Книга: Извечные тайны неба

Успехи радиоастрономии

Успехи радиоастрономии

Если оптические телескопы справедливо называть «глазами» астрономов, то в связи с бурным развитием радиоастрономии у них появились еще и «уши».

Недалеко от уникального 6-метрового оптического телескопа БТА расположился ныне один из наиболее грандиозных радиоастрономических инструментов планеты – радиотелескоп Академии наук СССР поперечником 600 м, или сокращенно РАТАН-600. Если взглянуть на него с борта вертолета, РАТАН-600 представляется взору огромным серебристым обручем, заброшенным на плоскую площадку у подножия гор в стороне от станицы Зеленчукской. Однако это очень «гибкий» обруч. Математик сказал бы, что он с необходимой точностью передает форму пояса, вырезанного из сферы, диаметром 600 м.

Элементы отражающей радиоволны поверхности РАТАН – около тысячи установленных вертикально на круговом фундаменте плоских панелей шириной 2,1 и высотой 7,4 м. Каждая панель смонтирована на отдельной ферме, которая может немного перемещаться взад-вперед и, главное, поворачиваться вверх в пределах 70°. Так же, как и для БТА, главную роль в управлении РАТАН играет электронно-вычислительная машина.

Наблюдения выполняются на отдельных секторах РАТАН. По команде оператора в соответствии с программой ЭВМ панели заданного сектора радиотелескопа разворачиваются в такие строго рассчитанные положения, что образуют единый, как бы вырезанный из 600-метровой сферы пояс, нацеленный именно в ту точку неба, где предстоят наблюдения. В процессе наблюдений ЭВМ непрерывно корректирует положения всех панелей, и благодаря этому РАТАН остается все время наведенным на одну и ту же точку движущегося небесного свода.

Радиотелескоп столь необычной конструкции был спроектирован в послевоенные годы видным советским физиком С. Э. Хайкиным. Его идея прошла сначала успешные испытания в Пулковской обсерватории, а впоследствии, в гораздо больших масштабах, была осуществлена в предгорьях Северного Кавказа.

Никакой радиотелескоп обычной конструкции с поворотным сплошным параболическим отражателем – наподобие радиолокатора – не может соревноваться по поперечнику зеркала с РАТАН-600. Первенство среди таких радиотелескопов классического образца долгое время держал инструмент английской обсерватории Джодрелл Бэнк. Он состоит из одного металлического параболоида диаметром 76 м. Сравнительно недавно его «перещеголял» телескоп радиоастрономического института им. Макса Планка в Эффельсберге (ФРГ) с диаметром зеркала 100 м.

Мощнейшим радиотелескопом является антенна советского центра дальней космической связи, близ Евпатории, состоящая из 8 установленных на общей раме параболических зеркал. С помощью этой антенны велись наблюдения за космическими летательными аппаратами, уходящими в дальний космос, в частности за теми, которые совершали спуск в атмосфере Венеры и Марса. Центр дальней космической связи был впоследствии оснащен и 70-метровой полноповоротной параболической антенной. Другая такая же антенна установлена в Уссурийске.

В наши дни стало очевидным, что заметно увеличить размеры радиотелескопов, сохранив их полную подвижность, технически невозможно. Поэтому стали строить такие радиотелескопы, которые могут изменять свое положение только в одном направлении или даже полностью неподвижные. Перед неподвижным радиотелескопом, благодаря вращению небесной сферы, в течение суток проходит целая полоса неба, куда, конечно же, попадает много интересных объектов.

Крупнейший из неподвижных радиотелескопов построен в Пуэрто-Рико, в кратере потухшего вулкана Аресибо. Кратер вулкана был тщательно выровнен и получил форму параболоида, потом забетонирован и получившаяся чаша застелена металлической сеткой. Диаметр радиотелескопа Аресибо – 300 м.

Человеческий глаз и глаз любого животного характеризуется чрезвычайно важной величиной – разрешающей способностью. Разрешающей способностью называют тот наименьший угол, под которым два объекта – две черты или две точки – различаются как самостоятельные.

Разрешающая способность глаза зависит от очень многих обстоятельств. Для человека с нормальным зрением в обычных условиях она составляет около 1'.

Разрешающей способностью характеризуются и телескопы. Она увеличивается с увеличением диаметра объектива телескопа и с уменьшением длины волны принимаемого излучения. Однако для оптических телескопов разрешающая способность лимитируется атмосферой и не превышает 0,3''.

В радиоастрономии долгие годы дело обстояло гораздо хуже, поскольку радиоастрономы наблюдают не видимый свет с длинами волн в 4000-7000 А, а радиоволны, длины которых в десятки тысяч раз больше. Отсюда и возникла необходимость в постройке радиотелескопов с огромными объективами-параболоидами. В этом-то и заключается главное достоинство РАТАН-600.

Однако разрешение радиотелескопов все равно оставалось недостаточным. Оно составляло многие минуты и десятки минут дуги. А это значит, что не имелось никакой возможности изучать тонкую структуру наблюдаемых на небе радиоисточников. Нельзя было даже ответить на такой простой вопрос: какова протяженность радиоисточника? То ли наблюдается на небе большой радиоисточник размерами в десятки минут дуги, то ли на этом участке неба расположено рядом несколько, источников, но все они маленькие?

Радиоастрономы сумели преодолеть эту, казалось бы, непреодолимую трудность. Они стали использовать два радиотелескопа, отнесенных друг от друга на многие километры, – так называемый радиоинтерферометр. Сравнение одновременных наблюдений на обоих телескопах дает возможность при больших базах добиться разрешающей способности, невиданной даже для оптических инструментов и доходящей до 0,001''.

Советские радиоастрономы Н. С. Кардашев и Л. И. Матвеенко предложили дальнейшее усовершенствование радиоинтерферометрии: метод РСДБ – радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. В обычной радиоинтерферометрии используются инструменты, разнесенные на десятки или сотни км с кабельной связью между ними. Метод РСДБ предусматривает совместные наблюдения на разных континентах с инструментами, удаленными иной раз до 10 000 км, т.,е., по существу, настолько далеко, насколько позволяют размеры Земли. В этом случае как бы воспроизводится радиотелескоп с поперечником, приближающимся к поперечнику Земли.

Разумеется, обработку сигналов по методу РСДБ нельзя назвать простой. Частота сигналов, получаемых на далеко разнесенных радиотелескопах, понижается, и они записываются на магнитофон. Преобразование сигналов и их последующая синхронизация производятся с помощью высокостабильных атомных стандартов частоты. Иногда для той же цели может использоваться радиоизлучение квазаров. Совместный анализ принятых сигналов выполняется на ЭВМ.

Успешное претворение в жизнь метода РСДБ еще более подчеркнуло парадоксальность ситуации. В диапазоне видимого света с Земли возможно наблюдать, например, на Луне лишь объекты в сотни метров. В радиодиапазоне с гораздо большей длиной волны, где добиться высокого разрешения многократно сложнее, благодаря методу РСДБ успешно разрешаются радиодетали размером со след человека.

Радиоинтерферометрические методы используются для детального изучения радиоисточников в Галактике и за ее пределами. Особенно большой интерес представляют сегодня далекие радиогалактики и квазары, которые характеризуются бурными нестационарными процессами с большим выделением энергии. Широкое применение находит радиоинтерферометрия в планетологии и космической навигации. В 1971 г. при поездке по Луне двух астронавтов на лунном вездеходе их положение по отношению к посадочному отсеку на удалении до 5 км определялось с погрешностью ±15 см. В наблюдениях участвовали антенны, размещенные во Флориде, Испании и на острове Вознесения. Время одного измерения составляло 0,05 с.

Одна из решенных с помощью радиоинтерферометрии научных задач последних лет – точное слежение за дрейфом в атмосфере Венеры двух французских аэростатных зондов, заброшенных туда советскими станциями «Вега-1» и «Вега-2». Напомним, что следить за аэростатами, перемещавшимися со скоростью пешехода, приходилось на удалении свыше 100 млн км от Земли.

Опыт радиоастрономии в очередной раз показывает, что Природа не может положить предел пытливости человеческого разума, и все трудности, даже самые, казалось бы, непреодолимые, можно преодолеть.