Нижегородский учёный рассказал, как радиоастрономия помогает в изучении Вселенной

Английский физик Стивен Хокинг писал, что «мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шанс постичь Вселенную. Это делает нас особенными». Современный человек исследует Вселенную с помощью радиотелескопов. О том, что они из себя представляют и как удалось получить первое в мире изображение тени сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, в Парке науки ННГУ рассказал доктор физико-математических наук, заведующий отделом радиоприемной аппаратуры и миллиметровой радиоастрономии ИПФ РАН Игорь Зинченко.

Случайное открытие

Впервые космическое радиоизлучение было зарегистрировано всего лишь 90 лет назад радиоинженером Карлом Янским. Как это часто бывает в науке, открытие было сделано случайно. Карл Янский работал в телефонной компании Белл и ему было поручено исследовать помехи радиоприема. Он обнаружил, что одна из помех идет из космоса. Короткая заметка об этом сенсационном открытии была опубликована в «Нью-Йорк таймс», но никого из профессиональных астрономов эта информация не заинтересовала. Дело в том, что в то время астрономия была чисто оптической наукой.

Но нашелся энтузиаст Грот Ребер, который на свои средства у себя во дворе построил антенну, чтобы «ловить» космическое радиоизлучение. После ряда неудачных попыток у него это получилось. И, начиная с 40‑х годов прошлого века, радиоастрономия начала бурно развиваться.

Современные радиотелескопы используются для приема радиоизлучения небесных объектов в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике. Их два основных вида: одиночные и антенные решетки – системы, состоящие из большого количества антенн.

В высоком разрешении

То, насколько маленькие вещи вы можете видеть, зависит от размера телескопа и длины волны.

Разрешающая способность определяется отношением длины волны к размеру системы. В радиодиапазоне длина волны велика, поэтому «размер» телескопа тоже должен быть большим. «Размер» равен диаметру телескопа для одиночных антенн, и он же равен максимальному расстоянию для решеток.

Стометровая антенна имеет примерно такое же разрешение, как человеческий глаз. Чтобы получить разрешение больше, нужно увеличивать размер системы. Построить антенну размером километр или в сотни метров невозможно – она просто развалится под собственным весом, поэтому и придумали выстраивать много-много антенн в определенном порядке – это и есть антенные решетки. Их размер оценивается по расстоянию между крайними антеннами.

Как работает антенна? Используются зеркала параболической формы. Парабола имеет такое свойство, что она плоский фронт фокусирует в точку – контр-рефлектор, от него волна отражается и попадает в кабину приемника. Современные приемники достаточно сложные устройства. Они нуждаются в охлаждении до очень низких температур.

Также есть радиотелескопы, работающие на коротких миллиметровых волнах. В их числе тридцатиметровый радиотелескоп IRAM в Испании. Именно с его помощью в газовом облаке, окружающем спутник Сатурна Энцелад, были выявлены молекулы метанола (CH3OH). Это первый случай, когда вещество, выделяемое криовулканами (мощными гейзерами) детектировано наземным телескопом.

Все миллиметровые телескопы располагаются в горах. Это связано с тем, что земная атмосфера очень сильно поглощает эти волны и надо подниматься достаточно высоко. Принимающее устройство сложное и охлаждается практически до нуля (четыре градуса Кельвина). Это необходимое условие для того, чтобы приемник работал, так как там используются сверхпроводниковые элементы, и чтобы опять же уменьшить шумы.

Громадная тарелка

В мире есть несколько стометровых телескопов: один из них в США, другой в Германии. Выглядят они как огромная тарелка диаметром сто метров, внутри которой даже погулять можно.

Самый большой по размерам телескоп недавно построили в Китае – это радиотелескоп FAST. Это тарелка диаметром 500 метров. Он имеет форму не параболы, которая собирает излучение в точку, а сферы, углубление в Земле. Он неподвижный, так как полноповоротную конструкцию таких размеров построить невозможно, но чтобы изменять направления приема, облучатели перемещаются по специальным трассам.

Один из известных радиотелескопов в России – РАТАН- 600 построен в 80‑е годы прошлого века. 22-метровый радиотелескоп (РТ-22) недалеко от поселка Симеиз построен в 60‑х годах. С его помощью получен целый ряд первоклассных научных результатов, в том числе по исследованию активных ядер галактик и объектов Солнечной системы.

Антенные решетки

Что касается антенных решеток, то они самые разные. Например, американская система The Very Large Array (VLA) эксплуатируется с 1980 года, состоит из двадцати семи 25- метровых антенн, которые образуют решетку переменной конфигурации.

Антенные решетки могут быть разного диаметра. Большая часть 66 антенн решетки в чилийской пустыне на высоте пять тысяч метров диаметром 12 метров, есть семиметровые. Пустыня Атакама едва ли не самая сухая на Земле, что делает ее излюбленным местом астрономов.

Есть варианты решеток, антенны которых стоят относительно близко друг к другу, но для того, чтобы получить еще лучшее разрешение, их можно расположить на разных континентах (!). Чтобы прием сигнала был в одной фазе, для этого используются стандарты частоты. К слову, одни из лучших стандартов делают в Нижнем Новгороде. Примером такой разбросанной на большое расстояние антенной решетки может быть Very Long Baseline (VLBA). Это десять антенн, расположенных друг от друга по территории США и Канады.

Подобная система есть и в нашей стране. Это «Квазар-КВО» Института приклад астрономии в Санкт-Петербурге. В систему входят три антенны – одна под Питером, другая – на Северном Кавказе, третья – в районе Байкала.

Заглянуть в черную дыру

Также есть телескоп горизонта событий – это глобальная система антенн миллиметрового диапазона, которая охватывает весь земной шар. Разрешение, которое достигается с помощью этого телескопа, соответствует тому, как если бы мы на поверхности Луны пытались с Земли разглядеть монетку размером в несколько сантиметров. С помощью этой системы удалось увидеть в том числе тени черных дыр.

Телескоп горизонта событий видит некие функции, которые с помощью методов обработки позволяют получить определенную картинку. С его помощью удалось получить изображение тени черной дыры. Это весьма загадочный объект, который притягивает к себе много чего, в том числе свет. Свет не может выйти из черной дыры, так как гравитация там настолько велика, что все поглощается. Изображение черной дыры – это светящийся круг с темным центром. Выглядит она так в соответствии с понятием «горизонт событий». То есть, это поверхность, за которой в принципе невозможно ничего увидеть. Отсюда и темное пятно в центре.

Александра Махлина