«Наука и жизнь» 1978, №6, с. 70-74


сканировал Игорь Степикин

ЗА ГОРИЗОНТ ВСЕЛЕННОЙ
Р. Сворень, специальный корреспондент журнала "Наука и жизнь".



Схема на с. 70.
  • Ну, чем еще нас можно удивить, людей двадцатого века, свидетелей феерических побед науки, техники, индустрии. ...Мы все уже привыкли к этому непрерывному потоку сенсаций и даже, кажется, немного устали от него. Нас уже, видимо, ничто не может серьезно взволновать, никакие проекты и свершения. Никакие.
  • Никакие?
  • Вы листаете тонкую тетрадь — ксерокопию машинописного текста с несложными рисунками, официально именуемую "Препринт Пр 373 Института космических исследований АН СССР", вы листаете эту тетрадь, и у вас просто дух захватывает от очередной человеческой дерзости. От фантастичности замысла. И еще больше от того, что замысел этот уже спокойно рассматривают как будущую реальность. Превращают в технический проект. Готовят чертежи и строят модели. Планируют, когда что можно сделать. Подсчитывают, что сколько стоит, сколько нужно затратить средств. И что это в итоге даст. Ну, а это самое "что даст" совсем уже поражает воображение — неужели такое возможно?
  • Но вот здесь — стоп! Здесь настал момент сменить манеру изложения: никаких эмоций, дабы не потерялось в них непростое для понимания существо дела. Сейчас мы попробуем рассказать обо всем последовательно и сухо, равняясь на бесстрастный стиль научных сообщений. Вверху: кинокадры, запечатлевшие процесс раскрытия пятиметрового модуля действующей модели КРТ; время полного раскрытия — 0,6 сек; внизу — действующий радиотелескоп на базе самораскрывающегося пятиметрового модуля.

    1. ИДЕЯ СОЗДАНИЯ КРТ

  • 1.1. Радиоисточники во Вселенной. Чтобы раз и навсегда исключить неаккуратное толкование таких слов, как "радиоисточник", "радиотелескоп", "радиоастрономия", проделайте сами с собой несложный педагогический эксперимент. Как-нибудь слушая музыку, на мгновение отвлекитесь и отметьте про себя такой прозаический факт: вы слышите рукотворный звук, воспринимаете звуковые волны, искусственно созданные человеком. И тут же вспомните, что природа и сама умеет генерировать звук, что у нее своя музыка — раскаты грома, шум лесов, ровные ритмы морского прибоя, завывание вьюги. А теперь от звуковых волн переходите к радиоволнам. Последние известия в ваш дом приносит радиоволна, искусственно созданная на радиостанции. И в то же время радиоволны рождаются естественным образом, в огромном многообразии природных явлений. Таких, скажем, как разряд молнии или изменение энергии молекул, или торможение электронов в магнитных полях. Подобные процессы происходят во всех небесных телах, и поэтому радиоизлучения приходят к нам от планет, от Луны и Солнца, от звезд, галактик, туманностей. Именно они и называются космическими радиоисточниками.
  • 1.2. Радиоастрономия. Изучением космических радиоисточников занимается радиоастрономия. Она зародилась в 1931 году, когда случайно было обнаружено радиоизлучение Млечного Пути. Через 15 лет в созвездии Лебедя нашли первый точечный радиоисточник, невидимую радиозвездочку, и лишь через восемь лет ее удалось увидеть в мощном телескопе. Это, кстати, типичная ситуация — сначала далекий космический объект обнаруживают по радиоизлучению, а затем его уже удается увидеть. А бывает, что и не удается.


    Схема на с. 72.



    Схема на с. 73.


  • 1.3. Радиотелескопы (РТ). Основной инструмент радиоастрономов — радиотелескоп, он состоит из чувствительного приемника и остронаправленной антенны. Антенна называется "остронаправленной" потому, что улавливает радиоволны только с одного направления, а остальные просто не замечает. Именно поэтому, поворачивая антенну радиотелескопа и как бы ощупывая ею небосвод, удается установить, где именно находится радиоисточник, а иногда и оценить его размеры, различить детали.
  • Одна из главных характеристик радиотелескопа — его разрешающая способность, то есть, грубо говоря, умение различить близко расположенные излучатели, не принять их за один излучатель. Разрешающую способность оценивают в угловых единицах, в градусах, минутах или секундах. Если, например, разрешающая способность телескопа 5' (5 угловых минут), то он видит звездное небо как бы через узкую конусообразную трубку, постепенно расширяющуюся под углом 5' и прикрытую плотным матовым стеклом,— никаких деталей в поле зрения трубки уже различить нельзя. И ясно, что чем тоньше трубка, чем острее угол, под которым она расходится, тем более мелкие детали можно через нее увидеть. Так, скажем, при разрешении 1' с расстояния 1 км можно увидеть световое пятно размером с футбольный мяч, а при разрешении 1" (угловая секунда) обнаружить в нем более яркие или менее яркие участки размером с горошину.
  • Радиотелескопы, которые мы чаще всего видим на фотографиях, устроены так: большая металлическая чаша-рефлектор собирает радиоволны и концентрирует их в фокусе обычно на высоте в несколько метров (40% от диаметра) над центром зеркала. Здесь расположен сам воспринимающий элемент, так называемый облучатель, связанный непосредственно со входом приемника. Разрешающая способность такого радиотелескопа зависит от размеров рефлектора — чем он больше, тем лучше разрешение, тем меньше, острее угол зрения и, значит, более мелкие детали можно рассмотреть. Кроме того, чем больше рефлектор, тем больше энергии он собирает, тем лучше вторая важнейшая характеристика радиотелескопа — его чувствительность, способность улавливать слабые сигналы.
  • И, конечно же, вывод: нужно строить радиотелескопы с большими антеннами. Чем больше, тем лучше.
  • 1.4. Размеры антенны РТ. Каждая наша земная радиостанция излучает радиосигналы одной частоты, то есть с одной строго определенной длиной волны. А космический радиоисточник излучает, как правило, очень широкий спектр частот, излучает одновременно на всех волнах всех диапазонов. Образно говоря, берет аккорд, ударяя сразу по всем рояльным клавишам. Радиотелескоп не может услышать весь этот аккорд, он выделяет из него лишь отдельные ноты : есть радиотелескопы средневолновые, они улавливают космические радиоизлучения с длиной волны в сотни метров, есть инструменты метрового диапазона и дециметрового. Ну, а телескоп с чашей-рефлектором, как правило, рассчитан на прием сантиметровых или миллиметровых волн.
  • Желательно вести наблюдение на волнах как можно более коротких, и вот одна из причин — при одних и тех же размерах антенны ее разрешающая способность тем лучше, чем короче принимаемая волна. Но при этом чем короче принимаемая волна, тем точнее должен быть изготовлен сам рефлектор, тем меньше он должен деформироваться при поворотах. Так, например, при длине волны 1 см деформации рефлектора даже на 1 мм могут заметно ухудшить характеристики антенны. Вот здесь-то и лежит непримиримое противоречие: чтобы улучшить разрешающую способность радиотелескопа, нужно увеличивать антенну и принимать более короткие волны; уменьшая длину принимаемой волны, нужно повышать точность геометрических форм антенны; а точность эта снижается с увеличением размеров антенны.
  • Вот лучшее, что удалось сегодня достигнуть в создании радиоастрономических инструментов с поворачивающимися рефлекторами: радиотелескоп в Эффельсберге, ФРГ — диаметр рефлектора D=100 м, минимальная длина волны около l =0,8 см. Кроме того, построены большие телескопы сантиметрового диапазона с неподвижными рефлекторами — в них направление приема можно несколько менять, перемещая облучатель, ну, а кроме того, телескоп осматривает небо, вращаясь с Землей. Один из таких инструментов сооружен в кратере потухшего вулкана в Аресибо, в Пуэрто-Рико, его данные — D=300 м, l = 6 см. Другой гигант с мировым именем — это наш РАТАН-600 ("Наука и жизнь" № 5, 1976 г. и № 9, 1976 г.). Его рефлектором служат сегменты кольца диаметром D=600 м, образованного металлическими щитами высотой 7,5 м; рабочий диапазон телескопа l =8 мм — 30 см. У лучших из этих инструментов разрешающая способность несколько секунд. Как будто бы неплохо (с расстояния 1 км видна горошина, см. 1.3), но даже при таком рекордном разрешении уже на краю нашей Галактики, на расстоянии 50-100 тысяч световых лет, не говоря уже о больших космических расстояниях — миллионах и миллиардах световых лет, радиотелескоп увидел бы нашу Солнечную систему, со всеми ее планетами, как одно радиопятнышко.
  • 1.5. Радиоинтерферометры (РИ). Если собрать два-три радиотелескопа в единую систему, то можно получить разрешающую способность значительно лучшую, чем у отдельного инструмента. Такая система называется интерферометром ("Наука и жизнь" № 10, 1977 г.), в ней, по сути дела, с высочайшей точностью учитывают момент прихода радиоволн к каждой антенне и по запаздыванию одного из сигналов вычисляют радиоизображение источника, его размеры. Чем больше база РИ, то есть чем дальше один РТ от другого, тем легче уловить разность хода, тем выше, лучше разрешение интерферометра. На Земле предельное расстояние между антеннами — 12 тысяч км (диаметр земного шара), на радиоинтерферометрах с такой базой, принимая радиоволны длиной около 1 см, уже удалось получить разрешающую способность 2•10-4 угловой секунды, то есть 0,2 миллисекунды. Замечательный результат: была бы у нас такая острота зрения, мы увидели бы на Луне предмет размером с ботинок, а на Марсе могли бы рассмотреть детали рельефа размером в несколько километров.
  • 1.6. Космический радиотелескоп (КРТ). Главный враг больших телескопов — сила земного тяготения — резко ослабевает по мере удаления от Земли. И поэтому в космосе можно строить большие антенны, в частности большие рефлекторы, которые не будут деформироваться под действием собственного веса. Можно строить антенны, не всаживая в них тонны металла, как мы это делаем на Земле, антенны с очень точной геометрией, а значит, пригодные для приема на самых коротких волнах, вплоть до миллиметровых. Один из вариантов космического радиотелескопа разрабатывают советские специалисты. Великолепная идея КРТ объединила конструкторов, радистов, специалистов по строительным конструкциям, по космической технике, в разработке этой идеи участвуют видные исследователи — академик Р. 3. Сагдеев, члены-корреспонденты Академии наук А. Ф. Богомолов, Н. С. Кардашев, М. С. Рязанский, И. С. Шкловский, профессора А. И. Савин и А. Г. Соколов, летчик-космонавт, профессор К. П. Феоктистов, ведущий конструктур А. С. Гвамичава. Рассчитано: диаметр рефлектора можно довести до D = 10 км, а возможно, и до D = 20 км; "фигуру" рефлектора можно будет сохранить с такой точностью, которая позволит принимать радиоволны до l =1 мм.
  • 1.7. Космический радиоинтерферометр (КРИ). Имея два КРТ, можно построить радиоинтерферометр с огромной базой. Можно, например, увезти эти КРТ в две противоположные точки далекой околосолнечной орбиты, куда-нибудь за Марс, и пусть они себе вращаются вокруг Солнца на расстоянии 1— 1,5 млрд. км друг от друга. Из двух таких плывущих в космосе антенн может получиться КРИ с гигантской базой и с совершенно уже невероятным разрешением — до 10-10 угловых секунды (10-7 миллисекунды), то есть в миллион раз — в миллион раз! — лучше нынешних рекордных результатов. Имея оптический прибор с таким разрешением, мы могли бы с Земли рассматривать отдельные песчинки в марсианской пустыне.

    2. ВОЗМОЖНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИДЕИ

  • 2.1. Модульная конструкция. Важную особенность КРТ отражают два слова, введенных в его название,— "неограниченно наращиваемый". Рефлектор КРТ должен собираться из отдельных модулей, они выводятся на орбиту в сложенном виде, автоматически раскрываются и стыкуются друг с другом. При этом модулями можно наращивать уже работающую антенну. Основа модуля — каркас из металлических труб диаметром 75 мм при толщине стенок 0,5 мм. На каркасе крепится ажурная рабочая поверхность, изготовленная из более тонких трубок диаметром меньше сантиметра. И, наконец, на рабочей поверхности закреплен третий слой пирога — отражающая поверхность, скорее всего из тонкого металлизированного пластика. Толщина всей конструкции, точнее, ее глубина — 10 м, хотя для рефлектора диаметром D=20 км ее, видимо, придется делать более толстой, наращивая в глубину трубчатый силовой каркас. Основной модуль сборного рефлектора представляет собой равносторонний шестиугольник со стороной 200 м, рабочая поверхность — это сетка из треугольников со стороной 2 м, отражающие элементы — шестиугольники с диагональю 4 м. Расчеты показывают, что антенна такой конструкции при диаметре рефлектора D = 1 км будет весить около 250 т (это вес 12 таких космических аппаратов, как "Салют"), при D = 10 км — 25 тыс. т. Эти цифры не будут казаться чрезмерно большими, если подсчитать, что на 1 кв. м поверхности КРТ приходится вес всего около 200-300 г.
  • Естественно, что при сборке модульного рефлектора возможны некоторые неточности. Кроме того, на антенну будут действовать небольшие гравитационные силы, световое давление, солнечный ветер, неравномерный нагрев. После сборки антенна с километровым рефлектором сможет работать на волнах не короче 50 см, а с десятикилометровым — не короче 2 м. Для работы на более коротких волнах в конструкции рефлектора нужно предусмотреть элементы, корректирующие взаимное положение модулей, скорее всего в пределах нескольких миллиметров. Коррекция нужна будет и сразу после сборки рефлектора и в процессе его эксплуатации. Представить себе корректирующие элементы несложно — это могут быть, например, расположенные в местах сочленения модулей червячные механизмы с реверсивными электродвигателями. Команды на эти двигатели будут поступать с космического аппарата, управляющего всей работой КРТ. На управляющем аппарате будет система, которая лазерным лучом быстро осмотрит рефлектор и тут же выдаст команды на элементы, корректирующие положение модулей.
  • 2.2. Наведение КРТ на радиоисточники. Форма рефлектора КРТ выбирается с таким расчетом, чтобы он мог без перемещения осмотреть звездное небо в пределах телесного угла 20°. В этих пределах можно двигать "луч зрения", перемещая облучатель, вместе с приемником размещенный на космическом аппарате. Несколько таких аппаратов-приемников позволят на одном КРТ сразу принимать сигналы нескольких космических радиоисточников. Принятые приемниками сигналы после некоторой предварительной обработки передаются на Землю по каналам радиосвязи — сейчас это может быть сделано сравнительно просто, радисты уже умеют поддерживать связь с космическими аппаратами, находящимися далеко за Юпитером.
  • Можно направить КРТ на любую точку небесной сферы, поворачивая рефлектор с помощью закрепленных на нем маломощных реактивных двигателей. В системе наведения и стабилизации могут работать реактивные ионные двигатели — в них тяга создается веществом (рабочим телом), которое выбрасывается за счет электрической энергии; ее же можно получить от атомных источников или от солнечных батарей. Для стабилизации КРТ с километровым рефлектором нужен суточный расход вещества 6,4 кг и мощность электропитания 200 кВт; для десятикилометрового КРТ эти величины в 1000 раз больше. На разворот километровой антенны за сутки на 180° уйдет 5 кг вещества; такой же разворот десятикилометровой антенны займет 5 суток и потребует 1,5 т рабочего тела.
  • 2. 3. Создание КРТ. Антенны больших радиотелескопов будут собираться на околоземных орбитах, в собранном виде перевозиться к месту работы, на далекие межпланетные орбиты. Перевозить КРТ нужно очень осторожно, разгоняя их медленно, с малым ускорением. Такая перевозка займет месяцы (и потребует сравнительно небольшого расхода топлива — 2-7% от массы КРТ. Чтобы уменьшить расход топлива и упростить разгон готового КРТ, можно собирать его на сравнительно высокой околоземной орбите, где силы земного тяготения невелики. Для антенны диаметром D = l км целесообразна монтажная орбита не ниже 1000 км, для D=10 км — не ниже 30-50 тыс. км. Предполагается такая последовательность сборки: сначала блоки КРТ вывозят на низкую околоземную орбиту; затем их собирают в поезда и перевозят на монтажную орбиту; туда же на борт орбитальной станции прибывают монтажники. При стартах транспортных кораблей с интервалом в 2-3 дня на постройку среднего КРТ уйдут месяцы, а большого — годы. Это сравнимо со сроками создания больших зданий, морских судов, электростанций.
  • 2.4. Стоимость КРТ. Если принять за основу стоимость такой большой космической программы, как "Аполлон", на которую было затрачено около 25 млрд. долларов, то окажется, что КРТ с диаметром антенны 1 км и 10 км обойдется соответственно в 3% и 25-40% этой суммы. То есть 750 млн. долларов (D=1 км) и 6-9 млрд. долларов (D=10 км). Это, конечно, очень приближенные оценки. Попутно отметим — постройка КРТ с пятикилометровым рефлектором обойдется примерно вдвое дешевле, чем наземная система с аналогичными параметрами. И вот еще что: сравнивая большие космические проекты, нужно учитывать не только расход, но и доход — учитывать, что именно тот или иной проект даст науке. Здесь, видимо, КРТ вне конкуренции.

    3. ВОЗМОЖНОСТИ КРТ

  • 3. 1. Ожидаемые параметры. Помимо уже названной уникальной разрешающей способности — вплоть до 10-10 угловой секунды, КРТ будет иметь еще ряд параметров, недостижимых на Земле. Так, например, удалившись от нашей планеты, он будет слушать космические радиоисточники абсолютно на всех частотах, в то время как наземным инструментам доступно лишь 8% радиодиапазона: некоторые частоты не пробиваются к Земле через ионосферу, другие же заняты наземными передатчиками радиовещания, телевидения, связи, локации, на фоне которых слабый радиоисточник просто теряется. Ну и, наконец, о чувствительности больших КРТ. Она, видимо, будет доведена вплоть до 10-36 Вт/м2•Гц. Эту величину даже сравнить трудно с чем-нибудь привычным, она в миллионы раз лучше, чем у лучших современных радиотелескопов. А что такое чувствительность современного радиотелескопа, можно пояснить простой аналогией: если бы такая чувствительность была у нашего слуха, то мы, находясь в Москве, слышали бы тиканье часов на руке у человека, прогуливающегося по улицам Рио-де-Жанейро.
  • 3.2. Голографирование Вселенной. Голография в отличие от фотографии регистрирует не только интенсивность излучения различных точек картинки — светлые волосы, черные брови или рубашку в мелкий горошек. Голография регистрирует не только интенсивность, но и фазу световой волны, то есть, проще говоря, регистрирует, откуда волна пришла раньше, а откуда позже. И именно по этой информации, по этим "раньше-позже", потом из голограммы можно воссоздать трехмерную, объемную картинку.
  • Фазу волны регистрирует и радиоинтерферометр — это его основная профессия. И с помощью радиоинтерферометра — трех разнесенных радиотелескопов — можно получить голограмму звездного неба, воссоздать объемное изображение галактик и звезд, точно определить расстояние до них. Правда, для земного интерферометра, с его предельной базой 12000 км, глубина голографирования получается небольшой — 6 световых лет. В сферу с таким радиусом входит всего 4 ближайшие звезды. А вот КРИ покажет нам объемную Вселенную совсем других размеров: при базе 1,5 млрд. км и принимаемой волне l =1 м глубина голографирования получится 1,5 млрд. световых лет, а при l =1 мм она достигнет 15000 млрд. световых лет. Вряд ли кто-нибудь возьмет на себя смелость предсказывать, что мы увидим на такой голограмме,— сегодня граница видимой Вселенной проходит в 1000 раз ближе, она находится на расстоянии 10-15 млрд. световых лет. И, конечно, в эту оценку сама Вселенная внесет коррективы, связанные с ее расширением, с искривлением пространства-времени.
  • 3.3. Поиск звезд и планет. До сих пор не обнаружены радиоизлучения ни одной звезды типа нашего Солнца. Ну, а что касается планет, которые, может быть, вращаются вокруг других звезд, то планеты эти в принципе нельзя обнаружить прямыми наблюдениями — они слишком малы. А косвенные методы выявили только три подозрительных случая, только три звезды (из 1011 звезд нашей Галактики и 1021 звезд Вселенной), у которых как будто бы есть признаки планетной системы. Большой КРИ сможет обнаружить большие планеты, такие, как Юпитер, соответственно на расстояниях до 150 (l =1 см) и до 1500 (l =1 мм) световых лет, а такие планеты, как Земля, на расстояниях до 20 (l =1 см) и до 200 (l =1 мм) световых лет; уже в сфере радиусом 200 световых лет находится примерно 10000 звезд, у которых в принципе могут быть планетные системы. Обнаружение далеких планет имеет прямое отношение к такой интригующей проблеме, как поиск внеземных цивилизаций.
  • 3.4. Поиск внеземных цивилизаций. Каждого, кто по утрам включает радио и надеется услышать, что уже установлен наконец радиоконтакт с инопланетянами, бесспорно, удивит следующий результат довольно простых и надежных расчетов: если предположить, что радиопередатчики инопланетян имеют мощность 1 МВт — столько излучают наши мощные радиостанции,— то окажется, что нынешние радиотелескопы вообще не могут принять сигналы из других населенных миров. Уже одно это показывает, насколько скромные возможности стоят пока за нашими красивыми мечтами о приеме разумных сигналов из космоса. Если даже предположить, что инопланетяне знают о нас и, используя направленные антенны, нацелили свои передатчики прямо на Землю, сконцентрировали радиоволны, подобно лучу прожектора, то число реально проверяемых звезд не превысит нескольких тысяч. А вот КРТ благодаря его сверхвысокой чувствительности позволит проверить все звезды нашей Галактики. И если в районе хоть одной из 100000000000 этих звезд есть цивилизация, похожая на нашу, она скорее всего будет обнаружена (слово "есть" нужно воспринимать с учетом космических расстояний — радиоволны идут "оттуда" многие тысячи лет, рассказывая о древнейшей истории источника излучений). Подсчитаны возможности КРТ и в части обнаружения цивилизаций, далеко обогнавших нашу земную. Если предположить, что такие цивилизации создают вокруг своей звезды гигантские инженерные сооружения (это так называемая сфера Дайсона, см. "Наука и жизнь" № 7, 1973 г.), то КРТ смогут обнаружить их не только в нашей, но и в соседних галактиках, на расстояниях до 1,5 млн. световых лет. Эта цифра относится к астроинженерным сооружениям, имеющим температуру, близкую к земной. А инженерные сооружения, принявшие температуру космоса (около — 270°С), можно будет обнаружить на расстояниях до 10-15 млрд. световых лет, то есть в любом месте видимой сегодня Вселенной. Таким образом, в проблеме поиска внеземных цивилизаций КРТ и КРИ помогут наконец сделать решительный шаг от слов к делу.

    4. РЕЗЮМЕ

    (как принято, печатается на двух языках, различающихся в данном случае лишь мерой конкретности).
  • 4.1. Вполне типичная фантастика —
  • "За Марс заброшенной антенной..."
  • Воображения гимнастика —
  • "...пройти за горизонт Вселенной!"
  • Но по плечу такое дело
  • Безумству смелых.
  • 4.2. Обсуждаются проекты больших космических радиотелескопов (КРТ) и образованных из них радиоинтерферометров (КРИ). Параметры КРТ и КРИ могут быть в миллионы раз лучше, чем у лучших современных инструментов. Это откроет принципиально новые возможности исследования Вселенной. С позиций сегодняшнего, дня проекты КРТ и КРИ могут показаться сложными, но, видимо, не менее сложной казалась отправка человека в космос за несколько лет до полета Ю. А. Гагарина.