Радиотелескоп в сарае. Часть 3. Первые серьезные шаги радиоастрономии
В прошлой статье было показано, что если не покидать Землю, то у нас есть лишь два рода излучений, пригодных для исследования космоса — оптическое (свет и близкие к ним волны) и радиоволны. Первый использовался человеком с древности, ибо наш глаз способен на это, второй — после робких попыток конца XIX века был заброшен до 1932 г., когда Карл Янский случайно не обнаружил радиоволны космического происхождения. О дальнейшем развитии радиоастрономии пойдет речь в этой части.
Открытием космического радиоизлучения по-настоящему заинтересовались двое— физик из Мичиганского университета Джон Краус и молодой радиоинженер Гроут Ребер. Первый уже в 1933 году соорудил небольшой радиотелескоп с отражающей антенной, но не смог ничего поймать из-за низкой чувствительности приемника. Позже, после войны, он сделает большую карьеру в радиоастрономии. Гроут Ребер, же, став к 1933 г. радиоинженером, пошел в деле постройки радиотелескопа куда дальше.
Летом 1937 года Ребер решил построить свой собственный радиотелескоп у себя на заднем дворе в Уитоне, штат Иллинойс. Прибор у Ребера вышел значительно более совершенным, чем у Янского, и состоял из параболической металлической тарелки диаметром 9 метров, которая собирала и фокусировала радиоизлучение в приёмнике, расположенном на высоте 8 метров над тарелкой. Вся конструкция была установлена на поворотной подставке, что позволяло направлять её в разные стороны по высоте. Стоит отметить, что сделал антенну Ребер за свой счет и из тех деталей, что можно было свободно купить.
Первый приемник Ребера мог принимать волны с длиной 9 см, однако обнаружить с помощью его космическое радиоизлучение не удалось. Тогда Ребер соорудил приемник на волну 33 см — и снова безуспешно. Тут надо отдать должное Гроуту — он не забросил дело, а решил построить еще один приемник, теперь уже на волну куда больше — 1,9 м. Тогда согласно открытию Планка, о котором уже упоминалось в предыдущей части, справделиво считалась, что чем длиннее волна, тем больше у нее интенсивность, то есть тем проще ее обнаружить (что справделиво и сейчас, однако в космосе есть и источники, не поддающиеся этому правило, о чем будет ниже). С последним приемником все получилось — Ребер обнаружил космическое радиоизлучение. Тогда шел 1938 год.
К 1941 г. Гроут Ребер создал первые карты радиоизлучения неба, уточненные им к 1943 г. На них-то впервые и выявили существование ярких радиоисточников, таких как упомянутые ранее Лебедь A и Кассиопея A. Почти 10 лет Ребер был единственным радиоастрономом на планете, создав почву для грядущего послевоенного бума в этой области.
После войны, на фоне развития радаров и успехов Ребера радиоастрономия начнет активно развиваться. Не станем перечислять все ее последующие достижения, ибо это утомит читателя, но покажем наглядно темпы развития радиоастрономии по ее инструментам — радиотелескопам.
Самыми большими потомками антенны Ребера являются Эффельсбергский радиотелескоп и радиотелескоп Гин-Бэнк — оба в 11 раз его больше, то есть имеют диаметр 100 м. Весят такие исполины тысячи тонн, но при этом могут, не нарушая геометрии своего зеркала, поворачиваться почти в любую точку неба. Эти антенны можно считать пределом размеров полноповоротных радиотелескопов.
Есть поменьше, но все ж подобные исполины и у нас, например, РТ-70.
Что касается самых больших телескопов со сплошным зеркалом-тарелкой (специалист бы назвал это радиотелескопом с заполненной апертурой), то здесь долгое время первенство сохранял, наверное, самый знаменитый инструмент - Аресибо. Этот американский телескоп, находившийся в Пуэрто-Рико, служил фоном для сцен многих кинофильмов. Но отметить хотелось бы культовый фильм «Контакт», в котором по сюжету радиотелескоп зафиксировал сигналы разумной цивилизации. В реальности Аресибо такого никогда не делал, но зато, наоборот, послание другим цивилизациям отправлял. И здесь проявляется еще одна важная особенность радиоастрономии — если с помощью света мы вряд ли можем послать сообщение в далекий космос, то вот отправить его или принять радиотелескопами — вполне. Весьма вероятно, что именно в радиодиапазоне возможно обнаружение сообщений внеземных цивилизаций, о чем еще будет сказано ниже.
Рекорд размера Аресибо побил в 2016 г. китайский радиотелескоп FAST — его диаметр составляет 500 м.
Самый крупный радиотелескоп, правда уже с незаполненной апертурой, находится в России — это РАТАН-600. Находится в Карачаево-Черкессии, введен в строй в 1974 г. На его примере можно обнаружить, что радиотелескоп — это необязательно большая спутниковая «тарелка», конструкций антенн существует множество. В конце концов роль «тарелки» проста — собрать как можно больше волн (соответственно, и энергии) своей площадью, а потом, отразив их, сконцентрировать в одной точке, где специальная антенна, называемая облучателем, преобразует радиоволны в переменный электрический ток.
Собрать волны с большой площади в ограниченную область пространства можно не только с помощью параболоида вращения (чем и являются «тарелки»), но и с помощью, например, параболического цилиндра. Так обычно поступают при приеме длинных волн, когда проще собирать их не одной огромной «тарелкой» в одну точку, а в длинную линию. По этому принципу построен советский радиотелескоп ДКР-1000, состоящий из двух протяженных антенн Север-Юг и Восток-Запад, расположенных в форме креста. Антенна Север-Юг была разрушена «охотниками за цветным металлом» в конце 1990-х годов и с тех пор так и не восстановлена. Впрочем, для этого радиотелескопа ныне существует слишком много помех от современного радиовещания.
Чтобы радиотелескоп видел источники радиоволн как можно четче, то есть мог различить, например, два близко расположенных удаленных источника, нужно делать его антенну как можно большей. И даже у гигантских радиотелескопов разрешающая способность все равно хуже, чем у человеческого глаза. Причина этого — большая длина радиоволн, о чем в предыдущей статье сообщалось. Строить радиотелескопы еще больших размеров невозможно по инженерным причинам, однако выход все же есть — применять несколько совместно работающих антенн, удаленных друг от друга на некоторое расстояние. Чем больше расстояние, тем выше разрешение. В конце концов, мы с вами имеем тоже два разнесенных глаза. И тут возможности радиоастрономии резко увеличиваются. Две или больше антенн, работающих вместе, называются радиоинтерферометрами.
Радиотелескопы-интерферометры появились практически сразу после войны, в 1946 г. Но наибольшее развитие они получили позже. Так, например Очень большая радиоантенна Карла Г. Янского или просто Very Large Array (VLA), построенная в 70-е гг., состоит из 27 больших антенн, разнесенных по трем Y-образным лучам по 9 шт. в каждом. Антенны еще и могут передвигаться, кучкуясь около центра вместе, или разъехавшись от него на 21 км. Разрешающая способность такого радиотелескопа эквивалентна сплошной антенне с диаметром 36 км. При таком же разрешении, будь оно у наших глаз, мы бы различали на Луне объекты диаметром всего 100 м — практически так же, как это может знаменитый оптический телескоп «Хаббл».
Можно антенны интерферометра разнести на разные края Земли и получить расстояние между ними в несколько тысяч километров, а значит, и очень высокое разрешение. И таких проектов много. Но всех переплюнул Российский космический радиотелескоп «Радиоастрон», работавший в 2011-2019 гг. совместно с наземными инструментами — база такого радиоинтерферометра составила 330-360 тыс. км — почти как расстояние до Луны. Было достигнуто рекордное разрешение за всю историю радиоастрономии — в 15 тысяч раз лучше, чем у «Хаббла».
Но по-настоящему впечатляет самый крупный на сегодня проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра — Square Kilometre Array (SKA), антенная решетка площадью в один квадратный километр. Название проекта отражает первоначальный план, на деле проектная площадь стала сильно больше 1 кв. км. Система из нескольких тысяч антенн трех типов должна быть разбросана в пределах области размером в 3000 км на разных континентах. Научные наблюдения с полностью заполненным массивом ожидаются не ранее 2027 года.
Все это, конечно, может быть интересным, подумает читатель, но далеким от нас. А где может увидеть житель Предбайкалья или Забайкалья радиотелескоп вживую? Для этого не придется ехать тысячи километров, ибо в Бурятии, в живописной Тункинской долине расположены сразу два радиотелескопа, при этом с совершенно разной конструкцией и назначением. И даже принадлежащие разным организациям. Первый из них — Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ) Института солнечно-земной физики СО РАН. На самом деле там два радиотелескопа — собственно крестообразный «256-тарельчатый» ССРТ (1984 г.), и Т-образный многоволновый радиогелиограф с 528 антеннами (2023 г.). На самом деле специалист поспорит на счет количества радиотелескопов в этой обсерватории, но нам важно общее представление. Инструменты достаточно уникальны — они позволяют при прохождении солнца сразу строить его изображение с достаточно высоким разрешением, что важно как с практической точки зрения (солнечные вспышки), так и с точки зрения фундаментальных исследований.
Стоящая в том же урочище, что и ССРТ большая «тарелка» диаметром 32 м —радиотелескоп системы «Квазар-КВО». Последняя состоит из еще двух таких же «тарелок», стоящих в Карачаево-Черкесии и в Ленинградской области. То есть речь идет снова об радиоинтерферометре с гигантским расстоянием между радиотелескопами. Аббревиатура «КВО» в названии — это координатно-временное обеспечение. Система из трех радиотелескопов используется для получения высокоточного положения Земли в пространстве. Все это необходимо для навигации (в том числе в телефоне), работы спутников, запуска космических кораблей и пр. Для определения положения планеты нужно использовать точки отсчета вне самой Земли, позволяющие получить фундаментальную систему координат. Такими точками для сети радиотелескопов «Квазар-КВО» служат квазары — ядра галактик, в центре которых находятся сверхмассивные черные дыры с мощными джетами — струями плазмы, то есть ионизированного газа (в котором атомы лишаются всех или части электронов и становятся заряженными, а как известно из курса школьной физики, движущиеся заряды создают одну из составляющих электромагнитного (радио-) излучения — магнитное поле). Квазары находятся настолько далеко от Земли (миллиарды световых лет), что скорость их видимого движения с Земли почти равна нулю. Этим ничтожно малым значением можно пренебречь и считать квазары неподвижными объектами. Благодаря этому, а также высокой разрешающей способности радиоинтерферометра «Квазар-КВО» и стали достижимы точности определения положения радиотелескопов (Земли) до миллиметров и времени— до миллиардной доли секунды!
О том, что же излучает радиоволны во Вселенной, кроме квазаров — в следующей части.
Вот лишь один пример, демонстрирующий прогресс [радиоастрономии]. Самый крупный оптический телескоп середины XX века, 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории, при оптимальных атмосферных условиях обеспечивал угловое разрешение порядка 0,5 угловой секунды… Работающая на принципе оптического интерферометра телескопическая система Южной Европейской обсерватории дает разрешение в 1 мс — в 500 раз лучше. Теперь посмотрим, как выросли наблюдательные возможности радиоастрономии. Некогда крупнейший в мире Транзитный телескоп британской обсерватории Джодрелл Бэнк (введен в действие в 1947 году, диаметр параболической антенны 66 м) позволил добиться рекордного по тому времени разрешения в 1 градус. Действующая с мая 1993 года американская сеть из десяти интегрированных радиотелескопов Very Long Baseline Array (восемь антенн на… территории США, одна на Гавайях и одна на карибском острове Сен-Круа) дает разрешение вплоть до 0,0002 угловой секунды. То есть разрешающая способность радиотелескопов выросла в 18 млн раз!… А в скором времени появятся совершенно фантастические системы, соединяющие межконтинентальные сети наземных радиотелескопов с радиоаппаратурой на космических платформах. По расчетам, предел разрешения таких наземно-космических радиоинтерферометров дойдет до десятимиллионных (или даже стомиллионных!) долей секунды. Алексей Левин