в будущем эта единица масштаба Солнечной системы будет уточняться. Но только теперь, на новом этапе в борьбе за точность, придется учитывать не только ошибки в определении астрономических величин, но и не вполне точное знание скорости света. Ныне принимается, что все электромагнитные волны распространяются со скоростью 299792,5 км/сек. Ошибка в этой величине не превышает 0,4 км/сек. Но даже такая неточность, увы, приводит в определении астрономической единицы к ошибке весьма существенной - 200 км в ту или иную сторону.

Борьба за точность продолжается. Теперь она во многом диктуется нуждами космонавтики. Ошибки в определении астрономической единицы неизбежно влекут за собой ошибки в расчете траекторий космических аппаратов. Избежать их совершенно не удается, но свести к минимуму можно.

Радиолуч изучает планеты

Если планета вращается вокруг оси и при этом ось вращения не направлена прямо на наблюдателя, достаточно чувствительный радиолокатор способен это обнаружить. В самом деле, при вращении планеты один ее край будет приближаться к земному наблюдателю, а другой удаляться от него. Тогда отраженный от планеты радиосигнал неизбежно должен расшириться по сравнению с посланным. Точнее, радиолиния посланного сигнала будет несколько уже радиолинии сигнала отраженного - здесь действует знакомый нам принцип Допплера. Чем быстрее вращается планета, тем больше это расширение, размазывание отраженного радиосигнала. Значит, есть возможность из радионаблюдений планеты получить период ее осевого вращения.

В сущности, применяется тот же метод, что и при изучении либрации Луны. Стоит, пожалуй, подчеркнуть, что он одинаково хорош и для планет, лишенных атмосферы, и для планет, поверхности которых скрыты от наших глаз густым облачным покровом, - радиолуч пробивает облачный слой почти беспрепятственно.

Раньше во всех книгах по астрономии сообщалось, что планета Меркурий всегда обращена к Солнцу одной и той же стороной. Вечный день на одной стороне планеты, вечная ночь - на другой. С одной стороны ужасающая жара в 400°, с другой - леденящий холод мирового пространства, температура, близкая к абсолютному нулю.

Эти азбучные истины давно уже стали привычными, казались они незыблемыми и трудно было представить себе, что когда-нибудь их придется пересмотреть. Но, вопреки ожиданиям, радиоастрономия сказала здесь совсем новое слово.

Вслед за советскими астрономами радиолокацией Меркурия занялись американцы. В 1965 году в Пуэрто-Рико от Меркурия был получен расширенный отраженный радиосигнал. Высокая чувствительность радиоаппаратуры исключала ошибку. Пришлось признать сложившиеся взгляды ошибочными и констатировать, что Меркурий вращается вокруг оси с периодом в 59 суток!

Точности ради заметим, что это измерение сделано с ошибкой в пять суток в ту или другую сторону. Но факт установлен твердо: Меркурий хотя и очень медленно, но все-таки вращается вокруг оси, а значит, на Меркурии происходит смена дня и ночи.

Как ни замедленны эти перемены, они обязательно должны привести к сглаживанию температур дневного и ночного полушарий Меркурия. И в самом деле, недавно австралийские астрономы с помощью 63-метрового радиотелескопа неожиданно получили, что температура ночной стороны Меркурия равна 16°С. Видимо, тут сказывается не только вращение Меркурия, но и наличие вокруг планеты разреженной атмосферы из углекислого газа. Ее следы, как уже говорилось, заметны при изучении Меркурия в инфракрасных лучах. В связи с этим не следует забывать свидетельства таких опытных наблюдателей, как Антониади, который еще много десятилетий назад замечал, что темные детали на Меркурии иногда тускнели, маскируемые облаками пыли или туманом. Похоже на то, что, вопреки установившимся взглядам, Меркурий все же имеет атмосферу, а физические условия на его поверхности менее суровы, чем считалось до сих пор. Если это так, то перспективы высадки экспедиций на Меркурий уже не кажутся абсолютно нереальными.

Ось вращения Меркурия (об этом также сообщил радиолокатор) почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Если бы Меркурий всегда, с самого начала образования нашей планетной системы, обращался вокруг Солнца по орбите, близкой к современной, приливы, вызываемые Солнцем в твердой коре Меркурия, непременно затормозили бы его вращение до синхронного, то есть такого, при котором он всегда оставался бы обращенным к Солнцу одной стороной. Но этого нет. Не исключено поэтому, что Меркурий движется по современной орбите не так давно, не более нескольких сот миллионов лет. Откуда он пришел в окрестности Солнца, правда, остается при таком предположении неясным.

Еще больше нового рассказал радиолокатор о Венере. Сколько было споров о продолжительности венерианских суток! Назывались самые различные периоды (от нескольких десятков часов до 225 дней) обращения Венеры вокруг Солнца. И только радиолокация сказала свое веское, окончательное слово.

Радиоволны, посылаемые радиолокаторами с Земли к Венере, отражаются от ее поверхности. Если бы радиоволны отражала ионосфера Венеры, характер отражения заметно бы менялся с изменением длины посылаемой радиоволны. На самом же деле для всех радиоволн он почти не меняется, и, следовательно, радиоволны сантиметрового диапазона достигают твердой поверхности планеты.

Возвращаются посланные радиосигналы заметно расширенными. Летом 1964 года советские радиоастрономы нашли, что Венера вращается вокруг оси с периодом в 230 суток (ошибка в этом измерении достигала 25 суток в ту или иную сторону). Вращение это неожиданно оказалось обратным, то есть совершается оно в другую сторону, чем у Земли и остальных планет. Исполинский радиотелескоп в Пуэрто-Рико уточнил этот результат. Можно теперь считать надежно установленным, что Венера обладает обратным вращением с периодом около 247 земных суток. Любопытно, что ось ее вращения почти перпендикулярна к плоскости орбиты. Это означает, что, в отличие от Земли, на Венере нет смены времен года. Климат, погода, температура зависят там только от широты места и для каждого данного пункта Венеры должны быть достаточно однообразными.

Обратное вращение Венеры трудно объяснимо. Может быть, заставил так вращаться Венеру какой-нибудь крупный астероид, случайно врезавшийся в ее поверхность. Скорее же здесь действовали какие-то иные, пока неизвестные нам причины. Во всяком случае, обратное вращение Венеры - еще одно нарушение стройности нашей планетной системы.

Без труда пробив облачный слой Венеры, радиолуч нашел на ее поверхности много интересного. Как уже говорилось, радиоволны от разных пород отражаются по-разному - от одних лучше, от других хуже. В этом, как и во многом другом, он напоминает обычные, видимые глазом лучи света. Скажем, коэффициент отражения радиоволн от воды равен 100%, а от песка - всего 7%. Значит, по коэффициенту отражения, получаемому из радиолокационных наблюдений, можно сделать вывод, какова отражающая поверхность.

По советским и американским измерениям, коэффициент отражения поверхности Венеры составляет 10-15%. Менялась эта величина мало, а значит, поверхность Венеры достаточно однородна. По своей величине коэффициент отражения ближе всего соответствует сухим скальным породам (на силикатной основе). Во всяком случае, поверхность Венеры твердая, она вовсе не покрыта, как одно время думали, всепланетным океаном. Будущим космонавтам есть где совершить мягкую посадку.

Сравнение с Луной показало, что поверхность Венеры в среднем в два-три раза ровнее лунной поверхности. Но горы там все-таки есть. В самое последнее время радиолуч "прощупал" на поверхности Венеры обширные горные массивы протяженностью в сотни километров. Удалось это обнаружить потому, что радиолуч отражается от ровной поверхности несколько иначе, чем от гористой.

Выявилась и еще одна интересная деталь: на радиоволне длиной 3,6 см коэффициент отражения поверхности Венеры в десять-двадцать раз меньше, чем на более длинных волнах. Объяснить это можно лишь тем, что поверхностный слой Венеры состоит из какого-то пористого материала.

И опять встает перед глазами мрачная картина. Облака и тучи пыли навсегда скрывают Солнце, кругом почти совсем темно, бушуют свирепые ураганы. И жара почти 300 градусов, и давление десятки атмосфер! Нет, нелегко придется космонавтам, высадившимся на Венеру!

О Марсе радиолокатор также сообщил немало интересного. По мере того как Марс, вращаясь вокруг оси, поворачивал к наблюдателю разные части своей поверхности, коэффициент отражения менялся в широких пределах. Значит, и состав, и характер поверхности Марса в различных его районах весьма неодинаков. Этот результат согласуется и с теми данными о Марсе, которые были переданы на Землю аппаратами "Маринеров": Марс - гористая планета со сложным, разнообразным рельефом.

Судя по качествам отраженных радиосигналов, поверхность Марса запоминает сухой песчаный грунт или сухую почву. Такой мы представляем марсианскую поверхность и по оптическим наблюдениям.

Современные радиолокаторы дотянулись даже до Юпитера. В среднем коэффициент его отражения получился близким к 10%. Однако неожиданно выявилась область шириной не менее 1600 км, отражающая радиоволны гораздо лучше, чем остальная поверхность Юпитера. Любопытно, что она не совпадает со знаменитым Красным пятном и вообще ничем особенным в видимых лучах не отмечена. К длинному перечню загадок Юпитера прибавилась еще одна.

За короткий срок радиолокаторы раскрыли много нового в природе планет. Разве это не залог будущих, сегодня еще трудно предвидимых успехов радиолокационной астрономии?

Метеоры можно наблюдать днем

Звездная ночь. В невообразимой дали тихо сияют тысячи солнц. И вдруг как будто одна из звезд сорвалась и полетела, оставляя на небе узенькую светящуюся полоску. Все явление обычно занимает доли секунды, реже несколько секунд.

Так выглядят "падающие звезды", или метеоры, - явления, хорошо знакомые каждому еще с детских лет. Читателю, конечно, известно, что "падающие звезды" не имеют никакого отношения к настоящим звездам - далеким солнцам. Когда по небу пролетает "падающая звезда", это означает, что в земную атмосферу из безвоздушного мирового пространства вторглась крохотная твердая частичка весом в граммы или даже доли грамма - метеорное тело.

Рис. 53. Радиоволны отражаются от ионизированных метеорных следов

Двигаясь со скоростью в десятки километров в секунду, метеорное тело сильно сжимает перед собой воздух. Он ярко светится, образуя так называемую воздушную подушку. Ее мы и видим как "падающую звезду".

Поединок твердой частички космического вещества и земной атмосферы всегда имеет один исход. Примерно на высоте 80-100 км метеорные тела полностью разрушаются, и остающаяся после них мельчайшая метеоритная пыль медленно оседает на Землю.

Метеоры наблюдаются уже много тысячелетий. В Ленинграде, в архиве Эрмитажа, хранится древний папирус, в котором сообщается о наблюдениях метеоров еще 4000 лет назад. Упоминание о метеорах можно встретить и в различных творениях древних поэтов.

Так как яркость метеоров сравнима с видимой яркостью звезд, то до последнего времени "падающие звезды" наблюдались только по ночам, на темном фоне звездного неба.

Радиоастрономия значительно расширила возможность изучения этих интересных явлений.

Когда метеорное тело стремительно прорезает земную атмосферу, то, сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, оно частично ионизирует их, то есть "вышибает" из них некоторые электроны. В результате за метеорным телом образуется длинный цилиндрический слой из ионизированных газов. Его размеры весьма внушительны - при поперечнике в несколько метров длина этой ионизированной "трубы" достигает десятков километров. Вследствие диффузии (рассеивания газов) "труба" постепенно расширяется и в конце концов как бы растворяется в атмосфере.

Мы уже отмечали, что слой ионизированных газов для радиоволн определенных длин является своеобразным зеркалом. Значит, с помощью радиолокатора можно получить радиоэхо и от ионизированных метеорных следов. Возможности радиотехники в этой области исключительно велики. Радиолокаторы могут быстро определить расстояние до метеора, скорость метеорного тела, его торможение в атмосфере и, наконец, положение радианта, то есть той точки неба, откуда, как нам кажется, вылетел метеор.

Опыты показали, что наилучшие результаты получаются, если радиолокация метеоров ведется на волнах длиной 5 м.

Современные радиолокаторы так чувствительны, что им доступны метеоры 16-й звездной величины, то есть почти в 10 тысяч раз менее яркие, чем самые слабые из звезд, доступных невооруженному глазу.

Рис. 54. Области неба (отмечены черным), откуда днем к нам летят метеоры

Систематические радиолокационные наблюдения метеоров начались с 1946 года. В ночь на 10 октября этого года Земля должна была пересечь орбиту кометы Джиокобини - Циннера. Когда такое же событие происходило в 1933 году, на небе наблюдался интенсивный "звездный дождь". Сотни метеоров бороздили во всех направлениях звездное небо. В этот день земной шар встретился с метеорным потоком - огромным роем метеорных тел, своеобразных "осколков" кометного ядра, несущихся вокруг Солнца по орбите породившей их кометы. Астрономы договорились называть метеорные потоки по тому созвездию, из которого, как нам кажется, вылетают соответствующие им метеоры. Так как метеорный дождь, связанный с кометой Джиокобини - Циннера, имеет радиант в созвездии Дракона, то порожденный ею метеорный поток получил название Драконид.

Ежегодно в конце первой декады октября Земля встречается с драконидами - метеорными телами потока Драконид. Но только иногда их звездные дожди бывают особенно обильными. Как раз такой случай и произошел в 1946 году, когда Земля пересекала наиболее плотную часть потока.

К огорчению астрономов, в ночь на 10 октября 1946 года ярко светила Луна, и ее сияние сильно мешало обычным наблюдениям. Но для радиолокаторов лунный свет не помеха. Советские ученые Б. Ю. Левин и П. О. Чечик в ту ночь зарегистрировали радиоэхо от сотен метеоров, большинство которых оставалось невидимым.

С тех пор радиолокационные наблюдения метеоров прочно вошли в практику работы многих обсерваторий.

Ни туман, ни дождь, ни ослепительное дневное сияние Солнца не могут помешать радиолокаторам "нащупывать" невидимые "падающие звезды". Они уверенно фиксируют как спорадические метеоры, то есть те метеоры, которые не связаны с каким-нибудь определенным метеорным потоком, так и невидимые "звездные дожди".

Без радиолокаторов мы никогда бы не знали, что в мае, в июле из тех участков неба, где в эти месяцы находится Солнце, ежегодно выпадают на Землю обильные "звездные дожди" - самые обильные из известных, включая даже Персеиды, ежегодно наблюдаемые августовскими ночами. Уже найдено около десятка дневных метеорных потоков, "падающие звезды" которых никогда не доступны нашим глазам. Для давно известных ночных потоков с помощью радиолокаторов были уточнены сведения об орбите потока, численности входящих в него метеорных тел и другие данные.

Изучение метеоров имеет большое практическое значение. По торможению метеорного тела в атмосфере можно судить о плотности атмосферы на больших высотах, о распределении этой плотности по высоте. Спектр метеора приносит нам сведения о составе стратосферы, ее температуре. После распада метеорного тела образуется пылевой след - его размельченные остатки, нечто вроде пепла. Этот след гонится ветрами, что можно проследить при наблюдениях с Земли. Именно таким способом было неожиданно открыто, что в стратосфере, считавшейся прежде областью вечного покоя, на самом деле нередко бушуют ураганные ветры.

Совершенно очевидно, что все эти сведения очень ценны для высотной авиации, для расчетов траектории посылаемых в стратосферу ракет.

Небо служит Земле. И в этом нужном деле немалая роль принадлежит радиоастрономии.

С другой стороны, изучение твердого раздробленного вещества за пределами Земли, в межпланетном пространстве, исключительно важно для космонавтики. Крупные частицы весом в грамм и более могут пробить оболочку космического корабля, нарушить герметизацию кабины. Мелкие частицы и пыль медленно разрушают внешнее покрытие, портят оптические приборы.

"Метеорная опасность", очевидно, вероятнее там, где больше сосредоточено метеорного вещества. Как раз в этом и помогает разобраться радиоастрономия, регистрирующая невидимые глазом метеоры и новые, неизвестные метеорные потоки.