Осязание астрономов: радиолокатор и лазер (можно ли прощупать планеты и осветить Луну?)

Важный метод, который с каждым годом приносит нам все новые возможности, — это радиолокация — определение положения (латинское locus означает «место») предмета, отражающего радиоволны, которые мы к нему посылаем. Радиолокация развилась во время второй мировой войны, но после этого нашла свое применение и в одной из самых мирных наук — астрономии.

Как известно, при помощи радиотехнических средств можно собрать радиоволны и послать их почти параллельным пучком, как, например, вогнутое зеркало прожектора посылает узкий луч света от источника, помещенного в его фокусе. В узком пучке энергия электромагнитных волн рассеивается мало и может достигнуть удаленного объекта, имея достаточную мощность для того, чтобы отраженные лучи вернулись в пункт подачи сигнала с энергией, допускающей ее регистрацию радиоприемником. При этом радиоволны посылаются очень короткими, но мощными импульсами. Определяя направление, из которого к нам приходит сильно ослабленный рассеянием отраженный сигнал, мы узнаем положение объекта на небесном своде. Измеряя же точной аппаратурой время от момента посылки сигнала до момента прихода отраженного сигнала, мы узнаем и расстояние до предмета, так как радиоволны подобно свету распространяются со скоростью 300000 км/с.

После радиолокации кораблей и самолетов во время войны подумали: «а почему бы не применить этот метод и к Луне?» Правда, Луна и так видна каждому, а расстояние до нее и ее видимое место на небе в любой момент давно известно из астрономических измерений и вычислений. Но было любопытно проверить это радиотехническим методом, а может быть, и уточнить, если очень точно определить время пробега радиоволны туда и обратно: оно должно быть немного более двух секунд.

Рис. 22. Антенна радиолокатора, с помощью которой люди крикнули Луне «ау».

Расчеты возможности радиолокации Луны были сделаны впервые в СССР еще в 1928 г. Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси (как видим, и тут нужна теория!). Для радиолокации Луны вследствие потерь энергии на таком длинном пути нужна большая мощность радиопередатчика, и осуществлен такой опыт был лишь в 1946 г. в США и Венгрии.

Увеличение мощности радиопередатчиков и чувствительности принимающей радиоаппаратуры позволило за короткий срок «коснуться» радиолучом все более далеких небесных тел. Уже в 1964 г. была осуществлена в СССР (под руководством академика В.А. Котельникова), а также в Англии и США радиолокация планет Венеры, Меркурия, Марса и, наконец, более далеких от нас Юпитера и Сатурна.

Особенно большое значение имела радиолокация Венеры, позволившая определить расстояние до нее во время наблюдений и вычислить отсюда большую полуось ее орбиты с большей точностью, чем это удавалось сделать прежде астрономическими методами. Это дало более точное знание основной нашей «измерительной линейки» — расстояния от Земли до Солнца. Оно называется астрономической единицей расстояний (сокращенно а. е.), так как в этих единицах мы измеряем все расстояния во Вселенной. И раньше астрономы точнее всего определяли расстояние до Солнца, измеряя непосредственно расстояние до какого-либо как можно более близкого к нам небесного тела. Расстояние же от Земли до Солнца вычисляли отсюда, пользуясь тем, что большие полуоси орбит всех спутников Солнца связаны третьим законом Кеплера с периодами их обращения, определяемыми из наблюдений очень точно.

Теперь принятое значение астрономической единицы составляет 149 597 870 км.

Но возможности применения радиолокаторов оказались шире, чем просто определение расстояния между центрами Земли и планет. При достаточно узком пучке падающих радиоволн и при достаточной точности определения времени прохождения радиосигнала можно измерять расстояние до разных точек на поверхности планеты. Тем самым можно изучить ее рельеф — высоту гор, расположение низменностей и т. д., что особенно важно для планет, поверхность которых скрыта от нас облаками, плавающими в их атмосферах.

Характер сигнала, отраженного от планеты, зависит от степени гладкости ее поверхности. Если поверхность планеты гладкая, то, отражая сходно с зеркалом в нашу сторону, она отразит радиоволны только центральной частью обращенного к нам полушария. Отраженный сигнал будет иметь всплеск. Все видимое полушарие планеты отразит волны к радиолокатору лишь тогда, когда посланная радиоволна везде упадет на склоны гор, перпендикулярные к направлению ее падения. Тогда отраженный сигнал «размажется» во времени. Так можно оценивать и сравнивать среднюю степень гладкости различных планет» Кроме этого, радиолокатор позволяет... установить вращение планет вокруг оси.

Если планета вращается (но если ее ось не направлена при этом на наблюдателя!), то один ее «край» к нам приближается, а другой удаляется. По закону Доплера длина электромагнитной волны, идущей от этих краев, должка измениться: в первом случае уменьшиться, во втором — увеличиться. Длина волны, отраженной от центра, не изменится. В результате «ширина» отраженного сигнала, как интервал длин волн, или частот, будет шире, чем ширина посланного сигнала. Сигнал «размажется» по частоте и тем больше, чем быстрее линейная скорость вращения планеты. Так можно установить линейную скорость вращения, а зная размер планеты, можно вычислить и период ее вращения. Этим способом и удалось окончательно установить крайне медленное вращение Меркурия и Венеры. Прежние способы зарисовки пятен на их поверхности и спектральные методы были ненадежны.

Наконец, радиолокатор позволяет определять расстояния до «падающих звезд» — метеоров — и их скорость. Но об этом мы поговорим позднее.

Можно ли осветить Луну? Освещать Луну в полнолуние, конечно, незачем, она и так сама нам светит. Но можно ли осветить хотя бы кусочек ее неосвещенной стороны в новолуние? Ведь до Луны далековато? Оказывается, что осветить Луну теперь возможно, правда, не всю Луну, а только маленький кусочек ее и, конечно, не прожектором, а лазером. Лазер — это оптический квантовый генератор. Он в состоянии аккумулировать свет и превращаться как бы в световую бомбу, которая может затем мгновенно разрядиться и испустить свет в одном направлении. В газовом лазере используется баллон со смесью газов. Если добиться того, чтобы большинство атомов или молекул газа пришло в возбужденное состояние, то один возбужденный атом при возвращении в нормальное состояние вынудит разрядиться и другие атомы, так что создается лавинный процесс. Лазеры уже приобрели многочисленные научные и технические применения. При помощи больших телескопов свет лазера удалось послать и на некоторые точки неосвещенной части Луны и осветить их настолько сильно, чтобы это стало заметно в телескоп.

В 1970 г. самоходная советская лаборатория «Луноход-1» несла на себе французский лазерный отражатель, состоящий из серии посеребренных кварцевых призм. Лазерные сигналы, отраженные от них, принимались обсерваториями, находящимися во Франции и в Крыму. Лазерная локация Луны, при ее большой точности, позволит изучать дрейф земных континентов, движение земных полюсов и ряд вопросов космической геодезии и небесной механики. Световые сигналы, посылаемые лазером с вездехода, передвигающегося по ночной части Луны, позволят следить за ним с Земли (обычный прожектор был бы невидим).