Космические радиостанции

На протяжении нескольких столетий астрономы вынуждены были довольствоваться изучением окружающего мира лишь через сравнительно небольшое оптическое «окно прозрачности» в атмосфере. Второе «окно прозрачности», расположенное в радиодиапазоне, долгое время не удавалось использовать.

История радиоастрономии - науки о радиоголосах Вселенной — напоминает увлекательный приключенческий роман. Здесь были и неоправдавшиеся сенсации, и неожиданные открытия, и блестящие предвидения.

Первые сообщения о таинственных радиопередачах из космоса появились на страницах газет уже вскоре после того, как было изобретено радио. Какие только предположения не строились па этот счет.

Но, увы, загадочные «космические» сигналы оказались просто радиопомехами вполне земного происхождения. Дело в том, что приемники тех времен работали только в диапазоне длинных волн. И такие волны вообще не могут проходить сквозь верхние электропроводящие слои земной атмосферы», так называемую ионосферу.

Настоящая встреча с космическими радиоволнами произошла только в 1931 г. Было замечено, что коротковолновые радиоприемники улавливают какие-то странные сигналы непонятного происхождения. Вскоре удалось установить, что сигналы повторяются через равные промежутки времени, в течение которых Земля как раз успевает совершить очередной полный оборот вокруг своей оси. Это наводило па мысль о том, что таинственные радиостанции расположены где-то за пределами земной атмосферы, в космическом пространстве.

Но одно лишь открытие, даже самое удивительное, само по себе еще не делает пауки. Для этого нужны соответствующие технические средства. А в начале 30-х годов таких средств не было. Они появились только в следующем десятилетии. И тогда ученые еще раз встретились с радиоголосами космоса. Встретились совершенно неожиданно и при необычных обстоятельствах.

Это произошло в годы второй мировой войны. Гитлеровская авиация обрушила бомбовые удары на столицу Великобритании Лондон. Первое время фашистские самолеты чувствовали себя безнаказанными. Но вскоре англичане применили секретное оружие... Охрану побережья приняли на себя чуткие антенны радиолокаторов. Невидимыми лучами ощупывали они небо и, принимая отраженные от фашистских самолетов радиоволны, вовремя сообщали противовоздушной обороне об их приближении. Стервятники получали достойный отпор. Небо над Англией было для них закрыто.

И вдруг у фашистов нашелся таинственный союзник. Когда немецкие самолеты появлялись в утренние часы со стороны пролива, эфир заполнялся неизвестными радиосигналами. Они искажали показания локационных станций, путали операторов. На экранах локаторов изображения фашистских самолетов безнадежно терялись в океане помех. Самолеты прорывались к городу и успевали сбросить свой смертоносный груз.

Английское военное командование отдало приказ: во что бы то ни стало обнаружить таинственную радиостанцию помех и любой ценой уничтожить ее. Однако приказ удалось выполнить только наполовину. Неизвестная радиостанция была обнаружена. Но разбомбить ее оказалось выше сил человеческих, так как расположена она была не в Европе, а на расстоянии... 150 млн. км от Земли. Английским локационным станциям мешало своими радиопередачами... Солнце.

Так было обнаружено, что наше дневное светило представляет собой мощную космическую радиостанцию. Собственно говоря, само по себе открытие, о котором идет речь, не было чем-то абсолютно неожиданным. Уже; задолго до этого астрономы и физики предполагали, что многие космические тела должны излучать радиоволны. Еще выдающийся русский ученый Столетов говорил, что Солнце излучает не только свет, но и другие электромагнитные волны.

Окончилась война. Оружие защиты превратилось в оружие наступления. Но повели его не солдаты, а астрономы. Новый «вестник далеких миров» (радиоизлучение солнца) оказался необычайно эффективным. Он во многом обогнал своего предшественника - световые лучи.

И в этом нет ничего удивительного, так как радиоволны обладают целым рядом замечательных свойств. Главное из них состоит в том, что они могут свободно проникать сквозь пыль, облака, межзвездную среду - там, где видимый свет пройти не может. Благодаря этому космические радиоволны позволили ученым заглянуть в самые потаенные уголки Вселенной, недоступные обычным телескопам.

Космическое радиоизлучение - электромагнитные волны, приходящие на Землю от астрономических объектов. Источниками космического радиоизлучения являются Солнце, планеты и малые тела Солнечной системы, объекты нашей Галактики - облака межзвёздного газа, звёзды, а также внегалактические объекты - галактики, квазары. Особый вид космического радиоизлучения - реликтовое фоновое радиоизлучение, возникшее на ранней стадии эволюции Вселенной.

Радиоизлучение в непрерывном спектре от плоскости Галактики впервые наблюдал на волне 14,6 м американский радиоинженер К. Янский в 1931 при исследовании помех радиоприёму. Собственно астрономическое исследование космического радиоизлучения началось в конце 1940-х годов, когда были открыты первые дискретные источники космического радиоизлучения, галактические и внегалактические, которые вскоре были отождествлены с известными астрономическими объектами - туманностями и галактиками.

Солнце - один из ближайших к Земле и поэтому самый заметный источник космического радиоизлучения. Радиоизлучение метровых волн, поступающее от Солнца, исходит из солнечной короны, которая непрозрачна для волн длиннее 1,2 м. Более коротковолновое радиоизлучение возникает в солнечной хромосфере.

Различают радиоизлучение «спокойного» Солнца, которое присутствует постоянно в течение всего 11-летнего цикла солнечной активности, и всплески солнечного радиоизлучения, связанные с процессами в активных областях на Солнце - солнечными вспышками, выбросами коронального вещества и ударными волнами. Вторая составляющая солнечного радиоизлучения усиливается вблизи максимума солнечной активности.

В 1945 обнаружено радиоизлучение Луны, в 1955 - Юпитера, а затем и других планет Солнечной системы. Радиоизлучение Меркурия, Венеры и Марса имеет чисто тепловую природу и представляет собой излучение твёрдой поверхности планет.

У планет-гигантов - Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна - тепловое излучение возникает в толще атмосферы; наряду с этим присутствует и нетепловая составляющая, обусловленная синхротронным механизмом - излучением релятивистских электронов в магнитном поле в радиационных поясах планет. Эта составляющая наиболее сильна у Юпитера, который также является источником мощных радиовсплесков на длинах волн в десятки метров; по интенсивности эти всплески сравнимы с солнечными.

За пределами Солнечной системы в Галактике выделяется, прежде всего, непрерывное радиоизлучение, сосредоточенное в полосе неба вблизи плоскости Млечного Пути.

К источникам космического радиоизлучения в Галактике относятся диффузные туманности (облака ионизованного газа вокруг горячих звёзд); остатки вспышек сверхновых звёзд; пульсары - быстро вращающиеся нейтронные звёзды с сильными магнитными полями, посылающие радиоволны в виде коротких импульсов с периодом собственного вращения (от нескольких миллисекунд до нескольких секунд).

Особый класс составляют радиогалактики; мощность их радиоизлучения в сотни миллионов раз выше, чем у «нормальных» галактик, что связано с процессами интенсивного ускорения релятивистских частиц.

Родственные радиогалактикам объекты - квазизвёздные источники (квазары), удалённые от нас на сотни и тысячи мегапарсек. Квазары очень слабо проявляют себя в видимом свете, однако обладают мощнейшим радиоизлучением, что выделяет их на небе среди множества слабых оптических объектов.

Фоновое космическое радиоизлучение, является остатком («реликтом») ранней эпохи эволюции Вселенной. Это излучение было предсказано Г. Гамовым в его теории горячей Вселенной, и позволяет уточнить модель эволюции Вселенной.

Радиоволны могут рассказать много интересного не только о тех космических объектах, которые их порождают, но и о тех, сквозь которые они проходят по дороге к Земле.

Подобное «просвечивание» космическими радиолучами позволяет астрономам получать, например, очень интересные данные о слоях солнечной атмосферы. Источником этого «просвечивающего» излучения может быть, например, одна из самых мощных космических радиостанций, так называемая Крабовидная туманность.

Ежегодно в середине июля Солнце в результате движения пашей планеты в мировом пространстве оказывается для земного наблюдателя па одной прямой линии с Крабовидной туманностью. Благодаря этому ее радиоволны по дороге к Земле проходят сквозь солнечную корону. Изменения, которые они при этом испытывают, позволяют судить о физическом состоянии верхних слоев солнечной атмосферы.

В начале 1955 года американские ученые Берк и Франклин, изучая космические радиоволны с помощью чувствительного радиотелескопа, неожиданно обнаружили новый, неизвестный ранее очень сильный источник радиоизлучения. По своему характеру он резко отличался от других подобных источников: его излучение носило весьма нерегулярный характер и состояло из серий коротких всплесков, очень похожих на всплески радиоизлучения, вызываемые грозовыми разрядами в земной атмосфере.

Вскоре обнаружилось еще более любопытное явление. Оказалось, что новый источник меняет свое положение относительно звезд. Это означало, что он расположен очень близко от Земли, быть может, даже в пределах солнечной системы.

И действительно, через некоторое время удалось установить, что удивительный источник космического радиоизлучения не что иное, как планета Юпитер.

На первый взгляд может показаться странным, что радиоизлучение Юпитера не было замечено раньше. Однако это легко объясняется его сходством с грозовыми разрядами. Возможно, что ученым и раньше удавалось принимать «радиопередачи» с Юпитера, но они не обращали на них внимания, полагая, что имеют дело с обычными атмосферными помехами. Однако в настоящее время внеземное происхождение всплесков, отмеченных записями Берка и Франклина, не вызывает сомнений. Но какова природа этого излучения? Что за таинственная радиостанция посылает к нам с Юпитера свои сигналы?

Юпитер находится на огромном расстоянии от Солнца и получает мало тепла. Известно, например, что температура верхнего слоя облаков в атмосфере Юпитера составляет всего около - 110 °C. Поэтому тепловое радиоизлучение Юпитера является настолько слабым, что современная радиоастрономическая аппаратура не могла бы его обнаружить.

Какова же все-таки природа мощного радиоизлучения Юпитера?

По этому поводу было высказано любопытное предположение, связывающее радиоизлучение Юпитера с происходящими в его атмосфере явлениями грозового характера. В самом деле, водородная атмосфера этой гигантской планеты содержит многочисленные облака, состоящие, по-видимому, из капелек метана и кристалликов аммиака.

Не вызывает сомнений, что такие облака, если они действительно существуют, способны накапливать электрический заряд. А это может иногда приводить к возникновению грозовых разрядов.

Грозовая гипотеза представлялась довольно убедительной, однако за последнее время был получен ряд новых данных, которые не только не прояснили вопроса, но, наоборот, еще сильнее его запутали.

Оказалось, что, во-первых, наиболее сильное излучение радиоволн всегда исходит из одной и той же точки на Юпитере, а во-вторых, на основании целого ряда наблюдательных данных было высказано предположение о том, что источник радиоволн лежит на поверхности планеты, значительно ниже слоя облаков. Природа радиоизлучения Юпитера пока что так и остается невыясненной.

Теоретические изыскания и научные доказательства ученых в области физики, математики, астрономии в начале XVI века

Для понимания строения солнечной системы, ее эволюции, возможности существования жизни на других планетах много потрудились математики, физики, астрономы.

Еще в глубокой древности было замечено, что в отличие от звезд, которые неизменно сохраняют свое взаимное расположение в пространстве в течение столетий, планеты описывают среди звезд сложнейшие траектории.

В начале XVI века польским астрономом Н. Коперником (1473–1543) обоснована гелиоцентрическая система, согласно которой движения небесных тел объясняются движением Земли (а также других планет) вокруг Солнца и суточным вращением Земли. Теория наблюдения Коперника воспринималась как занимательная фантазия.

Однако к началу XVII столетия большинство ученых убедились в справедливости гелиоцентрической системы мира.

Иоганн Кеплер, обработав результаты многочисленных наблюдений, проведенных Тихо Браге (которого называют «человеком, измерившим небо»), получил законы движения планет вокруг Солнца.

На рисунке 20 изображена орбита искусственного спутника Земли. Орбита искусственного спутника Земли представляет собой эллипс (утверждение, основанное на первом законе Кеплера).

(1571–1630) – немецкий ученый, один из творцов небесной механики. Работы в области астрономии, механики, математики. Используя наблюдения Тихо Браге и свои собственные, открыл законы движения планет (три закона Кеплера). Известен как конструктор телескопа (так называемая зрительная труба Кеплера, состоящая из двух двояковыпуклых линз).

Да и закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном на основе трех законов Кеплера.

Иоганн Кеплердоказал, что все планеты движутся по орбитам, имеющим форму эллипса, в одном из фокусов которого находится Солнце (первый закон Кеплера).

Также Кеплердоказал, что радиус-вектор планеты описывает в равные времена равные площади (второй закон Кеплера)

Иоганну Кеплеру принадлежит и следующее утверждение: «Квадраты времен обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит», (третий закон Кеплера).