РАДІОАСТРОНОМІЯ КРІЗЬ ПРИЗМУ ІСТОРІЇ

В результаті вивчення даного розділу студент повинен:

знати

  • • історичні етапи розвитку радіоастрономії, її інструментальної бази;
  • • історію відкриття космічного радіовипромінювання, пульсарів, подвійних пульсарів, реліктового випромінювання і його анізотропії;
  • • фізичну сутність методу апертурного синтезу, РСДБ, природу реліктового випромінювання і його анізотропії, механізми генерації випромінювання пульсара і подвійного пульсара;

вміти

  • • аналізувати конструктивні особливості найбільших радіотелескопів і РСДБ, відкриттів, зроблених з їх допомогою;
  • • оцінювати внесок М. Райла в розвиток методу апертурного синтезу, Е. Хьюіша у відкриття пульсарів, Дж. Тейлора-мл. і Р. Халса в виявлення подвійних пульсарів, Г. А. Гамова в створення теорії «гарячого Всесвіту», А. Пензиасом і Р. Вільсона у відкриття реліктового випромінювання, супутників «Прогноз-9» (експеримент «Релікт-1»), « СОВЕ »,« WMAP »в виявлення і дослідження анізотропії реліктового випромінювання;
  • • обговорювати біографії видатних вчених-радіоастрономів;

володіти

• навичками оперування основними поняттями радіоастрономії.

Ключові терміни: космічне радіовипромінювання, радіотелескоп, радіоінтерферометрія з наддовгих базою (РНДБ), пульсари, подвійні пульсари, реліктове випромінювання, анізотропія реліктового випромінювання.

Історія радіоастрономії почалася в 1932 р з відкриття космічного радіовипромінювання американським інженером Карлом Янським (1905-1950). Вивчаючи в квітні 1933 року на Холмделском полігоні компанії «Белл» атмосферні радіоперешкоди в метровому діапазоні хвиль, він виявив постійний радіошум невідомого походження, джерело якого ототожнив з Чумацьким Шляхом. Однак відкриття янського не відразу було помічено астрономами. Тільки в 1939 р інший американський радіоінженер, Гроут Ребер (1911-2002), зацікавившись природою космічного радіовипромінювання, продовжив ці дослідження. У 1937 р він самостійно спроектував і побудував у дворі свого будинку в Уітоні (передмістя Чикаго) перший радіотелескоп з параболічною антеною (діаметром 9,5 м). Протягом п'яти років Ребер проводив радіоастрономічні вимірювання і в 1942 році видав першу радіокарту всього північного неба.

На відміну від янського, помістив статтю в технічному журналі, Ребер направив свою роботу в провідне астрономічне видання - «Астрофізичний журнал». Стаття Ребера привернула, нарешті, увагу астрономів і радіофізиків. Однак Друга світова війна призупинила роботи з радіоастрономії. У цей час почала швидко розвиватися радіолокація як важливий напрямок нової техніки. Саме на радіолокаційної станції в Англії Джеймс Стенлі Хей (1909- 2000) в 1942 р експериментально виявив радіовипромінювання Сонця на довжинах хвиль 4 і 8 м. Проводилися в США в другій половині 1942 р спостереження Джорджа Кларка Саутворт (1890-1972) підтвердили існування радіовипромінювання Сонця і на сантиметрових хвилях.

Радіолокаційна техніка, її великі антенні системи і високочутливі приймачі в перші повоєнні роки багато в чому сприяли розвитку радіоастрономії. Астрономи і інженери зрозуміли, що для вимірювання космічного радіовипромінювання потрібні радіотелескопи набагато більших розмірів, ніж антени янського і Ребера. Уже в 1947 р в Великобританії, в університеті міста Манчестера, був побудований нерухомий параболічний радіотелескоп діаметром 66 м. У 1950 р з його допомогою вдалося зафіксувати слабке радіовипромінювання від туманності в сузір'ї Андромеди. У 1957 р поблизу Манчестера, в містечку Джодрелл-Бенк був споруджений повертається 76-метровий радіотелескоп, в 1961 р став до ладу 64-метровий радіотелескоп в Парксі (Австралія), а в 1962 р - 92-метровий меридіанний радіотелескоп обсерваторії Грін -Бенк (США).

Найбільшим у світі радіотелескопом із заповненою апертурою є 305-метровий радіотелескоп з параболічною антеною, побудований в 1963 р в Аресібо (кратер погаслого вулкана) на острові Пуерто-Ріко (рис. 22.1). Ідея його будівництва належить американському фізику і астроному Вільяму Едварду Гордону (1918-2010).

Радіотелескоп в Аресібо

Мал. 22.1. Радіотелескоп в Аресібо

Радіотелескоп в Аресібо сконструйований, побудований і експлуатується Національним центром астрономічних і іоносферних досліджень США. На висоті 150 м над поверхнею гігантського нерухомого дзеркала укріплена на сталевих тросах 600-тонна платформа. Рухома частина платформи повертається навколо власної осі. По рейках уздовж платформи переміщається керована комп'ютером кабіна з облучателями і приймачами - так радіотелескоп наводиться на досліджуваний джерело. Володіючи величезною площею, цей радіотелескоп є найчутливішим в світі.

Працюючи як радіолокатор, він може «дотягнутися» до Сатурна! Радіотелескоп в Аресібо може служити і передавальною антеною (в такому режимі були проведені унікальні експерименти по радіолокації Сонця, Місяця і планет Сонячної системи). Примітно, що з його допомогою вдалося виміряти періодичність випромінювань пульсара в Крабовидної туманності і провести аналогічні вимірювання для інших подібних об'єктів. Ці дослідження дозволили підтвердити існування нейтронних зірок. Забігаючи наперед, відзначимо, що на цьому ж радіотелескопі був виявлений перший подвійний пульсар PSR в1913 + 16 (1974).

Одним з найбільших радіотелескопів в світі також є РАТАН-600 (скорочення від радіотелескопів Академії Наук) - радіотелескоп діаметром близько 600 м, що розташовується в Росії недалеко від станиці Зеленчукская (Північний Кавказ) на висоті 970 м над рівнем моря. Телескоп складається з 895 прямокутних відображають елементів розмірами 11,4 х х 2 м, розташованих по колу з діаметром 576 м. Коло розділений на 4 сектори по сторонах світу. Що відображають елементи кожного сектора фокусуються на приймачі випромінювання (так званому облучателе), охолоджується рідким азотом і плаваючому на протівовібраціонной платформі в метровому басейні рідкої ртуті. В основу конструювання РАТАН-600 було покладено ідею вітчизняних вчених Семена Еммануїлович Хайкіна (1901-1968) і Наума Львовича Кайдановського (1907- 2010), що запропонували антени змінного профілю для проведення радіоастрономічних досліджень.

Радіотелескоп РАТАН-600 призначений для виявлення космічних джерел радіовипромінювання, дослідження радіовипромінювання зірок, тіл Сонячної системи, областей підвищеного радіовипромінювання на Сонце, виявлення сигналів штучного походження (від позаземних цивілізацій) і ін. В даний час науковим керівником об'єкта РАТАН-600 є академік РАН Юрій Миколайович Парийский (р. 1932).

Важливим етапом розвитку інструментальної бази радіоастрономії була поява радіоінтерферометрів і створення методу апертурного синтезу. У 1950-ті рр. для досягнення більш високого кутового дозволу астрономи почали використовувати радіоінтерферометри - інструменти, які складаються як мінімум, з двох рознесених антен, пов'язаних між собою кабельною лінією зв'язку. Завдяки їх використанню вдалося визначити точні координати багатьох радіоджерел.

Метод отримання високого кутового дозволу при використанні радіоінтерферометрів називається апертурним синтезом. Він був запропонований в 1959 р Мартіном Райлі і його колегами в Кембриджському університеті. Розташувавши дві антени на відстані багатьох довжин хвиль один від одного, Райл підключив їх до одного приймача. Використовуючи цей простий радіоінтерферометр, він встановив, що випускання радіохвиль сонячними плямами відбувається з дуже невеликих областей.

Мартін Райл (1918-1984) - англійський радіоастроном, народився в Оксфорді, закінчив Оксфордський університет. З 1939 по 1945 рр. Райл брав участь в роботах по створенню та вдосконаленню переносного радара для військових цілей і радіосистем в Науково-дослідному центрі телекомунікацій, де вперше зустрівся з Е. Хьюишем. У 1945 р Райл отримав стипендію для роботи в Кавендішської лабораторії. Незабаром Райл став рушійною силою у створенні астрономічної інтерферометрії і апертурного синтезу, за допомогою яких був зроблений величезний внесок у поліпшення якості радіоастрономічних даних. У 1946 р він побудував перший багатоелементний астрономічний радіоінтерферометр. З 1948 по 1959 рр. Райл викладав в Кембриджі, в 1957 році він став директором радіоастрономічної обсерваторії Маллард, а в 1959 р - професором радіоастрономії. У 1974 р

М. Райлі був удостоєний Нобелівської премії з фізики «за результати наукових спостережень і винаходи, особливо техніки апертурного синтезу». Помер вчений 16 жовтня 1984 р

У 1963 р, використовуючи значно зрослі обчислювальні потужності комп'ютерів, Райл побудував телескоп з тре керованими 60-футовими параболічними антенами-відбивачами, дві з яких були закріплені на відстані 0,5 милі один від одного, а третя змонтована на пересувній платформі довжиною 2500 футів . Саме за допомогою трехантенного телескопа вперше були отримані деталі структури радиогалактик.

Проведені Райлі дослідження небесних радіоджерел, більшість з яких дуже далекі і занадто слабкі для того, щоб їх можна було виявити за допомогою оптичних телескопів, показали, що деякі з найбільш інтенсивних радіоджерел є квазари. У 1974 р М. Райл і інший англійський астроном Ентоні Х'юіш були удостоєні Нобелівської премії з фізики: М. Райл - «за результати наукових спостережень і винаходи, особливо техніки апертурного синтезу», Е. Хьюіш - «за його вирішальну роль у відкритті пульсарів ».

Ентоні Хьюіш (р. 1924) - англійський радіоастроном, народився в м Фой (графство Корнуолл, Великобританія). У 1943 р він закінчив Кембриджський університет, в 1946 р був запрошений в Маллардовскую радіоастрономічну обсерваторію Кембриджського університету, в 1982 р став її директором. З 1951 р Хьюіш викладав в Кембриджському університеті, в 1971 р став професором радіоастрономії Кавендішської лабораторії. Основні наукові результати, отримані Хьюишем, пов'язані зі зробленим ним в 1964 р відкриттям мерехтінь дискретних радіоджерел малих кутових розмірів. Створення апаратури, що дозволяла реєструвати швидкі зміни радіопоток, дозволило йому оцінювати розміри радіоджерел і вивчати характеристики сонячного вітру. За допомогою радіотелескопу, призначеного для подібних вимірів, були відкриті особливі пульсуючі радіоджерела зі стабільними характеристиками імпульсного випромінювання. Увага Хьюіша на ці об'єкти звернула його аспірантка Дж. Белл, а перше повідомлення про них з'явилося в Твитнуть 9 лютого 1968 р Наукові заслуги Хьюіша відзначені численними нагородами. У 1974 р він був удостоєний Нобелівської премії з фізики «за його вирішальну роль у відкритті пульсарів».

Розглянемо тепер принцип дії однієї з найвідоміших і найбільших систем апертурного синтезу - VLA (Very Large Array - «Велика Антенна Решітка»), створеної в США в 1981 р Система VLA складається з 27 рухомих радіотелескопів, розміщених поблизу Сокорро (шт. Нью- Мексико). Всі телескопи в цих центрах спостереження безпосередньо з'єднані між собою кабелями або хвилеводами, а досягається роздільна здатність становить близько 1 ". За допомогою інтерферометра VLA можна побачити радиоисточник розміром з кульку для гольфу з відстані 150 км! За допомогою радіотелескопу VLA вчені ведуть важливі дослідження різних небесних тіл , зокрема визначають склад пролітають повз комет, галактик і скупчень галактик, квазарів і областей іонізованого водню. Цей телескоп також приймає слабкі радіосигнали від міжпланетних космічний чеських лабораторій. В даний час закінчуються роботи з удосконалення VLA.

Найбільш потужними джерелами радіосигналів у Всесвіті є радіогалактики і квазари. Зараз їх найдрібніші деталі спостерігають за допомогою мережі радіотелескопів, розосереджених по всій земній кулі. Такий метод дослідження в радіоастрономії, що забезпечує виключно високий дозвіл, називається радіоінтерферометрів з наддовгих базою (РНДБ). Ідею РСДБ запропонували в 1965 р Микола Семенович Кардашев (р. 1932), учень І. С. Шкловського, нині академік РАН, Л. І. Матвеенко і Г. Б. Шоломицький. В даний час РСДБ широко застосовують для вирішення астрометричних і астрофізичних завдань.

Подальшим кроком у розвитку радіоінтерферометрії з наддовгих базою стало створення мереж радіотелескопів на основі РСДБ з декількох радіотелескопів, які керуються з єдиного центру і наводяться на один об'єкт; вони можуть працювати в різних діапазонах довжин хвиль. Вимірювальну інформацію піддають спільного обробітку, що дозволяє отримувати більш докладні відомості про спостережуваний об'єкт, ніж дає одна пара радіотелескопів. Для ультракоротких довжин хвиль (міліметрового діапазону) можна досягти дозволу порядку 0,00003 кутовий секунди, що в мільйон разів перевищує дозвіл людського ока.

У Росії створено найбільший в світі наземно-космічний радіотелескоп на основі РСДБ - «Радіоастрон», науковим керівником якого є Н. С. Кардашев. Основу проекту складає наземно-космічний інтерферометр, що складається з мережі наземних радіотелескопів і космічного радіотелескопу, встановленого на космічному апараті «Спектр-Р». Космічний радіотелескоп з приймальні параболічною антеною діаметром 10 м був запущений 18 липня 2011 року з космодрому Байконур. Космічна радиообсерватории працює як гігантська інтерферометрична мережу розміром з навколоземну орбіту, з базою між супутником і системою наземних радіотелескопів. Використовуючи такий інтерферометр, можна отримати виключно високу кутовий дозвіл і побудувати високо деталізовані зображення небесних об'єктів.

За перший рік роботи за допомогою цього радіотелескопу проведені спостереження 29 активних ядер галактик, 9 пульсарів, 6 джерел мазерних ліній в районах утворення зірок і планетних систем. Міжнародною групою дослідників ядер активних галактик отримано перше зображення швидкозмінних активної галактики 0716 + 714 на довжині хвилі 6,2 см за результатами спостережень «Радіоастрон» спільно з Європейською мережею радіотелескопів, що працюють на принципах РСДБ. Про деякі сучасних радіотелескопах і системах на основі РСДБ буде викладено в заключній частині підручника.

Після невеликого знайомства з методами і експериментальною базою радіоастрономії перейдемо до обговорення історії відкриття реліктового випромінювання, пульсарів, подвійних пульсарів, анізотропії реліктового випромінювання.

Гіпотезу про існування реліктового випромінювання (термін запропонував радянський астрофізик Йосип Самуїлович Шкловський ) висловив в 1946 р відомий радянський і американський вчений Георгій Антонович Гамов. Він розробляв теорію нуклеосинтеза в гарячого Всесвіту і передбачив існування теплового електромагнітного випромінювання зі спектром абсолютно чорного тіла.

Йосип Самуїлович Шкловський (1916-1985) - радянський астрофізик, член-кореспондент АН СРСР, народився в 1916 р в Глухові (Україна). У 1931 р він закінчив школу-семирічку в Акмолинської (Казахстан), в 1931-1932 рр. працював на будівництві залізниць. Шкловський навчався спочатку в Далекосхідному університеті, потім на фізичному факультеті МГУ, який закінчив з відзнакою в 1938 р У тому ж році він вступив до аспірантури Державного астрономічного інституту ім. П. К. Штернберга (ГАІШ).

З 1941 р Шкловський працював в ГАІШ, в 1953 р очолив відділ радіоастрономії в цьому інституті. З 1968 р він був також співробітником Інституту космічних досліджень (ІКД АН СРСР), де в 1969 р створив відділ астрофізики.

Основні праці Шкловського пов'язані зі створенням сучасної еволюційної астрофізики. Він автор кількісної теорії сонячної корони і теорії іонізації і радіовипромінювання Сонця. Шкловський вперше сформулював один з поширених механізмів генерації сплесків сонячного радіовипромінювання, згідно з яким плазмові коливання викликаються проходженням через корону прискорених частинок (1944-1949). Розрахунковим шляхом він показав, що інтенсивність радіохвиль нейтрального водню (довжина хвилі 21 см) в Галактиці достатня для їх виявлення за допомогою наявного тоді (1949) обладнання. Через два роки лінія 21 см була виявлена, що довело можливість детального вивчення будови і динаміки міжзоряного середовища.

Ще один напрямок наукових досліджень Шкловського - залишки спалахів наднових. Вчений ототожнив з цими об'єктами певний клас дискретних радіоджерел і витлумачив їх випромінювання як прояв досконалого особливого емісійного механізму - синхротронного. Це дозволило пояснити періодичність світіння Крабовидної туманності в усьому спостерігається діапазоні довжин хвиль (1953). Синхротронного природа радіовипромінювання залишків наднових стала незаперечним доказом того, що ці об'єкти є найважливішими джерелами первинних космічних променів в Галактиці. Широке визнання отримав також цикл робіт Шкловського про природу планетарних туманностей (1955). Він запропонував еволюційну модель, згідно з якою планетарні туманності - це закономірний етап розвитку червоних гігантів помірної маси.

Шкловський плідно працював і в багатьох інших областях сучасної астрофізики (випромінювання квазарів, природа рентгенівських і гамма-джерел), брав активну участь в постановці астрономічних космічних досліджень (експеримент «Штучна комета», 1960 г.). Багато його учнів стали відомими вченими. Відомий він і своєї науково-популяризаторської діяльністю. Його книга «Всесвіт, життя, розум», що витримала кілька видань, привернула значну увагу до проблеми існування розумного життя за межами Землі. Помер Шкловський в Москві в 1985 р

Георгій Антонович Гамов (1904-1968) - радянсько-американський фізик-теоретик, народився в Одесі. У 1922-1923 рр. він навчався в Одеському (до революції - Імператорський Новоросійський) університеті, потім - в Петроградському (з 1924 р - Ленінградський) університеті. У 1926 р Гамов його закінчив. У 1928-1931 рр. він був стипендіатом в Геттінгенському, Копенгагенському та Кембриджському університетах. У 1931-1933 рр. Гамов на запрошення А. Іоффе працював консультантом відділу фізики ядра Ленінградського Фізико-технічного інституту АН СРСР і одночасно старшим радіологом Державного радієвого інституту (м Ленінград). У 1933 р він брав участь в роботі Сольвеєвський конгресу в Брюсселі, після якого не повернувся в СРСР. У 1934 р Гамов емігрував в США, до 1956 року він був професором університету Джорджа Вашингтона, з 1956 р - університету штату Колорадо. У 1928 р, працюючи в Геттінгенському університеті, Гамов сформулював квантово-механічну теорію а-розпаду (незалежно від Р. Герні і Е. Кондона). Він показав, що частинки навіть з не дуже великою енергією можуть з певною ймовірністю проникати через потенційний бар'єр (тунельний ефект). Зацікавившись зв'язком між ядерними процесами та космологією, в 1937-1940 рр. Гамов побудував першу послідовну теорію еволюції зірок з термоядерним джерелом енергії. У 1942 році він запропонував спільно з Е. Теллером теорію будови червоних гігантів. У 1946-1948 рр. Гамов розробив теорію утворення хімічних елементів шляхом послідовного нейтронного захоплення та модель «гарячого Всесвіту» (теорію «Великого Вибуху»), в рамках якої передбачив існування реліктового випромінювання і оцінив його температуру.

У 1954 р інтереси Гамова змістилися в область біології. Він першим запропонував концепцію генетичного коду, запропонувавши модель, основу якої складають триплети нуклеотидів. Ця гіпотеза отримала подальше підтвердження з подальшим розвитком молекулярної генетики. Широку популярність Гамову принесли його науково-популярні твори, в яких цікаво та доступно розповідається про сучасні наукові концепції. Помер Гамов 19 серпня 1968 р

У роботі 1953 рік, виконаної більш ніж за десятиліття до відкриття реліктового випромінювання, Гамов зробив теоретичний прогноз температури цього випромінювання. Він оцінив її в 7 К, що згодом добре співпало з виміряним значенням - близько 3 К.

Близько 1964 р до відкриття реліктового випромінювання наблизився відомий фізик-експериментатор з Прінстона Роберт Генрі Дікке (1916-1997). Хоча його міркування грунтувалися на теорії «осциллирующей» Всесвіту, яка багаторазово відчуває розширення і стиснення, Дікке ясно розумів необхідність пошуку реліктового випромінювання. За його ініціативою в початку 1965 р молодий теоретик Джим Піблс (р. 1935) провів необхідні обчислення, а П. Ролл і Д. Уілкінсон почали споруджувати малошумящими антену на даху Пальмеровскій фізичної лабораторії в Прінстоні. Але група Дікке не встигла зробити заплановане відкриття: коли їх апаратура вже була готова, їм залишалося лише підтвердити відкриття, зроблене випадково іншими радіоастрономії.

У 1960 р в Кроуфорд-Хіллі (Холмдел, шт. Нью-Джерсі, США) була побудована антена для прийому радіосигналів, відбитих від супутника-балона «Ехо». До 1963 року для роботи із супутником ця антена була вже не потрібна, і американські інженери Арно Аллан Пензіас і Роберт Вудро Вільсон з компанії Bell Labs вирішили використовувати її для радіоастрономічних спостережень (рис. 22.2).

Арно Аллан Пензіас (р. 1933) - американський астрофізик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1978), народився в Мюнхені.

На початку 1940 року його сім'я переїхала в Нью-Йорк. У 1947 р Пензиас надійшов в Бруклінському технічну школу. З кінця 1956 року він навчається в аспірантурі Колумбійського університету, де викладали І. А. Раби, П. Куш, Лі Цзундао і Ч. Таунс. Під керівництвом Таунса Пензиас зібрав мазер, що використовувався як підсилювач в мікрохвильовому приймачі, що стало частиною його докторської дисертації. Розрахований на довжину хвилі 21 см, мазер, на думку Пензиасом, повинен був допомогти визначити вміст водню в ряді галактик. Однак отриманий спектр не містив ліній водню. Пензиас звернувся до директора лабораторії радіодослідження компанії «Белл» Р. Компфнер за дозволом повторити експеримент. Компфнер запропонував Пензиасом постійну роботу в 1961 р

Коли до 1963 р антена виконала відведену їй роль, Пензиас і Вільсон переробили її в радіоастрономічний телескоп, за допомогою якого вони і виявили мікрохвильове реліктове випромінювання. Пензиасом виконаний також ряд досліджень по структурі міжзоряних хмар молекулярного водню, визначення ізотопного складу молекул в міжзоряному просторі і на Землі. Компанія «Белл», визнаючи видатні організаційні здібності Пензиасом, довірили йому ряд управлінських посад. З 1972 р він є також членом вченої ради відділення астрофізичних досліджень в Прінстонському університеті.

Антена, за допомогою якої було відкрито реліктове випромінювання

Мал. 22.2. Антена, за допомогою якої було відкрито реліктове випромінювання

Роберт Вудро Вільсон (р. 1936) - американський радіоастроном, лауреат Нобелівської премії з фізики (1978), народився в Х'юстоні (шт. Техас). З 1957 р Вільсон почав аспірантську роботу в Каліфорнійському технологічному інституті в Калтесі

(США). Докторську дисертацію Вільсон захистив в 1962 р Потім він поступив в лабораторію компанії «Белл». Працюючи над новим типом антен, Вільсон і Пензіас виявили реліктове випромінювання. У 1976 р Вільсон був призначений главою радіофізичного дослідного відділу в компанії «Белл». Два роки по тому він став ад'юнкт-професором Університету штату Нью-Йорк. Після того як Вільсон отримав Нобелівську премію, він залишився працювати на установці в Холмделе, де досліджував темні газові хмари в Чумацькому шляху.

В даний час Вільсон є старшим науковим співробітником Смітсоніанською астрофізичної обсерваторії, об'єднаної з Гарвардської університетської обсерваторією. Він проводить радіоастрономічні дослідження за допомогою радіоінтерферометра SMA (Submillimeter Array - «субміліметровий решітка», Мауна Кеа, Гаваї), що працює в міліметровому і субміліметровому діапазонах довжин хвиль.

В першу чергу вченими передбачалося провести за допомогою антени вимірювання радіовипромінювання міжзоряного середовища нашої Галактики на довжині хвилі 7,35 см. При цьому Пензиас і Вільсон не знали про теорію гарячого Всесвіту і не збиралися шукати реліктове випромінювання.

У 1964 р Пензиас і Вільсон виявили, що вони приймають на довжині хвилі 7,35 см помітне кількість мікрохвильового шуму, що не залежить від напрямку. Вони знайшли, що цей «статичний фон» не змінюється в залежності від часу доби, а пізніше виявили, що він не залежить і від пори року. Коли всі джерела перешкод були ретельно проаналізовані та враховані, Пензиас і Вільсон змушені були зробити висновок, що випромінювання приходить з космосу, причому з усіх боків і з однаковою інтенсивністю. Виявилося, що космічний простір випромінює так, як ніби-то воно нагрівається до температури, що лежить в межах від 2,5 до 4,5 К.

Так, було зроблено чудове відкриття, що доводить, що Всесвіт на початку розширення була гарячою. У 1978 р Пензиас і Вільсон розділили половину Нобелівської премії з фізики «за відкриття космічного мікрохвильового фонового випромінювання». Другу половину премії отримав П. Л. Капіца «за фундаментальні дослідження та відкриття в галузі фізики низьких температур».

У наступні роки на різних довжинах хвиль від десятків сантиметрів до доль міліметра були проведені численні вимірювання реліктового випромінювання. Спостереження показали, що його спектр відповідає формулі Планка, як це і повинно бути для випромінювання з певною температурою. Підтвердилося також, що ця температура приблизно дорівнює 3 К. В подальшому найбільш точні вимірювання реліктового випромінювання були проведені з космосу. Тут необхідно назвати експеримент «Релікт-1», виконаний на радянському супутнику «Прогноз-9» (1983-1984) і експеримент «DMR» на американському супутнику «СОВЕ» (1989-1993). Саме останній експеримент дозволив найточніше визначити температуру реліктового випромінювання: 2,725 ± 0,002 К. До досліджень цих супутників ми ще повернемося, а зараз перейдемо до розгляду історії відкриття першого пульсара.

В середині 1960-х рр. радіоастрономи Великобританії вирішили провести перший повний огляд північної півкулі неба по виявленню мерехтливих радіоджерел на довжині хвилі 75 см. Роботу з аналізу спостережень доручили аспіранткою Кембриджського університету Джоселін Белл Бернелл (р. 1943). Її науковим керівником і організатором всієї програми досліджень був Ентоні Хьюіш (р. 1924). У 1967 р було завершено будівництво меридіанного радіотелескопа для дослідження впливу сонячної корони на випромінювання від далеких точкових джерел. Дж. Белл початку з його допомогою пошук радіоджерел з швидко і помітно змінюється амплітудою сигналу на довжині хвилі 3,5 м. Одного разу вона знайшла швидкозмінних джерело - «перешкоду», яка спостерігалася пізно вночі, коли мерехтливих джерел не повинно було бути.

Хьюіш, Белл і інші члени кембріджської групи зробили спеціальний запис «перешкоди» з підвищеною швидкістю самописця. Вони виявили, що дивний сигнал являє собою періодичні короткі імпульси, точність повторення яких просто феноменальна. Спочатку астрономи навіть вважали, що виявили сигнали позаземної цивілізації. Перші спеціальні записи періодичного сигналу були зроблені 28 листопада 1967 року, а публікація про відкриття з'явилася лише в лютому 1968 г. За цей час Белл знайшла в своїх записах ще декілька подібних джерел. За імпульсного характеру випромінювання вони були названі пульсарами. Імпульси слідували один за іншим з чітко витримується періодом в 1,34 с.

Відразу після відкриття до пошуків пульсарів підключилися найбільші радиообсерватории світу. На 2008 р вже було відомо близько 1790 радіопульсаров. Найближчі з них розташовані на відстані близько 390 св. років від Сонця. Найбільш детально досліджений пульсар PSR В0531 + 21, розташований в Крабовидної туманності. Цей об'єкт робить 30 обертів на секунду (період пульсара дорівнює 0,033 с). Він утворився менше тисячі років тому (спалах наднової на цьому місці в сузір'ї Тельця спостерігали на Землі в 1054 р). Цікаво відзначити, що в 1965 р Н. С. Кардашев розрахував модель генерації магнітного поля нейтронної зіркою в Крабовидної туманності. Ця робота була виконана за три роки до відкриття пульсарів і, звичайно, самого терміна «пульсар» в той час не існувало. Теорія випромінювання пульсара в Крабовидної туманності була розвинена І. С. Шкловским в 1970 р

У 1968 р британський астроном Томас Голд (1920-2004) запропонував теорію, згодом підтвердилася, згідно з якою пульсар є швидко обертається навколо власної осі нейтронну зірку з сильним магнітним полем, що становить ~ 10 12 -10 13 Гс (для порівняння у Землі його значення становить ~ 1 Гс), оточену хмарою розрідженого газу (плазми), яке випускає обертається промінь.

В даний час встановлено, що нейтронні зірки - це заключна фаза еволюції масивних зірок. Відзначимо, що пульсари випромінюють не тільки в радіодіапазоні, але також в оптичному, рентгенівському і гамма-діапазонах. Зараз дослідження пульсарів проводяться за допомогою найдосконаліших телескопів, оскільки для реєстрації їх імпульсного випромінювання потрібна гранично висока чутливість.

Відкриття пульсарів в 1967 р стало найбільшою віхою в розвитку радіоастрономії поряд з відкритими за кілька років до цього квазарами (перший квазар, ЗС 48, був виявлений в кінці 1950-х рр. А. Сендіджа і Т. Метьюзом) і реліктовим випромінюванням. Наступним великим досягненням радіоастрономії прийнято вважати виявлення подвійних пульсарів. Нобелівський комітет Шведської Королівської академії наук присудив премію 1993 р фізики американським астрофізикам Джозефу хотон Тейлору-мл. (р. 1941) і Расселу Алану Халса (р. 1950) за відкриття і дослідження першого подвійного радиопульсара.

Аспірант Р. Халс разом зі своїм науковим керівником Дж. Тейлором, проводячи 2 липня 1974 р спостереження на 300-метро-вом радіотелескопі в Аресібо, виявили в сузір'ї Орла подвійний пульсар PSR в1913 + 16. Він являє собою швидко обертається сверхплотную нейтронну зірку з сильним магнітним полем, яка входить до складу подвійної системи і рухається по дуже витягнутій орбіті з періодом ~ 6,75 ч. При цьому середня швидкість руху пульсара становить ~ 200 км / с!

Відкриття подвійного пульсара PSR в1913 + 16 схвилювало наукове співтовариство, особливо астрофізиків і фахівців з ОТО. Як виявилося, подвійні радіопульсари є унікальними об'єктами для експериментальної перевірки наслідків ОТО, справедливість якої могла бути підтверджена з недоступною раніше точністю. Були досліджені відомі релятивістські ефекти: уповільнення ходу часу на рухомому тілі і гравітаційне червоне зміщення в поле тяжіння. Це дало можливість найбільш точно обчислити масу самого пульсара, яка опинилася рівної 1,4411 маси Сонця. Проведені 15-річні високоточні спостереження за Пульсаром PSR в1913 + 16 дали можливість побічно перевірити одне з найбільш цікавих наслідків ОТО - існування гравітаційних хвиль. Як випливає з теорії, два тіла, що обертаються по орбіті, повинні випромінювати гравітаційні хвилі, які забирають енергію і змінюють орбітальний кутовий момент, через що орбіта повинна постійно стискатися. Для параметрів подвійного пульсара PSR в1913 + 16 теорія передбачає зменшення орбітального періоду зі швидкістю всього 75,8 мікросекунд в рік. Отримані до 1991 р Тейлором результати дали значення 76 ± 0,3 мікросекунди на рік, що блискуче підтвердило теоретичні очікування!

В даний час відкрито понад 40 подвійних пульсарів, деякі з яких можуть бути використані як лабораторії для перевірки ОТО.

На закінчення історичного огляду розвитку радіоастрономії обговоримо відкриття анізотропії реліктового випромінювання (різниця температури реліктового випромінювання в різних напрямках на небі). Вона була відкрита в СРСР в ході експерименту «Релікт-1» за допомогою космічного апарату серії «Прогноз» (1983-1984). Експеримент «Релікт-1» проводився на супутнику «Прогноз-9». Апаратура супутника працювала півроку, картографіруя небесну сферу. В результаті була отримана карта всього неба на довжині хвилі 8 мм.

У січні 1992 р на науковому семінарі в ГАІШ (Державному астрономічному інституті ім. П. К. Штернберга) А. А. Брюханов виступив від імені всієї групи (в цю групу, крім Брюханова, входили: керівник експерименту

І. А. Струков, Д. П. Скулачов і М. В. Сажин) з повідомленням про виявлення анізотропії. До цього часу створений НАСА космічний апарат «СОВЕ» перебував на навколоземній орбіті вже майже два роки. Цей космічний супутник, названий по абревіатурі терміна «Cosmic Background Explorer» ( «Дослідник Космічного Фону») також був спрямований на вивчення реліктового випромінювання. На відміну від «Прогнозу-9» супутник «СОВЕ» був багаточастотним і багатоцільовим інструментом.

Основний науковий комплекс «DMR» (Differential Microwave Radiometer - «диференційний мікрохвильової радіометр»), керівником робіт на якому був Джордж Смут (р. 1945), складався з декількох радіометрів, налаштованих на три частоти: 32, 53 і 90 ГГц. Саме він і був призначений для виявлення анізотропії реліктового випромінювання.

Друга за значенням роль належала комплексу «FIRAS» (Far InfraRed Absolute Spectrophotometer - «довгохвильовий інфрачервоний абсолютний спектрофотометр»). Основним завданням цього приладу було вимір спектра реліктового випромінювання в діапазоні від 100 мкм до 1 см в кожному з 1000 дільниць неба. Відхилення від спектра абсолютно чорного тіла вимірювалися з точністю до 1/1000. Керував проектом «FIRAS» Джон Кромвелл Мазер (р. 1946).

Нарешті, останній науковий комплекс «СОВЕ» називався «DIRBE» (Diffuse InfraRed Background Experiment - «вимірювач дифузного інфрачервоного фону»). «DIRBE» призначався для детектування слабкого світіння від зірок і галактик «ранньому Всесвіті».

В кінці квітня 1992 р Смут на прес-конференції оголосив про відкриття анізотропії реліктового випромінювання. Незабаром і інші дослідницькі групи підтвердили існування анізотропії реліктового випромінювання в середніх кутових масштабах. Ці експерименти проводилися за допомогою наземних радіотелескопів і в ході проведення балонних (здійснюваних з повітряних куль) експериментів. У 2006 р Нобелівська премія з фізики була присуджена Дж. Мазер і Дж. Смуту «за відкриття чернотельной структури і анізотропії космічного фонового випромінювання».

Кутовий дозвіл перших спостережень в експериментах «Релікт-1» і «СОВЕ» було дуже невелике, приблизно 7 °, тому інформація про флуктуаціях реліктового випромінювання була неповною. Важливим етапом в дослідженні анізотропії реліктового випромінювання став запуск супутника «WMAP» (абревіатура від Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Апарат «WMAP» зміг побудувати детальну карту розподілу інтенсивності реліктового випромінювання по небесній сфері. На основі цих даних зараз ведеться уточнення космологічних моделей і уявлень про еволюцію галактик. Крім того, вдалося з безпрецедентною точністю визначити величезну кількість найважливіших космологічних параметрів (наприклад, постійну Хаббла - 72 ± 2 км / с / Мпк, вік Всесвіту - 13,4 ± 0,3 млрд років і ін.).

Космічні апарати-лабораторії «СОВЕ» і «WMAP» ініціювали розвиток інших областей дослідження, як в космології, так і у фізиці елементарних частинок. Сучасні космологічні дослідження ставлять собі за мету точніше визначити те, що відбувалося в ті моменти еволюції Всесвіту, коли з'явилося реліктове випромінювання.

Нещодавно завершив свою місію астрономічний супутник Європейського космічного агентства «Планк», створений для вивчення варіацій мікрохвильового фону. Він був запущений разом з орбітальним інфрачервоним телескопом «Гершель» 14 травня 2009 року з космодрому Куру на борту ракети-носія «Аріан-5». Супутник «Планк» несе на собі два набори радіоізмерітель- них приладів. Один з них складено з 4 радіометрів і призначений для огляду неба на частотах від 30 до 100 ГГц. Це так званий інструмент низьких частот. Другий набір складається з 6 болометрів (теплових приймачів випромінювань), він називається «інструмент високих частот» і призначений для побудови карти неба на частотах від 100 до 857 ГГц. Чутливість апаратури супутника приблизно в 30 разів вище, ніж в експерименті «СОВЕ», а точність вимірювань становить одну п'ятимільйонну частку градуса. Це дає можливість виявити дуже слабкі флуктуації температури реліктового випромінювання, що вносяться, зокрема, галактиками і скупченнями галактик. Маючи таку точність, можна буде обчислити такі параметри, як кривизна простору - часу, внесок темної енергії і нормального речовини в розподіл маси і енергії.

Після 15 місяців роботи 26 листопада 2010 р «Планк» успішно закінчив основну частину місії і перейшов до розширеної частини, під час якої супутник продовжить огляд неба до повного вичерпання охолоджуючого речовини. Остаточні результати, отримані в ході експерименту, планувалося опублікувати в 2013 р

Резюмуючи, відзначимо, що радіоастрономія знаходиться на передньому фронті астрофізичних досліджень. Володіючи самими чутливими приймачами випромінювання, вона вивчає найбільш віддалені об'єкти у Всесвіті. Сучасна радіоастрономія забезпечує і найвище кутовий дозвіл. Високочутливі і високоякісні радіоастрономічні дослідження унікальних і багато в чому ще загадкових об'єктів Всесвіту, безсумнівно, принесуть нові захоплюючі відкриття.

На цьому завершується історичний огляд основних напрямків досліджень і відкриттів періоду розвитку так званої некласичної фізики. Хронологія наукових подій (праць, відкриттів, винаходів, технічних досягнень) в історії фізики цього періоду наведена в Додатку 1.

Контрольні питання

  • 1. Які вчені вважаються основоположниками радіоастрономії?
  • 2. Коли був сконструйований перший радіотелескоп?
  • 3. Який радіотелескоп вважається найбільшим в світі? Які відкриття були здійснені за допомогою цього пристрою?
  • 4. Для яких цілей використовується радіотелескоп РАТАН-600?
  • 5. Що називають: а) радіоінтерферометром; б) методом апертурного синтезу?
  • 6. Як влаштована система апертурного синтезу VLA?
  • 7. Який метод запропонували в 1965 р Н. С. Кардашев, Л. І. Матвеенко і Г. Б. Шоломицький?
  • 8. Чому проект «Радіоастрон» відносять до наземно-космічних засобів на основі РСДБ?
  • 9. Які радіоастрономічні відкриття удостоєні Нобелівської премії?
  • 10. Ким було передбачене існування реліктового випромінювання?
  • 11. Чому дорівнює температура реліктового випромінювання?
  • 12. Як був відкритий перший пульсар?
  • 13. Що являє собою пульсар відповідно до теорії Голда?
  • 14. Які ефекти ОТО вдалося дослідити, спостерігаючи за подвійним пульсаром PSR в1913 + 16?
  • 15. Коли і за допомогою яких супутників була відкрита анізотропія реліктового випромінювання?
  • 16. Який внесок у вивчення анізотропії реліктового випромінювання вніс супутник «WMAP»?

Завдання для самостійної роботи

  • 1. Зародження радіоастрономії. Дослідження К. янського і Г. Ребера.
  • 2. Найбільші радиообсерватории світу.
  • 3. Метод апертурного синтезу і його творці.
  • 4. Радіоінтерферометрія. Історія створення і ключові дослідження.
  • 5. Подвійні пульсари - астрофізична лабораторія з перевірки основних положень ОТО.
  • 6. Сучасні дослідження пульсарів і подвійних пульсарів.
  • 7. Історичні віхи розвитку радіоастрономії в СРСР.
  • 8. Наукові біографії видатних радянських радіоастрономів.
  • 9. Сучасний стан російської радіоастрономії. Проекти «Радіоастрон», «Мілліметрон», «Квазар».
  • 10. Нобелівські премії за дослідження реліктового випромінювання. Біографії лауреатів.
  • 11. Сучасні дослідження в області анізотропії реліктового випромінювання.
  • 12. Проблема пошуку позаземних цивілізацій (SETI). Історичний огляд, сучасний рівень, значення.

рекомендована література

  • 1. Колчинский, І. Г. Астрономи: біографічний довідник / І. Г. Колчинський, А. А. Корсунь, М. Г. Родрігес. - Київ: Наукова думка, 1986.
  • 2. Каплан, С. А. Елементарна радіоастрономія. - М .: Наука, 1966.
  • 3. Хей, Дж. Радіовселенная / пер. з англ. Б. Н. Пановкіна. - М.: Мир, 1978.
  • 4. Нариси історії радіоастрономії в СРСР: збірник наукових праць. - Київ: Наукова Думка, 1985.
  • 5. Гінділіс, Л. М. Розвиток радіоастрономії в СРСР / Л. М. Гінділіс, Р. Д. Дагкесаманскій, А. Д. Кузьмін [и др.]. - М.: Наука, 1988.
  • 6. Томпсон, А. Р. Інтерферометрія і синтез в радіоастрономії / А. Р. Томпсон, Дж. М. Моран, Дж. У. Свенсон. - М .: Физматлит, 2003.
  • 7. Х'іюш, Е. Спостереження швидко пульсуючого радиоисточника / Е. Х'іюш, С. Белл, Дж. Пилкингтон, П. Скотт, Р. Коллінс // УФН. - 1968. - Т. 95. - Вип. 4. - С. 705-711.
  • 8. Халс, Р. А. Відкриття подвійного пульсара // УФН. - 1994. - Т. 164. - № 7. - С. 743-756.
  • 9. Тейлор (мл.), Дж. X. Подвійні пульсари і релятивістська гравітація // УФН. - 1994. - Т. 164. - № 7. - С. 757-764.
  • 10. Сажин, М. В. Сучасна космологія в популярному викладі. - М.: УРСС, 2002.
  • 11. Гамов, Дж. Моя світова лінія: неформальна автобіографія. - М .: Наука, 1994.
  • 12. Зельдович, Я. Б. Лауреати Нобелівської премії 1978 року по фізиці - А. Пензиас і Р. Вільсон / Я. Б. Зельдович, Р. А. Сюняєв // Природа, 1979. - № 1. - С. 101- 103.
  • 13. Насел'скій, П. Д. Реліктове випромінювання Всесвіту / П. Д. Насель- ський, Д. І. Новіков, І. Д. Новиков. - М .: Наука, 2003.
  • 14. Сажин, М. В., Хованская, О. С. Лауреати Нобелівської премії 2006 року з фізики - Дж. Матер і Дж. Смут // Природа. - 2007. -№ 1.
  • 15. Смут, Дж. Анізотропія реліктового випромінювання: відкриття і наукове значення // УФН. -2007.-Т. 177. -№ 12, - С. 1294-1317.
  • 16. Матер, Дж. Від Великого вибуху до Нобелівської премії і далі // УФН. - 2007. - Т. 177. - № 12. - С. 1278-1293.
  • 17. Сажин, М. В. Анізотропія і поляризація реліктового випромінювання. Останні дані // УФН. - 2004. - Т. 174. - № 2. - С. 198-205.
 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >