Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Чем мы изучаем Вселенную?

      Этот пост - конспект ко второму занятию по программе краткого дополнительного курса по астрономии для средней школы. Он содержит обзор типов телескопов и "телескопов" (в том числе радиотелескопов, нейтринных и гравитационных), с помощью которых человек получает информацию об устройстве Вселенной.


      1. Природные "телескопы".
      Своими глазами мы довольно четко видим даже очень маленькие предметы на тех местах, где они реально находятся. Но своими ушами мы с гораздо меньшей точностью определяем направление на источник звука. Почему так?

      И свет и звук - волны. Мы слышим звук с частотой от ~ 20 Гц до ~ 16 кГц. Поскольку скорость звука в воздухе ~ 340 м/сек, то это означает, что наше ухо воспринимает звуковые волны длиной от ~ 17 метров до ~ 2 см. А наше ухо имеет диаметр ~ 4-6 см.  Тем самым, размер нашего уха, как прибора, заметно меньше длины волны большинства слышимых нами звуков. И сравнивается с ними только в случае весьма высокочастотных визгов. А если размер прибора мал по сравнению с длиной принимаемой им волны, то направление на источник волны такой прибор с очевидностью установить точно не может.

      Другое дело, когда прибор воспринимает наблюдаемую им волну как частицу. В том смысле, что длина волны многократно меньше размера прибора. Тогда прибор должен "видеть" откуда прилетела волна-частица. Как раз в случае видимого нами света и наших глаз такое соотношение размеров и имеет место. Так, реальный в практическом плане размер нашего зрачка D ~ 0,2 см. А длина волны видимого света L примерно в 2,5 - 5 тысяч раз меньше (от красного до фиолетового цвета
).

      Каково угловое разрешение Ф нашего зрения? Физики пользуются оценкой
Ф ~ L/D. Поскольку в одном радиане ~ 3500 угловых минут, то минимальный угол, на котором мы можем различить две близких точки еще не слившиеся в одну, составляет примерно одну угловую минуту.

      2. Оптические телескопы.
      Изобретение оптического телескопа с диаметром объектива Dт гораздо большим размера зрачка D позволяет уже неплохо видеть диски планет Солнечной системы, но видеть диски звезд не позволяет. И причина не в том, что мы не можем делать большие телескопы. Можем. Но увеличение диаметра телескопа свыше примерно метра-двух не улучшает угловое разрешение. Но дает возможность видеть более слабые объекты. Поскольку телескопы собирают свет пропорционально квадрату своего диаметра.



      Рис.1. 6-метровый БТА-телескоп в Нижнем Архызе (самый большой в России до сих пор и самый большой в мире до начала 1990-х).

      Причина невозможности улучшить угловое разрешение состоит в земной атмосфере. Флуктуации плотности воздуха в которой размывают изображения объектов размером меньше нескольких десятых долей угловой секунды.

      Как увеличить угловое разрешение телескопов? Один вариант - выводить оптические телескопы за пределы атмосферы. Так, выведенный в начале 90-х на орбиту "Хаббл" диаметром всего лишь в 2,4 метра "увидел" во Вселенной гораздо больше, чем существенно более "толстые" земные телескопы. Другой вариант - применять в больших земных телескопах составные зеркала и так называемую "адаптивную" оптику, нейтрализующую в значительной мере фактор флуктуаций плотности воздуха в атмосфере.

      3. Радиотелескопы.
      Наконец, третий способ - применять синхронизированную должным образом сеть телескопов. Последнее легче всего оказалось сделать для радиотелескопов, работающих с длинами волн, для которых земная атмосфера прозрачна. Пример - два синхронизированных радиотелескопа, расположенные на противоположных концах Земли (Dт ~ 12 тыс. км) и работающие в сантиметровом диапазоне дадут угловое разрешение Ф ~ 0,0002 угловых секунды. Разве это не достижение?



      Рис.2. Радиотелескоп ALMA в Чили (2014 год). Этот телескоп работает на волнах длиной примерно в 1мм.

      Большинство действующих радиотелескопов работает в диапазоне длин волн от сантиметра до метра. Но есть и объекты, работающие за пределами указанного диапазона.

      Для гораздо более жесткого чем видимый свет электромагнитного излучения (рентгеновских и гамма квантов) земная атмосфера практически непрозрачна. Поэтому вся история ренгеновских и гамма телескопов связана с выводом этих приборов в космос, укладывается в последние два десятка лет и поражающими воображение результатами особо не блещет.

      Далеко не все процессы и объекты во Вселенной можно наблюдать в электромагнитных волнах. Наибольший успех на сей день получили нейтринная и гравитационная астрономии.

      4. Нейтринные телескопы.
      Нейтрино - практически безмассовая нейтральная частица, движущаяся со скоростью света и чрезвычайно редко взаимодействующая с веществом. Так, через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно пролетает ~ 60 млрд. солнечных нейтрино без каких-либо для нас последствий. На Солнце нейтрино образуются в результате слияния ядер изотопов водорода в ядро гелия (на выделяемой в результате этой реакции энергии светят все звезды в течение первого этапа своей эволюции).

      Первые нейтринные телескопы создавались для проверки моделей внутренней структуры Солнца. На идее обнаружения изотопа Ar37, получающегося в результате попадания нейтрино в ядро Cl37 (с вылетом электрона). Для этого буквально большие цистерны заполнялись жидким
Cl37 и помещались в глубокие шахты (для устранения любых помех). А затем из них выводился Ar37. Но такой метод не пригоден для изучения иных источников помимо Солнца. Поскольку не показывает направление на источник нейтринного потока.

  Второе поколение нейтринных телескопов свободно от этого недостатка. В них нейтрино, столкнувшись с молекулой чистой воды и выбив из нее электрон, показывает по направлению вылета электрона направление на источник нейтрино. Показывает потому, что электрон, двигающийся в воде со скоростью больше скорости света в воде, излучает в направлении своего движения многие десятки фотонов в конусе, угол раствора которого зависит от скорости электрона (черенковское излучение). Такие телескопы представляют собой погруженные в глубины океана или льда Антарктиды крупные сосуды или гирлянды небольших сосудов с идеально чистой водой, окруженные множеством фотоумножителей.



      Рис.3. Схема Байкальского нейтринного телескопа НТ-200 (работает с 1998 года).

      5. Гравитационные телескопы.
      Еще в конце 1960-х была предпринята попытка обнаружения гравитационных волн, предсказанных ОТО Эйнштейна. Некто Вебер делал это с помощью большой алюминиевой болванки, облепленной кучей датчиков ее смещений и деформаций. И даже объявил об открытии им гравволн. Результат этот подтвердить, однако, не удалось.

      Уже в нынешнем десятилетии были построены другие принципиально новые установки (две LIGO в США на расстоянии 3000 км друг от друга и еще одна аналогичная Virgo в Италии). С помощью первых двух были обнаружены три случая слияния черных дыр звездных масс, а после включения третьей - четвертое подобное событие - слияние нейтронных звезд.

      Разрешающая способность гравитационных телескопов невелика. Поскольку обнаруженные ими гравволны были довольно длинными ~ 2-4 тыс. км. Один такой телескоп видел бы гравволну как приходящую с почти половины неба (как в случае воспринимающего звук одного уха), два, удаленных друг от друга на 3 тыс.км - как приходящую из "банана" длиной в четверть неба (аналог воспринимающих высокие звуки двух ушей). А три телескопа с учетом итальянского - как волну, приходящую из небольшого пятачка на небе. Возможно, в будущем построят еще один подобный телескоп на Луне или Марсе и тогда разрешающая способность совокупности гравитационных телескопов вырастет многократно.






    Рис.4. Обсерватория LIGO - внешний вид и схема работы.



      Рис.5. Область локализации на небе источника гравитационных волн: "банан" (двумя обсерваториями LIGO) и "ягодка" (с участием обсерватории Virgo).


Tags: Астрономия-11
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Чем могу быть полезен?

    Еще Козьма Прутков говаривал: Специалист подобен флюсу, полнота его одностороння. К середине 1980-х я тоже стал подобен флюсу, что было…

  • Чудесный снимок!

    Северное сияние в Норвегии. Взято отсюда.

  • Что может ждать Украину?

    Хороший макроанализ экономических и социально-политических процессов на Украине в последние годы от a_nalgin на базе западных…

promo moralg november 26, 20:00 25
Buy for 20 tokens
Люди, достигающие высот власти, обладают качествами, заметно отличающими их от большинства остальных. О моральных качествах говорить не будем - они формируются воспитанием. Биологические же, обусловленные спецификой их генома, остаются в тумане. Поскольку генетики соответствующих задач перед собой…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic
    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments