Астрономы наблюдают

Много тысячелетий астрономы изучали Вселенную только через одно узкое «оптическое окно» атмосферы.

Они не подозревали, что есть еще другое «окно», гораздо более широкое. Оно лежит в области радиоволн.

Левый край «радиоокна» отмечен ультракороткими радиоволнами длиной 1,25 см, правый край — радиоволнами длиной около 30 м.

Радиоволны, длина которых меньше 1,25 см (кроме волн с длиной около 8 мм), поглощаются молекулами кислорода и водяных паров. От них есть непрерывный переход к тем электромагнитным волнам, которые мы называем инфракрасными.

Радиоволны, длина которых больше 30 м, поглощаются особым верхним слоем атмосферы, носящим наименование ионосферы. Как показывает само название, ионосфера состоит из ионизованных газов, то есть таких газов, атомы которых лишены части своих электронов (которые также входят в ионосферу).

Для некоторых радиоволн слой ионизованного газа подобен зеркалу — радиоволны отражаются от него как солнечный луч от поверхности воды. Поэтому приходящие на Землю из космоса радиоволны с длиной волны больше 30 м почти полностью отражаются от ионосферы. Для них Земля является «блестящим шариком» (как для солнечных лучей блестящий игрушечный елочный шар), и пробить ионосферу они не в состоянии.

«Радиоокно» гораздо шире «оптического окна». На рисунке 38 по горизонтальной оси отложена так называемая логарифмическая шкала длин, то есть единицы масштаба вдоль этой оси есть единицы степени числа 10. Если же иметь дело с числами, а не с их логарифмами, то ширина «радиоокна» (около 30 м) получится почти в десять миллионов раз больше ширины «оптического окна». Таким образом, «оптическое окно» скорее следует считать чрезвычайно узкой щелью, и можно только удивляться, что исследуя Вселенную через такую «щель», мы знаем о ней очень многое.

Естественно ожидать, что широко распахнутое в космос «радиоокно» покажет нам Вселенную еще более многообразной и сложной.

Если излучение небесного тела по длине волны подходит для «радиоокна», оно практически беспрепятственно достигает земной поверхности, и задача астрономов состоит в том, чтобы уловить и исследовать каким-то способом это излучение.

Для этого и созданы радиотелескопы.

Радиотелескопы и рефлекторы

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 рассматривается 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 изображений 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 (рис. 39). 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 — только 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.

Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой дипольной антенне, облучая ее. Вот почему эта антенна в радиотелескопах получила название облучателя.

Радиоволны, как и всякое излучение, несут в себе некоторую энергию. Поэтому, падая на облучатель, они возбуждают в этом металлическом проводнике упорядоченное перемещение электронов, иначе говоря, электрический ток. Радиоволны с невообразимо большой скоростью «набегают» на облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстропеременные электрические токи.

Рис. 39. Схема устройства радиотелескопа.

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

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.

Два типа установок есть не только у рефлекторов, но 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.

Есть между радиотелескопами и рефлекторами и большие различия. Столь большие, что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей излучений — зеркал. Самый большой из существующих телескопов-рефлекторов — советский 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории АН СССР. Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76 м. До последнего времени крупнейшим радиотелескопом был радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало этого телескопа имеет диаметр 300 м и вмонтировано в кратер одного из бездействующих вулканов. Этот инструмент может работать и как радиолокатор, причем радиосигналы от него могут быть уловлены (на уровне земной радиотехники) в пределах всей нашей Галактики.

В той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР недавно вступил в строй 600-метровый советский радиотелескоп. В отличие от радиотелескопа в Пуэрто-Рико, главная часть нашего радиотелескопа представляет собой не сплошное металлическое вогнутое зеркало, а кольцо диаметром 600 м, состоящее из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый из которых имеет размеры 2x7,5 м. Этот крупнейший в мире радиотелескоп рассчитан на прием радиоволн с длиной волны от 8 мм до 30 см. По ряду параметров (в частности, по разрешающей способности) этот инструмент не имеет себе равных в мире. В недалеком времени будут построены еще большие радиотелескопы, тогда как рефлекторы с поперечником зеркала в 10 м вряд ли удастся создать в ближайшие двадцать-тридцать лет. В чем же причина столь существенного различия?