Астрономы наблюдают - Феликс Зигель

До сих пор речь шла о пассивном изучении космических радиоволн. Они улавливаются радиотелескопами, и задача астронома заключается лишь в том, чтобы наилучшим образом расшифровать эти сигналы, получить с их помощью как можно больше сведений о небесных телах. При этом исследователь никак не вмешивается в ход изучаемого им явления — он лишь пассивно наблюдает.

Та отрасль радиоастрономии, с которой мы теперь кратко познакомимся, имеет иной, если так можно выразиться, активный характер. Ее называют радиолокационной астрономией.

Слово «локация» означает определение местоположения какого-нибудь предмета. Если, например, для этого используется звук, то говорят о звуковой локации. Ею, как известно, широко пользуются современные мореплаватели. Особое устройство, называемое эхолотом, посылает в направлении ко дну океана короткие, но мощные неслышимые ультразвуки. Отразившись от дна, они возвращаются, и эхолот фиксирует время, затраченное звуком на путешествие до дна и обратно. Зная скорость распространения звука в воде, легко подсчитать глубину океана.

Подобным же образом можно измерить и глубину колодца или какого-нибудь ущелья. Громко крикнув, ждите затем, когда до вашего уха донесется эхо — отраженный звук. Учтя, что скорость звука в воздухе равна 337 м/сек, легко вычислить искомое расстояние. Любопытно, что звуковая локация встречается и в мире животных. Летучая мышь обладает специальным естественным локационным органом, который, испуская неслышимые звуки, помогает мыши ориентироваться в полете. Забавно, что эти ультразвуки поглощаются в толстом слое волос, и поэтому, не поручив обратно звукового эха, летучая мышь воспринимает голову с густой шевелюрой как «пустое место». Этим и объясняется, что летучая мышь иногда в темноте ударяется о головы людей, не прикрытые головным убором.

Когда говорят о «радиолокации», то под этим словом подразумевают определение местоположения предмета с помощью радиоволн.

Радиолокационная астрономия — еще совсем молодая отрасль науки. Систематические радиолокационные наблюдения небесных тел начались всего тридцать лет назад. И все же достигнутые успехи весьма значительны. Очень интересны и дальнейшие перспективы этого активного метода изучения небесных тел. «Активного» потому, что здесь человек сам направляет в космос созданные им искусственные радиоволны и, наблюдая их отражение, может затем по собственному желанию видоизменить эксперимент.

Образно говоря, в радиолокационной астрономии человек «дотрагивается» до небесных тел созданным им радиолучом, а не пассивно наблюдает, их радиоизлучение.

Как устроен радиолокатор

Вам теперь должен быть ясен основной принцип радиолокации. От мощного радиопередатчика посылается радиоволна. Со скоростью света (300 000 км/сек) она достигает цели и, отразившись от нее, возвращается назад. Здесь ее надо поймать и исследовать, а для этого необходим приемник очень высокой чувствительности, так как отраженный радиосигнал (как и всякое эхо) гораздо слабее посылаемого.

Такова принципиальная схема радиолокации. На практике же радиолокаторы — устройства, с помощью которых осуществляют радиолокацию, — довольно сложны (рис. 41).

От передатчика быстропеременные электрические токи поступают на передающую антенну радиолокатора. Она напоминает облучатель радиотелескопа. Ее также помещают в фокус металлического параболоидного зеркала, и делается это для того, чтобы радиоволны посылались радиолокаторами не во все стороны, а по определенному направлению параллельным пучком. Тем самым излучаемые радиолокатором радиоволны не «разбрасываются» во все стороны, а концентрируются на одной определенной цели.

Радиолокатор — это как бы радиотелескоп «наизнанку». В радиотелескопах параболоидное зеркало улавливало космические радиоволны и направляло их на облучатель. В радиолокаторе, наоборот, облучатель, или, правильнее сказать, излучатель, излучает радиоволны, которые зеркало направляет на определенный предмет.

Между радиолокатором и обыкновенным прожектором есть несомненное сходство. Блестящее зеркало прожектора также имеет параболоидную форму. Благодаря ему потоки света от электрической дуги (излучателя) преобразуются в направленный прожекторный луч. Допустим, что «шаря» прожектором по небу, мы неожиданно осветили незнакомый самолет. Если бы можно было узнать, сколько времени затратил луч света, чтобы дойти до самолета, а затем вернуться к прожектору, можно было бы, очевидно, узнать расстояние до самолета. Но прожектор — это не «световой» локатор. В нем нет устройств, которые бы решали задачу. Прожектор предназначен только для освещения, а не для локации.

Другое дело радиолокатор. В его состав входит не только передатчик, но и приемник, снабженный дополнительным измерительным устройством, называемым индикатором. Поэтому радиолокатор не только посылает радиоволны, но и принимает вернувшийся отраженный радиосигнал. В этот момент он действует как обычный радиотелескоп.

Если бы радиолокатор посылал радиоволны непрерывно, то он, естественно, не мог бы улавливать «радиоэхо». Такое одновременное совмещение двух функций, конечно, невозможно. Поэтому радиолокатор работает иначе. Подражая человеку, который, крикнув, ждет, чтобы услышать эхо, радиолокатор сначала посылает радиосигнал, а затем, превращаясь в радиотелескоп, ловит радиоэхо.

Радиосигналы, посылаемые радиолокатором, представляют собой кратковременные, но очень мощные импульсы радиоволн. Их вырабатывает специальное устройство, называемое генератором импульсов. В моменты действия передатчика радиолокатор по мощности сравним с мощностью крупнейших радиовещательных станций.

Как только импульс послан, антенный переключатель выключает передатчик и одновременно включает приемник. Теперь радиолокатор «слушает», стараясь уловить слабое радиоэхо. Но вот оно поймано, и снова антенный переключатель вводит в действие передатчик. Так повторяется много раз, причем паузы между импульсами по продолжительности в сотни раз длительнее импульсов. В общей сложности обычный радиолокатор в течение часа только несколько секунд посылает радиосигналы, а остальное время молчит, принимая радиоэхо.

Радиоволны столь же быстры, как и лучи света. Поэтому, посланные радиолокатором, они достигают земных целей через ничтожные доли секунды. Вот почему в современных радиолокаторах продолжительность радиоимпульсов невообразимо мала — миллионные доли секунды. Такими сверхкороткими, но зато очень мощными «очередями» и «стреляют» радиолокаторы.

Несмотря на исключительную кратковременность процессов, протекающих в радиолокаторе, его индикатор способен точно измерить промежутки времени в ничтожные доли секунды. На экране, несколько напоминающем экран телевизора, с помощью специальной шкалы наблюдатель непосредственно видит, чему равно расстояние до цели. В современных радиолокаторах есть и другое сложное устройство, позволяющее на экране видеть цель и окружающую ее обстановку.

В устройстве радиолокаторов и радиотелескопов есть много сходного. Неудивительно поэтому, что многие из современных радиотелескопов, в том числе и крупнейший в мире подвижной радиотелескоп обсерватории Джодрелл Бэнк, одновременно являются и радиолокаторами. Явление отражения радиоволн, то есть радиоэхо, было известно еще на заре радиотехники. Но только в годы второй мировой войны оно было использовано как одно из весьма действенных средств обороны.

Кончилась война, и мощные радиолокационные средства стали использовать не только для нужд обороны, но и для исследования небесных тел. Уже первые опыты показали, что радиоэхо способно значительно помочь астрономам в изучении Вселенной.

Радиолокация Луны и планет

Еще в 1928 году, когда большинство радиолюбителей пользовались примитивными детекторными приемниками, советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси рассматривали вопрос о посылке радиосигнала на Луну и приеме на Земле радиоэха. Тогда — это была только смелая мечта, далеко опережавшая действительность. Но такова характерная черта больших ученых — их мысль опережает факты и видит то, что становится реальностью лишь в будущем.

В годы второй мировой войны Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси снова вернулись к занимавшей их идее. Теперь настали другие времена. Радиолокация прочно вошла в практику военной жизни, и радиолокаторы уверенно нащупывали невидимые цели.

Советские ученые на основе новых данных подсчитали, какова должна быть мощность радиолокатора и другие его качества, чтобы с его помощью можно было осуществить радиолокацию Луны. Научная ценность такого эксперимента была вне сомнений. Ведь до сих пор, чтобы определить расстояние до Луны, приходилось наблюдать ее положение среди звезд одновременно из двух достаточно удаленных друг от друга обсерваторий. Радиолокация решила бы ту же задачу при наблюдениях из одного пункта. Учитывая быстрый прогресс радиотехники, можно было ожидать, что радиолокационные измерения астрономических расстояний дадут результаты гораздо более точные, чем те, которые были получены в прошлом.