Юлия Мизун - Мыслящая Вселенная

У нас в стране построен радиотелескоп РАТАН-600. Размеры его составляют 600 метров. Он имеет особую конструкцию. Его зеркало параболической формы состоит из 895 подвижных алюминиевых отражающих пластин размером 27,5 метра, из которых составлено кольцо диаметром 600 метров. Когда речь идет о приеме радиоволн с помощью радиотелескопа, то лучше телескоп характеризовать не шириной луча, а его разрешающей способностью. Она определяется тем расстоянием между двумя радиоисточниками, радиоволны от каждого из которых радиотелескоп способен зарегистрировать по отдельности. Это расстояние измеряют не в единицах длины, а в угловых единицах. Чем больше площадь зеркала, тем больше угловое разрешение радиотелескопа.

Радиотелескопы имеют более высокое угловое разрешение, чем оптические. Это связано с технологией их изготовления. Металлические зеркала радиотелескопов изготовлять проще, чем стеклянные. В том и другом случае надо добиться, чтобы поверхность зеркала была строго параболической. Но степень строгости для обоих телескопов различна. Зеркало надо отшлифовать так, чтобы глубина шероховатостей его поверхности была не больше одной десятой длины волны принимаемого излучения. Длина волны видимого света очень мала. Поэтому и глубина шероховатостей оптического зеркала должна быть также очень мала. Другими словами, зеркало оптического телескопа должно быть отполировано с допуском в сотые доли микрометра. Значительно проще обстоит дело в случае металлического зеркала радиотелескопа. Поскольку длина радиоволн во много раз больше длины волн оптического диапазона, то и допуск здесь может быть во много раз больше. Поверхность металлического зеркала радиотелескопа может быть «отполирована» с допуском в несколько миллиметров! Ясно, что такое зеркало изготовить проще, чем стеклянное. Например, шестиметровое зеркало самого большого оптического телескопа шлифовали в течение восьми лет. Работы велись в особых условиях. Помещение, где проводились работы, было окружено тремя рядами стен. Для изготовления металлического зеркала этого не надо делать. Более того, оно может быть изготовлено не сплошным, а в виде решета. Если дырка решета меньше величины допуска, то радиоволны ее не заметят. Зато какой выигрыш получается в массе антенны, которую надо вращать и двигать!

Радиотелескопы еще экономичны и тем, что на одно и то же зеркало можно принимать радиоволны различной длины. Радиоволны приходят из космоса с самыми различными длинами волн. Насколько все усложнилось бы, если бы для приема излучения на каждой длине волны пришлось создавать специальное зеркало! Для того чтобы переключить радиорефлектор с одной длины волны на другую, достаточно заменить маленькую антенну в центре, то есть облучатель. Само же зеркало собирает радиоволны в фокусе независимо от их длины.

Кроме пространственного разрешения, очень важной характеристикой радиотелескопов является их чувствительность. Чем выше чувствительность, тем более слабые радиосигналы способен принять радиотелескоп. Для повышения чувствительности надо, в частности, увеличивать площадь зеркала. Но для того чтобы принять слабый радиосигнал, мало иметь большое зеркало. Надо еще располагать высокочувствительным радиоприемником. Но повышать чувствительность приемников до бесконечности нельзя. Этого не позволяют физические процессы, которые протекают в проводах до входа в приемник. В них имеется непрерывное (тепловое) движение электронов, которое зависит от температуры проводника. В результате к приемнику подводится тепловой шум, который не позволяет принимать сигналы меньше определенного порогового значения. Поступившие в усилитель приемника тепловые сигналы усиливаются так же, как и полезные сигналы, созданные в проводнике принятыми из космоса радиоволнами.

Но это не все. Имеется еще очень важное обстоятельство, ограничивающее чувствительность радиоприемника. Это собственные его шумы. Причиной их являются процессы в различных радиодеталях. Проблема устранения этих шумов очень непростая. Решение ее очень важно не только для радиоастрономии, но и для многих других областей научных исследований, а также практических задач, где требуется принимать слабые радиосигналы на фоне превосходящего их шума. К настоящему времени уже сделано много для решения данной проблемы. Специалисты научились выделять очень слабые полезные радиосигналы из-под превышающих их шумов. Но для технического воплощения найденных решений требуется значительное усложнение радиоприемной аппаратуры.

Возможности радиотелескопов можно значительно расширить, если их использовать не поодиночке, а парами. Их можно включить так, что приходящие из космоса радиоволны будут суммироваться. Более конкретно это происходит следующим образом.

Две волны одинаковой длины можно так расположить друг относительно друга, что при сложении они полностью погасят друг друга, то есть дадут ноль. Для этого они должны быть в противо-фазе друг к другу. Если же они будут в фазе (то есть гребень одной волны точно совпадет с гребнем другой), то они сложатся и результирующая волна будет иметь интенсивность (амплитуду), равную сумме интенсивностей обеих волн. Если амплитуды изначальных волн были одинаковы, то произойдет удвоение амплитуды первоначальной волны. Источник излучения, который посылает волны, находящиеся в фазе друг с другом, называют когерентным. Мощность излучения равна квадрату интенсивности. Поэтому при когерентном сложении, когда интенсивность волны удваивается, мощность излучения увеличивается в четыре раза (она прямо пропорциональна квадрату интенсивности).

Идея использования радиотелескопов парами состоит в том, что при определенном расположении телескопов принятые каждым из них волны будут складываться когерентно. При этом амплитуда (интенсивность) увеличится вдвое, а мощность — в четыре раза. Для того чтобы сложение волн происходило когерентно, надо выбрать длину электрического кабеля от каждого из радиотелескопов до радиоприемника так, чтобы сигналы от каждого радиотелескопа попадали в приемник одновременно. Описанное сложение волн называется интерференцией. Поэтому включенная таким образом в единую систему пара радиотелескопов называется радиоинтерферометром.

Радиотелескопы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, которое называется базой. Радиоволны падают на их зеркала из космоса под определенным углом. Если это направление изменится, то при той же базе условие одновременного прихода сигналов в приемник нарушается. Понадобится отрегулировать длину кабеля (волновода). В результате вращения Земли находящиеся на ней радиотелескопы непрерывно меняют направление своих лучей относительно космических объектов, а значит, меняется и направление радиоволн, приходящих к телескопу от данного источника. Эти изменения не компенсируют непрерывным изменением длины волновода. Их просто учитывают при обработке данных измерений, поскольку они будут приводить к изменению интенсивности. Всякое отклонение угла падения oт оптимального (при котором происходит когерентное сложение радиоволн) приведет к уменьшению интенсивности суммарной волны.