3

Реферат

по астрономии

Тема:Радиотехника и космос

С о д е р ж а н и е.

Введение. Зарождение радиоастрономии. 3

Прозрачна ли атмосфера. 5

Радиотелескопы и рефлекторы. 7

Борьба с помехами. 10

О зоркости радиотелескопов. 11

«Радиоэхо в астрономии. 14

Радиолокация Луны и планет. 14

Метеоры наблюдают днем. 18

В поисках внеземных цивилизаций. 19

Заключение. 22

Использованная литература. 24

1.Зарождение радиоастрономии.

Декабрь 1931 года ... В одной из армейских лабораторий ее сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной.

Постепенно выясняется загадочная периодичность -- каждые 23 часа 56 минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца в месяц.

Впрочем, загадка быстро находит свое решение. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг своей оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли.

Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая «радиостанция» раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.

Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи. И, несмотря на совершенство радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы -- Галактики.

Так родилась радиоастрономия -- одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии.

Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще не ясно, принесут ли радио методы какую-нибудь существенную пользу астрономии.

Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту радиотехники.

Радиолокаторы были приняты на вооружении всех армий. Их совершенствовали, всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использовать радиолокаторы для исследования небесных тел.

Советские ученые академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.

Это было первое радиоастрономическое исследование в Советском Союзе.

Два года спустя ( в 1946 году ) оно было осуществлено сначала в США, а затем в Венгрии. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и, отразившись от нее, вернулись на Землю, где были уловлены чувствительным радиоприемником.

Последующие десятилетия -- это период необыкновенно быстрого прогресса радиоастрономии. Его можно назвать триумфальным, так как ежегодно радиоволны приносят из космоса удивительные сведения о природе небесных тел.

Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются не досягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радио космос -- картина Вселенной в радиоволнах.

Каждая наука изучает определенные явления природы, используя свои методы и средства. Для радиоастрономии объектом изучения служит весь необъятный космос, все бесчисленное множество небесных тел. Правда, это изучение несколько одностороннее -- оно ведется лишь посредством радиоволн. Но и в таком «разрезе» Вселенная оказывается бесконечно многообразной, неисчерпаемой для исследователя.

Мы живем в мире волн. Любое тело, будь то книга, ваше тело или звезда, излучает энергию в форме электромагнитных волн. Человеческий глаз чувствителен далеко не ко всем из них. Лишь ничтожная доля электромагнитных волн, попадая на сетчатку глаза, вызывает ощущение света. Но и этой доли оказывается достаточно, чтобы наполнить земной шар сиянием солнечного света и гаммой всевозможных красок. Быть может, наша ограниченность в восприятии электромагнитных волн есть благодетельная забота о нас самой природы. Ведь если бы человек воспринимал все излучения, существующие в природе, не был ли бы он подавлен их бесконечным многообразием?

Как бы там ни было, но человеческому глазу доступны лишь те электромагнитные волны, длина которых заключена в пределах от 400 до 760 миллимикрон. Разлагая трехгранной стеклянной призмой белый луч на составные части, мы получаем спектр -- радужную полоску, в которой представлены все цвета, доступные глазу.

Хорошо известно, что по обе стороны видимого спектра располагаются области невидимых излучений. Таковы ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньше 400 миллимикрон. Они обнаруживают свое существование по-разному. В жаркий солнечный день некоторые из них вызывают загар на нашей коже. Те же лучи сильно воздействуют на эмульсию обычных фотопластинок, оставляя на ней хорошо видимые следы. К ультрафиолетовым лучам примыкают рентгеновы лучи, широко применяемые в медицине. Наиболее коротковолновые из известных излучений, так называемые гамма лучи, выделяются при радиоактивном распаде. Их энергия весьма велика и они очень опасны -- мощное гамма-излучение может породить мучительные явление лучевой болезни.

За красной границей видимого спектра лежит область невидимых инфракрасных лучей. Некоторые из них, с длиной волны значительно меньшей одного сантиметра, способны заметно нагреть наше тело, и потому их иногда называют тепловыми лучами. Когда вы подносите руку к раскаленному утюгу и на каком-то расстоянии чувствуете его тепло, в этот момент ваша рука подвергается именно этих инфракрасных, «тепловых» лучей.

За инфракрасными лучами следуют радиоволны. Их длины измеряются миллиметрами, сантиметрами, дециметрами и метрами.

Несмотря на количественные и качественные различия, перечисленные излучения -- от гамма лучей до радиоволн -- обладают одним общим свойством: все они имеют общую природу, являются электромагнитными волнами.

Благодаря общности природы всем электромагнитным волнам свойственны, например, такие процессы. Как одинаковая скорость распространения, отражение, и преломление, поглощение и рассеивание. Радиоволны, как и лучи видимого света, могут складываться друг с другом, то есть, говоря языком физики, интерферировать.

В некоторых случаях можно наблюдать дифракцию радиоволн, или «огибание» ими предметов, размеры которых сравнимы с их длиной.

Замечательно, что всякое нагретое тело излучает электромагнитные волны всевозможных длин. Отложив по горизонтальной оси графика длины волн, а по вертикальной оси величины, характеризующие интенсивность излучения, то есть излучаемой энергии для данной длины волны, можно получить, как говорят физики, распределение энергии по спектру данного тела.

Для Солнца максимум кривой распределения энергии по спектру лежит в области желтых лучей. И действительно, удаленное от Земли на расстояние звезд наше Солнце казалось бы желтенькой. Желтый цвет Солнца обычно не заметен только из-за ослепительной яркости дневного светила.

В области инфракрасных лучей кривая распределения энергии по спектру постепенно приближается к горизонтальной оси, теоретически говоря, нигде ее не пересекая. Это значит, что всякое нагретое тело в какой-то степени излучает и радиоволны. Договоримся излучение радиоволн, вызванное нагретостью тела, называть тепловым радиоизлучением.

Как видите, радиоволны далеко не всегда имеют искусственное происхождение.

Скорее наоборот -- естественных радиостанций несравненно больше, чем тех, которые созданы руками человека. Строго говоря, любое тело может рассматриваться как естественная радиостанция, пусть ничтожной мощности.

Вам, конечно, случалось наблюдать досадные помехи на экране телевизора. Где-то рядом проезжает троллейбус или автобус, и сразу изображение портится -- по экрану бегут какие-то белые полоски. И в этом случае виновник -- естественные радиоволны. Их породили искровые разряды на концах токоприемников троллейбуса или в щетках генератора автомашины. «Непрошеные» радиоволны вмешались в передачу, испортили настройку телевизора и вызвали помехи.

Каждая электрическая искра -- это естественная «радиостанция».

Электрические разряды всегда порождают радиоволны. Как известно, первый радиоприемник А. С. Попова был «грозоотметчиком» -- он улавливал волны, порождаемые молнией.

Есть, однако, существенное отличие радиоволн, излучаемых электрической искрой и радиоизлучением, например, нагретого утюга.

Радиоизлучение искры вызвано не только нагретостью раскаленного воздуха, но и другими, более сложными процессами. В таких случаях говоря не о тепловом радиоизлучении. Как мы увидим в дальнейшем, нетепловое радиоизлучение может возникнуть, например, при торможении сверхбыстрых электронов под действием магнитных сил.

Казалось бы, обилие всевозможных радио излучений позволяет изучать Вселенную в любом диапазоне радиоволн. Но, к сожалению, этому препятствует атмосфера.

2.Прозрачна ли атмосфера?

Трудно поверить, что воздух почти не прозрачен, что до наших глаз доходит лишь ничтожная доля всех излучений, существующих в природе.

Взгляните на рисунок 1. Он иллюстрирует прозрачность земной атмосферы для электромагнитных волн различных длин. Гладкая горизонтальная часть кривой, совпадающая с горизонтальной осью графика, отмечает те излучения, для которых земная атмосфера совершенно не прозрачна. Два «горба» кривой, один узкий, другой широкий, соответствуют двум «окнам прозрачности» в земной атмосфере.

Левое из них лежит в основном в области видимых лучей -- от ультрафиолетовых до инфракрасных. К сожалению, атмосфера Земли совершенно не прозрачна для лучей, длина волны которых меньше 290 миллимикрон. Между тем в далеких ультрафиолетовых областях спектра расположены спектральные линии многих химических элементов. Мы их не видим, и поэтому наши сведения о химическом составе небесных тел далеко не полны.

рис.1 Прозрачность земной атмосферы.

В последнее время астрономы пытаются вырваться за границы воздушной оболочки Земли и увидеть космос, в «чистом виде». И это им удается. Высотные ракеты и воздушные шары выносят спектрографы и другие приборы в верхние, весьма разряженные слои атмосферы, и там автоматически фотографируют спектр Солнца.

Начато изучение этим способом и других астрономических объектов.

Другой край «оптического окна» атмосферы упирается в область спектра с длиной волны около микрона. Инфракрасные лучи с большей длиной волны сильно поглощаются главным образом водяными парами земной атмосферы.

Много тысячелетий астрономы изучали Вселенную только через одно узкое «оптическое окно» атмосферы. Они не подозревали что есть еще одно «окно», гораздо более широкое. Оно лежит в области радиоволн.

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

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

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

Для некоторых радиоволн слой ионизированного газа подобен зеркалу -- радиоволны отражаются от него как солнечный луч от поверхности воды. Поэтому приходящие 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.

«Радио окно» гораздо шире «оптического окна». На рисунке 1 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 «радио окна» (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, широко распахнутое в космос «радио окно» покажет нам Вселенную еще более многообразной и сложной.

Если излучение небесного тела по длине волны подходит для «радио окна», 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.

3.Радиотелескопы и рефлекторы.

Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным телом, попадают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его поверхности, собирается 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 изображение будет наилучшим в том случае, когда небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. 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, приходиться 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.2). В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало, иногда сплошное, а иногда решетчатое.

рис.2 Схема устройства радиотелескопа.

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 невообразимой скоростью «набегают» на облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстро переменные токи.

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 различными.

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 режущее 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 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 300 м 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 600 м, 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 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 10 м 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 1,25 см, 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 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.Радиолокация Луны и планет.

Еще в 1928 году, когда большинство радиолюбителей пользовались примитивными детекторными приемни-ками, советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси рассматривали вопрос о посылке ра-диосигнала на Луну и приеме па Земле радиоэха. Тогда это была только смелая мечта, далеко опере-жавшая действительность. Но такова характерная черта больших ученых--их мысль опережает факты и видит то, что становится реальностью лишь в будущем.

В годы второй мировой войны Л. И. Мандель-штам и Н. Д. Папалекси снова вернулись к занимав-шей их идее. Теперь настали другие времена. Радио-локация прочно вошла в практику военной жизни, и радиолокаторы уверенно нащупывали невидимые цели.

Советские ученые на основе новых данных подсчи-тали, какова должна быть мощность радиолокатора и другие его качества, чтобы с его помощью можно было осуществить радиолокацию Луны. Научная цен-ность такого эксперимента была вне сомнений. Ведь до сих пор, чтобы определить расстояние до Луны, приходилось наблюдать ее положение среди звезд од-новременно из двух достаточно удаленных друг от друга обсерваторий. Радиолокация решила бы ту же задачу при наблюдениях из одного пункта. Учитывая быстрый прогресс радиотехники, можно было ожи-дать, что радиолокационные измерения астрономиче-ских расстояний дадут результаты гораздо более точ-ные, чем те, которые были получены в прошлом.

Трудности, однако, оказались огромными. Расчеты показали, что при прочих равных условиях мощность отраженного сигнала убывает обратно пропорциональ-но четвертой степени расстояния до цели. Получалось, что лунный радиолокатор должен обладать примерно в тысячу раз большей чувствительностью, чем обыч-ная радиолокационная станция береговой обороны, обнаруживавшая в те годы самолет неприятеля с рас-стояния в двести километров.

И все же проект казался довольно убедительным, и уверенность его авторов в успехе вскоре была оп-равдана фактами.

В начале 1946 года почти одновременно, но с раз-личными установками, венгерские и американские радиофизики осуществили радиолокацию Луны.

На Луну посылались мощные импульсы радиоволн длиной 2,7 м. Каждый импульс имел продолжитель-ность 0,25 секунды, причем пауза между импульсами составляла 4 секунды. Антенна радиолокатора была еще весьма несовершенна: она могла поворачиваться только вокруг вертикальной оси. Поэтому исследова-ния велись лишь при восходе или заходе Луны, когда последняя находилась вблизи горизонта.

Приемное устройство радиолокатора уверенно за-фиксировало слабый отраженный сигнал, лунное ра-диоэхо.

Путь до Луны и обратно радиоволны совершили всего за 2,6 сек, что, впрочем, при их невообразимо большой скорости не должно вызывать удивления. Точность этого первого радиоизмерения из-за несовер-шенства аппаратуры была еще очень низка, но все же совпадение с известными ранее данными было весьма хорошее.

Позже радиолокация Луны была повторена на многих обсерваториях, и с каждым разом со все боль-шей точностью и, конечно, с большей легкостью.

Большие возможности радиолокации обнаружи-лись при наблюдении так называемой либрации Луны. Под этим термином астрономы понимают своеобраз-ные «покачивания» лунного шара, вызванные отчасти геометрическими причинами (условиями видимости), отчасти причинами физического характера. Благодаря либрации земной наблюдатель видит не половину, а около 60% лунного шара. Значит, либрация позволя-ет нам иногда «заглядывать» за край видимого лун-ного диска и наблюдать пограничные районы обрат-ной стороны Луны.

При «покачивании», или либрации, Луны один ее край приближается к наблюдателю, а другой уда-ляется. Скорость этого движения очень мала -- по-рядка 1м/сек, что меньше даже скорости пешехода. Но радиолокатор способен, оказывается, обнаружить и такие смещения.

Радиолокатор посылает на Луну волны опре-деленной длины. Естественно, что и отраженный радиосигнал будет обладать той же длиной волны. Можно сказать, что радиоспектр отраженного сигнала представляет собой одну определенную «радиолинию».

Если бы Луна не «покачивалась» относительно земного наблюдения, радиоспектры посланного и отраженного импульса были бы совершенно одинаковыми. На самом же деле разница, хотя и небольшая, все же есть. Радиоволна, отразившаяся от того края Луны, который приближается к земному наблюдателю, по принципу Доплера будет иметь несколько большую частоту и, следовательно, меньшую длину, чем радиоволна, посланная на Луну. Для другого удаляющегося края Луны должен наблюдаться противоположный эффект. В результате «радиолиния» в радиоспектре отраженного импульса будет более широкой, растянутой, чем «радиолиния» посланного импульса. По величине расширения можно вычислить скорость удаления краев Луны. Этим же методом можно определить периоды вращения планет вокруг оси и скорости их движения по орбите.

Раньше требовались многолетние высокоточные оптические наблюдения Луны, чтобы затем после долгих вычислений получить величину либрации. Радиолокаторы решили эту задачу, так сказать, непосредственно и несравненно быстрее.

При каждом измерении пользуются некоторым эталоном -- меркой, употребляемой как единица длины. Для измерений на земной поверхности таким эталоном служит метр. Для астрономии расстояние ни метр, ни даже километр не являются вполне подходящей единицей масштаба -- слишком уж велики расстояния между небесными телами. Поэтому астрономы употребляют вместо метра гораздо более крупную единицу длины. Называется она «астрономической единицей» ( сокращенно «а.е.»). По определению астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца. Чтобы связать астрономические измерения длины с чисто земными мерками расстояний, астрономическую единицу в конечном счете сопоставляют с метром -- выражают астрономическую единицу в метрах или километрах.

Во времена Иоганна Кеплера (17 век) величину астрономической единицы еще не знали -- она впервые была найдена только век спустя. Не были известны и расстояния от Солнца до других планет Солнечной системы. Тем не менее, третий закон Кеплера гласит, что «квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся между собой как кубы их средних расстояний до Солнца». Каким же образом, не зная расстояний планет до Солнца, Кеплер мог открыть этот важный закон?

Весь секрет, оказывается, в том, что не зная абсолютных (выраженных в километрах) расстояний планет до Солнца, можно сравнительно просто из наблюдений вычислить их относительные расстояния, то есть узнать, во сколько раз одна планета дальше от Солнца, чем другая.

Зная же относительные расстояния планет от Солнца, можно сделать чертеж Солнечной системы. В не будет хватать только одного -- масштаба. Если бы можно было указать, чему равно расстояние в километрах между любыми двумя телами на чертеже, то, очевидно, этим самым был бы введен масштаб чертежа, и в единицах данного масштаба сразу можно было бы получить расстояние всех планет до Солнца.

До применения радиолокации среднее расстояние от Земли до Солнца, то есть астрономическая единица, считалось равным 149504000 км. Эта величина измерена не абсолютно точно, а приближенно с ошибкой в 17000 км в ту или другую сторону.

Некоторых такая ошибка может ужаснуть. С этой точки зрения расстояние от Земли до Солнца измерено очень точно -- относительная ошибка не превышает сотых долей процента. Но постоянное стремление к повышению точности характерно для любой точной науки . Поэтому можно понять астрономов , когда они снова и снова уточняют масштаб Солнечной системы и стремятся применить самые совершенные методы для измерения астрономической единицы. Вот тут-то и приходит на помощь радиоастрономия.

Совершенно очевидно, что радиолокация планет из-за их удаленности несравненно труднее радиоло-кации Луны. Не забудьте, что мощность радиоэха падает обратно пропорционально четвертой степени расстояния, то есть очень сильно. Но современная радиотехника преодолела и эти трудности.

В феврале 1958 года американскими учеными впервые проведена радиолокация ближайшей из пла-нет--Венеры, а в сентябре того же года поймано радиоэхо от Солнца.

Во время радиолокации Венера находилась в 43 миллионах километров от Земли. Значит, радиоволне требовалось примерно 5 минут для путешествия «туда и обратно». Сигналы подавались в течение 4 минут 30 секунд, а следующие 5 минут «подслушивалось» радиоэхо. Длительная посылка радиосигналов была вызвана необходимостью--при коротком импульсе единичное отражение от Венеры не могло наблю-даться.

Даже с такими ухищрениями разобраться в при-нятых радиосигналах было нелегко. Крайне слабые, отраженные от Венеры радиоволны маскировались собственными шумами приемной аппаратуры. Только электронные вычислительные машины после почти годовой обработки наблюдений наконец доказали, что радиолокатор все-таки принял очень слабое ра-диоэхо от Венеры. После первого успеха радиолока-ция Венеры была повторена еще несколько раз.

Радиоэхо от Венеры получилось в 10 миллионов раз более слабым, чем радиоэхо от Луны. Но радио-локаторы его все-таки поймали--таков прогресс ра-диотехники за какие-нибудь двенадцать лет.

Гораздо более уверенно и с лучшими результата-ми провели радиолокацию Венеры в апреле 1961 года советские ученые. По их данным удалось уточнить вели-чину астрономической единицы. Оказалось, что Солн-це на 95 300 км дальше от Земли, чем думали до тех пор, и астрономическая единица равна 14959930001. Ошибка в этом измерении не превышает 2000 км в ту или другую сторону, что по отношению к измеренному расстоянию составляет всего лишь тысячные доли процента!

Теперь величину астрономической единицы знают еще точнее, что позволяет с меньшими ошибками вычислять траектории космических ракет, а это имеет большое значение для межпланетных путешествий.

Солнце для радиолокатора гораздо более крупная цель, чем Венера. Но зато Солнце--само мощный источник космических радиоволн. Чтобы эти радио-волны не «заглушили» радиоэхо, отраженный от Солнца радиосигнал должен быть по крайней мере в сто раз сильнее сигнала, отраженного от Венеры.

Радиолокация Солнца впервые проводилась так. Передатчик включался с интервалами в 30 секунд в продолжение 15 минут. Наблюдения начались в сентябре 1958 года и были продолжены весной 1959 года. При обработке также пришлось прибегнуть к помощи электронных вычислительных машин. В хоро-шем согласии с предварительными расчетами получи-лось, что радиосигнал, посланный с Земли, отразился от тех слоев солнечной короны, которые находятся на расстоянии 1,7 радиуса Солнца от его поверхности.

Еще в 1959 году радиолокация Меркурия показа-ла, что сутки на этой планете близки к 59 земным суткам, то есть Меркурий не обращен всегда к Солн-цу одной стороной, как считалось до этого. Радиоло-каторы выяснили также, что сутки на Венере в 243 раза длиннее земных, причем Венера вращается в направлении с востока на запад, то есть в сторону, обратную вращению всех остальных планет.

Радиолуч сквозь облака Венеры «прощупал» ее рельеф и установил существование на Венере крате-ров, подобных лунным. Радиолокация уточнила дан-ные о рельефе Марса. Но самое, пожалуй, удивитель-ное было достигнуто в метеорной астрономии.

8.Метеоры наблюдают днем.

Звездная ночь. В невообразимой дали тихо сияют ты-сячи солнц. И вдруг как будто одна из звезд сорва-лась и полетела, оставляя на небе узенькую светя-щуюся полоску. Все явление обычно занимает доли секунды, реже несколько секунд.

Так выглядят «падающие звезды», или метеориты,-- явление, хорошо знакомые каждому еще с детских лет. Когда по небу пролетает «падающая звезда», это означает, что в земную атмосферу из безвоздушного мирового пространства вторглась крохотная твердая частичка весом в граммы или даже доли грамма -- метеорное тело.

Двигаясь со скоростью десятки километров в секунду, сильно сжимает перед собой воздух. Он ярко светится, образуя спереди метеорного тела так называемую «воздушную подушку». Ее мы и видим как «падающую звезду», тогда как само метеорное тело из-за малости непосредственному наблюдению не доступно.

Поединок твердой частички космического вещества и земной атмосферы всегда имеет один исход. Примерно на высоте 80-100 км метеорные тела полностью разрушаются, и остающаяся после них мельчайшая метеорная пыль медленно оседает на Землю. Так как яркость метеоров сравнима с видимой яркостью звезд, то до последнего времени «падающие звезды» наблюдались только по ночам, на темном фоне звездного неба.

Радиоастрономия значительно расширила возможность изучения этих интересных явлений.

Когда метеорное тело стремительно прорезает земную атмосферу, то, сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, оно частично ионизует их, то есть «вышибает» из них некоторые электроны. В результате за метеорным телом образуется длинный цилиндрический слой из ионизованных газов. Его размеры весьма внушительны -- при поперечнике в несколько метров длина этой ионизованной «трубы» достигает десятков километров. Вследствие диффузии (рассеивания газов) «труба» постепенно расширяется и в конце концов, разрушаемая ветрами и другими причинами, как бы растворяется в атмосфере.

Мы уже отмечали, что слой ионизованных газов для радиоволн определенных длин является своеобразным зеркалом. Значит, с помощью радиолокатора можно получить радиоэхо и от ионизованных метеорных следов. Возможности радиотехники в этой области исключительно велики. Радиолокаторы могут быстро определить расстояние до метеора, скорость метеорного тела, его торможение в атмосфере и, наконец, положение радианта, то есть той точки неба, откуда, как нам кажется, вылетел метеор.

Опыты показали ,что наилучшие результаты получаются, если радиолокация метеоров ведется на волнах длиной около 5 м.

Современные радиолокаторы так чувствительны, что им доступны метеоры 16-й звездной величины, то есть почти в 10000 раз менее яркие, чем самые слабые из звезд, доступных невооруженному глазу.

Систематические радиолокационные наблюдения метеоров начались с 1946 года. В ночь с 9 на 10 октября этого года Земля должна была пересечь орбиту кометы Джакобини -- Циннера. Когда такое же событие происходило в 1933 году, на небе наблюдался интенсивный «звездный дождь». Сотни метеоров бороздили во всех направлениях звездное небо. В этот день земной шар встретился с метеорным потоком -- огромным роем метеорных тел, своеобразных «осколков» кометного ядра, несущихся вокруг Солнца по орбите породившей их кометы. Астрономы договорились называть метеорные потоки по тому созвездию, из которого, как нам кажется, вылетают соответствующие им метеоры. Так как метеорный дождь, связанный с кометой Джакобини -- Циннера, имеет радиант в созвездии Дракона, то порожденный ею метеорный поток получил название Драконит.

Ежегодно в конце первой декады октября Земля встречается с драконидами -- метеорными телами потока Драконид. Но только иногда их звездные дожди бывают особенно обильными. Как раз такой случай и произошел в 1946 году, когда Земля пересекала наиболее плотную часть потока.

К огорчению астрономов в ночь с 9 на 10 октября 1946 года ярко светила Луна, и ее сияние сильно мешало обычным наблюдениям. Но для радиолокаторов лунный свет не помеха. Советские ученые Б.Ю. Левин и П.О. Чечик в ту ночь зарегистрировали радиоэхо от сотен метеоров, боль-шинство которых оставалось невидимым.

С тех пор радиолокационные наблюдения метеоров прочно вошли в практику работы многих обсерваторий. Ни туман, ни дождь, ни ослепительное дневное сияние Солнца не могут помешать радиолокаторам «нащупывать» невидимые «падающие звезды». Они уверенно фиксируют как спорадические метеоры, то есть те метеоры, которые не связаны с каким-нибудь определенным метеорным потоком, таки и невидимые «звездные дожди».

9.В поисках внеземных цивилизаций.

Вряд ли есть другая научная проблема, которая вызывала бы такой жгучий интерес и такие жаркие споры, как проблема связи с внеземными цивилиза-циями. Литература по этой проблеме уже насчиты-вает многие тысячи наименований. Созываются на-учные конференции и симпозиумы, налаживается международное сотрудничество ученых, ведутся экс-периментальные исследования. По меткому выраже-нию Станислава Лема, проблема связи с внеземными цивилизациями подобна игрушечной матрешке--она содержит в себе проблематику всех научных дис-циплин.

Одним из возможных каналов связи с разумными обитателями, по-видимому, может быть прием радио-сигналов от высокоразвитых внеземных цивилизаций. При современном уровне радиотехники возможна так-же посылка сигналов с Земли далеким «братьям по разуму».

В конце 1959 года два известных зарубежных ученых Моррисон и Коккони выступили с проектом установления радиосвязи с обитателями других пла-нет. Суть этого проекта заключается в следующем: Внутри невообразимо огромной сферы радиусом в сотню световых лет заключено около ста тысяч звезд. Среди них найдутся десятки, а может быть, и сотни таких, которые окружены обитаемыми плане-тами. Можно думать, что и перед другими цивилиза-циями, достигшими такого же уровня развития, как наша, встал тот же вопрос--как установить радио-связь с другими разумными обитателями Вселенной? Кто знает, быть может, и сейчас в направлении нашего Солнца кто-то посылает радиосигналы из глу-бин звездного мира -- сигналы, на которые пока чело-вечество отвечало молчанием! На какой же длине годны скорее всего ведется эта передача?