Прежде всего: насколько велика должна быть приемная антенна (та самая параболическая тарелка)? Ее диаметру следует
29
намного превышать длину волны принимаемого излучения, и чем он больше, тем выше (в потенциале) чувствительность и разрешающая способность инструмента — совсем как у оптических телескопов. Чувствительность зависит еще от уровня собственных шумов приемного устройства — если он велик, то полезный сигнал «утонет» в шуме и не будет замечен. Основной шум аппаратуры — тепловой, вызываемый хаотичными движениями заряженных частиц. Ясно, что чем выше температура, тем интенсивнее эти движения и тем выше уровень теплового шума. На практике входные контуры приемных устройств радиотелескопов охлаждают жидким гелием, добиваясь шумовой температуры в единицы кельвинов.
Наконец, точное наведение огромной параболической чаши (прикиньте хотя бы ветровую нагрузку!) на небесный объект — само по себе непростая инженерная задача. Результаты наблюдений, полученные на первых радиотелескопах, не отличающихся ни высокой точностью наведения, ни хорошей разрешающей способностью, не раз ставили астрономов в тупик. Обнаружен новый источник радиоизлучения, но где прикажете его искать? Площадь, в пределах которой он мог находиться, зачастую составляла десятки квадратных градусов! Хорошо, если в пределах этой области находился объект, сразу бросающийся в глаза в оптическом диапазоне, ну а если нет? Как назло, многие источники радиоизлучения (например, квазары) выглядят в оптических лучах, мягко говоря, невыразительно. Отождествление некоторых космических источников радиоизлучения растянулось на годы...
Однако детский возраст той или иной научной дисциплины тем и хорош, что свойственные ему болезни проходят вместе с ним, а открытия, сделанные с помощью пока еще весьма несовершенных инструментов, поражают воображение. Радиоастрономия резко расширила границы познаваемости мира. В самом деле, наблюдая Вселенную в ничтожно узком диапазоне видимых длин волн (400-800 нм), не уподобляемся ли мы тому слепцу из индийской притчи, который трогал
30
— Чем и как изучают Вселенную —
слона за хвост, после чего объявлял, что слон похож на веревку?
Существующие в наше время радиотелескопы работают в диапазоне длин волн от миллиметров до метров. Они бывают полностью подвижными, полуподвижными и неподвижными. Широко известен неподвижный радиотелескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико), введенный в эксплуатацию еще в 1963 году и честно служащий науке до сих пор (рис. 7). Неподвижная 305-м чаша этого радиотелескопа построена в естественном карстовом провале. Над чашей на высоте 135 м находится конструкция с приемной и передающей аппаратурой, подвешенная с помощью системы тросов к трем вертикальным колоннам. Немного смещая эту конструкцию в ту или иную сторону, можно расширить полосу неба, доступную для наблюдений, до 40 градусов. Дважды пережив серьезные реконструкции, «Аресибо» теперь позволяет вести наблюдения в диапазоне длин радиоволн от 3 см до 1 м с очень хорошей
31
— Часть I —
чувствительностью. Он способен уловить сигнал от мобильного телефона, находящегося на Венере, или послать сигнал, который может быть зафиксирован на другом краю Галактики. В «актив» этого инструмента можно записать точное определение периода вращения Меркурия, проведение радиолокационных наблюдений Венеры, первое открытие планеты у пульсара, исследование двойного радиопульсара, приведшее к подтверждению существования гравитационных волн...
Чувствительность радиотелескопов (определяемая как минимальная регистрируемая плотность потока излучения) выше, чем у оптических инструментов, спектральное разрешение — также выше, зато с угловым разрешением одиночного радиотелескопа дело обстоит куда хуже, поскольку угловое разрешение пропорционально отношению длины волны к апертуре инструмента. Если на практике разрешение крупного оптического телескопа, установленного в месте с хорошим астроклиматом, может (иногда) достигать 0,3 с дуги1, то у радиотелескопов эта величина исчисляется минутами дуги.
Казалось бы, при таких условиях можно сразу забыть о построении радиоизображений космических объектов — однако нет. На помощь приходит радиоинтерферометрия. Если мы будем наблюдать один и тот же объект одновременно с двух радиотелескопов, связанных между собой и разнесенных на расстояние, называемое базой интерферометра, то угловое разрешение будет определяться уже не диаметром чаши телескопа, а базой. Почти ничего не выиграв в чувствительности инструмента, мы колоссально повысим угловое разрешение! Например, американская система VLA состоит из 27 параболических антенн 25-м диаметра, расположенных в виде буквы Y, и имеет базу в 47 км. Разрешающая способность этой системы на волне 6 см составляет 0,3 с дуги, что равно разрешению крупнейших оптических телескопов в условиях лучшего