Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным телом, попадают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его поверхности, собирается в фокусе рефлектора. Здесь получается изображение небесного тела, которое рассматривается через сильную лупу — окуляр телескопа. Маленькое второе зеркало, отражающее лучи в сторону окуляра, имеет чисто конструктивное, а не принципиальное значение.
Роль главного зеркала здесь достаточно ясна. Оно создает изображение небесного тела, и это изображение будет наилучшим в том случае, когда небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. Телескоп в таком случае направлен прямо на наблюдаемый объект.
Приемником излучения в телескопе-рефлекторе служит человеческий глаз или фотопластинка. Чтобы увеличить угол зрения и подробно рассмотреть изображение светила, приходиться пользоваться промежуточным устройством — окуляром.
Итак, в телескопе-рефлекторе есть собиратель излучения — параболическое зеркало и приемник излучения — глаз наблюдателя или фотопластинка.
По такой же схеме устроен, в сущности, и простейший радиотелескоп (рис.2). В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало, иногда сплошное, а иногда решетчатое.
рис.2 Схема устройства радиотелескопа.
Форма зеркала радиотелескопа, как и в рефлекторе, параболическая. Конечно и здесь сходство не случайное — только параболическая (или, точнее, параболоидная) поверхность способна собрать в фокусе падающее на нее электромагнитное излучение.
Если бы глаз мог воспринимать радиоволны, устройство радиотелескопа могло бы быть неотличимым от устройства телескопа-рефлектора. На самом деле приемником радиоволн в радиотелескопах служит не человеческий глаз или фотопластинка, а высокочувствительный радиоприемник.
Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой дипольной антенне, облучая ее. Вот почему эта антенна в радиотелескопах получила название облучателя.
Радиоволны, как и всякое излучение, несут в себе некоторую энергию. Поэтому, падая на облучатель, они возбуждают в этом металлическом проводнике упорядоченное перемещение электронов, иначе говоря, электрический ток. Радиоволны с невообразимой скоростью «набегают» на облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстро переменные токи.
Теперь эти токи надо передать на приемное устройство и исследовать. От облучателя к радиоприемнику электрические токи передаются по волноводам — специальным проводникам имеющим, форму полых трубок. Форма сечений волноводов и их размеры могут быть различными.
Космические радиоволны или, точнее, возбужденные ими электрические токи поступили в радиоприемник. Можно было бы, пожалуй, подключив к приемнику репродуктор, послушать «голоса звезд». Но так обычно не делают. Голоса небесных тел лишены всякой музыкальности — не чарующие «небесные мелодии», а режущее наш слух шипение и свист послышались бы из репродуктора.
Астрономы поступают иначе. К приемнику радиотелескопа они присоединяют специальный самопишущий прибор, который регистрирует поток радиоволн определенной длины.
Два типа установок есть не только у рефлекторов, но и у радиотелескопов. Одни из них могут двигаться только вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Другие снабжены параллактической установкой — таких, правда, пока меньшинство. Установки радиотелескопов имеют очень важное назначение: как можно точнее нацелить зеркало на объект и сохранить такую ориентировку во время наблюдений.
Есть между радиотелескопами и рефлекторами большие различия. Столь большие что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей излучений — зеркал. Самый большой из существующих в нашей стране телескопов-рефлекторов 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории. Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76 м. До последнего времени крупнейшим радиотелескопом был телескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало этого телескопа имеет диаметр 300 м и вмонтировано в кратер одного бездействующих вулканов. Этот инструмент может работать и как радиолокатор, причем радиосигналы от него могут быть уловлены (на уровне земной радиотехники) в пределах всей нашей Галактики.
В той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР находится 600-метровый радиотелескоп. В отличии от радиотелескопа в Пуэрто-Рико, главная часть нашего радиотелескопа представляет собой не сплошное металлическое вогнутое зеркало, а кольцо диаметром 600 м, состоящее из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый из которых имеет размеры 2*7,5 м. Этот крупнейший в мире радиотелескоп рассчитан на прием радиоволн с длиной волны от 8 мм до 30 см. По ряду параметров (в частности, по разрешающей способности) этот инструмент не имеет себе равных в мире. В недалеком времени будут построены еще большие радиотелескопы, тогда как рефлекторы с поперечником зеркала 10 м вряд ли удастся создать в ближайшие двадцать-тридцать лет. В чем же причина столь существенного различия?
Секрет прост. Изготовить зеркало телескопа-рефлектора в техническом отношении несравненно труднее, чем гораздо большее по размерам зеркало радиотелескопа.
Для того чтобы параболическое зеркало давало в своем фокусе достаточно редкое, четкое изображение небесного объекта (неважно, в видимых или невидимых лучах), поверхность зеркала не должна уклоняться от идеальной геометрической поверхности более чем на 1/10 длины волны собираемого излучения. Такой «допуск» верен как для видимых лучей света, так и для радиоволн. Но для радиоволн 1/10 длины волны измеряется миллиметрами, а то и сантиметрами, тогда как для лучей видимого света этот допуск ничтожно мал — сотые доли микрона! Как видите, важны не абсолютные значения шероховатости зеркал, а их отношение к длине волны собираемого излучения.
О том, как трудно создать крупный рефлектор, мы уже говорили. Радиотелескоп с поперечником в десятки метров построить легче. Ведь если даже этот телескоп будет принимать радиоволны с длиной волны 1,25 см, то шероховатости не должны по размерам превышать 1 мм — допуск вполне технически осуществимый.
В некоторых радиотелескопах, рассчитанных на прием радиоволн с длиной, измеряемой многими метрами, зеркала делаются не сплошные, а сетчатыми. Этим значительно уменьшается вес инструмента, ив то же время, если размеры ячеек малы в сравнении с длиной радиоволн, решетчатое зеркало действует как сплошное. Иначе говоря, для радиоволн отверстия в зеркале радиотелескопа, в сущности, являются неощутимыми «неровностями».
Подчеркнем одну замечательную особенность описываемых радиотелескопов — они могут работать на различных длинах волн. Ведь очевидно, что свойство параболических зеркал концентрировать излучение в фокусе не зависит от длины волны этого излучения. Поэтому, меняя облучатель, то есть приемную антенну, можно «настраивать» радиотелескоп на желаемую длину волн. При этом, конечно, требуется изменить частоту радиоприемника.
Чем больше размеры зеркала, тем больше излучения оно собирает. Количество собираемого излучения, очевидно, пропорционально площади зеркала. Значит, чем больше зеркало, тем чувствительнее телескоп, тем более слабые источники излучения удается наблюдать — ведется ли прием на радиоволнах или в лучах видимого света.
Замечательно, что радиотелескопы можно устанавливать в любом пункте страны. Ведь они совсем не зависят от капризов погоды или прозрачности атмосферы. С помощью радиотелескопов можно исследовать Вселенную хоть в проливной дождь!
Борьба с помехами.
Нелегко создать сплошное металлическое зеркало с поперечником в несколько десятков метров, да еще установить так, чтобы, перемещая зеркало с удивительной плавностью, его можно было нацелить на любой участок неба. Каждое такое творение рук человеческих есть истинное чудо современной техники.
Иногда зеркало радиотелескопа, как уже говорилось, делают очень большим, но неподвижным. При высокой чувствительности подобный телескоп ограничен в своих возможностях — он всегда направлен на одну и ту же точку неба.
Впрочем, и неподвижный телескоп все-таки движется, ведь он находиться на поверхности Земли, а земной шар непрерывно и равномерно вращается вокруг своей воображаемой оси. Поэтому в поле зрения неподвижного радиотелескопа постоянно появляются все новые и новые небесные тела, причем наблюдению доступен довольно широкий круговой пояс неба. Разумеется, через сутки, когда Земля совершит полный оборот, картины в поле зрения радиотелескопа снова начнут повторяться.
Радиоприемники присоединенные к антенне радиотелескопа, очень чувствительны. Если, например, к ним просто подключить какой-нибудь проводник, то приемник станет реагировать на беспорядочные тепловые движения в этом проводнике. Яснее говоря, тепловое движение электронов вызывает на концах проводника беспорядочно меняющиеся напряжения, пропорциональные температуре проводника. В приемнике эти процессы приобретут характер «шумов».
Хотя мощность таких помех от антенного устройства ничтожно мала, они все же, как это не обидно, подчас в десятки, а иногда и в сотни раз превосходят мощность космического радиоизлучения. Мешают также и шумы, возникающие в самом приемнике при работе транзисторов.
Шумы, порожденные аппаратурой, как бы маскируются под космическое излучение. Они похожи друг на друга и усиливаются в приемнике одновременно. Этим обстоятельством ограничивается чувствительность современных радиотелескопов. Однако с помощью большого усложнения аппаратуры удается зарегистрировать сигналы в сто раз более слабые, чем шумы аппаратуры.
При изучении слабых источников космических радиоволн применяют довольно сложные и хитроумные методы и устройства. позволяющие уловить неуловимое. И здесь победа остается в конце концов за человеком. Рост техники радиоастрономии происходит очень бурно, и с каждым годом радиотелескопы становятся все более и более чувствительными.
Впрочем, уже сейчас чувствительность радиотелескопов вызывает удивление. Если сравнить энергию излучения, воспринимаемую самыми лучшими из современных радиотелескопов, с энергией видимого света, посылаемого звездами, то окажется, что радиотелескопы в тысячи раз чувствительны гигантских телескопов-рефлекторов. Среди всевозможных приемников электромагнитных волн радиотелескопы не имеют себе равных.