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 раз¬решающей способностью. В настоящее время наилуч¬шие из оптических телескопов способны «разделить» двойные звезды с расстоянием между составляющими в 0,1 секунды дуги! Под таким углом виден человече¬ский волос на расстоянии 30 м. Радиотелескопы воспринимают весьма длинновол¬новое излучение. Поэтому фокальное пятно в радио¬телескопах огромно. И соответственно разрешающая способность этих инструментов весьма низка. Оказы¬вается, 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 попереч¬ников Луны. Значит, указанный радиотелескоп не спо¬собен «разглядеть» в отдельности такие мелкие для него небесные светила, как Солнце или Луна. Ясно, что низкая разрешающая способность обыч¬ных небольших радиотелескопов — большой недоста¬ток; 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 сло¬жения волн, названное ими интерференцией.
В школь¬ном учебнике физики подробно описано, какое значе¬ние имеет интерференция на практике.
Оказывается, интерференцию можно использовать в радиоастро¬номии. 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—насту¬пит тьма, если звуковые—тишина, если волны на воде — полный покой. Может случиться, что волны находятся в одинако¬вых фазах («горб» одной волны совпадает с «горбом» другой). Тогда такие волны усиливают друг друга, и колебания среды будут совершаться с удвоенной ин¬тенсивностью. 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 не¬прерывно приходят радиоволны. Однако тем из них, которые попадают на левое зеркало, приходится про¬делать несколько больший путь, чем радиоволнам, уловленным правым радиотелескопом. Разница в пу¬тях, называемая разностью хода, равна отрезку АБ. Нетрудно сообразить, что если в этом отрезке уклады¬вается четное число полуволн улавливаемого радио¬излучения, 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 радиосиг¬налы 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 сра¬зу же отзовется весьма чувствительный радиопри¬емник.
Радиоинтерферометры делают, как правило, не¬подвижными. Но ведь Земля вращается вокруг своей оси, и поэтому положение светил на небе непрерывно меняется. Следовательно, в радиоинтерферометре по¬стоянно будут наблюдаться периодические усиления и ослабления радиопередачи от наблюдаемого источни¬ка космических радиоволн.
Радиоинтерферометры гораздо «зорче» обычных радиотелескопов, так как они реагируют на очень ма¬лые угловые смещения светила, а значит, и позволя¬ют исследовать объекты с небольшими угловыми раз¬мерами. Иногда радиоинтерферометры состоят не из двух, а из нескольких радиотелескопов. При этом раз¬решающая способность радиоинтерферометра сущест¬венно увеличивается. Есть и другие технические уст¬ройства, 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 ма¬лые угловые смещения светила, а значит, и позволя¬ют исследовать объекты с небольшими угловыми раз¬мерами.
Иногда радиоинтерферометры состоят не из двух, а из нескольких радиотелескопов.
При этом раз¬решающая способность радиоинтерферометра сущест¬венно увеличивается. Есть и другие технические уст¬ройства, 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— радио¬телескопы Крымской и Хайсптекской (США) обсерва¬торий 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, до¬стигнутая разрешающая способность оказалась поис¬тине фантастической—одна десятитысячная доля се¬кунды дуги! Под таким углом виден с Земли на Луне след от ноги космонавта! Позже к этим эксперимен¬там присоединились и австралийские ученые, так что астрономы «взглянули» на космические радиоисточ¬ники сразу с трех континентов.
Результаты оправдали затраченные усилия: в ядрах галактик и квазарах обнаружены взрывные процессы необычайной актив¬ности, причем в ряде случаев наблюдаемая скорость разлета космических облаков в квазарах, по-видимо¬му, превосходит скорость света! Таким образом, новая техника поставила перед наукой и новые проблемы принципиального характе¬ра. Достигнутая ныне разрешающая способность ра¬диоинтерферометров — это еще не предел. В будущем, вероятно, радиотелескопы станут еще зорче. Кстати сказать, и в оптической астрономии исполь¬зуют интерферометры. Их присоединяют к крупным телескопам, чтобы измерить реальные поперечники звезд.
В обоих случаях интерферометры играют роль своеобразных «очков», позволяющих рассмотреть важ¬ные подробности в окружающей нас Вселенной. Но оптические интерферометры по зоркости зна¬чительно уступают тем, которые употребляются ныне в радиоастрономии. 6.«Радиоэхо» в астрономии. До сих пор речь шла о пассивном изучении космиче¬ских радиоволн. Они улавливаются радиотелескопами, и задача астронома заключается лишь в том, чтобы наилучшим образом расшифровать эти сигналы, полу¬чить с их помощью как можно больше сведений о не¬бесных телах.
При этом исследователь никак не вме¬шивается 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 радио¬локационной астрономией. Слово «локация» означает определение местополо¬жения какого-нибудь предмета.
Если, например, для этого используется звук, то говорят о звуковой лока¬ции. Ею, как известно, широко пользуются современ¬ные мореплаватели. Особое устройство, называемое эхолотом, посылает в направлении ко дну океана ко¬роткие, но мощные неслышимые ультразвуки. Отра¬зившись от дна, они возвращаются, и эхолот фикси¬рует 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.
Когда говорят о «радиолокации», то под этим словом подразумевают определение местоположения предмета с помощью радиоволн. Радиолокационная астрономия — еще совсем молодая отрасль науки. Систематически радиолокационные наблюдения небесных тел начались всего пятьдесят лет назад.
И все же достигнутые успехи весьма значительны. Очень интересны и дальнейшие перспективы этого активного метода изучения небесных тел.»Активного» потому, что здесь человек сам направляет в космос созданные им искусственные радиоволны и, наблюдая их отражения, может затем по собственному желанию видоизменить эксперимент. Образно говоря, в радиолокационной астрономии человек «дотрагивается» до небесных тел созданным им радиолучем, а не пассивно наблюдает их излучение. 7.