Все о космосе

Радиотелескопы

На раннем этапе развития радиоас­трономии прием космического радио­излучения производился при помощи самых разнообразных антенн. Под мно­гие из них были приспособлены радио­локационные и коммуникационные устройства.

В 50-е годы радиоастрономы работали главным образом на мет­ровых волнах. Тогда применялись ан­тенны, подходящие для этого диапазо­на — дипольные, спиральные. Были разработаны и специальные антенны для радиоастрономии, иногда довольно причудливой формы: параболические цилиндры в Пущино (Россия) и Ути (Индия), двухзеркальные телескопы в Огайо (США) и Нансэ (Франция), целые поля диполей, напоминающих всем нам знакомые телевизионные антенны. Один из крупнейших дипольных телес­копов — хорошо известный УТР-2 вблизи Харькова, был построен для ра­боты в длинноволновой части радиоди­апазона (от 12 до 30 метров). В СССР были созданы антенны переменного профиля, которые состоят из многих независимых элементов, образующих единую отражающую поверхность. Перемещая элементы по согласован­ной программе, можно направлять луч зрения радиотелескопа на разные учас­тки неба. Первая такая антенна — Боль­шой Пулковский радиотелескоп разме­ром 120 м. По этой же схеме по­строен РАТАН-600 на Северном Кавказе. Однако практика показала, что наи­более удобным в работе оказался полноповоротный параболический рефлек­тор — аналог оптических телескопов-рефлекторов. Полноповоротные антен­ны имеют большие преимущества перед неподвижными: их можно направлять в любую точку неба, а также осуществлять с их помощью слежение за радиоисточ­ником — "копить" сигнал, как говорят радиоастрономы, что позволяет повысить чувствительность телескопа и выделять на фоне всевозможных шумов гораздо бо­лее слабые космические радиосигналы. Первый телескоп с параболической антен­ной, созданный специально для целей ра­диоастрономии, соорудил еще Ребер. Можно сказать, что он тем самым предвос­хитил последующее развитие техники в этом направлении. Параболические ради­отелескопы начала 1950-х гг. имели, как правило, небольшие антенны. Первый крупный полноповоротный параболоид диаметром 76 м был построен в Англии, в обсерватории Джодрелл Банк в 1957 г.

Рабочий диапазон рефлекторной ан­тенны определяется качеством ее отража­ющей поверхности. Чтобы зеркало телес­копа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать од­ной десятой длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной в нес­колько метров или дециметров. Но на ко­ротких сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Изгото­вить большое зеркало с такой поверхнос­тью — серьезная техническая проблема. Здесь стоит отметить, что одна из первых в мире антенн, способная работать в милли­метровом диапазоне (до 8 мм), была пос­троена в 1958 г. в СССР, в Пущино Мос­ковской области. Это телескоп РТ-22 с ди­аметром зеркала 22 м. Второй такой же РТ-22 был установлен спустя несколько лет в Крыму, в Симеизе. В числе других крупных антенн — построенные для це­лей космической связи 70-метровый пара­болоид в Евпатории (Крым), 64-метровые рефлекторы в Медвежьих Озерах под Мос­квой, в Калязине и Уссурийске. В настоя­щее время они также работают по радио­астрономическим программам.

В те же годы крупные параболические антенны строились и в других странах: 64 м (Парке, Австралия), 92 м (Грин Банк, США), 100 м (Эффельсберг, Германия).

Самый большой радиотелескоп-рефлек­тор диаметром 300 м был построен в Аресибо, Пуэрто-Рико. Правда, этот телескоп имеет не параболическое, а сферическое зеркало, и он неподвижен: его диаграмма направленности "смотрит" в зенит, хотя смещением рупора, собирающего радио­волны, ее можно немного отклонять.

Большие радиоастрономические ан­тенны — очень дорогостоящие устройс­тва, сложные в постройке, наладке и экс­плуатации. Стоимость зеркального телес­копа (как оптического, так и радио) прямо пропорциональна кубу диаметра его глав­ного зеркала. При создании полнопово­ротных антенн главные препятствия воз­никают из-за деформаций рефлектора под действием силы тяжести. Практически невозможно создать полноповоротный па­раболический телескоп диаметром более 150 метров. Такой инструмент окажется неработоспособным. При наклоне его под разными углами к горизонту отражаю­щая поверхность будет менять форму под влиянием собственного веса конструкции; когда она отклонится от параболы, телес­коп перестанет фокусировать радиоволны должным образом.

Интерферометры и системы апертурного синтеза

С 1970-х гг. радиоастрономы пошли по другому пути. Гораздо легче добить­ся высокого углового разрешения, ис­пользуя интерферометры, состоящие из нескольких или нескольких десят­ков небольших антенн диаметром не более 25 м.

Если проводить наблюдения за одним и тем же радиоисточником, используя одновременно две антенны, отстоящие друг от друга на расстояние L, и специ­альным образом обрабатывать поступа­ющие с этих антенн сигналы, то эта сис­тема оказывается по угловому разреше­нию эквивалентной радиотелескопу с диаметром D = L. Такая система называ­ется радиоинтерферометром, а расстоя­ние между антеннами — его базой. Ин­терферометр может иметь базу в десят­ки, сотни и даже тысячи километров, радиотелескопы могут находиться на разных континентах, и угловое разре­шение будет в тысячи раз выше, чем у отдельной антенны. Правда, столь высо­кое разрешение достигается лишь в направлениях, перпендикулярных базе интерферометра; на прямой, проходя­щей через антенны, оно по-прежнему определяется их размерами. Но если вместо двух антенн использовать не­сколько, расположенных на достаточно большой площади и не лежащих на одной прямой — тогда, объединяя при­нятые ими сигналы, высокое угловое разрешение можно получить по всем направлениям.

За последнее десятилетие построе­но несколько крупных многоантенных интерферометров. Их называют еще системами апертурного синтеза — они позволяют как бы "синтезиро­вать" входное отверстие (апертуру) радиотелескопа очень больших разме­ров. В некоторых системах антенны могут перемещаться в пределах опре­деленной площади. Наблюдения за источником проводятся последова­тельно при разных взаимных положе­ниях антенн. Сигналы обрабатывают­ся на компьютерах. Система по угло­вому разрешению соответствует радио­телескопу, охватывающему пло­щадь, на которой размещены антен­ны. С помощью многоантенных интер­ферометров можно получать "синтези­рованные" карты радиоисточников с высоким разрешением, например, на сантиметровых волнах — с разреше­нием лучше 1", что уже не уступает показателям оптической астрономии.

В настоящее время работают много­антенные интерферометры VLA (Very Large Array, Нью-Мексико, США), Вестерборк (Голландия), ATNF (Наррабрай, Австралия); в Великобритании функционирует система MERLIN, включающая в себя знаменитый 76-метровый телескоп. В России, в Буря­тии, построен Сибирский солнечный радиотелескоп — специальная система антенн для оперативного картографи­рования радиоизлучения Солнца.

С начала 1970-х гг. успешно ведется работа по созданию систем радоинтерферометрии со сверхдлинными базами (PCДБ). Рекордная длина базы L, до­стигнутая в экспериментах — около 6000 км, а разрешение на волне X = 1,35 см (линия молекулы воды) а = 2 10⁹ рад = = 0,0004". Это почти предел для радио­телескопов, расположенных на земной поверхности, так как база не может пре­вышать диаметра Земли (12,7 тыс. км). В настоящее время на регулярной основе функционируют несколько РСДБ-сетей. В США создана система VLBA, включа­ющая в себя 10 радиотелескопов со средним диаметром 25 м, расположен­ных на североамериканском континен­те, Гавайских и Виргинских островах.

В европейских странах работает систе­ма EVN, регулярно объединяющая для РСДБ-экспериментов такие радиоте­лескопы, как 100-метровый Бонн­ский, 32-метровый в Медичине (Ита­лия), интерферометры MERLIN и Вестерборк.

Создана РСДБ-сеть и в Украине. Она включает в себя четыре гигантских ан­тенны — уже упомянутый УТР-2 под Харьковом и телескопы такого же типа под Одессой, Полтавой и Львовом. Ук­раинская система пока не имеет в мире конкурентов, ведь она работает на очень длинных (десятиметровых) вол­нах, а именно в этом диапазоне наибо­лее характерно проявляют себя многие замечательные космические радиоис­точники — квазары, радиогалактики и туманности.

В полную силу заработала россий­ская сеть "Квазар". В настоящее вре­мя в ней участвуют три параболичес­ких антенны диаметром 32 м каждая: в Светлом (Ленинградская об­ласть), Зеленчукской (Карачаево-Черкессия, рядом с телескопом РАТАН-600) и Бадарах (Бурятия, ря­дом с Сибирским солнечным радиоте­лескопом). В планах сети "Квазар" — не только картографировать небес­ные объекты, но и выполнять земные задачи: по наблюдениям квазаров определять точное время, а по изме­нениям длин баз между антеннами (как внутри сети "Квазар", так и с антеннами других стран) пытаться определить скорости дрейфа конти­нентов. Эти скорости не превышают нескольких сантиметров в год. Одна­ко если продолжать наблюдения в те­чение ряда лет, то даже такие нич­тожные смещения антенн относи­тельно друг друга можно почувство­вать. Первые обнадеживающие ре­зультаты на сети "Квазар" уже полу­чены. Здесь наука о небе смыкается с наукой о Земле — геодинамикой.

Радиотелескопы будущего

Можно сказать, что времена "гиган­томании" в радиотелескопостроении за­канчиваются. Если раньше радиоастро­номы связывали основные надежды на улучшение углового разрешения с по­стройкой все более и более крупных оди­ночных антенн, то к настоящему време­ни предел в этом направлений" уже до­стигнут. Вероятно, последняя из строя­щихся больших антенн — 50-метровый телескоп миллиметровых волн, кото­рый будет стоять в Мексике, на верши­не Сьерра Негра высотой 4600 метров.

Ясен дальнейший путь развития экс­периментальной радиоастрономии — создание все более совершенных систем апертурного синтеза. Кратко расска­жем о некоторых, наиболее интересных проектах.

На высокогорном плато Атакама (Чи­ли) на высоте 5000 м начато строительс­тво системы из 64 антенн миллиметрово­го диапазона ALMA (Atacama Large Mil­limeter Array). Это совместный проект ученых ряда стран Европы (прежде всего Германии) и Америки. Система будет состоять из 12-метровых антенн с макси­мальной длиной базы 14 км. Ее рабочий диапазон — от 10 до 0,3 мм. Высокогор­ное местоположение ALMA в сочетании с исключительно сухим климатом су­щественно уменьшает поглощение радио­волн атмосферным водяным паром и позволяет наблюдать на субмиллиметро­вых волнах, недоступных на меньших высотах над уровнем моря. Строительс­тво будет закончено к 2011 году.

На гораздо более длинных метровых волнах (от 1,2 до 10 м) будет работать голландская система апертурного синте­за LOFAR. Для уменьшения стоимости системы будут применены простейшие антенны без движущихся механических частей — пирамиды из медных стер­жней с усилителем сигнала на вершине. Всего таких антенн будет установлено 25 тысяч. Они будут объединяться в группы (кластеры), а кластеры, в свою очередь, будут располагаться по всей территории Голландии вдоль пяти изогнутых лучей, напоминающих в пла­не морскую звезду диаметром около 350 км. Каждая из антенн принимает сигна­лы со всего неба, но компьютерная обра­ботка позволит выделить интересующие ученых направления и чисто вычисли­тельным путем сформировать в них ди­аграмму направленности системы. При этом максимальное угловое разреше­ние на самой короткой волне составит 3,5". Работа системы потребует огром­ного объема вычислений, но на современном уровне развития компьютерной техники такая задача вполне решаема. Планируется завершить создание сис­темы LOFAR в течение трех ближай­ших лет.

Наиболее амбициозный проект бли­жайшего будущего — SKA (Square Kilo­meter Array, система апертурного синте­за площадью в 1 квадратный километр). Система будет состоять из множества (де­сятков или сотен) отдельных антенн об­щей площадью в 1 км². Проект SKA пока находится в стадии разработки. Предло­жено около десятка различных вариан­тов. Решение о размещении SKA будет принято в 2006 году. Рассматриваются варианты: Аргентина, Австралия, Китай и Южная Африка. Антенны, составля­ющие систему (вероятнее всего, не­большого размера, порядка несколь­ких метров), будут работать в диапазо­не волн от 5 м до 3 мм. Базы интерферо­метров достигнут 1-3 тыс. км. Со своей стороны, Китай предлагает построить SKA всего из восьми неподвижных зер­кал диаметром 500 м каждое (типа уже существующего в Аресибо). Не исклю­чено, что будет построено несколько систем SKA в разных странах и по раз­ным схемам.

Наконец, стоит упомянуть проект те­лескопа lhT (1-hectare Telescope) для об­зора неба в диапазоне от 3 до 10 см. Для постройки lhT выбрано место в Северной Калифорнии (США). Радиотелескоп бу­дет состоять из 350 6-метровых параболи­ческих антенн, расположенных в преде­лах круга диаметром 1 км. К концу 2005 г. построены 42 антенны, а ввод в строй всех элементов системы намечен на июнь 2008 г. Телескоп lhT интересен тем, что это первый инструмент, предназначен­ный исключительно для поиска радио­сигналов внеземных цивилизаций. Предполагается, что с помощью систе­мы lhT удастся охватить звездные сис­темы на расстояниях до 1000 световых лет от Солнца.

Возможности увеличения базы на­земных интерферометров почти исчер­паны. Будущее — это запуск антенн ин­терферометра в космос, где не будет огра­ничений, связанных с размерами на­шей планеты. Уже проводились экспе­рименты с космическими радиоинтер­ферометрами, одна из антенн которых размещалась на Земле, а другая — на спутнике или орбитальной станции.

Крупнейший инструмент такого рода создается сейчас по российско-амери­канскому проекту "Радиоастрон". Про­ект разрабатывается Астрокосмическим центром Физического института имени Лебедева (АКЦ ФИАН) Российской ака­демии наук совместно с учеными других стран. Спутник "Радиоастрон" будет иметь параболическое зеркало диамет­ром 10 м. Во время запуска зеркало будет в сложенном состоянии, а после выхода на орбиту развернется, как зонтик. "Ра­диоастрон" будет снабжен несколькими приемниками, работающими на длинах волн от 1,35 до 92 см. Управление спут­ником предполагается проводить со станций слежения в Евпатории и Медве­жьих Озерах. В качестве наземных ан­тенн космического интерферометра бу­дут использоваться радиотелескопы в Пущино (Россия), Канберре (Австралия) и Грин Бэнк (США). Орбита спутника бу­дет очень вытянутой, с апогеем 350 тыс. км. С такой базой на самой короткой волне 1,35 см удастся получить изобра­жения радиоисточников и измерять их координаты с точностью до 8 миллион­ных долей секунды дуги. Это даст воз­можность заглянуть в ближайшие ок­рестности ядер радиогалактик и чер­ных дыр, в глубины областей образова­ния молодых звезд в Галактике. Для оптической астрономии решение таких задач пока не доступно. Миссия "Радиоастрон" не ограничи­вается решением чисто астрономичес­ких проблем. Измеренные высокоточ­ные координаты многих дискретных радиоисточников послужат основой для прецизионной системы коорди­нат, крайне необходимой для назем­ной и космической навигации. Нако­нец, точные измерения орбиты спут­ника, получаемые в ходе эксперимен­тов, дадут возможность построить но­вую модель гравитационного поля Земли.

Еще один космический проект рос­сийских ученых — "Миллиметрон", — интерферометр, работающий в области миллиметровых и субмиллиметровых волн. Рассматриваются разные вариан­ты проекта. Один из них — интерферо­метр Космос-Земля, другой — интерфе­рометр Космос-Космос с участием двух телескопов, размещенных на космичес­ких аппаратах. Антенны могут быть выведены либо на околоземную орбиту с апогеем 300 тысяч километров, либо на гелиоцентрическую орбиту, в так на­зываемую точку Лагранжа L2 системы Солнце-Земля, которая находится на расстоянии 1,5 млн. км от Земли в противосолнечном направлении. Косми­ческие аппараты могут находиться в этой точке длительное время при мини­мальных коррекциях траектории. Если будет реализован этот вариант, то при базе в полтора миллиона километров на субмиллиметровых волнах (порядка 0,35 мм) интерферометр Космос-Земля даст угловое разрешение до 45 милли­ардных долей секунды дуги, то есть в 250 раз выше, чем у "Радиоастрона". Это обеспечит получение уникальной информации о структуре Вселенной, о строении и эволюции галактик, их ядер, звезд и планетных систем, а так­же об органических соединениях в кос­мосе, объектах со сверхсильными гра­витационными и электромагнитными полями.

Оригинальный источник: NASA