Радиотехника и космос - Авиация и космонавтика - Скачать бесплатно
Реферат
по астрономии
Тема:Радиотехника и космос
[pic]
С о д е р ж а н и е.
1. Введение. Зарождение радиоастрономии. 3
2. Прозрачна ли атмосфера. 5
3. Радиотелескопы и рефлекторы. 7
4. Борьба с помехами.
10
5. О зоркости радиотелескопов. 11
6. «Радиоэхо в астрономии. 14
7. Радиолокация Луны и планет. 14
8. Метеоры наблюдают днем. 18
9. В поисках внеземных цивилизаций. 19
10. Заключение.
22
Использованная литература. 24
1.Зарождение радиоастрономии.
Декабрь 1931 года ... В одной из армейских лабораторий ее сотрудник
Карл Янский изучает атмосферные помехи радиоприему. Нормальный ход
радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не
остается постоянной.
Постепенно выясняется загадочная периодичность — каждые 23 часа 56
минут помехи становятся особенно сильными. И так изо дня в день, из месяца
в месяц.
Впрочем, загадка быстро находит свое решение. Странный период в
точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного
времени. Через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим
солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг своей оси, и все
звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта
любого пункта Земли.
Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют
космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая «радиостанция»
раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача
достигает наибольшей интенсивности.
Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи. И, несмотря
на совершенство радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из
созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро
нашей звездной системы — Галактики.
Так родилась радиоастрономия — одна из наиболее увлекательных
отраслей современной астрономии.
Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим
было еще не ясно, принесут ли радио методы какую-нибудь существенную пользу
астрономии.
Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту
радиотехники.
Радиолокаторы были приняты на вооружении всех армий. Их совершенствовали,
всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая,
конечно, использовать радиолокаторы для исследования небесных тел.
Советские ученые академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси
теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.
Это было первое радиоастрономическое исследование в Советском Союзе.
Два года спустя ( в 1946 году ) оно было осуществлено сначала в США, а
затем в Венгрии. Радиоволны, посланные человеком, достигли Луны и,
отразившись от нее, вернулись на Землю, где были уловлены чувствительным
радиоприемником.
Последующие десятилетия — это период необыкновенно быстрого прогресса
радиоастрономии. Его можно назвать триумфальным, так как ежегодно
радиоволны приносят из космоса удивительные сведения о природе небесных
тел.
Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные
устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в
такие глубины космоса, которые пока остаются не досягаемыми для обычных
оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью
современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радио космос —
картина Вселенной в радиоволнах.
Каждая наука изучает определенные явления природы, используя свои
методы и средства. Для радиоастрономии объектом изучения служит весь
необъятный космос, все бесчисленное множество небесных тел. Правда, это
изучение несколько одностороннее — оно ведется лишь посредством радиоволн.
Но и в таком «разрезе» Вселенная оказывается бесконечно многообразной,
неисчерпаемой для исследователя.
Мы живем в мире волн. Любое тело, будь то книга, ваше тело или
звезда, излучает энергию в форме электромагнитных волн. Человеческий глаз
чувствителен далеко не ко всем из них. Лишь ничтожная доля электромагнитных
волн, попадая на сетчатку глаза, вызывает ощущение света. Но и этой доли
оказывается достаточно, чтобы наполнить земной шар сиянием солнечного света
и гаммой всевозможных красок. Быть может, наша ограниченность в восприятии
электромагнитных волн есть благодетельная забота о нас самой природы. Ведь
если бы человек воспринимал все излучения, существующие в природе, не был
ли бы он подавлен их бесконечным многообразием?
Как бы там ни было, но человеческому глазу доступны лишь те
электромагнитные волны, длина которых заключена в пределах от 400 до 760
миллимикрон. Разлагая трехгранной стеклянной призмой белый луч на составные
части, мы получаем спектр — радужную полоску, в которой представлены все
цвета, доступные глазу.
Хорошо известно, что по обе стороны видимого спектра располагаются
области невидимых излучений. Таковы ультрафиолетовые лучи с длиной волны
меньше 400 миллимикрон. Они обнаруживают свое существование по-разному. В
жаркий солнечный день некоторые из них вызывают загар на нашей коже. Те же
лучи сильно воздействуют на эмульсию обычных фотопластинок, оставляя на ней
хорошо видимые следы. К ультрафиолетовым лучам примыкают рентгеновы лучи,
широко применяемые в медицине. Наиболее коротковолновые из известных
излучений, так называемые гамма лучи, выделяются при радиоактивном распаде.
Их энергия весьма велика и они очень опасны — мощное гамма-излучение может
породить мучительные явление лучевой болезни.
За красной границей видимого спектра лежит область невидимых
инфракрасных лучей. Некоторые из них, с длиной волны значительно меньшей
одного сантиметра, способны заметно нагреть наше тело, и потому их иногда
называют тепловыми лучами. Когда вы подносите руку к раскаленному утюгу и
на каком-то расстоянии чувствуете его тепло, в этот момент ваша рука
подвергается именно этих инфракрасных, «тепловых» лучей.
За инфракрасными лучами следуют радиоволны. Их длины измеряются
миллиметрами, сантиметрами, дециметрами и метрами.
Несмотря на количественные и качественные различия, перечисленные
излучения — от гамма лучей до радиоволн — обладают одним общим свойством:
все они имеют общую природу, являются электромагнитными волнами.
Благодаря общности природы всем электромагнитным волнам свойственны,
например, такие процессы. Как одинаковая скорость распространения,
отражение, и преломление, поглощение и рассеивание. Радиоволны, как и лучи
видимого света, могут складываться друг с другом, то есть, говоря языком
физики, интерферировать.
В некоторых случаях можно наблюдать дифракцию радиоволн, или «огибание» ими
предметов, размеры которых сравнимы с их длиной.
Замечательно, что всякое нагретое тело излучает электромагнитные
волны всевозможных длин. Отложив по горизонтальной оси графика длины волн,
а по вертикальной оси величины, характеризующие интенсивность излучения, то
есть излучаемой энергии для данной длины волны, можно получить, как говорят
физики, распределение энергии по спектру данного тела.
Для Солнца максимум кривой распределения энергии по спектру лежит в
области желтых лучей. И действительно, удаленное от Земли на расстояние
звезд наше Солнце казалось бы желтенькой. Желтый цвет Солнца обычно не
заметен только из-за ослепительной яркости дневного светила.
В области инфракрасных лучей кривая распределения энергии по спектру
постепенно приближается к горизонтальной оси, теоретически говоря, нигде ее
не пересекая. Это значит, что всякое нагретое тело в какой-то степени
излучает и радиоволны. Договоримся излучение радиоволн, вызванное
нагретостью тела, называть тепловым радиоизлучением.
Как видите, радиоволны далеко не всегда имеют искусственное
происхождение.
Скорее наоборот — естественных радиостанций несравненно больше, чем тех,
которые созданы руками человека. Строго говоря, любое тело может
рассматриваться как естественная радиостанция, пусть ничтожной мощности.
Вам, конечно, случалось наблюдать досадные помехи на экране
телевизора. Где-то рядом проезжает троллейбус или автобус, и сразу
изображение портится — по экрану бегут какие-то белые полоски. И в этом
случае виновник — естественные радиоволны. Их породили искровые разряды на
концах токоприемников троллейбуса или в щетках генератора автомашины.
«Непрошеные» радиоволны вмешались в передачу, испортили настройку
телевизора и вызвали помехи.
Каждая электрическая искра — это естественная «радиостанция».
Электрические разряды всегда порождают радиоволны. Как известно,
первый радиоприемник А. С. Попова был «грозоотметчиком» — он улавливал
волны, порождаемые молнией.
Есть, однако, существенное отличие радиоволн, излучаемых
электрической искрой и радиоизлучением, например, нагретого утюга.
Радиоизлучение искры вызвано не только нагретостью раскаленного
воздуха, но и другими, более сложными процессами. В таких случаях говоря не
о тепловом радиоизлучении. Как мы увидим в дальнейшем, нетепловое
радиоизлучение может возникнуть, например, при торможении сверхбыстрых
электронов под действием магнитных сил.
Казалось бы, обилие всевозможных радио излучений позволяет изучать
Вселенную в любом диапазоне радиоволн. Но, к сожалению, этому препятствует
атмосфера.
2.Прозрачна ли атмосфера?
Трудно поверить, что воздух почти не прозрачен, что до наших глаз
доходит лишь ничтожная доля всех излучений, существующих в природе.
Взгляните на рисунок 1. Он иллюстрирует прозрачность земной атмосферы
для электромагнитных волн различных длин. Гладкая горизонтальная часть
кривой, совпадающая с горизонтальной осью графика, отмечает те излучения,
для которых земная атмосфера совершенно не прозрачна. Два «горба» кривой,
один узкий, другой широкий, соответствуют двум «окнам прозрачности» в
земной атмосфере.
Левое из них лежит в основном в области видимых лучей — от
ультрафиолетовых до инфракрасных. К сожалению, атмосфера Земли совершенно
не прозрачна для лучей, длина волны которых меньше 290 миллимикрон. Между
тем в далеких ультрафиолетовых областях спектра расположены спектральные
линии многих химических элементов. Мы их не видим, и поэтому наши сведения
о химическом составе небесных тел далеко не полны.
[pic]
рис.1 Прозрачность земной атмосферы.
В последнее время астрономы пытаются вырваться за границы воздушной
оболочки Земли и увидеть космос, в «чистом виде». И это им удается.
Высотные ракеты и воздушные шары выносят спектрографы и другие приборы в
верхние, весьма разряженные слои атмосферы, и там автоматически
фотографируют спектр Солнца.
Начато изучение этим способом и других астрономических объектов.
Другой край «оптического окна» атмосферы упирается в область спектра
с длиной волны около микрона. Инфракрасные лучи с большей длиной волны
сильно поглощаются главным образом водяными парами земной атмосферы.
Много тысячелетий астрономы изучали Вселенную только через одно узкое
«оптическое окно» атмосферы. Они не подозревали что есть еще одно «окно»,
гораздо более широкое. Оно лежит в области радиоволн.
Левый край «радио окна» отмечен ультракороткими радиоволнами длиной
1,25 см, правый край радиоволнами длиной около 30 м.
Радиоволны длина которых меньше 1,25 см (кроме волн длиной около 8
мм), поглощаются молекулами кислорода и водяных паров. От них есть
непрерывный переход к тем электромагнитным волнам, которыми мы называем
инфракрасными.
Радиоволны, длина которых больше 30 м, поглощаются особым верхним
слоем атмосферы, носящим название ионосферы. Как показывает само название,
ионосфера состоит из ионизированных газов, то есть таких газов, атомы
которых лишены части своих электронов (которые так же входят в ионосферу).
Для некоторых радиоволн слой ионизированного газа подобен зеркалу —
радиоволны отражаются от него как солнечный луч от поверхности воды.
Поэтому приходящие волны больше 30 м почти полностью отражаются от
ионосферы. Для них Земля является «блестящим шариком» (как для солнечных
лучей блестящий игрушечный елочный шар), и пробить ионосферу они не в
состоянии.
«Радио окно» гораздо шире «оптического окна». На рисунке 1 по
горизонтальной оси отложена так называемая логарифмическая шкала длин, то
есть единицы масштаба вдоль этой оси есть единицы степени числа 10. Если же
иметь дело с числами, а не с их логарифмами, то ширина «радио окна» (около
30 м) получится почти в десять миллионов раз больше ширины «оптического
окна». Таким образом, «оптическое окно» скорее следует считать чрезвычайно
узкой щелью, и можно только удивляться, что исследуя Вселенную через такую
«щель», мы знаем о ней очень многое.
Естественно ожидать, широко распахнутое в космос «радио окно» покажет
нам Вселенную еще более многообразной и сложной.
Если излучение небесного тела по длине волны подходит для «радио
окна», оно практически беспрепятственно достигает земной поверхности, и
задача астрономов состоит в том, чтобы уловить и исследовать каким-то
способом это излучение.
Для этого и созданы радиотелескопы.
3.Радиотелескопы и рефлекторы.
Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным
телом, попадают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его
поверхности, собирается в фокусе рефлектора. Здесь получается изображение
небесного тела, которое рассматривается через сильную лупу — окуляр
телескопа. Маленькое второе зеркало, отражающее лучи в сторону окуляра,
имеет чисто конструктивное, а не принципиальное значение.
Роль главного зеркала здесь достаточно ясна. Оно создает изображение
небесного тела, и это изображение будет наилучшим в том случае, когда
небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. Телескоп в
таком случае направлен прямо на наблюдаемый объект.
Приемником излучения в телескопе-рефлекторе служит человеческий глаз
или фотопластинка. Чтобы увеличить угол зрения и подробно рассмотреть
изображение светила, приходиться пользоваться промежуточным устройством —
окуляром.
Итак, в телескопе-рефлекторе есть собиратель излучения —
параболическое зеркало и приемник излучения — глаз наблюдателя или
фотопластинка.
По такой же схеме устроен, в сущности, и простейший радиотелескоп
(рис.2). В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало,
иногда сплошное, а иногда решетчатое.
[pic]
рис.2 Схема устройства радиотелескопа.
Форма зеркала радиотелескопа, как и в рефлекторе, параболическая. Конечно и
здесь сходство не случайное — только параболическая (или, точнее,
параболоидная) поверхность способна собрать в фокусе падающее на нее
электромагнитное излучение.
Если бы глаз мог воспринимать радиоволны, устройство радиотелескопа
могло бы быть неотличимым от устройства телескопа-рефлектора. На самом деле
приемником радиоволн в радиотелескопах служит не человеческий глаз или
фотопластинка, а высокочувствительный радиоприемник.
Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой дипольной антенне,
облучая ее. Вот почему эта антенна в радиотелескопах получила название
облучателя.
Радиоволны, как и всякое излучение, несут в себе некоторую энергию.
Поэтому, падая на облучатель, они возбуждают в этом металлическом
проводнике упорядоченное перемещение электронов, иначе говоря,
электрический ток. Радиоволны с невообразимой скоростью «набегают» на
облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстро переменные токи.
Теперь эти токи надо передать на приемное устройство и исследовать.
От облучателя к радиоприемнику электрические токи передаются по волноводам
— специальным проводникам имеющим, форму полых трубок. Форма сечений
волноводов и их размеры могут быть различными.
Космические радиоволны или, точнее, возбужденные ими электрические
токи поступили в радиоприемник. Можно было бы, пожалуй, подключив к
приемнику репродуктор, послушать «голоса звезд». Но так обычно не делают.
Голоса небесных тел лишены всякой музыкальности — не чарующие «небесные
мелодии», а режущее наш слух шипение и свист послышались бы из
репродуктора.
Астрономы поступают иначе. К приемнику радиотелескопа они
присоединяют специальный самопишущий прибор, который регистрирует поток
радиоволн определенной длины.
Два типа установок есть не только у рефлекторов, но и у
радиотелескопов. Одни из них могут двигаться только вокруг вертикальной и
горизонтальной осей. Другие снабжены параллактической установкой — таких,
правда, пока меньшинство. Установки радиотелескопов имеют очень важное
назначение: как можно точнее нацелить зеркало на объект и сохранить такую
ориентировку во время наблюдений.
Есть между радиотелескопами и рефлекторами большие различия. Столь
большие что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей
излучений — зеркал. Самый большой из существующих в нашей стране телескопов-
рефлекторов 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории.
Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются
метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов
имеет зеркало поперечником 76м. До последнего времени крупнейшим
радиотелескопом был телескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало
этого телескопа имеет диаметр 300 м и вмонтировано в кратер одного
бездействующих вулканов. Этот инструмент может работать и как радиолокатор,
причем радиосигналы от него могут быть уловлены (на уровне земной
радиотехники) в пределах всей нашей Галактики.
В той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР находится
600-метровый радиотелескоп. В отличии от радиотелескопа в Пуэрто-Рико,
главная часть нашего радиотелескопа представляет собой не сплошное
металлическое вогнутое зеркало, а кольцо диаметром 600 м, состоящее из 895
подвижных алюминиевых отражателей, каждый из которых имеет размеры 2*7,5 м.
Этот крупнейший в мире радиотелескоп рассчитан на прием радиоволн с длиной
волны от 8 мм до 30 см. По ряду параметров (в частности, по разрешающей
способности) этот инструмент не имеет себе равных в мире. В недалеком
времени будут построены еще большие радиотелескопы, тогда как рефлекторы с
поперечником зеркала 10 м вряд ли удастся создать в ближайшие двадцать-
тридцать лет. В чем же причина столь существенного различия?
Секрет прост. Изготовить зеркало телескопа-рефлектора в техническом
отношении несравненно труднее, чем гораздо большее по размерам зеркало
радиотелескопа.
Для того чтобы параболическое зеркало давало в своем фокусе
достаточно редкое, четкое изображение небесного объекта (неважно, в видимых
или невидимых лучах), поверхность зеркала не должна уклоняться от идеальной
геометрической поверхности более чем на 1/10 длины волны собираемого
излучения. Такой «допуск» верен как для видимых лучей света, так и для
радиоволн. Но для радиоволн 1/10 длины волны измеряется миллиметрами, а то
и сантиметрами, тогда как для лучей видимого света этот допуск ничтожно мал
— сотые доли микрона! Как видите, важны не абсолютные значения
шероховатости зеркал, а их отношение к длине волны собираемого излучения.
О том, как трудно создать крупный рефлектор, мы уже говорили.
Радиотелескоп с поперечником в десятки метров построить легче. Ведь если
даже этот телескоп будет принимать радиоволны с длиной волны 1,25 см, то
шероховатости не должны по размерам превышать 1 мм — допуск вполне
технически осуществимый.
В некоторых радиотелескопах, рассчитанных на прием радиоволн с
длиной, измеряемой многими метрами, зеркала делаются не сплошные, а
сетчатыми. Этим значительно уменьшается вес инструмента, ив то же время,
если размеры ячеек малы в сравнении с длиной радиоволн, решетчатое зеркало
действует как сплошное. Иначе говоря, для радиоволн отверстия в зеркале
радиотелескопа, в сущности, являются неощутимыми «неровностями».
Подчеркнем одну замечательную особенность описываемых радиотелескопов
— они могут работать на различных длинах волн. Ведь очевидно, что свойство
параболических зеркал концентрировать излучение в фокусе не зависит от
длины волны этого излучения. Поэтому, меняя облучатель, то есть приемную
антенну, можно «настраивать» радиотелескоп на желаемую длину волн. При
этом, конечно, требуется изменить частоту радиоприемника.
Чем больше размеры зеркала, тем больше излучения оно собирает.
Количество собираемого излучения, очевидно, пропорционально площади
зеркала. Значит, чем больше зеркало, тем чувствительнее телескоп, тем более
слабые источники излучения удается наблюдать — ведется ли прием на
радиоволнах или в лучах видимого света.
Замечательно, что радиотелескопы можно устанавливать в любом пункте
страны. Ведь они совсем не зависят от капризов погоды или прозрачности
атмосферы. С помощью радиотелескопов можно исследовать Вселенную хоть в
проливной дождь!
4.Борьба с помехами.
Нелегко создать сплошное металлическое зеркало с поперечником в
несколько десятков метров, да еще установить так, чтобы, перемещая зеркало
с удивительной плавностью, его можно было нацелить на любой участок неба.
Каждое такое творение рук человеческих есть истинное чудо современной
техники.
Иногда зеркало радиотелескопа, как уже говорилось, делают очень
большим, но неподвижным. При высокой чувствительности подобный телескоп
ограничен в своих возможностях — он всегда направлен на одну и ту же точку
неба.
Впрочем, и неподвижный телескоп все-таки движется, ведь он находиться
на поверхности Земли, а земной шар непрерывно и равномерно вращается вокруг
своей воображаемой оси. Поэтому в поле зрения неподвижного радиотелескопа
постоянно появляются все новые и новые небесные тела, причем наблюдению
доступен довольно широкий круговой пояс неба. Разумеется, через сутки,
когда Земля совершит полный оборот, картины в поле зрения радиотелескопа
снова начнут повторяться.
Радиоприемники присоединенные к антенне радиотелескопа, очень
чувствительны. Если, например, к ним просто подключить какой-нибудь
проводник, то приемник станет реагировать на беспорядочные тепловые
движения в этом проводнике. Яснее говоря, тепловое движение электронов
вызывает на концах проводника беспорядочно меняющиеся напряжения,
пропорциональные температуре проводника. В приемнике эти процессы
приобретут характер «шумов».
Хотя мощность таких помех от антенного устройства ничтожно мала, они
все же, как это не обидно, подчас в десятки, а иногда и в сотни раз
превосходят мощность космического радиоизлучения. Мешают также и шумы,
возникающие в самом приемнике при работе транзисторов.
Шумы, порожденные аппаратурой, как бы маскируются под космическое
излучение. Они похожи друг на друга и усиливаются в приемнике одновременно.
Этим обстоятельством ограничивается чувствительность современных
радиотелескопов. Однако с помощью большого усложнения аппаратуры удается
зарегистрировать сигналы в сто раз более слабые, чем шумы аппаратуры.
При изучении слабых источников космических радиоволн применяют
довольно сложные и хитроумные методы и устройства. позволяющие уловить
неуловимое. И здесь победа остается в конце концов за человеком. Рост
техники радиоастрономии происходит очень бурно, и с каждым годом
радиотелескопы становятся все более и более чувствительными.
Впрочем, уже сейчас чувствительность радиотелескопов вызывает
удивление. Если сравнить энергию излучения, воспринимаемую самыми лучшими
из современных радиотелескопов, с энергией видимого света, посылаемого
звездами, то окажется, что радиотелескопы в тысячи раз чувствительны
гигантских телескопов-рефлекторов. Среди всевозможных приемников
электромагнитных волн радиотелескопы не имеют себе равных.
5.О зоркости радиотелескопов.
Благодаря сложным оптическим явлениям лучи от звезды, уловленные
телескопом, сходятся не в одной точке (фокусе телескопа), а в некоторой
небольшой области пространства вблизи фокуса, образуя так называемое
фокальное пятно. В этом пятне объектив телескопа конденсирует
электромагнитную энергию светила, уловленную телескопом. Если взглянуть в
телескоп, звезда нам
|
