Прогресс + случайность = радиоастрономия

В 1928 году дирекция американской телефонной компании «Белл» была не на шутку взволнована жалобами клиентов на помехи новой трансатлантической радиотелефонной связи. Технический отдел гут же поручил только что окончившему университет Карлу Янскому выяснить и устранить причины помех. Молодой инженер энергично принялся за дело. Прежде всего — отыскать направление, в котором скрывался источник помех. Он соорудил громоздкую деревянную конструкцию на автомобильных колесах — направленную антенну — и принялся «шарить» по небу в поисках источника радиопомех. При этом каждый раз, чтобы развернуть эту махину, ему приходилось толкать ее вручную, подпирать плечом и тормозить ногой. Эксперимент был долгим и сложным. И все-таки несколько лет спустя Янский закончил опыт и подал в совет директоров фирмы отчет. Вывод был неожиданным: источником помех служил... космос.

Существование электромагнитных волн впервые было предсказано Максвеллом еще в 1873 году. Пять лет спустя Генрих Герц открыл их. А еще через два года Александр Степанович Попов использовал эти волны для связи. Сразу после работ Максвелла и Герца, установивших, что радиоизлучение ничем, кроме частоты (или длины волны), не отличается от видимого света, ученые задумались: а не излучаются ли радиоволны небесными телами? Придумали даже опыты, с помощью которых можно обнаружить радиоизлучение Солнца. Но предложения эти не нашли поддержки. Да и удасться такие опыты в XIX столетии еще не могли. Для приема космического излучения нужна такая чувствительная радиоаппаратура, о которой в те годы еще и не помышляли. И потому первый радиотелескоп смог появиться лишь сорок лет спустя. В те годы радио еще только завоевывало позиции — и люди затаив дыхание слушали у своих приемников шумы и шорохи из космоса, передаваемые предприимчивыми владельцами радиокомпаний.

Сообщение Янского успокоило директоров. Раз помехи создаются космосом, тут уж ничем не поможешь. Постепенно забыла о сенсации и широкая публика. Ну, а астрономы? Казалось бы, им и карты в руки, коли в дела людей вмешался космос. Ничуть не бывало. Многие ученые вообще не обратили внимания на новость. Одни в те годы не верили в радиотехнику, другие просто были природными консерваторами.

Не будет большим преуменьшением сказать, что в течение следующих десяти лет во всем мире один-единственный человек занимался исследованием радиосвиста и шипения, доносившихся из космоса. Был это страстный радиолюбитель-коротковолновик Грот Рёбер из штата Иллинойс. Рёбера знали все любители-коротковолновики. В начале тридцатых годов он одним из первых получил диплом WAC — «Worked all continents», что означало: «Работал со всеми континентами». После этого Земля стала Рёберу «тесной». Услыхав о докладе Янского, он решил продолжить исследования радиосигналов из космоса.

Минимальное угловое расстояние между двумя звездами, при котором они видны раздельно, характеризует зоркость телескопа и называется предельным углом разрешения

Янский считал, что космические помехи, создающие в приемниках шипение и свист, обязаны тепловому движению электронов в межзвездной среде. И Рёбер для более точного определения местонахождения космических источников «радиозвезд» создает специальную радиоаппаратуру. По собственным чертежам строит он остронаправленную антенну — 9,5-метровую параболическую чашу из жести и по своей схеме — радиоприемник высокой чувствительности. Получился первый в мире радиотелескоп.

Оптический телескоп-рефлектор и радиотелескоп имеют много общего. И тот и другой собирают идущие от далекого источника электромагнитные волны. Но если телескоп-рефлектор собирает электромагнитные волны очень малой длины, которые глаз воспринимает как свет, то радиотелескопы имеют дело с электромагнитными волнами гораздо больших длин. Природа не дала человеку органов чувств, способных принимать такие колебания. Поэтому каждый радиотелескоп приходится снабжать специальным радиоприемником с пишущим устройством, которое регистрирует принятые сигналы.

Сначала Рёберу не удалось обнаружить никакого излучения от ночного неба. Но американец был настойчив. Он собирал приемник за приемником все совершеннее, менял частоту настройки и наконец... весной 1939 года он поймал волны, идущие из глубин космического пространства. А к 1944 году составил первую карту радионеба с нанесенными на нее космическими источниками радиоволн в области Млечного Пути. Карта получилась довольно странной: никаких «радиозвезд». Просто контуры радиоизлучающих областей Млечного Пути. Почему?..

Часто, характеризуя зрение, мы говорим: у такого-то и такого-то зоркие глаза. А как перевести эту характеристику на язык техники? В оптике вводится понятие «разрешающая способность» (или «разрешающая сила») оптических приборов. Любое, даже самое хорошее зеркало телескопа создает изображение светящейся точки в виде яркого кружочка, окаймленного светлыми и темными кольцами. Это явление называется дифракцией, и ребята изучают его в десятом классе. Чем выше качество зеркала, тем светящийся кружок и количество колец меньше. И все же это явление мешает рассматривать звезды, очень близко расположенные друг к другу: изображения просто сливаются. Вот и предложили характеризовать «зоркость» телескопа наименьшим расстоянием между двумя различимыми, раздельно светящимися точками, которые еще ощутимы при пользовании этим телескопом. Причем расстояние выражается в угловых секундах (α), как показано на рисунке. Эта величина и соответствует разрешающей способности телескопа.

Разрешающая сила оптического телескопа зависит от диаметра зеркала (или объектива). Так же можно оценить и зоркость человеческого глаза. Чем больше зрачок (зеркало или объектив), тем меньше угловое расстояние между двумя различаемыми предметами. Есть даже простая формула для разрешающей способности телескопических систем: α = 140/D. Здесь α — расстояние в угловых секундах; D — диаметр входного зрачка системы в миллиметрах. Цифра 140 зависит от длины волн света. Для этой формулы выбрана некоторая средняя длина световой волны — 5,55 микрона (или 0,00555 мм). Теперь вы сами можете подсчитать, во сколько раз большой зеленчукский телескоп зорче невооруженного глаза.

Если принять средний диаметр зрачка человеческого глаза равным 3 мм, то это примерно составит 5400 длин световых волн. Диаметр же зеркала БТА — 6 м. Это больше миллиона длин световых волн.

Значит, разрешающая способность телескопа примерно в две тысячи раз больше разрешающей способности глаза.

Мы уже говорили, что радиоволны, которые принимают радиотелескопы, значительно длиннее световых. Давайте попробуем рассчитать, какую антенну нужно построить, чтобы, работая на длине волны в 1 м, радиотелескоп имел разрешающую способность... человеческого глаза?

Итак, поперек зрачка укладываются 5400 длин световых волн. Следовательно, размер чаши антенны параболического рефлектора, для волны в один метр, должен быть 5400 м. Почти пять с половиной километров! Нет! Таких радиотелескопов мы еще не научились строить. А чтобы радиотелескоп сравнялся по зоркости с БТА, нужно построить антенну, диаметр которой был бы примерно равен диаметру Земли!..

Теперь вы понимаете, почему первая радиокарта неба, составленная Рёбером, давала только контуры радиоизлучающих областей Млечного пути? Телескоп первого американского радиоастронома фактически был «полуслепым».

Развитие техники в радиоастрономии идет чрезвычайно быстро. Радиотелескопы совершенствуются, техника приема сигналов становится все лучше. Примерно к 1946 году удалось различить на земном небе вместо сплошных радиообластей — отдельные радиоточки.

Сначала наиболее мощные — в северном полушарии — в созвездиях Кассиопеи и Лебедя, в южном полушарии — в созвездии Центавра. Потом и другие, те, что послабее...

Радиоастрономы, которых к этому времени стало уже значительно больше, чем во времена Янского и Рёбера, решили, что радиоволны излучаются специальными «радиозвездами», и пробовали даже определять их удаленность от Земли. Но как ни старались, найти параллакс хотя бы одной «радиозвезды» никому не удалось. Может быть, это означало, что таинственные радиообъекты находятся в невообразимой дали?.. Однако скоро гипотеза «радиозвезд» потребовала значительных поправок. Специалистам удалось резко увеличить разрешающую способность «полуслепых» радиотелескопов. И тотчас точки радиозвезд расплылись сначала в кляксы, а потом и в пятна неправильной формы. Достаточно сказать, что мощные источники, обнаруженные в уже знакомых нам созвездиях Кассиопеи, Лебедя и Центавра, занимали на небе площади, в десятки раз превышающие, площадь диска Солнца.

Нет! Загадочные радиообъекты звездами быть не могли, хотя и совершали вместе со всем звездным небом суточные обороты вокруг Земли, не меняя своего положения относительно далеких светил. Пожалуй, только туманности удовлетворяли этому правилу. И действительно, очень скоро на месте многих радиообъектов с помощью оптических телескопов были обнаружены туманности. Процесс отождествления радиообъекта с оптическим объектом — звездой — чрезвычайно сложен. Ведь радиотелескоп по-прежнему сильно отстает от своего старшего родственника в разрешающей способности. И там, где радиотелескоп видит один, большой радиообъект, его оптический собрат может насчитать множество звезд. Какая из них посылает радиоволны, сказать не просто.

Источников радиоизлучения на земном небе много. Излучает межзвездная газовая среда, излучают радиотуманности, мощные потоки радиоволн рождаются титаническими взрывами в глубинах Вселенной. Наконец, излучают радиоволны планеты, даже наш спутник Луна. Излучает на редкость могучий поток и наша Земля. Правда, причина здесь другая — человеческая деятельность. Радиоизлучение Земли — визитная карточка человечества. Если бы наши соседи по космосу задумали «взглянуть» на Солнечную систему в метровом диапазоне радиоволн, они сразу бы догадались, что на нашей планете существует разумная жизнь. Во-первых, радиоизлучение Земли сильно зависит от времени суток. Во-вторых, источники разбросаны по планете очень неравномерно... Радио- и телевизионные станции сосредоточены на таких континентах, как Европа и Северная Америка. Их меньше в Азии и Африке и почти совсем нет в океанах...

Так выглядит современный радиотелескоп.

Особенно быстро стала развиваться радиоастрономия в послевоенные годы. Военная техника, предназначенная для обслуживания фронтов, как нельзя лучше пригодилась исследователям радиоизлучения небесных тел и космоса. Английские и голландские астрономы, горевавшие в течение всей истории развития науки по поводу облачного неба и плохой погоды, энергично принялись за конструирование радиотелескопов. В Советском Союзе, в Австралии, в Соединенных Штатах Америки одна за другой возводятся огромные решетчатые чаши параболоидов. С каждым годом они все больше. Это понятно. Чем значительнее площадь «зеркала» радиотелескопа, тем больше «количество» принимаемого излучения, тем лучше разрешающая способность телескопа!

Вы можете спросить: зачем изучать радиосигналы, посылаемые небесными объектами и облаками рассеянного газа? Так ли это важно, чтобы строить дорогие сооружения? На это хорошо ответил один из радиоастрономов в своей речи, посвященной открытию радиоизлучения космического водорода:

«Радиопередачи, приходящие к нам из космического пространства, можно сравнить с базарным шумом: они представляют собой смесь колебаний, охватывающих широкий диапазон частот. Нелегко было расшифровать смысл этих сообщений. Но примерно полтора года назад из этого грохота была выделена одна отчетливая нота. Сегодня пункты прослушивания во всем мире настраиваются на этот высокий тон в 1420 мегагерц¹ и по нему они получают НОВУЮ КАРТИНУ ВСЕЛЕННОЙ».

В последних словах и заключен ответ. Радиоспециалисты научились не только ловить «радиоголоса» космоса, но и воссоздавать по ним картину окружающего мира: определять местонахождение невидимых глазом «горячих точек» Вселенной. Вы наверняка знаете, что такое радиолокация. Короткий радиоимпульс посылается антенной передатчика в направлении объекта, отражается от него, приходит обратно и улавливается антенной приемника. Зная скорость распространения радиоволн, можно по времени, прошедшему от начала передачи импульса до его приема, определить расстояние до объекта. Более того, если принимать отраженные сигналы на электронно-лучевую трубку, то можно получить на ее экране светящееся изображение рельефа отражающей поверхности. Пусть это изображение не будет таким четким, как в оптических лучах, но зато радиолокаторам не страшны ни туманы, ни облака, ни ночная тьма.

Радиолокационные методы нашли широкое распространение в астрономии. В 1961 году были проведены первые успешные опыты радиолокации Венеры, потом пришла очередь Марса, Меркурия и даже далекого Юпитера. Помните, мы говорили, что разрешающая способность радиотелескопов хуже, чем оптических инструментов. Тот же недостаток и у приборов радиолокации. Радиолуч, которым, как указкой, исследователи «прощупывают» поверхности планет, на самом деле представляет собой конус с вершиной в центре антенны передатчика на Земле. Чем больше расстояние, на которое тянется этот «радиоконус», тем шире его основание и тем меньше деталей можно различить на «ощупываемой поверхности». Вот если бы удалось создать луч тонкий, как нить, как игла, как мощный тепловой луч, описанный в романе А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Долгое время это было мечтой, беспочвенной фантазией. Но вот был изобретен лазер. И появился радиолокатор, работающий на волнах оптического диапазона. Причем главная особенность нового прибора — луч, вырывающийся из лазера, почти не расходится с расстоянием! Кажется, исполняется мечта. «Беспочвенная фантазия» становится на крепкие ноги физического эксперимента. И не только эксперимента. Лазерные установки уже работают. Работают на Земле в самых разных отраслях науки и техники. Работают с Луной, на которую доставлен отражатель для лучей с Земли...

Да, поистине радиоастрономия и радиолокация — две силы, начавшие настоящую революцию в астрономии. Новые технические средства, которые за последние два десятилетия получили астрономы, позволили древней науке совершить такой рывок вперед, какой был сделан лишь с изобретением оптического телескопа. Мы еще не раз встретимся с новой техникой и увидим, что она не свалилась нам в руки с неба. Ее приход подготовлен длительным путем эволюции человеческой мысли. А пока давайте хотя бы перечислим новый арсенал современной астрономии.

Итак, первое: радиотелескопы и радиолокаторы. Затем приемники инфракрасного излучения. Ракеты поднимают за пределы атмосферного щита нашей планеты приборы, регистрирующие электромагнитные волны короче синих, голубых и фиолетовых волн оптического диапазона. Это так называемое ультрафиолетовое излучение. Открыта целая новая отрасль — рентгеновская астрономия, которая изучает богатую информацию от небесных объектов, полученную в рентгеновских лучах. Наконец, ракеты вывели на околоземные орбиты счетчики элементарных частиц. Это позволило более подробно изучить космические лучи. А приемники гамма-излучения, поднятые в верхние слои атмосферы на аэростатах, дали направление многообещающей астрономии гамма-лучей...

Все эти новые, неизвестные ранее, методы астрономических наблюдений — одна из сторон той научно-технической революции, свидетелями и участниками которой мы с вами являемся. Но подготовлены были эти результаты долгой, нелегкой и часто незаметной работой, не давшей в прошлом ни ощутимых результатов, ни славы тем, кто ею занимался.

Знаете ли вы, что?

Несмотря на общность задачи, между оптическими телескопами и радиотелескопами имеется и существенное различие. И дело здесь не в том, что для сбора информации оптические приборы используют линзы и зеркала, а радиотелескопы — антенны. Дело и не в разных разрешающих способностях, не в том, что вместо глаза или фотопластинки в радиотелескопе работает радиоприемник с пишущим устройством, которое регистрирует радиосигналы.

Главным отличием является то, что «изображение» объекта, даваемое радиотелескопом, не имеет ничего общего с «истинным оптическим изображением» объекта. И чтобы получить искомую структуру наблюдаемого объекта, результат «радионаблюдений» нужно сначала подвергнуть математической обработке и преобразованию.

Примечания

1. 1420 мегагерц — частота радиоизлучения космического водорода.