Вселенная: радиоастрономия

Солнце

Хотя космические лучи, рентгеновские лучи и гамма-лучи, попадающие на Землю из космического пространства, чрезвычайно интересны для астрономов, все же подлинный переворот в астрономии середины XX в был связан с исследованием другого конца спектра — с изучением длинных, обладающих низкой энергией волн радиодиапазона.
Это объясняется двумя причинами. Во-первых, атмосфера, прозрачная для видимого света, но непрозрачная для большинства других электромагнитных волн, оказалась прозрачной также для широкого диапазона коротких и ультракоротких радиоволн — микрорадиоволн. Таким образом, астрономы получили еще одно «окно» в небо. Микрорадиоволновое излучение небосвода можно спокойно изучать, оставаясь на поверхности Земли. И незачем засылать в небеса приборы на ракетах и зондах.
Во-вторых, использование радиоволн для беспроволочной связи способствовало развитию тончайших методов приема и усиления слабых сигналов такого рода.
Собственно говоря, предположение о существовании небесного радиоизлучения пришло в голову ученым на самой заре века радио. Уже через несколько лет после открытия радиоволн была высказана идея о возможности обнаружения радиоизлучения Солнца. В частности, английский физик Оливер Джозеф Лодж (1851 —1940), пионер радиосвязи, пытался еще около 1890 г. обнаружить радиоизлучение Солнца, но потерпел неудачу. Затем подобные эксперименты долгое время вообще не производились, и когда, наконец, пришел успех, это произошло случайно.
Радиоизлучение небосвода открыл американский инженер Карл Янский (1905—1950), который в 1931 г. занимался совершенно не астрономической проблемой борьбы с помехами радиосвязи. Он никак не мог обнаружить один из источников помех и в конце концов решил, что они вызваны очень короткими радиоволнами, идущими к нам из космическою пространства Он опубликовал свои наблюдения в 1932 и 1933 гг, но его статьи не привлекли внимания астрономов.
Собственно говоря, они заинтересовали только еще одною американского инженера, Гроута Ребера (род в 1911 г). В 1937 г. он построил у себя во дворе радиотелескоп— десятиметровую параболическую чашу, которая должна была улавливать слабые микрорадиоволны, приходящие из космического пространства, и отражать их на приемное устройство в центре параболы. В течение нескольких лет Ребер скрупулезно искал небесные источники радиоизлучения. Он был первым и довольно долго единственным радиоастрономом. Свою первую работу на эту тему он опубликовал в 1940 г.
Астрономы реагировали на нее с большим запозданием. Дело в том, что очень короткие волны космического радиоизлучения были намного короче тех, которые обычно использовались для радиосвязи, а поэтому они не вызывали помех при радиоприеме и не привлекали к себе внимания. Да и техника еще не создала надежных методов работы с такими короткими волнами.
Однако в конце 30-х годов были проведены важные усовершенствования, которые в конце концов уничтожили это препятствие. В Англии и США разрабатывался радиолокатор — прибор, посылающий импульс микрорадиоволн так, чтобы можно было обнаружить отраженное эхо этого луча, натолкнувшегося на препятствие. Направление прихода эха указывало направление на препятствие, а время между посылкой луча и приемом отраженного сигнала позволяло определить расстояние до препятствия (поскольку микрорадиоволны движутся со скоростью света). Радиолокатор был идеальным средством обнаружения далеких объектов, особенно в условиях, когда обычные оптические приборы были бессильны. Он работал не только днем, но и ночью, облака и туман, не пропускающие лучей света, для микрорадиоволн были совершенно прозрачны.
Радиолокатор заблаговременно предупреждал англичан о приближении немецких самолетов и сыграл большую роль в «битве за Англию». Поэтому любые помехи в его работе представляли большую опасность для Англии и ее союзников. И вот однажды в 1942 г. вся система радиолокации была буквально оглушена потоком посторонних микрорадиоволн и временно вышла из строя. Если эти помехи были созданы немцами, то последствия могли оказаться чрезвычайно серьезными. Однако проверка показала, что причиной помех была гигантская солнечная вспышка, которая и позволила впервые обнаружить существование солнечных космических лучей. Вспышка послала в сторону Земли колоссальный поток микрорадиоволн, полностью заглушивший создаваемые человеком радиоволны, которые использовались в радиолокации. Так было обнаружено, что излучение Солнца заходит в радиодиапазон. К концу второй мировой войны астрономы уже готовы были всерьез заняться радиоастрономией.
Для изучения радиоволнового спектра Солнца были использованы точные методы, разработанные для радиолокации, и почти сразу было установлено, что Солнце излучает микрорадиоволны гораздо интенсивнее, чем этого можно было бы ожидать, судя по температуре его поверхности. Обнаруженная интенсивность некоторых коротких волн требовала температуры порядка 1 000 000°С. Эти волны, разумеется, испускались короной, которая была достаточно горяча даже для того, чтобы испускать рентгеновские лучи.
Солнце, кроме того, давало всплески интенсивного микрорадиоволнового излучения, связанные с солнечными пятнами, вспышками и другими проявлениями его активности.

Планеты

Как это ни удивительно, Солнце—не единственный источник микрорадиоволн в солнечной системе. Планеты светят только отраженным светом, и тем не менее некоторые из них излучают собственные микрорадиоволны, достаточно интенсивные для того, чтобы их можно было уловить на Земле.
Например, в 1965 г. было установлено, что источником всплесков определенных микрорадиоволн, которые в течение пяти лет сбивали исследователей с толка, является Юпитер. Некоторая часть микрорадиоволнового излучения Юпитера имеет тепловое происхождение, т. е. объясняется просто тем, что поверхность Юпитера имеет определенною температуру и потому излучает энергию в широкой полосе электромагнитного спектра, включающей также и микрорадиоволновый диапазон. Однако на некоторых длинах волн радиоизлучение было гораздо интенсивнее, чем можно было бы объяснить при данной температуре. (Нельзя же было ожидать, что у Юпитера обнаружится такая же горячая корона, как у Солнца). Для объяснения нетепловой части излучения в конце концов было выдвинуто предположение, что Юпитер обладает намного более мощным магнитным полем, чем Земля, о чем я расскажу в следующем разделе.
Столь же интересным оказалось микрорадиоволновое излучение Венеры. Впервые оно было обнаружено в 1956 г., и астрономы сразу же столкнулись со странным несоответствием. По данным измерения инфракрасного излучения температура Венеры составляла около — 43°С Однако микрорадиоволновое излучение свидетельствовало о температуре на несколько сот градусов выше, в частности выше температуры кипения воды.
Но действительно ли это — несоответствие? Инфракрасное излучение Венеры должно возникать в верхних слоях ее атмосферы. Если бы оно зарождалось на твердой поверхности планеты или хотя бы вблизи нее, оно поглощалось бы атмосферой. Однако атмосфера Венеры, как и атмосфера Земли, прозрачна для микрорадиоволн.
Даже постоянный непроницаемый облачный покров Венеры, скрывающий ее подлинную поверхность от человеческого взгляда, прозрачен для них. Поэтому вполне вероятно, что инфракрасное излучение сообщает нам о низкой температуре, естественной для верхних слоев атмосферы, а микрорадиоволны говорят о температуре твердой поверхности планеты.

И все же температура намного выше точки кипения воды для Венеры несколько удивительна. Может быть, ее микрорадиоволновое излучение не все имеет тепловую природу, а хотя бы частично порождается магнитным полем, как у Юпитера? Вряд ли. Подавляющее большинство астрономов считает, что Венера вращается вокруг своей оси очень медленно. А так как они склонны думать, что магнитное поле возникает у планеты, лишь когда ее вращение достаточно быстро для того, чтобы вызвать возмущения в расплавленном ядре, то наличие заметного магнитного поля у медленно вращающейся Венеры маловероятно.
Вопрос был решен, когда посланная к Венере межпланетная автоматическая станция «Маринер-2», снабженная необходимыми приборами, прошла в декабре 1962 г. в 34 500 км от планеты. Заметного магнитного поля у нее обнаружено не было. Если оно и существует, то его напряженность более чем в 100 раз уступает напряженности магнитного поля Земли. Данные, полученные с помощью «Маринера-2», показали также, что радиоизлучение приходит к нам не от ионосферы Венеры, а от ее поверхности. Следовательно, микрорадиоволновое излучение должно быть по своей природе тепловым, а поверхность Венеры — горячей. Интенсивность этого излучения, измеренная «Маринером-2», показывает, что температура поверхности Венеры примерно 400°С.
Сведения о солнечной системе можно также получать и с помощью отраженных микрорадиоволн. Впервые это было сделано в 1945 г., когда импульсы радиолокатора отразились от метеорного дождя. Такой способ позволил обнаруживать и изучать метеорные дожди даже днем, когда они невидимы для глаза. Для получения отраженных сигналов от более отдаленных объектов понадобилось только улучшить технику, чтобы посылать очень сильные импульсы и улавливать и усиливать очень слабые отраженные сигналы среди окружающего излучения того же характера (шумов).
В качестве экрана для отражения радиолокационного луча можно было бы использовать, например, Луну — впервые это было осуществлено в 1946 г. В 1958 г. был получен сигнал, отраженный от Венеры, в 1959 г. — от Солнца, а позже и от других членов солнечной системы— Меркурия, Марса и, возможно, даже Юпитера.
Промежуток между посылкой импульса и возвращением отраженного сигнала дает возможность определять расстояния до планет, и отраженный от Венеры луч позволил с невиданной ранее точностью определить масштабы солнечной системы Это был значительный шаг вперед по сравнению с определениями параллакса астероида Эрос в 30-х годах.

Рис. Отражение микрорадиоволн

Более того, отраженные микрорадиоволны могут служить источником сведений о характере отражающей поверхности. Если бы отражающее тело было правильным гладким шаром, отраженный сигнал приходит бы к нам только от участка, обращенного прямо к Земле Однако если это неровная поверхность, то отраженный каким-либо склоном сигнал может прийти к нам из такого места, откуда он не вернулся бы, будь поверхность совершенно ровной. Но из-за кривизны поверхности Луны этот склон окажется чуть-чуть дальше от Земли и отраженный сигнал будет чуть-чуть смазанным и более длительным, чем первоначальный импульс. Кроме того, если исследуемый объект вращается, радиоэхо будет определенным образом искажаться из-за эффекта Допплера.
Естественно, многое из того, что сообщает нам радиолокатор о лунной поверхности, может быть проверено, поскольку мы видим солнечный свет, отражающийся от той же поверхности. Но совсем иное дело Венера, чья поверхность невидима для нас, но достижима для микрорадиоволн, свободно проходящих сквозь облака. И в 1965 г. отраженные микрорадиоволны как будто показали, что на поверхности Венеры имеются по крайней мере два огромных горных хребта, один из которых тянется с севера на юг, а другой — с востока на запад.
Еще более интересным был вопрос о вращении Венеры. Поскольку на этой планете нельзя различить ничего, кроме однообразного облачного покрова, было невозможно точно определить ее период вращения. Еще в 1962 г. о вращении далекого Плутона было известно куда больше, чем о вращении этой ближайшей к нам планеты. Высказывалось много догадок и на основе недостаточных данных делалось много оценок наиболее распространенным было предположение, что период вращения Венеры равен периоду ее обращения вокруг Солнца, т.е. 225 дням.
В этом случае планета была бы постоянно обращена к Солнцу только одной стороной (как Луна обращена одной стороной к Земле) и следовало ожидать, что дневная сторона Венеры чрезвычайно горяча, а ночная— чрезвычайно холодна. Можно было бы заподозрить, что на ней постоянно дуют сильнейшие ветры, переносящие теплоту с одной стороны на другую. А может быть, период Венеры и не точно равен периоду ее обращения вокруг Солнца, так что у нее вовсе нет дневной и ночной стороны, а так же, как на Земле, каждая точка поверхности оказывается поочередно то на солнечной, то на теневой стороне.
Последнее предположение подтверждается характером отражения микрорадиоволн. К некоторому удивлению астрономов, в 1962 г. было обнаружено, что Венера делает один оборот вокруг своей оси за 247 суток, причем в обратном направлении, другими словами, если смотреть на нее со стороны северного полюса, она будет вращаться по часовой стрелке, а не против нее, как вращается Земля и почти все остальные планеты. Таким образом, Венера вертится с востока на запад, а не с запада на восток, как Земля. Такое соединение вращения Венеры с ее движением вокруг Солнца должно привести к тому, что наблюдатель в любой точке ее поверхности видел бы (если бы не было облаков), как Солнце встает на западе и заходит на востоке примерно два раза в венерианский год.
Сейчас астрономы могут только задавать себе вопросы, почему Венера вращается в обратном направлении и почему она так горяча. Но лучше вопросы без ответов, чем полное отсутствие вопросов.

Отправить ответ

Оставьте первый комментарий!

Сообщать
avatar