Лев Мухин - Мир астрономии

Известные советские физики Н. Мандельштам и Н. Папалекси предлагали использовать радиолокацию для исследования небесных тел еще в 1928 году. Их идея была реализована после войны в 1946 году, когда с помощью радиолокационного метода было измерено расстояние до Луны на волнах 2,7 и 2,5 сантиметра. Годом раньше было обнаружено собственное радиоизлучение Луны, а через 10 лет ученые выяснили, что и другие планеты излучают в радиодиапазоне.

Речь сейчас шла главным образом о непрерывном радиоизлучении, которое принимается радиоастрономами в форме увеличения уровня шума. Но в космосе есть не только шум. Некоторые космические объекты излучают отдельные радиоволны. Мы видим, что ситуация становится похожей на оптическую спектроскопию, о которой недавно говорилось. И действительно, в последнее время достижения радиоспектроскопии очень значительны. Например, с помощью этого метода удалось открыть в межзвездных облаках большое количество органических молекул. К сегодняшнему дню число наименований органических соединений в космосе превысило пятьдесят.

Но началась радиоспектроскопия с открытия радиолинии межзвездного водорода с длиной волны 21 сантиметр. Эта знаменитая длина волны в течение многих лет рассматривалась как возможный канал связи между внеземными цивилизациями. Существование этой линии предсказал еще в 1944 году молодой голландский студент Ван де Хюлст, но оценки всех реальных возможностей наблюдений этой линии были проделаны крупным советским астрофизиком И. Шкловским.

Значение этой радиолинии, разумеется, не ограничивается вопросом контакта с другими мирами. Исследование глубин Вселенной на волне 21 сантиметр дает возможность «буквально пересчитать все водородные атомы межзвездной среды» (И. Шкловский), измерить такой принципиальный параметр межзвездных облаков, как их температуру, изучить динамические процессы в облаках, и, наконец, на этой волне можно зондировать, «видеть» нашу Галактику гораздо лучше, чем в видимом диапазоне, так как излучение с этой длиной волны не поглощается, в отличие от электромагнитных колебаний видимого диапазона, межзвездной средой. Поэтому на волне 21 сантиметр можно исследовать районы Галактики, находящиеся от нас на противоположной от центра Галактики стороне, на расстоянии многих тысяч парсек.

В Советском Союзе значительный вклад в радиоастрономические исследования был сделан В. Троицким, И. Шкловским, Н. Кардашевым, В. Гинзбургом и др. Так, например, академик В. Гинзбург и его ученики создали теорию «синхротронного» излучения. Теория эта — крупнейшее достижение советской науки.

Физические процессы, ответственные за радиосигналы от различных космических объектов, можно грубо разбить на две группы — тепловое и нетепловое радиоизлучение. Начнем с теплового. В любом нагретом теле мы имеем дело с тепловым движением атомов молекул и электронов. Разумеется, движение свободных электронов происходит в металлах или в плазме. Но нам сейчас особенно важен сам факт движения.

При столкновении часть кинетической энергии атомов или электронов переходит в электромагнитные волны и излучается в пространство. Именно такое излучение и называется тепловым. Совершенно ясно, что оно практически ничем (за исключением длины волны) не отличается от обычного излучения нагретого тела в видимой области спектра. Таким образом, любое нагретое тело излучает в радиодиапазоне, хотя и с существенно меньшими интенсивностями, чем в видимом и инфракрасном.

Но существуют и нетепловые формы радиоизлучения, и синхротронное излучение является как раз одной из форм нетеплового излучения. Синхротронным излучение названо потому, что оно впервые наблюдалось в мощных ускорителях — синхротронах. Это излучение возникает при взаимодействии релятивистских электронов с магнитными полями. (Релятивистской называется частица, скорость которой сравнима со скоростью света. Электроны с энергией больше 1 МЭВ считаются релятивистскими.)

Если в пространстве есть магнитное поле, то релятивистский электрон, так же, как и «нормальный», в соответствии с известными законами физики будет закручиваться по спирали вокруг магнитной силовой линии. Однако если электрон, движущийся в магнитном поле с небольшой скоростью, будет излучать при торможении в магнитном поле более или менее одинаково во всех направлениях, то в релятивистском случае излучение будет направлено в сторону движения электрона. А раз электрон движется по спирали, наблюдатель будет «видеть» вспышки радиоизлучения на различных частотах.

Синхротронное излучение электронов.

Поскольку энергия электронов велика (больше 1 МЭВ), а мы знаем, что подобная энергия соответствует температуре 10 10 K, такое излучение — типичный пример нетеплового излучения. За возникновение электромагнитных колебаний в этом случае несут ответственность совершенно другие физические процессы, нежели хаотическое движение частиц в нагретом теле. Чтобы у читателя не возникло недоуменных вопросов, заметим, что излучение в виде «вспышек» можно было бы наблюдать только от отдельного электрона. Реальные же сигналы обусловлены взаимодействием многих электронов с магнитными полями космоса.

Важно, что синхротронное излучение как раз и является типичным нетепловым процессом и по целому ряду физических характеристик его можно отличить от теплового. Один из главных критериев здесь состоит в следующем: если радиоизлучение какого-либо источника имеет тепловой характер, то его интенсивность должна заметно расти с уменьшением длины волны.

Кстати говоря, и Янский, и Рёбер сначала считали, что имеют дело с тепловым радиоизлучением. Поэтому Рёбер и перешел на более короткие волны, чем Янский, в надежде получить более мощный сигнал. Рёбер думал, что на волне 9 сантиметров сигнал будет в 10 4раз больше, чем у Янского. Ничего подобного ему увидеть не удалось. Более того, на этой волне он вообще не смог обнаружить космический радиошум. Поэтому-то сейчас нетрудно отличить тепловое излучение от нетеплового: нужно, в частности, провести измерение от какого-либо источника на нескольких длинах волн. Кроме того, нужно принимать во внимание, что даже при современных параметрах радиоаппаратуры тепловое радиоизлучение от ближайших звезд дает очень слабый сигнал, находящийся на пределе возможности его обнаружения.

Современные радиотелескопы — поистине циклопические сооружения. Советский радиотелескоп РАТАН-600 имеет диаметр главного зеркала 588 метров. У радиотелескопа в ФРГ параболическая антенна диаметром в 100 метров, а вес всего антенного комплекса составляет 3200 тонн. В фокусе параболической антенны собирается поток электромагнитного радиоизлучения, а специальное устройство, размещенное в фокусе телескопа, направляет его излучение в усилительные тракты приемника. Гигантский телескоп с антенной в форме полусферы диаметром 300 метров находится в кратере потухшего вулкана на острове Пуэрто-Рико.