Астрономические средства наблюдения Метагалактики

Разумеется, развитие парка крупных телескопов в мире предоставляет возможность российским наблюдателям для работы в так называемом гостевом режиме. Выбор такого пассивного пути неизменно означал бы, что российская астрономия будет всегда играть только второстепенные (зависимые) роли, а отсутствие базы для отечественных технологических разработок приведет к углублению отставания, и не только в астрономии. Выход очевиден - коренная модернизация БТА, а также полноценное участие в международных проектах.

1.3  Радиотелескопы

Многие объекты Вселенной, включая Солнце, планеты, туманности, галактики, а в основном такие необычные объекты, как, например, пульсары и квазары, излучают радиоволны, которые можно принимать с помощью современной техники. Измерением и анализом радиоизлучения космических источников занимается специальный раздел астрономии - радиоастрономия.

Радиоволны, как и видимый свет, представляют собой электромагнитные колебания, но длинна волны у них неизмеримо больше, чем у световых волн. Радиоастрономы обычно работают в диапазоне длин волн от нескольких миллиметров до 15-20 м. Более длинноволновое и более коротковолновое излучение не пропускает земная атмосфера, и для его приема необходимо выносить аппаратуру в космос. От изобретения радио до открытия космического радиоизлучения прошло несколько десятилетий. Причина в том, что радиоизлучение космических объектов исключительно слабое, поэтому для его исследования необходимы очень чувствительные приборы и огромные приемные антенны - радиотелескопы.

Таблица №2

Большие радиотелескопы.

Радиотелескопы обычно представляют собой конструкции очень больших размеров. Наиболее распространенный тип радиотелескопа - это сооружение, основным элементом которого служит сплошное металлическое зеркало параболической формы. Зеркало отражает падающие на него радиоволны так, что они собираются вблизи фокуса и улавливаются специальным устройством - облучателем. Затем сигнал усиливается и преобразуется в форму, удобную для регистрации и анализа. Хранение и обработка данных осуществляются с помощью компьютерной техники. Чувствительность радиотелескопа тем выше, чем больше отражающая поверхность.

Обычный радиоприемник имеет приспособление для настройки на волну нужной радиостанции. Оно представляет собой перестраиваемый фильтр, который усиливает радиоизлучение только на волне выбранной станции и не пропускает (подавляет) сигналы станций, работающих на близких волнах. В отличие от земных радиостанций космические радиоисточники, как правило, излучают в широком диапазоне радиоволн. Поэтому и радиоастрономический приемник должен иметь чувствительность по возможности в более широком диапазоне. Такой приемник называется радиометром.

Расширению полосы приема препятствует в основном помехи от наземных радиостанций. Поэтому для радиоастрономии международными соглашениями выделены специальные интервалы длин волн, которые запрещается использовать любым наземным радиосредствам.

Рис. 2

Аресибо - крупнейший в мире 300-метровый радиотелескоп с параболической антенной. Сооружен в 1963 г. в Аресибо, на острове Пуэрто-Рико. Он сконструирован, построен и эксплуатируется Национальным центром астрономических и ионосферных исследований США. Телескоп расположен в огромном естественном котловане в горах. На высоте 150 м над поверхностью гигантского неподвижного зеркала укреплена на стальных тросах 600-тонная платформа, на которую можно подняться по полукилометровому подвесному мосту или по канатной дороге. Подвижная часть платформы поворачивается вокруг собственной оси. По рельсам вдоль платформы перемещается управляемая компьютером кабина с облучателями и приемниками - так радиотелескоп наводится на исследуемый источник. Из-за неподвижности антенны наблюдения любого источника не могут продолжаться более двух часов. Но этот недостаток компенсируется огромной площадью зеркала, обеспечивающей высокую чувствительность.

Радиотелескоп в Аресибо отличается от многих других также тем, что он может служить и передающей антенной. В таком режиме выполнены уникальные эксперименты по радиолокации Солнца, Луны и планет Солнечной системы.

Эффельсберг – 100-метровый полноповоротный радиотелескоп, построен в 1972 г. в Германии. Он сооружен в ущелье невысоких гор в 50 км от Бонна, вблизи небольшого городка Эффельсберг. Радиотелескоп имеет достаточно высокую точность поверхности, что позволяет использовать его даже на волне 4 мм. Угловое разрешение телескопа на такой короткой волне составляет около 10". Этот радиотелескоп до сих пор считается крупнейшим в мире полноповоротным радиотелескопом. Радиотелескопов с диаметром зеркала больше 50 м - единицы. Вторым в Европе по размеру после Эффельсбергского является 76-метровый радиотелескоп на обсерватории Джодрелл-Бэнк. Он эффективно используется только в дециметровом диапазоне волн, так как точность поверхности зеркала не очень высокая.

РАТАН-600 - крупный отечественный радиотелескоп, сооруженный в 1974 г. в нашей стране на Северном Кавказе, вблизи станицы Зеленчукской,- один из крупнейших в мире телескопов. Это очень сложное уникальное техническое устройство. Состоит оно из 25 тыс. деталей. Труба телескопа длиной 24 м весит около 280 т. Телескоп оснащен разнообразной высокочувствительной аппаратурой и комплексом электронных вычислительных систем для наблюдений в соответствии с заданной программой и обработки полученных результатов. Зеркало этого телескопа не покрывает всю площадь круга, а представляет собой кольцо диаметром 600 м, собранное из 895 алюминиевых щитов высотой 7м. Угловое разрешение такой системы определяется диаметром кольца и составляет на волне 3 см около 10". В реальных наблюдениях все кольцо сразу используется редко. Телескоп разбит на секторы: северный, южный, восточный и западный. Щиты каждого сектора ориентируются на выбранный источник, а в фокусе каждого сектора установлен облучатель, который может перемещаться, обеспечивая наблюдения данного источника в течение нескольких минут.

До сих пор были рассмотрены радиотелескопы, на которых вся энергия радиоволн фокусируется с помощью зеркала или системы зеркал на общий облучатель и усиливается затем одним приемником. Есть другой тип радиотелескопа: излучение принимается независимыми антеннами, усиливается на каждой антенне и передается по кабелям или волноводам для общего суммирования сигнала. Длину кабелей подбирают так, чтобы сигналы ото всех антенн поступали на суммирующее устройство в одной фазе. Тем самым осуществляется электрическая фокусировка всей антенной системы. Подобные радиотелескопы называются синфазными антеннами. На радиоастрономической станции ФИАН в городе Пушкино Московской области работает Большая синфазная антенна (БСА), представляющая собой поле взаимосвязанных дипольных антенн длиной 300 м и шириной 400 м. Эффективная собирающая площадь БСА почти такая же, как у радиотелескопа в Аресибо. БСА работает на волне 3 м. На этом радиотелескопе исследуются, прежде всего, пульсары и ядра галактик.

Будущее радиотелескопов.

Можно сказать, что времена «гигантомании» в радиотелескопостроении заканчиваются. Если раньше радиоастрономы связывали основные надежды на улучшение углового разрешения с постройкой все более крупных одиночных антенн, то к настоящему времени предел в этом достигнут. Вероятно, последняя из стоящихся больших антенн – 50-метровый телескоп миллиметровых волн, который будет стоять в Мексике, на вершине Сьерра Негра высотой 4600 метров.
    Ясен дальнейший путь развития экспериментальной радиоастрономии – создание все более совершенных систем апертурного синтеза. Апертурный синтез – это метод получения высокого углового разрешения при использовании сравнительно небольших антенн, образующих совокупность радиоинтерферометров, сигналы, с выходов которых подвергаются соответствующей обработке. В более широком смысле апертурный синтез - метод восстановления по отдельным измерениям пространственного распределения полей, излучаемых или рассеиваемых каким-либо источником или объектом.

Таблица №3

2.      КОСМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАБЛЮДЕНИЯ

Огромный объём информации о космосе целиком остаётся за пределами земной атмосферы. Большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности Земли. Для того чтобы изучать Вселенную в этих лучах, необходимо вынести наблюдательные приборы в космос. Ещё недавно внеатмосферная астрономия была уделом мечтателей. Теперь она превратилась в быстро развивающуюся отрасль науки. Результаты, полученные на космических телескопах, без малейшего преувеличения перевернули многие наши представления о Вселенной. Первые космические обсерватории существовали на орбите недолго, и программы наблюдений на них ограничивались несколькими пунктами. Современный космический телескоп - уникальный комплекс приборов, разрабатываемый и эксплуатируемый несколькими странами в течение многих лет.

2.1  Инфракрасные обсерватории.

Для проведения инфракрасных наблюдений в космос приходится отправлять довольно большой груз: сам телескоп, устройства для обработки и передачи информации и, наконец, охладитель, который должен уберечь ИК-приёмник от фонового излучения - инфракрасных квантов, испускаемых самим телескопом. Поэтому за всю историю космических полётов в космосе работало очень мало инфракрасных телескопов. Первая инфракрасная обсерватория была запущена в январе 1983 г. в рамках совместного американо-европейского проекта IRAS.

В состав комплекса IRAS входил телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 57 см. Детекторы регистрировали ИК-излучение с длинами волн 12, 25, 60 и 100 мкм. Чтобы уменьшить влияние фонового излучения, инструмент охлаждался жидким гелием, имевшим температуру всего 2,4 К. Спутник проработал на орбите 10 месяцев и отключился после исчерпания запасов охладителя. Из-за особенностей орбиты IRAS передавал данные наблюдений на Землю дважды в день; во время этих же сеансов связи он получал новые задания и снова на полдня отключался.

Главной задачей телескопа IRAS были поиски источников длинноволнового ИК-излучения, составление карт неба в инфракрасном диапазоне. На это отводилось 60% времени наблюдений. За время полёта полный обзор всего неба был проведён шесть раз - для обнаружения переменных источников. IRAS осуществил наблюдения около 250 тыс. источников инфракрасного излучения.

Рис. 3