Радиотелескопы и рефлекторы

Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным телом, падают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его поверхности, собираются 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 изображений будет наилучшим в том случае, когда небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. Говоря проще, 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, приходится 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. 39). В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало, иногда сплошное, а иногда решетчатое.

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 невообразимо большой скоростью «набегают» на облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстропеременные электрические токи.

Рис. 39. Схема устройства радиотелескопа.

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 различны.

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 режущие 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 и большие различия. Столь большие, что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей излучений — зеркал. Самый большой из существующих телескопов-рефлекторов — советский 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории АН СССР. Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76 м. До последнего времени крупнейшим радиотелескопом был радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало этого телескопа имеет диаметр 300 м и вмонтировано в кратер одного из 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 недавно вступил в строй 600-метровый советский радиотелескоп. В отличие 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 в 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 резкое, 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 размеры 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 1,25 см, то шероховатости зеркала 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 сплошными, а сетчатыми. Этим значительно уменьшается вес инструмента, и в 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!