Радиотелескопы
До недавнего времени небесные светила изучались почти исключительно в видимых лучах спектра. Но в природе существуют еще невидимые электромагнитные излучения. Они не воспринимаются даже с помощью самых мощных оптических телескопов, хотя их диапазон во много раз шире видимой области спектра. Так, за фиолетовым концом спектра идут невидимые ультрафиолетовые лучи, которые активно воздействуют на фотографическую пластинку - вызывают ее потемнение. За ними располагаются рентгеновские лучи и, наконец, гамма-лучи с самой короткой длиной волны.
Если за красным краем солнечного спектра поместить термометр, то он будет нагреваться под действием инфракрасных (тепловых) лучей. Как бы продолжением их в непрерывной спектральной гамме являются радиоволны. Область радиоволн можно считать почти неограниченной, так как теоретически возможны электромагнитные волны очень большой длины. Но для большинства электромагнитных излучений воздух непрозрачен. Из всех излучений, возникающих в космосе, поверхности Земли достигает лишь ничтожная их доля.
Мы смотрим в просторы Вселенной сквозь два "окна". Первое расположено в области видимых и тепловых лучей и длинноволнового ультрафиолета. Поток же коротковолновых излучений начисто срезается - поглощается озоном, находящимся в атмосфере на высоте от 30 до 50 км. Считайте, что нам повезло! Ведь эти лучи крайне опасны для жизни. Исчезни озон - они убили бы на Земле практически все живое.
Многие тысячелетия люди наблюдали Вселенную только сквозь узкое "оптическое окно" атмосферы. Они даже не подозревали, что есть еще другое "окно" прозрачности, значительно более широкое. Лежит оно в области радиоволн.
Левый край "радиоокна" отмечен ультракороткими радиоволнами, имеющими длину 1,25 см. Радиоволны с меньшей длиной волны (кроме волн с длиной около 8 мм) поглощаются молекулами кислорода и водяных паров.
Правый край "радиоокна" ограничен 30-метровыми волнами, так как волны длиной более 30 м почти полностью отражаются от земной ионосферы обратно - в космическое пространство. Для них наша Земля подобна блестящему елочному шарику, и пробить ионосферу они не в состоянии. "Радиоокно" почти в 10 млн раз шире "оптического окна", и естественно было ожидать, что, широко распахнутое в космос, оно покажет нам Вселенную более многообразной.
Использование "радиоокна" для астрономических наблюдений началось только в конце 30-х годов XX столетия, когда возникла новая область астрофизики - радиоастрономия, открывшая нам совсем новое "небо". Она помогла человеку увидеть то, что недоступно для самой совершенной астрономической оптики. И еще: радиоастрономические наблюдения можно вести и днем и ночью: они не зависят от капризов погоды. С помощью радиотелескопов можно исследовать глубины Вселенной и в проливной дождь, и в сильный снегопад!
Для улавливания радиоизлучения, поступающего к нам из космоса, применяются специальные радиофизические приборы - радиотелескопы. Принцип действия радиотелескопа тот же, что и оптического: он собирает электромагнитную энергию. Только вместо линз или зеркал в радиотелескопах используются антенны. Очень часто антенна радиотелескопа сооружается в виде огромной параболической чаши, иногда сплошной, а иногда решетчатой. Ее отражающая металлическая поверхность концентрирует радиоизлучение наблюдаемого объекта на небольшой приемной антенне-облучателе, которая помещается в фокусе параболоида. В результате этого в облучателе возникают слабые переменные токи. По волноводам электрические токи передаются в очень чувствительный радиоприемник, настроенный на длину рабочей волны радиотелескопа. Здесь они усиливаются, и, подключив к приемнику репродуктор, можно было бы прослушать "голоса звезд". Но голоса звезд лишены всякой музыкальности. Это вовсе не чарующие слух "космические мелодии", а потрескивающее шипение или пронзительный свист... Поэтому к приемнику радиотелескопа присоединяют обычно специальный самопишущий прибор. И вот уже на движущейся ленте самописец вычерчивает кривую интенсивности входного радиосигнала определенной длины волны. Следовательно, радиоастрономы не "слышат" шороха звезд, а "видят" его на разграфленной бумаге.
Как известно, в оптический телескоп мы наблюдаем сразу все, что попадает в его поле зрения.
С радиотелескопом дело обстоит сложнее. Там всего лишь один приемный элемент (облучатель), поэтому изображение строится построчно - путем последовательного прохождения источника радиоизлучения через луч антенны, то есть аналогично тому, как на телевизионном экране.
Почему радиотелескопы стремятся делать очень большими?
Создание огромных радиотелескопов продиктовано двумя причинами, и прежде всего необходимостью повысить их чувствительность. Ведь, как правило, радиоизлучение далеких космических объектов несет слишком мало энергии. Способность же радиотелескопа собирать энергию зависит от размеров его антенны: чем больше площадь антенны, тем больше энергии она улавливает.
У первых радиотелескопов была очень малая разрешающая способность, то есть возможность телескопа разделять для наблюдателя два очень близких на небе объекта. Если у лучших оптических телескопов при благоприятных атмосферных условиях она достигает 0,05 секунды дуги, то у радиотелескопов разрешающая сила приближалась к одному градусу. Иначе говоря, радиотелескоп не позволял точно определить положение наблюдаемого объекта на небе, он был неспособен различать детали на Солнце, а также на поверхности Луны и планет. Решить эту проблему можно было опять-таки путем увеличения поперечника антенны. Росли размеры антенны - росла и разрешающая способность телескопа.
Самый большой в мире радиотелескоп с вращающимся параболоидом диаметром 76 м установлен в английской обсерватории Джодрелл-Бэнк. Вес этой махины (не считая подвижных частей) составляет 2000 т, а в высоту вся конструкция достигает 92 м, что соответствует 30-этажному небоскребу.
А на острове Пуэрто-Рико, в кратере потухшего вулкана, американские радиофизики соорудили радиотелескоп с неподвижной сферической антенной. Диаметр этой гигантской чаши - 305 м!
Но радиотелескопы-гиганты за очень редким исключением не могут работать в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн. И это понятно. Большие металлические чаши очень трудно изготовить с высокой точностью. Ведь для того чтобы параболическое зеркало давало в своем фокусе четкое изображение небесного объекта, его поверхность не должна отклоняться от расчетной геометрической поверхности более, чем на одну десятую длины рабочей волны радиотелескопа. Например, если прием идет на волне 1 см, то отклонения допускаются не более 1 мм.
Другое дело, если радиотелескоп предназначен для приема метровых радиоволн. Такой телескоп построить легче. Параболическая чаша к нему делается не сплошной, а сетчатой. Благодаря этому значительно уменьшается вес инструмента, и в то же время решетчатая чаша действует как сплошная, ибо для метровых радиоволн даже дециметровые отверстия неощутимы.
Один и тот же радиотелескоп может работать на разных волнах. Для этого нужно только поменять облучатель и изменить частоту радиоприемника, то есть настроить на нужную длину волны. Важно, чтобы шероховатости поверхности параболоида не превышали установленных допусков для рабочих длин волн.
Сегодня принимается радиоизлучение "небесных радиостанций", находящихся от нас на расстоянии около 15 млрд световых лет, то есть на самом краю наблюдаемой нами Вселенной!
РАТАН
В Карачаево-Черкесии, на северном склоне Большого Кавказа, есть станица Зеленчукская. В 1975 году на горе Пастухова, в 40 км от Зеленчукской, вступил в строй оптический телескоп-гигант БТА-6, а год спустя возле самой станицы было завершено строительство второго гиганта - РАТАН-600 - радиоастрономического телескопа Академии наук СССР, с антенной диаметром 600 м. РАТАН-600 уникален. В мире нет другого, подобного ему по конструкции. У радиотелескопа-гиганта антенна образует замкнутое кольцо почти 2-километровой длины. Она состоит из 895 отражающих алюминиевых панелей (каждая высотой с двухэтажный дом), прикрепленных к металлическим фермам, которые покоятся на прочном бетонном фундаменте.
Со склонов ближайшей горы РАТАН напоминает гигантскую ромашку, лежащую на дне огромной каменной чаши в окружении синих гор. А горцы сравнивают необычный телескоп с орлиным гнездом...
Если спуститься вниз и подойти к РАТАНу, то вблизи можно заметить, что лепестки "ромашки" временами оживают - приходят в движение. Но поворачиваются они не навстречу солнечным лучам, а по программе, составленной астрономом-экспериментатором. Каждый лепесток можно повернуть влево-вправо, наклонить к горизонту или обратить к зениту, выдвинуть на некоторое расстояние вперед или удалить назад. Такая настройка происходит всякий раз, когда требуется навести антенну РАТАНа на определенный небесный объект. Каждая настроенная панель отражает падающий на нее радиосигнал в фокус, где расположен облучатель. В результате на облучателе концентрируется радиосигнал большой мощности. Принятые радиосигналы считываются и обрабатываются электронной аппаратурой.
Создавая РАТАН, ленинградские ученые и конструкторы делали ставку на технику завтрашнего дня. Перед ними была трудновыполнимая задача: изготовить приемную антенну с собирающей площадью 13 тыс. м2 и при этом сохранить высокую точность отражающей поверхности. Телескоп должен был "прослушивать" Вселенную в диапазоне радиоволн от 8 мм до 30 см. А так как отклонения поверхности антенны не должны превышать одной десятой доли минимальной длины рабочей волны телескопа, то для РАТАНа такая предельная погрешность составляла 0,8 мм, что соизмеримо с толщиной... лезвия ножа!
Совсем не просто было соблюсти такую точность при изготовлении и монтировке огромных алюминиевых щитов. Но точность была выдержана. Разрешающая способность РАТАНа на волне 1 см составляет 0,3 секунды дуги, что приближается к точности оптических наблюдений. Исследователи Вселенной получили новый замечательный радиотелескоп.
Коротцев О.Н.
