"Знание — сила" №4 1980 год

Сферическая чаша антенны КРТ собрана из большого числа шестиугольных модулей размером около двухсот метров. Радиоизлучение небесных источников отражается от поверхности антенны и направляется в космические приемные аппараты. Управляет комплексом и держит связь с Землей пилотируемая командная станция.

Как выглядит обычный радиотелескоп, рассказывать не нужно. Много лет телевизионную программу «Время» открывала картина вращающейся чаши огромной антенны. Правда, это был не радиотелескоп, а антенна Центра управления космическими полетами. Впрочем, внешне эти сооружения мало различаются. И это понятно — в обоих случаях антенны принимают радиосигналы из космоса. А посланы они радиопередатчиком космического корабля или далекой галактикой — в принципе безразлично.

Но только в принципе. Одно дело — принимать репортажи с орбитальной или межпланетной станции. И совсем другое — пытаться услышать доносящийся из немыслимых глубин Вселенной слабый «голос» какого-нибудь квазара.

Радиоастрономы всячески пытаются поднять чувствительность своих инструментов. Ведь именно ею определяется их «сфера мира» — то максимальное расстояние, на котором могут находиться космические «радиостанции». Чем больше площадь антенны, тем больше соберет она энергии радиоволн, тем увереннее будет прием. Из-за вращения Земли космические источники радиоизлучения непрерывно перемещаются по небу, и антенны должны следить за ними.

Итак, свобода и подвижность при максимальных размерах! Одновременно выполнить эти требования совсем не просто.

Самая крупная на сегодня вращающаяся антенна имеет диаметр 100 метров! Совпадение размера с длиной футбольного поля наталкивает на банальное сравнение. Покройте это поле прочным металлическим ковром и попробуйте «легко и плавно» поворачивать в разные стороны многосоттонную махину.

Но предельные ли это размеры? Если и нет, то, видимо, весьма близкие к пределу. Еще один-два десятка метров не очень заметно улучшат характеристики инструмента, а на большее уже рассчитывать трудно.

Правда, есть радиотелескопы и с неподвижными антеннами. Таковы, например, построенная в кратере потухшего вулкана 300-метровая чаша телескопа в Пуэрто-Рико или советский РАТАН-600 на Северном Кавказе. В роли «поворотной установки» здесь выступает Земля. А это сильно ограничивает возможности обсерваторий. Ведь движение Земли в пространстве определяется законами небесной механики, а не желанием ученых.

Однако важно не только поймать далекий источник радиоволн, но и разобраться в его структуре, не спутать между собой два или несколько близких (конечно, по космическим масштабам) источников. Для этого телескоп должен обладать высокой разрешающей способностью, позволяющей наблюдать возможно меньшие детали исследуемых объектов. Грубо говоря, чем больше диаметр зеркала радиотелескопа, тем он зорче.

Между тем даже один из самых крупных в мире инструментов — 64-метровый радиотелескоп в Голдстоуне — на самых коротких сантиметровых волнах имеет разрешение — несколько минут дуги. А человек способен невооруженным глазом различать предметы, разнесенные всего лишь на одну угловую минуту. Как выразился один из радиоастрономов, его коллеги до недавнего времени находились в «догалилеевой эпохе».

Перешагнуть в новую эру астрофизикам удалось благодаря интерференционному методу. В начале пятидесятых годов исследователи в разных странах начинают принимать сигналы сразу двумя антеннами, расположенными на некотором удалении, друг от друга. Разрешающая способность сдвоенной установки определяется уже не размерами входящих в нее антенн, а расстоянием между ними. Чем оно больше, тем лучше. Рекордное в свое время разрешение было получено на довольно скромных телескопах диаметром 22 и 37 метров. «Секрет» в том, что инструменты эти отстояли друг от друга более чем на 7 тысяч километров.

В настоящее время создана глобальная сеть радиоинтерферометров. В нее входят крупнейшие радиотелескопы СССР, США, Англии, ФРГ, Голландии, Австралии и Канады. Полученное на них разрешение поразительно. Скажем только, что с их помощью положение американских астронавтов на Луне фиксировалось с точностью до 20 см!

Радиотелескопы, собранные в единую установку, превысили лучшие достижения оптических инструментов в 10 тысяч раз. Казалось бы, чего еще желать? И все-таки даже этого уже достаточно. Открытые не так давно компактные источники радиоизлучения — квазары, пульсары, космические мазеры, активные ядра галактик — имеют чрезвычайно небольшие угловые размеры. Одни — потому, что слишком далеки, другие к тому же малы сами по себе. Скажем, умирающие звезды — пульсары. Около десятка этих сверхплотных шаров вполне могло бы уместиться на территории Москвы. А ведь от Земли их отделяют сотни, а то и тысячи световых лет. Перед такими размерами пасует даже глобальный радиоинтерферометр. Однако увеличивать его базу уже некуда. Противоположные континенты — вот предел, который позволяет Земля. И предел этот уже достигнут.

Догадаться, куда будет направлен следующий шаг, в наше время нетрудно. Да, конечно, в космос! Надо поместить телескопы в космическом пространстве — там, где нет ограничений на размеры.

Такой проект и рассматривает в статье «Неограниченно наращиваемый космический радиотелескоп» группа ведущих советских астрофизиков и создателей космической техники. Опубликованная в журнале «Космические исследования» статья является изложением доклада, сделанного на XXVIII конгрессе Международной астронавтической федерации.

Правда, говоря о неограниченно наращиваемой конструкции, авторы проекта не имеют в виду беспредельных размеров. Разумные ограничения в габаритах космического телескопа диктуются техническими возможностями и научными задачами, которые ставят перед собой ученые. Впрочем, кто знает, не возникнет ли со временем потребность в увеличении размеров инструмента? Но ведь на то он и «неограниченно наращиваемый».

А пока астрофизиков вполне устраивают диаметры антенн от одного до десяти километров. Особенно если учесть, что такая антенна в космосе сможет свободно поворачиваться в любом направлении.

По международным соглашениям для радиоастрономии из всего обширного диапазона радиоволн выделено только несколько узких участков. Специальными средствами их защищают от помех, создаваемых земными радиостанциями и промышленными предприятиями. И тем не менее радиоастрономы не могут чувствовать себя спокойно. Известен, например, случай, когда расположенная за несколько километров от телескопа искрящая лампочка уличного освещения чуть не сорвала важные наблюдения.

Совершенно свободным от влияния Земли радиотелескоп может быть только на очень больших расстояниях от планеты. Правда, приходится считаться не только с желаниями астрофизиков, но и с реальными техническими возможностями: телескопы должны быть в пределах радиосвязи с Землей. Если один из них разместить на околоземной орбите, второй может находиться где-нибудь в районе орбиты Сатурна, на расстоянии 1.5 миллиарда километров. Современное состояние средств космической связи с учетом перспектив их развития делает это вполне реальным. При такой базе чувствительность и разрешающая способность интерферометра в диапазоне волн от 1 миллиметра до 1 метра в миллион раз превзойдут уровень, достигнутый современной радиоастрономией. Предельная дальность наземных интерферометров не превышает 6,5 световых лет. Но в этих пределах расположено только четыре ближайших звезды. Космические телескопы расширят зону действия небесного радиодальномера практически на всю Вселенную. Они смогут находить и исследовать даже такие слабоизлучающие тела, как планеты у других звезд. Земля или Марс не могли бы укрыться от космической установки на расстоянии двухсот световых лет! А гиганты, вроде Юпитера, можно будет увидеть и на гораздо большем расстоянии.

Представьте, насколько облегчилось бы положение исследователей, имей они такую возможность. «Ведь мы пока не можем непосредственно наблюдать такие системы даже около самых близких звезд. Если бы это удалось и мы имели реальное представление, как выглядят планетные системы на разных этапах своей эволюции или хотя бы как сильно отличаются одни планетные системы от других, эта волнующая проблема была бы, несомненно, решена в сравнительно короткие сроки. Но пока мы наблюдаем планетную систему, так сказать, «в единственном экземпляре». Более того, необходимо еще доказать, что около других звезд имеются планетные системы», — пишет член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский.

В марте 1974 года бюро Научного совета по комплексной проблеме «Радиоастрономия» АН СССР рассмотрело и одобрило Программу исследований по проблеме связи с внеземными цивилизациями. Программа разработана секцией «Поиски космических сигналов искусственного происхождения» на основе рекомендаций всесоюзного совещания по этой проблеме, состоявшегося в Бюракане, и проводившейся там же советско-американской конференции CETI (см. «Знание — сила», № 1 за 1972 год).

Программа исследований предусматривает в перспективе «создание системы двух разнесенных станций с крупными (эффективная площадь около одного квадратного километра) полноповоротными антеннами для синхронного приема, поиска сигналов от конкретных объектов и анализа отобранных источников. Одним из основных направлений поиска программа считает «обнаружение планет, планетоподобных тел и остывших звезд».

Поиски результатов астроинженерной деятельности тоже включены в программу. Например, конструкции типа «сферы Дайсона» можно обнаружить либо по их собственному тепловому излучению, либо как темные пятна в результате экранирования ими фонового радиоизлучения Вселенной. Космические телескопы с десятикилометровыми антеннами вполне могут заметить в ближайших и даже удаленных галактиках темные объекты с радиусом порядка расстояния от Земли до Солнца.

У космической установки есть еще одно неоценимое преимущество — взаимное положение входящих в нее антенн может непрерывно меняться. Переменным будет не только расстояние между ними, но и ориентация базы в межпланетном пространстве. Это свойство придает идее космического радиоинтерферометра особую привлекательность.

Дело в том, что Вселенная всегда повернута к нам «одним боком». Куда ни глянь, всюду плоские, как полотна в музейной анфиладе, изображения. Космические телескопы помогут нашему миру обрести третье измерение, впервые покажут небесные объекты с невидимых сторон, сделают их объемными. Можно представить, какое огромное значение это будет иметь для решения фундаментальных астрофизических проблем. К тому же «радиоголография», как считает И. С. Шкловский, позволит однозначно решать вопрос об искусственном или естественном происхождении того или иного «подозрительного» источника радиоизлучения.

Каким же представляют себе авторы проекта космический телескоп? Сферическая чаша его главной антенны будет состоять из большого количества шестиугольных модулей. Размеры каждого из них порядка двухсот метров. Фермы модулей будут выводиться на орбиту в сложенном состоянии, автоматически раскрываться и стыковаться между собой. Этот каркас покроют подвижно сочлененными с ним небольшими металлическими щитами с отшлифованной поверхностью. Поворачивая щиты, можно изменять форму поверхности отражающего зеркала В десятикилометровой антенне деформации поверхности под воздействием гравитационных сил, светового давления и перепад температуры могут достигать одного метра. Чтобы скомпенсировать ошибку, необходимо предусмотреть не только регулировку щитов, но и возможность изменения взаимного положения модулей.

В радиотелескопах электромагнитное излучение небесного источника отражается от поверхности антенны-рефлектора и coбирается в ее фокусе, попадая в помещенное здесь радиоприемное устройство. В фокусе главной чаши может устанавливаться одно небольшое корректирующее зеркало. В этом случае уже оно будет направлять собранную энергию в приемник. Такую схему и выбрали авторы проекта.

Три вспомогательных зеркала они помещают на трех же автономных приемных космических аппаратах. Во время работы аппараты зависают вблизи фокуса, но не на оси главной антенны, а под небольшими углами к ней. Это позволяет изучать сразу несколько космических «радиостанций», значительно разнесенных в пространстве, и снижает требования к ориентации основного зеркала. Чтобы навести его точно на исследуемые источники, перемещается не главная антенна, а приемные космические аппараты.

Управление ими, а также положение отдельных частей поверхности антенны осуществляется с расположенной неподалеку специальной пилотируемой станции. Создание системы управления всем комплексом телескопа потребует решения многих сложных проблем. Скажем, если для ориентации основной антенны и стабилизации ее положения в пространстве использовать электрические ракетные двигатели, то для их питания понадобится оснастить телескоп электростанцией мощностью в сотни, а то и в тысячи киловатт. И расход рабочего тела — вещества, образующего в двигателях реактивную струю, при этом тоже будет немалым — от сотен килограммов до нескольких тонн в сутки. Так, для разворота 10-километровой антенны на 180 градусов понадобится полторы тонны топлива.

Как же думают авторы реализовать свой проект? Вот один из предлагаемых вариантов. Сначала отдельные блоки и узлы телескопа выводятся на низкую орбиту искусственного спутника Земли. Специальный орбитальный буксир собирает доставленные в транспортной укладке блоки в связки — «поезда», а другой межорбитальный буксир вывозит их на высокую рабочую орбиту. Здесь и происходит окончательная сборка телескопа. Расчеты показывают, что километровый телескоп следует собирать на высоте не ниже 1000 километров, а антенны диаметром 10 километров — не ниже 36 тысяч километров.

Монтаж могут вести специализированные роботы-автоматы или экипаж орбитальной станции, состоящий из десяти — пятнадцати человек. Сама станция служит при этом не только домом для строителей-космонавтов, но и базой для сборки антенны. Потом собранный телескоп с помощью небольших реактивных двигателей разгоняется до большой скорости и переходит с околоземной на межпланетную орбиту. Скорость антенны при этом должна нарастать постепенно и достаточна медленно, чтобы антенна двигалась плавно и без рывков. Использовать для разгона более мощные двигатели, чтобы побыстрее перевести телескоп с орбиты на орбиту, нельзя — возникающие при этом большие ускорения разрушат огромную конструкцию. Поэтому весь процесс может занять от одного до восьми месяцев, в зависимости от размеров зеркала и исходной высоты полета.

В заключение авторы проекта отмечают, что «решение технических задач по созданию космического телескопа совпадает с основным направлением развития космической техники на современном этапе. Весьма близкие требования, например, возникают при обсуждении проектов создания больших солнечных электростанций в космосе и больших исследовательских станций». В компетентности специалистов, подписавшихся под этими словами, не приходится сомневаться. А это значит, что время, когда в космосе появятся необычные конструкции, не за горами.