Слушая вселенную: будущее радиоастрономии

      Комментарии к записи Слушая вселенную: будущее радиоастрономии отключены

Слушая вселенную: будущее радиоастрономии

    С момента появления телескопа в 1609 году более трехсот лет исследователи небес пользовались устройствами, действующими только в видимой части электромагнитного спектра, обрамленной узкими участками ультрафио-летового и инфракрасного излучения Лишь в 1930-х годах показались инструменты, талантливые регистрировать космические сигналы в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах. Так появилась новая ветвь космической науки — радиоастрономия Громадное ухо 17 радиотелескопов, расположенных в мире, способны трудиться в реальном времени как единый радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (e-VLBI, electronic Very Long Baseline Interferometry)

Как и их оптические предшественники, радиотелескопы показались на свет в следствии совмещения изобретательности, любопытства и просто везения. Но отличие все же имелась. В конце XIX века пара известных ученых бесполезно пробовали поймать космические радиосигналы.

Но первая успех большое количество позднее выпала на долю рядового инженера, что сперва вовсе и не думал о небесных явлениях.

В важный сутки 1886 года 29-летний доктор наук экспериментальной физики Технического университета Карлсруэ Генрих Рудольф Герц в присутствии жены готовил в затемненной аудитории демонстрацию опыта по прохождению импульсного тока через открытый колебательный контур. Завершив сборку, он включил индукционный генератор, дабы налюбоваться прекрасным искровым разрядом. Произошло так, что рядом лежало бронзовое незамкнутое кольцо с острием на одном финише и шариком на втором.

Или сам Герц, или его юная супруга увидели, что искра в один момент проскочила как в контуре, так и в данной щели.

Позднее историки науки узнали, что до Герца это явление замечали по крайней мере пятеро физиков. Но только он так заинтересовался таинственным эффектом, что приступил к его изучению. В следствии Герц заключил , что экспериментально взял электромагнитные волны, предсказанные в начале 1860-х создателем хорошей электродинамики Джеймсом Максвеллом.

Сенсационное открытие «волн Герца» (как их тогда именовали) привело к интересу к обнаружению их космических источников. "Наверное," первым такая мысль осенила Томаса Эдисона. В первой половине 90-ых годов XIX века его помощник Артур Кеннелли написал директору Ликской обсерватории, что его шеф желает зарегистрировать длинноволновое излучение Солнца посредством нескольких проводов, обрамляющих кусок металлической руды. "Наверное," данный экзотический детектор так и не собрали (да он бы и не сработал).

Потом Кеннелли стал выдающимся электротехником, доктором наук Гарварда и Массачусетского технологического. В 1902 году он и британец Оливер Хевисайд в один момент выдвинули догадку, что высоко в воздухе имеется ионизированный слой (что позднее, в 1920-х, был обнаружен и назван в их честь слоем Хевисайда-Кеннелли). Но основателем радиоастрономии Кеннелли так и не стал.

В 1897—1900 годах поисками солнечного радиоизлучения занимался в Ливерпуле узнаваемый британский физик Оливер Лодж. Детектор Лоджа в принципе имел возможность принимать проходящее через ионосферу сантиметровое излучение. Но чувствительность прибора была низка, и к тому же он был не хватает защищен от электрических помех.

Ничего не удалось и германским астрофизикам Иоганну Вилсингу и Юлиусу Шейнеру, каковые также охотились за солнечными радиоволнами. Наконец, ими интересовался Гульельмо Маркони — и также напрасно.

В XX столетии поиск космических радиосигналов прекратилася. Быть может, это произошло вследствие того что в конце 1900 года Макс Планк опубликовал известную формулу, обрисовывающую спектр полностью тёмного тела. В соответствии с формулой Планка радиоизлучение нагретой приблизительно до 6000 К поверхности Солнца кроме того в сантиметровом диапазоне (не говоря о волнах большей длины) столь слабо, что его нельзя обнаружить посредством существовавших устройств.

Действительно, данный вывод относится только к тепловому радиоизлучению, но другие механизмы генерации космических радиоволн в те времена просто не рассматривались. В общем, по той либо другой причине радиоастрономия тогда так и не состоялась.

Во второй половине 20-ых годов XX века компания «Белл» запустила первый в мире трансатлантический радиотелефон. Сообщение была несовершенной из-за множества помех, и 23-летнему физику Карлу Янскому поручили узнать их обстоятельство. Дабы решить эту задачу, он смонтировал в Холмделе в штате Нью-Джерси десять вертикальных прямоугольных рамочных антенн, соединил их в единую цепь и установил на вращающуюся 30-метровую раму.

Эта совокупность была настроена на прием сигналов на частоте 20,5 МГц (14,6 м).

В первой половине 30-ых годов двадцатого века Янский отыскал два очевидных и предсказуемых источника помех — дальние грозы и близкие. Но в его наушниках всегда слышалось не сильный шипение, обстоятельство которого не поддавалась объяснению. К 1932 году Янский понял, что таинственные помехи изменяются с периодичностью звездных дней (23 часа 56 мин.) и, следовательно, появляются за пределами Нашей системы.

В будущем стало известно, что излучение приходит из Млечного Пути — иными словами, из плоскости отечественной Галактики.

Ученому повезло: именно тогда плотность солнечных пятен держалась на минимуме и по ночам ионосфера прекрасно пропускала 15-метровые волны. Во время активного Солнца «карусель Янского» была бы ненужной.

Открытие межзвездных волн, как их именовал Янский, привело к немалому шуму — в мае 1933 года о нем сказала кроме того «Нью-Йорк Таймс». Ученый пробовал убедить управление «Белл» выстроить 30-метровую тарелочную антенну и без шуток заняться космическими радиосигналами. Но менеджеры щедрости не показали и перебросили Янского на другой проект. У астрономических обсерваторий также не было желания и лишних денег тратиться на радиоаппаратуру.

Изложив собственные результаты в четырех статьях (двух — в инженерном издании, одной — в Popular Astronomy и одной — в Nature), Янский распрощался с радиоастрономией.

Однако дело Янского не пропало. На его работы обратили внимание физик из Мичиганского университета Джон Краус и юный радиоинженер Гроут Ребер. Первый уже в первой половине 30-ых годов XX века соорудил маленькой радиотелескоп с отражающей антенной, но не смог ничего поймать из-за низкой чувствительности приемника. По окончании Второй мировой войны он основал радиоастрономическую обсерваторию при Университете Огайо и написал ставший хорошим учебник по новой науке.

А Ребер во второй половине 30-ых годов XX века выстроил на пустыре рядом с родительским домом первый в мире радиотелескоп с поворотной параболической антенной, приступил к регулярным наблюдениям и в первой половине 40-ых годов XX века опубликовал карту радионеба Северного полушария. В том же 1942 году британец Джеймс Хей поймал солнечные радиосигналы; в 1942—1943 годах радионаблюдения Солнца вели Ребер и Джеральд Саутворт, узнаваемый американский радиоинженер, изобретатель волновода. Тогда же разработчики германских радаров увидели отражение радиоволн от поверхности Луны, о чем стало известно только по окончании войны.

Бурное развитие радиоастрономии началось по окончании Второй мировой (этому очень сильно содействовало освоение разработок, появившихся на протяжении работы над радиолокаторами). Сперва в Англии, а позже и в других государствах начали строить телескопы с антеннами размером в десятки метров — вначале неподвижными, а после этого и поворотными. Скоро показались совокупности из нескольких связанных радиотелескопов — радиоинтерферометры.

Такие новшества в сочетании с новой аппаратурой для фильтрации и усиления радиосигналов существенно улучшили чувствительность радиотелескопов и их угловое разрешение. Радиоастрономия неспешно преобразовывалась в «громадную» науку, талантливую не только регистрировать космические источники радиоволн, но преобразить все изучения небесных явлений. В 1960-х годах она стала столь же важной научной дисциплиной, что и оптическая астрономия.

Вот только один пример, демонстрирующий ее прогресс. Самый большой оптический телескоп середины XX века, 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории, при оптимальных атмосферных условиях снабжал угловое разрешение порядка 0,5 угловой секунды (Сейчас благодаря адаптивной цифровой видеоаппаратуре и оптике его разрешение практически достигло теоретического предела в 0,02 с).

Трудящаяся на принципе оптического интерферометра телескопическая совокупность Южной Европейской обсерватории дает разрешение в 1 мс — в 500 раз лучше. Сейчас посмотрим, как выросли наблюдательные возможности радиоастрономии. Некогда наибольший в мире Транзитный телескоп английской обсерватории Джодрелл Бэнк (введен в воздействие во второй половине 40-ых годов двадцатого века, диаметр параболической антенны 66 м) разрешил добиться рекордного по тому времени разрешения в 1 градус.

Действующая с мая 1993 года американская сеть из десяти интегрированных радиотелескопов Very Long Baseline Array (восемь антенн на континентальной территории США, одна на Гавайях и одна на карибском острове Сен-Круа) дает разрешение впредь до 0,0002 угловой секунды. Другими словами разрешающая свойство радиотелескопов выросла в 18 млн раз! И это не учитывая прогресса компьютеризации и приборного оснащения радиотелескопов их работы, начало которой пришлось на 1960-е.

А в недалеком будущем покажутся совсем фантастические совокупности, соединяющие межконтинентальные сети наземных радиотелескопов с радиоаппаратурой на космических платформах. Согласно расчетам, предел разрешения таких наземно-космических радиоинтерферометров дойдет до десятимиллионных (либо кроме того стомиллионных!) долей секунды.

«Основная заслуга радиоастрономии — то, что она неизмеримо расширила возможности получения информации о космическом пространстве. Астрологи десятки столетий наблюдали на мир через узкое окно видимого света и его ближайшего окружения.

Появление радиотелескопов разрешило выйти за эти рамки и открыло путь к современной всеволновой астрономии, — поведал «Популярной механике» Фред Ло, директор американской Национальной радиоастрономической обсерватории. — Радиотелескопы зарегистрировали синхротронные излучения, появляющиеся при перемещении релятивистских электронов в замечательных магнитных полях, окружающих сверхмассивные черные дыры в галактических ядрах. Эти дыры закручивают и втягивают окружающий космический газ, выбрасывая наряду с этим в пространство два джета, две разнонаправленные струи заряженных частиц.

В случае если джет движется по направлению к Почва, мы замечаем источник, что именуется квазаром. В то время, когда джеты перпендикулярны направлению на Землю, мы именуем таковой источник радиогалактикой. В случае если джеты очень сильно взаимодействуют с ионизированным газом около черной дыры, галактика светит как в радиодиапазоне, так и в инфракрасной области, видимом свете, рентгене и ультрафиолете (такие галактики именуют сейфертовскими).

Как раз радиоастрономии мы прежде всего обязаны тем, что по большей части осознали природу активных галактических ядер, окружающих черные дыры. Ранее считалось, что космические процессы в основном питаются энергией термоядерного звёздных взрывов и звёздного синтеза. В последние десятилетия мы поняли огромную роль гравитационной энергии, источником которой помогают именно черные дыры.

Это весьма важный прорыв, настоящая научная революция».

«На второе место я бы поставил становление молекулярной картины Вселенной, — продолжает врач Ло. — Радиоастрономия открыла громадные тучи космического водорода, не говоря уже о более сложных молекулах. Оптическая астрономия замечательно отслеживает звезды, но может сообщить очень мало о межзвездной среде. Радиоастрономия разрешает кроме этого замечать гравитационные сгущения холодных газовых туч, на протяжении которых рождаются звезды и формируются галактики.

Само собой разумеется, были и другие превосходные успехи, скажем, открытие пульсаров и микроволнового реликтового излучения — также заслуга радиоастрономов».

Само собой разумеется, предвещать будущее достаточно сложно, но, согласно точки зрения Фреда Ло, прогресс радиоастрономии будет, как и раньше, определяться обновлением ее инструментария: «В Чили на севере пустыни Атакама на высоте 5 км строится ALMA — сеть из нескольких десятков интегрированных 12-метровых антенн. В этом интернациональном проекте задействована и отечественная Национальная радиоастрономическая обсерватория. Он начал осуществляться в 2003 году, а в 2012-м ALMA вступит в воздействие.

Эта обсерватория будет трудиться на миллиметровых и субмиллиметровых волнах с угловым разрешением в одну десятую угловой секунды. Она сможет существенно обогатить отечественные знания о динамике молекулярного газа в центре отечественной Галактики, о формировании прото-звезд и протопланетных дисков, об воздухах экзопланет и о многом-многом втором. Мы планируем кроме этого модернизировать принадлежащую отечественной обсерватории радиоинферометрическую совокупность VLA в штате Нью-Мексико.

Чувствительность ее аппаратуры возрастет в десять раз, а угловое разрешение на верхнем частотном пределе в 50 ГГц достигнет 0,004 угловой секунды. Это будет воистину фантастический инструмент, и мы ожидаем от него многого. В частности, информации о том, что происходило в чёрную эру Вселенной, в то время, когда материя в ее известных формах уже появилась и стабилизировалась, но первые звезды еще не появились. Имеется еще много увлекательных проектов будущих обсерваторий, всего не перечислишь.

Скажем, китайские ученые планируют в скором времени выстроить наибольший в мире радиотелескоп с неподвижной антенной диаметром в полкилометра».

Видео к статье: ссылка

Взор в небо

Окна прозрачности (см. врезку «Атмосферные окна») обусловлены сотрудничеством электромагнитного излучения разных длин волн с разными слоями воздуха. Рентгеновское и гамма-излучение доходит лишь до высот 30−40 км, а главная часть УФ-диапазона поглощается озоновым слоем на высоте около тридцати километров.

Первое узкое окно прозрачности пропускает видимый свет с примыкающими к нему УФ и ближним ИК, в котором у атмосферы имеется пара узких окон, обусловленных механизмами поглощения излучения молекулами воды и углекислого газа. Бoльшая часть ИК-диапазона поглощается содержащимися в нижних слоях воздуха паром, кислородом и углекислым газом. После этого на шкале длин волн от 1 см до тридцати метров направляться широкое радиопрозрачное окно.

Более долгие радиоволны отражаются ионосферой.

Атмосферные окна

Земная воздух пропускает из космоса отнюдь не каждые электромагнитные излучения. Она прозрачна для волн длиной от 300 до 1500 нм — это целый оптический диапазон с прилежащими участками ближнего и ультрафиолета инфракрасного диапазона (в горных районах с сухим климатом инфракрасное окно шире).

В атмосфере имеется еще одна территория прозрачности, вмещающая волны длиной от 1 см до тридцати метров. Волны большей длины или отражаются, или задерживаются ионосферой, тогда как миллиметровые и субмиллиметровые волны поглощаются воздухом (но в этом диапазоне имеется пара узких окон, к примеру около 8 мм, через каковые может посмотреть радиотелескоп). Все другие излучения вероятно зарегистрировать или в весьма сухих высокогорных территориях наподобие чилийской пустыни Атакама (в том месте прекрасно регистрируются волны с длинами впредь до 0,3 мм), или со стратостата, или из космоса.

Папа радиоастрономии

Гроут Ребер (1911−2002) появился и вырос в Уитоне, пригороде Чикаго. В первой половине 30-ых годов XX века он взял в Арморовском технологическом университете степень радиоинженера и тогда же заинтересовался открытием Карла Янского.

В свободное от работы время он на личные средства выстроил во второй половине 30-ых годов XX века во дворе собственного дома первый в мире радиотелескоп с поворотной параболической антенной диаметром 9,5 м. Трудясь по ночам (днем ему мешали искровые разряды автомобильных свечей зажигания), Ребер во второй половине 30-ых годов XX века принял первые космические радиосигналы в диапазоне 160 МГц из отечественной галактики — Млечного Пути, а в начале 1940-х опубликовал первую карту неба Северного полушария в радиодиапазоне. Позднее телескоп Ребера был передан Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин-Бэнк, Западная Виргиния, где находится и сейчас — уже в качестве исторического экспоната. С конца 1950-х и до конца жизни 20 декабря 2002 года Ребер жил и трудился в Тасмании, климат и географическое расположение которой благоприятны для длинноволновой радиоастрономии.

Космические источники радиоволн

В случае если астрологи говорят о радиоволнах, то имеют в виду электромагнитные излучения от субмиллиметрового до метрового (а также километрового) диапазонов. Они имеют пара источников:

1. Неполяризованное тепловое излучение, появляющееся за счет хаотического перемещения заряженных частиц, разрешает найти весьма холодные космические газовые тучи, по большей части складывающиеся из моноокиси углерода и нейтральных молекул водорода. Их размеры достигают тысяч световых лет, а масса — миллионов солнечных весов. При обычной температуре 10 К максимум их теплового излучения приходится на длину волны 0,5 мм.

Спектр теплового излучения не столь замороженных объектов (в частности, тёплых и потому ионизированных газовых туч, окружающих юные звезды) сдвинут в сторону более маленьких волн, исходя из этого его максимум уже не лежит в радиодиапазоне. Однако он имеет длинноволновый хвост, так что тепловые радиоволны излучаются кроме того звездами, среди них и отечественным Солнцем.

2. Поляризованное магнитотормозное излучение обусловлено спиральным перемещением свободных ионов, электронов и протонов в магнитных полях космического пространства. В случае если скорости частиц большое количество меньше световой, такое излучение именуют циклотронным, в случае если близки к световой — синхротронным. Циклотронное излучение направлено во все стороны, а синхротронное распространяется узким пучком на протяжении мгновенной скорости частицы.

Яркость теплового излучения снижается с возрастанием длины волны, тогда как яркость синхротронного возрастает.

3. Излучение плазменных волн, рожденных в воздухах звезд и планет (в большинстве случаев при участии магнитных полей). К примеру, Юпитер кроме теплового радиоизлучения выдает всплески поляризованных радиоволн, генерируемых перемещением заряженных частиц в верхних слоях воздуха. Их источником помогает и солнечная плазма.

4. Излучение, обусловленное сотрудничеством спиновых магнитных моментов ядра и электрона в атомах водорода. В соответствии с правилами квантовой механики эти моменты смогут быть параллельными либо антипараллельными, причем в первом случае энергия атома больше, нежели во втором.

При переходе электрона из первого состояния во второе рождается квант с частотой 1420,4 МГц, что соответствует длине волны 21,1 см (действительно, спектральные линии неизменно пара размыты из-за доплеровского уширения, позванного перемещением атомов). В первой половине 40-ых годов XX века существование для того чтобы излучения предсказал аспирант Утрехтского университета Хендрик ван де Хулст; спустя семь лет его зарегистрировали в Австралии, Голландии и США. Ученые замечают кроме этого излучения водородных и других нейтральных атомов, обусловленные иными электронными переходами.

5. Излучение, которое появляется при квантовых переходах между внутренними состояниями молекул космических газов и в большинстве случаев лежит в сантиметровой и миллиметровой территориях (на данный момент известно около 150 таких молекул, и из года в год их делается все больше). Ко мне же относится и открытое в 1965 году излучение космических мазеров. Оно появляется, в случае если молекулы в весьма плотных газовых тучах поглощают звездное излучение (по большей части инфракрасное) и переходят в состояния с повышенной энергией.

Резонансное излучение той же частоты, проходя через такую среду, индуцирует массовый переход молекул в нижнее энергетическое состояние — это и имеется космический мазер. К настоящему времени известны два вида межзвездных мазеров, водяные и гидроксильные, но подобный эффект зарегистрирован еще для нескольких молекул.

6. Реликтовое микроволновое излучение, пронизывающее целый Космос и несущее данные о Громадном взрыве. В отечественную эру его спектр соответствует излучению полностью тёмного тела с температурой 2,725 K, так что (в соответствии с формулой Планка) максимум спектральной интенсивности приходится на длину волны 1,9 мм.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№82, август 2009).

Queen — Princes Of The Universe (Official Video)


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: