Радиоастрономия

До начала XVII в. люди изучали небесные тела, только наблюдая их невооруженным глазом. В 1609—1610 гг. великий итальянский ученый Галилей, а вслед за ним и другие астрономы направили на небо только что изобретенный телескоп. С этого времени началась новая эра в истории астрономии. По мере совершенствования телескопов безмерно расширялись и границы видимой Вселенной.

В XIX в. астрономия приобрела мощных союзников — спектральный анализ и фотографию. Их стали применять для исследования глубин Вселенной. С помощью спектрального анализа оказалось возможным узнать химический состав и многие физические особенности далеких небесных тел. Использование в астрономии фотографии расширило пределы проникновения в космические просторы и позволило подмечать происходящие там изменения. Так, с помощью телескопов, спектрального анализа и фотографии астрономия достигла огромных успехов в изучении Вселенной.

Но эти успехи стали возможны благодаря тому, что небесные тела, главным образом звезды, излучают в окружающее пространство свет. Однако известно, что свет ослабевает пропорционально квадрату расстояния от источника излучения. Расстояния же до звезд, даже ближайших, огромны. Безмерно больше расстояния до звездных систем, которые находятся далеко за пределами нашей Галактики. Поэтому до Земли, а значит, и до земного наблюдателя доходит только ничтожно малая доля света от звезд нашей Галактики. Еще меньше доходит света от других звездных систем.



Самые длинные волны — красные, самые короткие — фиолетовые. Но длина всех световых волн не превышает десятых долей микрона. Эти данные физики очень существенны в познании далеких от нас миров.

Успешное развитие физики позволило улавливать не только видимые человеческим глазом световые лучи, но и не видимые им ультрафиолетовые, рентгеновские и инфракрасные лучи. Волны ультрафиолетовых и рентгеновских лучей оказались короче волн фиолетовых лучей. А волны инфракрасных лучей — длиннее волн обычных красных лучей, хотя тоже не превышают миллиметра. Эти открытия также нашли широкое применение в астрономии.

Таким образом, астрономы всегда старались использовать достижения физики для усовершенствования методов изучения небесных тел. Сооружение все более крупных телескопов давало астрономам возможность собирать с их помощью все больше света от далеких звезд и проникать в глубь Вселенной. Применение фотографии позволило улавливать приходящие из космического пространства ультрафиолетовые лучи. В последнее время с помощью особых устройств улавливаются и инфракрасные лучи. Это очень важно, так как многие горячие звезды большую часть своей энергии излучают в виде ультрафиолетовых лучей, а холодные звезды, наоборот, излучают больше всего инфракрасных лучей. Если бы нельзя было улавливать это недоступное простому глазу излучение, то нельзя было бы составить и правильное представление о физической природе звезд. Но улавливание не видимых простым глазом лучей связано с большими трудностями, так как значительная часть их поглощается земной атмосферой и не доходит до поверхности Земли. Неслучайно астрономы говорят, что земная атмосфера их злейший враг.

После изобретения великим русским ученым А. С. Поповым радио, стало возможным изучать радиоизлучение небесных тел с длинами волн от нескольких миллиметров и немногих сантиметров до многих метров.

Такие волны не поглощаются земной атмосферой и свободно проходят сквозь нее. Они свободно проходят и через пылевые облака, которые рассеяны в Галактике, и поглощают свет далеких звезд. С помощью радиоприемников ученые впервые уловили приходящее на Землю из мирового пространства радиоизлучение. Это положило начало развитию новой области науки — радиоастрономии. И если раньше единственным источником знаний о небесных телах, единственными вестниками далеких миров были световые лучи, улавливаемые земными телескопами, то теперь появились новые вестники далеких миров — радиоволны.

Радиоастрономия развивается в наше время исключительно быстро. Физики, астрономы, инженеры очень много сделали для того, чтобы создать мощные устройства для улавливания потоков космического радиоизлучения. Эти устройства получили название радиотелескопов, хотя они совсем не похожи на обычные, оптические телескопы.

Радиотелескоп принимает радиоизлучение зеркалом. Оно похоже на зеркало телескопа, только оно металлическое. Иногда же зеркало радиотелескопа — сложная конструкция в виде гигантской рамы с укрепленными на ней стержнями. Они и собирают радиоволны. Современная техника уже создала и создает гигантские радиотелескопы с зеркалом диаметром во много метров и даже десятков метров. С их помощью ученые изучают все многообразие радиолучей, поступающих на Землю из мирового пространства. По особенностям принимаемых радиоволн можно судить о природе небесных тел, посылающих эти волны, и делать важные выводы.

Радиоастрономия началась с того, что было обнаружено радиоизлучение, идущее к нам из мирового пространства. Но потом ученые установили, что это радиоизлучение поступает не вообще из мирового пространства, а из определенных областей неба от определенных небесных тел и окружающей их газовой среды.

Уже в 1944 г. было установлено, что Солнце — мощный источник радиоизлучения. Потом оказалось, что радиоизлучатель — не одно Солнце, а и отдельные планеты солнечной системы, в частности планета Юпитер. Выяснилось также, что потоки радиоволн поступают на Землю из различных участков нашей звездной системы — Галактики. Наконец, стало несомненным и то, что радиоволны приходят к Земле и от других звездных систем.

Изучение космических радиоволн уже позволило сделать такие важные выводы, которые нельзя было получить никакими иными путями.

Давно уже известно, что на Солнце происходят такие грандиозные физические процессы, как появление и исчезновение пятен и извержение протуберанцев. Солнечные пятна размерами превосходят поверхность Земли, а протуберанцы поднимаются над поверхностью Солнца на сотни тысяч километров. Давно также известна и солнечная корона — внешняя оболочка Солнца; она простирается на несколько солнечных радиусов, ее температура необычайно высока, а плотность необычайно мала.

Исследования солнечного радиоизлучения позволили узнать много нового и о Солнце и о его короне.

Радиолучи исходят главным образом от хромосферы — внешней оболочки Солнца — и от окружающей солнечный шар короны. Это так называемое излучение «спокойного» Солнца. Но Солнце не всегда спокойно Время от времени наблюдается усилеие физических процессов, происходящих на Солнце. Это бывает тогда, когда на Солнце появляются особенно большие пятна, происходят мощные взрывы. Все эти гигантские возмущения на Солнце очень влияют на земные явления. В это время на Земле особенно часто бывают полярные сияния, магнитные бури, а на Солнце в тысячи, а иногда и в миллионы раз усиливается радиоизлучение (теперь уже не «спокойного», а «возмущенного» Солнца).

Радионаблюдения особенно важны для выяснения природы явлений, происходящих у нас на Земле.

Мало этого. Солнечная корона до сих пор доступна для наблюдения только в тех пределах, в каких она испускает световые лучи. Но она простирается гораздо дальше. Радио-наблюдения обнаружили сверхкорону, которая не видна ни в какие оптические телескопы. Эта сверхкорона — продолжение видимой короны — в 15-20 солнечных диаметров.

Облако разреженной материи вокруг Солнца оказалось гораздо обширнее, чем думали раньше. И это смогли обнаружить только радионаблюдения.

Важную роль в радиоастрономии играет изучение радиоизлучения, приходящего на Землю из разных мест нашей звездной системы — Галактики.

Обнаружить определенные источники этого излучения было очень трудной задачей для астрономов.

Редкое, но поистине грандиозное явление — «сверхновые звезды». Малозаметные или вовсе не известные до этого астрономам звезды вспыхивают с такой силой что их излучение оказывается в миллиарды раз более мощным, чем излучение Солнца и в тысячи раз сильнее, чем излучение обычных новых звезд. Из исторических данных известно, что сверхновые звезды вспыхивали в 369, 1054, 1572, 1604 гг. Остатки вспыхнувших сверхновых звезд — туманности. Они образовались из выброшенного сверхновыми звездами газового вещества. Такие туманности оказываются мощными источниками радиоизлучения.

Давно уже известно, что звездные системы — галактики — имеют различные формы. Для многих из них, и притом наиболее крупных, характерны спиральные очертания. Такова, например, гигантская галактика в созвездии Андромеды — сравнительно близкий сосед нашей Галактики. Другие звездные системы имеют эллиптическую форму, а некоторые вообще не подходят под четкое геометрическое определение. Их так и называют «неправильными» галактиками.

Какие очертания имеет наша звездная система? На этот вопрос не так легко было ответа. Мы вместе с солнечной системой находимся внутри Галактики, многие области которой скрыты от нас облаками темного пылевого вещества; оно поглощает свет находящихся за ним звезд. Для радиоволн не страшно вещество, поглощающее обычные световые лучи, и радио-наблюдения помогли подтвердить уже существовавшее мнение о спиральном строении нашей Галактики. Наша Галактика действительно спиральная, и Солнце находится между двумя ее спиральными «рукавами».

Но радиоизлучение поступает на Землю не только из пределов нашей звездной системы — Галактики. Оно поступает в земные радиотелескопы из просторов Вселенной, находящихся далеко за пределами нашей Галактики, иначе говоря — из других галактик. Конечно, и здесь радиоизлучение подчиняется общему закону — оно ослабевает пропорционально квадрату расстояния. Другие галактики очень далеки от нас. Воспринимаемое от них радиоизлучение гораздо слабее радиоизлучений нашей Галактики. Но некоторые из этих галактик оказываются необычайно мощными источниками радиоизлучения. Ослабленное из-за огромного расстояния, оно в действительности гораздо сильнее, чем излучение нашей звездной системы с ее миллиардами звезд.

Очень мощный источник радиоизлучения был обнаружен, например, в созвездии Лебедя. Откуда же возникло это радиоизлучение? Наблюдения при помощи радиотелескопа показали, что оно возникло в результате столкновения двух галактик — двух звездных систем, подобных нашей звездной системе — Галактике.

Но что значит столкновение двух звездных систем? Мы знаем на примере нашей звездной системы (а другие в этом отношении от нее не отличаются), что расстояния между звездами огромны — они в миллионы и десятки миллионов раз превышают диаметры самих звезд. Поэтому звезды внутри галактики не сталкиваются — во всяком случае, вероятность их столкновения ничтожно мала. В то же время расстояния между галактиками только в десятки раз превышают их диаметры. Поэтому столкновения галактик вполне возможны. Но благодаря гигантским расстояниям между звездами звезды одной галактики пройдут среди звезд другой галактики, не сталкиваясь с ними. Из-за огромных размеров галактик этот процесс будет длиться миллионы лет.

Иное происходит при этом с газово-пылевой материей, заполняющей пространство между звездами. Эта материя «выметается» из своей галактики, и при «выметании» создается мощный поток радиоизлучения. Сталкивающиеся галактики в созвездии Лебедя отстоят от нас на расстоянии в 300 млн. световых лет. Наши радиотелескопы воспринимают от них столько же радиоизлучения, сколько обычно его получается от Солнца. Но галактики в Лебеде в двадцать триллионов раз дальше от нас, чем Солнце. Отсюда ясно, насколько мощно радиоизлучение этих галактик.

Такими же мощными радиоизлучателями являются и некоторые другие галактики. Происхождение их радиоизлучения далеко еще не выяснено. Не оставляет сомнения, однако,то, что происхождение космического радиоизлучения связано с особенностями поведения в определенных условиях вещества звезд и газов, заполняющих межзвездное пространство. К решению этого вопроса наука неуклонно приближается.

Современные большие радиотелескопы способны воспринимать радиоизлучение от гораздо более далеких звездных систем, чем галактики в Лебеде, даже от таких, которые остаются совершенно недоступными для самых мощных оптических телескопов. Это значит, что подобные источники радиоизлучения отстоят от нас на многие миллиарды световых лет, они, может быть, находятся на границе Метагалактики.

Существует еще другая, очень важная и интересная отрасль радиоастрономии. Возникла она в результате изобретения прибора, называемого радиолокатором.

Радиоволны обладают свойством отражаться от различных тел. Энергия отраженных волн значительно слабее, чем энергия радиоволн, падающих на тело. Но можно получить более мощное отражение радиоволн, если направить на предмет узкий пучок радиоволн, которые почти не будут рассеиваться в стороны. Эти радиоволны будет легче обнаружить. Для коротких радиоволн удалось создать такие приборы, антенна которых посылает радиоволны узким, но интенсивным пучком. Такой прибор называется радиолокатором. Его можно сравнить с прожектором. Свет прожектора распространяется узким, но ярким пучком только в одном направлении, не рассеиваясь по сторонам. В результате этого на далекий предмет падает более яркий свет, который отражается от него и возвращается к нам, позволяя этот предмет увидеть. Специальная антенна радиолокатора, называемая направленной антенной, посылает также узкий пучок радиоволн. Она может вращаться в любую сторону.

Направление антенны, при котором получаются отраженные радиоволны, всегда точно совпадает с направлением движения отразившего их предмета.

Более того, радиолокатор позволяет определить и расстояние до этого предмета. Для этого радиоволны излучают в течение коротких промежутков, как говорят импульсами, длящимися тысячные доли секунды, после чего мгновенно прибор переключается на прием отраженных радиоволн.

Как ни велика скорость распространен радиоволн (300 000 км/сек) и как ни мал вследствие этого промежуток времени до возвращения радиосигнала, или радиоэха, его удается измерить, а следовательно, определить расстояние до предмета.

В 1946 г. удалось получить радиоэхо от Луны, ближайшего к нам небесного тела, отстоящей от нас на 384 400 км. Время, прошедшее до излучения радиоэха, оказалось около 2 секунд. Расстояние до Луны, определенное с помощи радиолокатора, совпадает с расстоянием, вычисленным ранее обычными астрономическая способами.

В будущем радиоастрономия окажет ученым еще более действенную помощь в познании глубин бесконечной Вселенной.