Радиотехника и космос история и современность

--PAGE_BREAK--         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 большие различия. Столь большие что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей излучений — зеркал. Самый большой из существующих в нашей стране телескопов-рефлекторов 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории. Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76м. До последнего времени крупнейшим радиотелескопом был телескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало этого телескопа имеет диаметр 300м и вмонтировано в кратер одного 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 находится 600-метровый радиотелескоп. В отличии от радиотелескопа в Пуэрто-Рико, главная часть нашего радиотелескопа представляет собой не сплошное металлическое вогнутое зеркало, а кольцо диаметром 600м, состоящее из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый из которых имеет размеры 2*7,5 м. Этот крупнейший в мире радиотелескоп рассчитан на прием радиоволн с длиной волны от 8мм  до 30см. 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 10м вряд ли удастся создать в ближайшие двадцать-тридцать 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 редкое, четкое изображение небесного объекта (неважно, в видимых или невидимых лучах), поверхность зеркала не должна уклоняться от идеальной геометрической поверхности более чем на 1/10 длины волны  собираемого излучения. Такой «допуск» верен как для видимых лучей света, так и для радиоволн. Но для радиоволн 1/10 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 значения шероховатости зеркал, а их отношение  к длине волны  собираемого излучения.
         О том, как трудно создать крупный рефлектор, мы уже говорили. Радиотелескоп с поперечником в десятки метров построить легче. Ведь если даже этот телескоп будет принимать радиоволны с длиной волны 1,25см, то шероховатости 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 сплошные, а сетчатыми. Этим значительно уменьшается вес инструмента, ив 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».
         Подчеркнем 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 волн. При этом, конечно, требуется изменить частоту радиоприемника.
         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.
         Замечательно, что радиотелескопы можно устанавливать в любом пункте страны. Ведь они совсем не зависят от капризов погоды или прозрачности атмосферы. С помощью радиотелескопов можно исследовать Вселенную хоть в проливной дождь!
4.Борьба с помехами.
         Нелегко создать сплошное металлическое зеркало с 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 истинное чудо современной техники.
         Иногда зеркало радиотелескопа, как уже говорилось, делают очень большим, но неподвижным. При высокой чувствительности подобный телескоп ограничен в своих возможностях — он всегда направлен на одну и ту же точку неба.
         Впрочем, и неподвижный телескоп все-таки движется, ведь он находиться на поверхности Земли, а земной шар непрерывно и равномерно вращается вокруг своей воображаемой оси. Поэтому в поле зрения неподвижного радиотелескопа постоянно появляются все новые и новые небесные тела, причем наблюдению доступен довольно широкий круговой пояс неба. Разумеется, через сутки, когда Земля совершит полный оборот, картины в поле зрения радиотелескопа снова начнут повторяться.
         Радиоприемники присоединенные к антенне радиотелескопа, очень чувствительны. Если, например, к ним просто подключить какой-нибудь проводник, то приемник станет реагировать на  беспорядочные тепловые движения в этом проводнике. Яснее говоря, тепловое движение электронов вызывает на концах проводника беспорядочно меняющиеся напряжения, пропорциональные температуре проводника. В приемнике эти процессы приобретут характер «шумов».
         Хотя мощность таких помех от антенного устройства ничтожно мала, они все же, как это не обидно, подчас в десятки, а иногда и в сотни раз превосходят мощность космического радиоизлучения. Мешают также и шумы, возникающие в самом приемнике при работе транзисторов.
         Шумы, порожденные аппаратурой, как бы маскируются под космическое излучение. 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 аппаратуры.
         При изучении слабых источников космических радиоволн применяют довольно сложные и хитроумные методы и устройства. позволяющие уловить неуловимое. И здесь победа остается в конце концов за человеком. Рост техники радиоастрономии происходит очень бурно, и с каждым годом радиотелескопы становятся все более и более чувствительными.
         Впрочем, уже сейчас 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 чувствительны гигантских телескопов-рефлекторов. Среди всевозможных приемников электромагнитных волн радиотелескопы не имеют себе равных.
5.О зоркости радиотелескопов.
         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 нам покажется не точкой, а кружочком с заметным диаметром. Но это не настоящий диск звезды, а только ее испорченное изображение, вызванное несовершенством телескопа. Мы видим созданное телескопом фокальное пятно.
Чем больше диаметр объектива, тем меньше и размеры фокального пятна.
С величиной фокального пятна тесно связана разрешающая способность телескопа. Так называют наименьшее расстояние между двумя источниками излучения, которые данный телескоп дает различить в отдельности. Если, например, в двойной звезде обе звезды так близки на небе друг к другу, что их изображения, создаваемые телескопом, попадают практически внутрь фокального пятна, двойная звезда покажется в телескоп одиночной.
Оптические телескопы обладают весьма большой раз­решающей способностью. В настоящее время наилуч­шие из оптических телескопов способны «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 друг от друга больше чем на десять градусов!
Десять градусов—это двадцать видимых попереч­ников Луны. Значит, указанный радиотелескоп не спо­собен «разглядеть» в отдельности такие мелкие для него небесные светила, как Солнце или Луна.
Ясно, что низкая разрешающая способность обыч­ных небольших радиотелескопов — большой недоста­ток; даже при огромных размерах зеркала она, как правило, уступает разрешающей силе человеческого глаза (не говоря уже 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, как говорят физики, находятся в противоположных фазах, то есть «горб» одной приходится как раз против «впадины» другой, обе волны «погасят» друг друга, 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 друг друга, и колебания среды будут совершаться с удвоенной ин­тенсивностью.
Представим себе теперь устройство, называемое радиоинтерферометром (рис.3). Это два одинаковых радиотелескопа, разделенных расстоянием (базой) и 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 друг друга. При нечетном числе полуволн произойдет обратное— взаимное гашение радиоволн, и в приемник радиосиг­налы вовсе не поступят.
Обратите внимание: при изменении направления на источник излучения меняется и разность хода.
Достаточно при этом (что очень важно!) лишь весьма незначительное изменение угла , чтобы «гашение» волн сменилось их усилием 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 состоят не из двух, а из нескольких радиотелескопов. При этом раз­решающая способность радиоинтерферометра сущест­венно увеличивается. Есть и другие технические уст­ройства, которые позволяют современным «радио глазам» астрономов стать очень «зоркими», гораздо более зоркими, чем невооруженный человеческий глаз!

рис.3 Схема радиоинтерферометра (d- его база, т.е. расстояние между радиотелескопами, характеризует направление на источник 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 состоят не из двух, а из нескольких радиотелескопов. При этом раз­решающая способность радиоинтерферометра сущест­венно увеличивается. Есть и другие технические уст­ройства, которые позволяют современным «радио глазам» астрономов стать очень «зоркими», гораздо более зоркими, чем невооруженный человеческий глаз!
В феврале 1976 года советские и американские ученые осуществили интересный эксперимент— радио­телескопы Крымской и Хайсптекской (США) обсерва­торий в этом опыте играли роль «глаз» исполинского радиоинтерферометра, а расстояние во много тысяч километров между этими обсерваториями было его базой. Так как база была очень велика и космические радио объекты наблюдались с разных континентов, до­стигнутая разрешающая способность оказалась поис­тине фантастической—одна десятитысячная доля се­кунды дуги! Под таким углом виден с Земли на Луне след от ноги космонавта! Позже к этим эксперимен­там присоединились и австралийские ученые, так что астрономы «взглянули» на космические радиоисточ­ники сразу с трех континентов. Результаты оправдали затраченные усилия: в ядрах галактик и квазарах обнаружены взрывные процессы необычайной актив­ности, причем в ряде случаев наблюдаемая скорость разлета космических облаков в квазарах, по-видимо­му, превосходит скорость света!
Таким образом, новая техника поставила перед наукой и новые проблемы принципиального характе­ра. Достигнутая ныне разрешающая способность ра­диоинтерферометров — это еще не предел. В будущем, вероятно, радиотелескопы станут еще зорче.
Кстати сказать, и в оптической астрономии исполь­зуют интерферометры. Их присоединяют к крупным телескопам, чтобы измерить реальные поперечники звезд. В обоих случаях интерферометры играют роль своеобразных «очков», позволяющих рассмотреть важ­ные подробности в окружающей нас Вселенной.
Но оптические интерферометры по зоркости зна­чительно уступают тем, которые употребляются ныне в радиоастрономии.
6.«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, если так можно выразиться, 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, затем ждите, когда до вашего уха донесется эхо — отраженный звук. Учтя, что скорость звука в воздухе равна 337 м/с, 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. Эти ультразвуки поглощаются в толстом слое волос, и поэтому, не получив обратного звукового эха, летучая мышь воспринимает голову как «пустое место». Этим и объясняется, что летучая мышь иногда в темноте ударяется о головы людей, не прикрытые головным убором.
    продолжение
--PAGE_BREAK--