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

Category:

Зоология земных телескопов.

      Каждый из нас имеет по два сдвоенных "телескопа". Один принимает информацию от внешнего мира в диапазоне длин электромагнитных волн от примерно 400 нм (нанометров) до 770 нм. Это - глаза. Второй принимает информацию в диапазоне длин звуковых волн от примерно 20 м (метров) до 2 см (сантиметров). Это - уши.
      В обыденной жизни нам этих "телескопов" вполне хватает. Но если мы хочем полноценно изучать Вселенную, то нужно придумывать и делать новые, гораздо более зоркие телескопы. Работающие во всех мыслимых диапазонах длин волн. В том числе, мощные оптические, инфракрасные, рентгеновские, гамма-телескопы, радиотелескопы, гравитационные, нейтринные и даже черенковские. Обзор придуманных и сделанных человеком телескопов - под катом.

      1. Разрешающая способность наших природных "телескопов".
      Заметим, что направление на источник очень высокочастотного звука (частота
ν 20 кГц, длина волны λ 2 см) мы своими ушами определяем не так уж и плохо. А направление на источник очень низкочастотного звука (ν 16 Гц, λ 20 м) реально определить практически не можем - низкочастотный гул идет как бы отовсюду. Тем самым, возникает подозрение, что наши уши (наш звуковой телескоп) неплохо видят направление на источник звука только в том случае, если длина волны звука сопоставима с размером телескопа (расстоянием между ушами).
      Физика волн подтверждает это подозрение такой формулировкой - угловое разрешение (в радианах) принимающего волновой
сигнал прибора δ ~ λ/D, где D - поперечный к направлению распространения волны размер прибора. Расстояние между нашими ушами примерно 14-16 см. Отсюда видно, что направление на источник самого высокочастотного визга мы определяем с угловой погрешностью δ ~ λ/D ~ 2/15 радиан ~ 8-10 угловых градусов. А погрешность определения направления на источник самого низкочастотного звука по порядку величины равна всей дуге окружности.
    Другое дело - наши глаза. У них размер зрачка D ~ 0,2 см (при дневном освещении). А длина волны видимого глазами света λ примерно в 2,5 - 5 тысяч раз меньше (от красного до фиолетового цвета). И, поскольку, в одном радиане ~ 3500 угловых минут, то минимальный угол, на котором наш глаз может различить две близких точки еще не слившиеся в одну, находится в окрестности примерно одной угловой минуты.

      2. Оптические телескопы.
      Изобретение оптического телескопа с диаметром объектива Dтел 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 полуметра-метра не улучшает угловое разрешение. Причина невозможности улучшить угловое разрешение состоит в земной атмосфере. Флуктуации плотности воздуха в которой размывают изображения объектов размером меньше нескольких десятых долей угловой секунды.
      Тем не менее, телескопы все большего и большего диаметра строят. Поскольку они дают возможность видеть более и более слабые по светимости объекты. Ибо они собирают свет пропорционально квадрату своего диаметра. Вот пример 6-метрового телескопа:

      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).
      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. Инфракрасные телескопы.
      Земная атмосфера практически не прозрачна для инфракрасного излучения (длин волн больших, чем у видимого света). ИК-диапазоном считается диапазон длин волн от 0,74 до 2000 мкм. Поэтому ИК-телескопы ставят на спутники. Первым из них был IRAS (1983), затем Спитцер (2003) и Гершель (2009). Частично в ИК-диапазоне работает знаменитый 2,4-метровый телескоп Хаббл. Уже давно готовится к запуску 6-метровый Джеймс Уэбб.
      Не исключено, что именно ИК-телескопы станут могильщиком идеологии "темной материи". Поскольку уже на многих наблюдениях показано, что яркость многих плоских галактик с учетом ИК-диапазона вполне объясняет кривые вращения вещества в них.

      4. Радиотелескопы.
      Наконец, есть еще один 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 (Dтел ~ 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.

      5. Рентгеновские и гамма телескопы.
      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. Тем не менее, в изучение пульсаров, взрывов сверхновых звезд и ряда других процессов в космосе они внесли серьезный вклад.

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

      6. 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 чистейшим жидким
Cl37 и помещались в глубочайшие 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 водоемов 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).

      7. 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 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).
LIGO расшифровывается как "лазерно интерферометрическая гравитационная обсерватория". Погрешность измерений смещений пробных масс от гравитационных волн в такой обсерватории порядка тысячной доли размера протона. С помощью первых двух были обнаружены четыре случая слияния черных дыр звездных масс, а после включения третьей - пятое 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).

      8. А чем изучать космические лучи?
      Есть еще один приходящий из космоса и весьма разнородный тип излучения - так называемые космические лучи. Это совершенно разные частицы от супержестких гамма-квантов до мезонов и протонов. Все их объединяет одно - энергия этих частиц порой на многие порядки превышает энергии, достижимые на Большом адронном коллайдере (БАКе).
      Врезаясь в атмосферу Земли и сталкиваясь с ее молекулами космические лучи порождают буквально ливни других частиц - от нейтрино и гамма-квантов до тяжелых мезонов и многих других. До недавнего времени их изучали приборами, применяемыми обычно в ускорителях элементарных частиц. Но, по-видимому, в ближайшее время наступит эра специализированных телескопов. По крайней мере один такой недавно введен в строй - Черенковский телескоп на Канарах.


Tags: Эскизы космоса
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…

  • Как побороть русских хакеров?

    Увидел у a_nalgin любопытную картинку, характеризующую результаты выборов в ГД по одномандатным округам Москвы: Разумеется, такой…

  • Либералы мы. И демократы. Но ...

    Российская власть триумфально провела очередные выборы в Госдуму. И даже впустила в ГД новоржденного младенца - Новых людей. Вполне либеральный и…

promo moralg march 5, 2018 03:01 46
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 21 comments

Recent Posts from This Journal

  • Зоология космических телескопов.

    "Кормовая база" земных телескопов довольно узка - они могут видеть объекты в оптической части спектра электромагнитных волн, близких к…

  • Как побороть русских хакеров?

    Увидел у a_nalgin любопытную картинку, характеризующую результаты выборов в ГД по одномандатным округам Москвы: Разумеется, такой…

  • Либералы мы. И демократы. Но ...

    Российская власть триумфально провела очередные выборы в Госдуму. И даже впустила в ГД новоржденного младенца - Новых людей. Вполне либеральный и…