радиотелескоп на луне

Для радиоастрономов, которые при помощи специальной техники регистрируют радиоволны, исходящие от космических тел, Земля — проблемное место. Атмосфера планеты и деятельность человека мешают ученым проводить полноценные исследования. Поэтому, говорят специалисты, лучшим выходом из ситуации станет размещение радиотелескопа в месте, лишенном земной атмосферы и людей —  на обратной стороне Луны. Когда цель будет достигнута, специалисты начнут регистрировать явления, которые невозможно фиксировать с поверхности Земли.  

Радиоволны

Люди ежедневно сталкиваются с радиоволнами, общество буквально живет в их потоке: от радиостанций, вышек сотовой связи, телевидения, многочисленных гаджетов, природных явлений.

«Радиоволны — это, по сути, тот же свет, только с невероятно большой длиной волны. Глаз человека чувствителен к свету в диапазоне длин волн 0,38–0,78 мкм, а диапазон радиоволн начинается с нескольких тысяч микрон. Если бы наши глаза были чувствительны к радиоволнам, то мы, скорее всего, просто ослепли бы от большого количества попадающей энергии, но никакой четкой картинки не увидели бы», — объясняет в своей лекции Анатолий Засов, доктор физико-математических наук из МГУ 

Как работает радиоастрономия

Радиоволны есть и в космосе, их источники — различные астрономические объекты. Если Земля лежит на пути этих радиоволн, то они могут достигать нашей планеты и регистрироваться при помощи антенн радиотелескопов. 

Фото: wikipedia / Пять радиотелескопов Australia Telescope Compact Array, установленных в Австралии

Работа радиоастронома, образно говоря, напоминает прослушивание радиопередач. 

На любых радиостанциях есть специальные генераторы, они создают в антенне быстропеременные электрические токи. Параллельно с этим вокруг антенны образуются быстропеременные электромагнитные поля, которые отрываются от нее и распространяются в пространстве в виде радиоволн. Когда волны достигают приемной антенны, то начинают возбуждать в ней электрические токи. Из антенны токи попадают в приемник и в нем преобразуются в звуковые колебания. 

Нашей приемной антенны могут достигать радиоволны не только любимой радиостанции, но и других, кроме того на нее могут “падать” радиоволны, излучаемые в результате природных явлений (молнии, например) и беспроводными устройствами (смартфонами, планшетами). Радиоволны от этих источников возбуждают в антенне самые разные токи, появляется треск и шум, которые налагаются на полезный сигнал или объединяются с ним. 

В старой советской книге астрофизика Самуила Каплана “Элементарная радиоастрономия” приводится хороший пример шума.

“Представим настраиваемый оркестр. Каждый инструмент создает звуковые волны определенной частоты. Если бы на одном инструменте играли лишь одну ноту, мы бы отчетливо слышали звуки этой частоты и могли бы сразу указать, какая это частота. Но если при настройке инструментов извлекают звуки самой разной частоты, то звуковые волны налагаются друг на друга так, что наше ухо уже не в состоянии различить отдельных звуков, мы слышим только нестройный шум”.

Нечто подобное происходит и в антенне. Главная задача приемника — выловить из этого электрического шума сигнал нужной радиостанции, а именно, “вырезать” полосу частот, которые соответствуют конкретной ей, а после извлечь из них передаваемую информацию — звуковые колебания. 

Практически тем же самым занимается и радиоастрономия. Радиоволны из космоса доходят до Земли и попадают на антенны, размещенные на огромных площадях, в которых возбуждают электрические “шумовые токи”, правда, очень слабые. Из этого общего шума специальные приемники “вырезают” полосы частот от нескольких кГц (килогерц) до десятков МГц (мегагерц). Анализируя эти полосы частот, ученые пытаются извлечь из них данные —  поток энергии, который радиоволна принесла в каждом интервале частоты. Если раньше вся эта работа проходила вручную, то с развитием техники для измерения энергетических характеристик стали применять радиометры

Радиостанции излучают энергию радиоволн лишь в сравнительно небольшом интервале частот, зачастую и космический шум сосредоточен в небольших частотных интервалах. Но чаще космические тела излучают радиоволны практически на всех возможных частотах. Например, Солнце. Наша звезда испускает радиоизлучение как в миллиметровом диапазоне (10 мм — 1 мм, диапазон частот 30—300 ГГц), так и в декаметровом (длина волны 100 м — 10 м, диапазон частот 3—30 МГц). Поэтому специалисты измеряют радиоизлучение Солнце на всех частотах и затем сравнивают результаты измерений между собой, эта операция называется “определением спектра радиоизлучения Солнца”. Точно так ученые поступают и с другими источниками радиоизлучения.

Подобную операцию проделывают автолюбители. Когда водитель нажимает кнопку на магнитоле, она автоматически “штудирует” радиодиапазон и находит тот участок, где шумов и тресков меньше, после чего выдает станцию. По сути, магнитола определяет спектр электрического шума (сравнивает, где шумов больше, и где меньше). 

Проблемы радиоастрономии

В 1888 году немецкий физик Генрих Герц провел серию опытов с электромагнетизмом и экспериментально доказал существование в природе радиоволн. Но в 1902 году английский математик Оливер Хевисайд практически поставил “крест” на том, что люди когда-нибудь смогут обнаружить радиосигналы из космоса. К этому времени было известно, что на большой высоте у планеты имеется ионизированный слой газа, а ионизованные электроны реагируют на радиоволну: раскачиваются радиоволной, удары между частицами приводят к перекачке энергии волны в тепловую, поэтому ионизированный слой либо отражает радиоволну, либо поглощает ее. 

Фото: videouroki.net / Распространение радиоволн

Теория Хевисайда выглядела правдоподобно, ведь было известно, что радиосвязь на коротких волнах осуществляется благодаря отражению радиоволн от ионосферы: если послать такую волну, то на определенной высоте (в зависимости от того, под каким углом к горизонту идет волна) она отразится от ионосферы и вернется обратно на поверхность, то есть не сможет прорваться через ионизированный слой газа. 

Однако в своих расчетах Хевисайд допустил ошибку. Позже выяснилось, что пропускная способность ионосферы зависит от концентрации электронов и она может пропускать радиоволны определенного интервала длин. Оказалось, что ионизированный слой газа прозрачен для радиоволн длиной от 2-3 миллиметров до 20-25 метров (этот диапазон в радиоастрономии называется радиодиапазоном, его рабочая частота от 3 МГц до 300 ГГц), более длинные волны ионосфера Земли отражает обратно в космос, более короткие поглощает. 

Еще одна проблема для радиоастрономии — нежелательные излучения, которые создаются смартфонами, планшетами,  портативными компьютерами. Если эта беспроводная техника окажется в зоне радионаблюдений, она может вызвать помехи в исследованиях астрономов: сигнал от нее будет накладываться на сигнал из космоса и создавать фоновый шум. Именно поэтому ученые и размещают радиотелескопы вдали от городов и деревень, например, комплекс радиотелескопов стоит в чилийской пустыне Атакама.

Уже давно ученые рассматривают вариант с размещением радиотелескопа на обратной стороне Луны. Во-первых, там нет земной атмосферы, а значит, астрономы смогут ловить радиоволны любой длины, во-вторых, это место защищено от помех, возникающих на Земле. 

Если в будущем мечта ученых осуществится, специалисты получат возможность изучить ряд явлений, которые невозможно исследовать с Земли. Радиотелескоп на Луне предоставит данные о том, что произошло до того, как Вселенная сформировала свои первые звезды и галактики, или позволит увидеть электромагнитные поля вокруг далеких экзопланет.

«На обратной стороне Луны есть радиомолчание, которое позволяет проводить очень чувствительные измерения, — говорит Стив Сквайрс, ученый-планетолог из частной аэрокосмической компании Blue Origin. — Обратная сторона Луны  — это именна та область, которая будет способствовать прогрессу науки»

Первый телескоп на Луне: миссия “Аполлон-16”

Во время лунной миссии “Аполлон-16” в 1972 году, астронавты установили на поверхности спутника первый телескоп. Только это был не радиоинструмент, а 22-килограммовая ультрафиолетовая обсерватория UVC (Far Ultraviolet Camera/Spectrograph). Она представляла собой позолоченный телескоп с апертурой 7,6 см и подсоединенной к нему фотокамерой с полем зрения 20 градусов. Чтобы UVC не перегревался, его разместили в тени, отбрасываемой лунным модулем.

Фото: NASA / Ультрафиолетовая обсерватория Far Ultraviolet Camera/Spectrograph

Как понятно из названия телескопа, он предназначался для наблюдения за звездным небом в диапазонах ультрафиолетового излучения (длины волн излучения лежат в интервале от 10 до 400 нанометров, нм). На Земле проводить наблюдения коротковолнового ультрафиолета затруднительно, так как атмосфера нашей планеты поглощает ультрафиолет начиная с длины волны от 10 нм заканчивая 200 нм.

Фото: NASA / Земля в ультрафиолетовом свете, снимок получен с поверхности Луны телескопом Far Ultraviolet Camera/Spectrograph

UVC как раз и построили для работы с короткими волнами. Телескоп регистрировал электромагнитное излучение с длиной волны от 50 до 160 нм, в таком диапазоне излучают звезды с температурой на поверхности от 10 до 50 тысяч ℃.

За время наблюдений обсерватория сделала 178 снимков туманностей, галактик, звезд, Земли. 

Китайские телескопы

В 2013 году Китай отправил к Луне автоматическую станцию “Чанъэ-3”, которая успешно прилунилась и выполнила ряд заданий. 

Помимо прочего научного оборудования на борту робота находился телескоп с дистанционным управлением. Это была 15-сантиметровая оптическая обсерватория ближнего УФ-диапазона Lunar-based ultraviolet telescope (LUT), которая предназначалась для наблюдений за активными ядрами галактик, двойными звездами и объектами яркостью +13m.

В начале 2019 года на спутник прилунилась очередная китайская миссия, «Чанъэ-4». На этот раз на борту ровера разместили небольшой радиотелескоп или, как его официально называют, “радиоспектрометр для приема низкочастотных сигналов из космоса”.  

Фото: CNSA / Аппарат Чанъэ-4 выкатывается из посадочного модуля

Китайские ученые использовали телескоп для исследования Вселенной на длинах радиоволн, на которых наблюдения никогда не велись с Земли. Однако из-за скромных способностей инструмента наблюдения были ограничены лишь ближним космосом.

Радиотелескоп FARSIDE 

У американских ученых из Колорадского университета в Боулдере есть проект радиотелескопа, который можно было бы разместить на Луне. Проект получил название FARSIDE, он представляет собой инструмент из 128 антенн, которые могут быть развернуты с помощью лунохода на площади 10 км. Все антенны будут соединены со станцией, выполняющей роль центра обработки информации, питания и передачи данных на спутник-ретранслятор.

Фото: NASA/JPL-Caltech/Jack O. Burns, Univ. of Colorado / Проект FARSIDE в представлении художника

FARSIDE позволит практически непрерывно исследовать ближайшие звездные системы, искать магнитосферы у экзопланет. При помощи телескопа ученые смогут изучить раннюю Вселенную, период, называемый «Тёмными веками» — промежуток времени между возникновением реликтового излучения и образованием первых звезд.

Проект получил поддержку NASA, недавно агентство завершило финансирование исследования по развертыванию FARSIDE на Луне. По некоторым оценкам, миссия обойдется в 1,3 миллиарда долларов. Сейчас решается вопрос о транспортировке, необходимо выбрать модуль, который бы доставил телескоп на поверхность спутника. Предполагается, что для этой цели NASA может выбрать частный спускаемый аппарат Blue Origin Blue Moon lander.

Друзья, спасибо, что уделили время этому материалу!

Если вам понравился материал, вы можете поддержать нас донатом, который пойдет на продвижение проекта в соцсетях и оплату труда журналистов.

О новых публикациях на сайте вы можете узнать из наших групп в соцсетях. Подписывайтесь: Вконтакте, Twitter, Одноклассники, Facebook, Telegram

У нас выходят и материалы, которые мы не публикуем на сайте, а размещаем на каналах. Заходите и читайте: Яндекс Дзен и Instagram

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Источник: astronomy.com

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: