Антенні ґрати з наддовгою базою, Детальна інформація

Мазер на гідроксилі може також служити як чуттєвий індикатор магнітних полів у мазерній хмарі. Магнітні поля викликають невеликі зміни енергетичних рівнів гідроксилу, так що випромінювання в присутності магнітного поля буде розщеплено на пари спектральних ліній із злегка різними частотами (це явище зветься ефекту Зеемана – Франка). Спостереження такого розщеплення за допомогою приладу з високою роздільною здатністю може розкрити картину просторового розподілу магнітних полів у мазерній хмарі і тим самим встановити роль магнітних полів у колапсі хмар і в утворенні протозірок.

Вимір космічних відстаней. РІСДБ дозволить до того ж робити найбільш точні виміри космічних відстаней, що є задачею фундаментальної важливості в астрономії. Точне знання шкали відстаней у Вселенній необхідно для оцінки її загальної маси й енергії, розуміння її еволюції в минулому і майбутньому; у даний час ця шкала відома з невизначеністю в два рази. Прилади з високою роздільною здатністю відкривають можливість безпосереднього виміру відстаней. Наприклад, у випадку залишку наднової, що приблизно розширюється рівномірно в усі сторони, швидкість розширення може бути обмірювана по доплерівскому зрушенню частоти випромінювання. Порівняння обмірюваної швидкості зі змінами діаметра, що спостерігаються, дозволяє оцінити далекість об'єкта. Така методика була недавно використана міжнародною групою радіоастрономів для визначення відстані до наднової, що спалахнула в скупченні галактик у Діві в 1979 р. Спостереження за допомогою РІСДБ виявили, що швидкість кутового розширення оболонки цієї наднової складає приблизно 0,003" у рік. Спектри у видимій і ультрафіолетовій областях показали, що оболонка наднової розширюється зі швидкістю 11 000 км/с, що відповідає 0,003" у рік. На сьогоднішній день точність цього методу складає приблизно 35%; очікується, що за допомогою створюваного РІСДБ аналогічні виміри можна буде робити зі значно більш високою точністю.

Метод радіоінтерферометрії з наддовгою базою дозволив також провести високоточні виміри релятивістського скривлення траєкторій поширення радіохвиль гравітаційним полем Сонця. Спочатку запропонований у якості одного з трьох класичних засобів перевірки правильності загальної теорії відносності, цей ефект був експериментально підтверджений у 1919 р. при спостереженні зірок під час повного сонячного затьмарення, коли вони здавалися відхиленими від своїх положень під впливом гравітаційного поля Сонця. Оптичні спостереження, однак, мають той недолік, що їхній приходиться проводити у віддалених куточках Землі в ті лічені хвилини, поки триває сонячне затьмарення. Що ж стосується радіохвиль, то їх можна приймати в будь-який час. Релятивістське скривлення траєкторій поширення хвиль обміряно майже по всьому небу дослідниками Національного геодезичного центру США за допомогою радіоінтерферометрів з наддовгою базою «Поларіс» і «Ірис». Тисячі спостережень, проведених протягом ряду років, підтвердили правильність теоретичних пророкувань з точністю до десятих часток відсотка.

Виміри Землі. Хоча РІСДБ був задуманий як інструмент для астрономічних спостережень, він буде використовуватися і при вивченні різних земних явищ, таких як рух літосферних плит, обертання Землі і скривлення земної поверхні під дією приливних сил. Подібні геофізичні додатки можливі завдяки тому, що показання радіоінтерферометра залежать не тільки від джерела випромінювання, що спостерігається, але і від обертання Землі, а також від довжини й орієнтації базової лінії, що з'єднує дві антени. Метод заснований на багаторазових спостереженнях опорних джерел випромінювання (таких як квазари) настільки вилучених, що їх можна вважати нерухомими точками на небесному зводі. Зміни чи форми швидкості обертання Землі впливають на результати вимірів, що можуть не збігатися в різних сеансах спостереження.

Геофізичний радіоінтерферометр із наддовгою базою дозволяє визначити відстань між двома рознесеними на велику відстань антенами з погрішністю, що не перевищує довжину хвилі, на якій проводяться спостереження. З його допомогою, отже, можна визначати зміни розмірів Землі, менш чим на 1 см. Інтерферометр «Арієс» Лабораторії реактивного руху (США) здійснює великі виміри з метою виявлення землетрусів з малими переміщеннями через лінії розламів. Не дивно, що країни, піддані землетрусам, такі як Китай, Італія і Японія, виявили велику цікавість до геофізичних радіоінтерферометрів і вже побудували радіотелескопи, призначені для виміру ліній розламів земної поверхні. Оскільки в РІСДБ коливання інтерференційних смуг викликаються обертанням Землі, геофізичні спостереження можуть використовуватися для виміру швидкості обертання Землі в одиницях часу, що задаються мазерними годинник. Тривалість доби була обмірювана за такою методикою з точністю до десятої частки мілісекунди, а положення осі обертання на поверхні Землі було визначено з точністю до декількох десятків сантиметрів.

Для проведення геофізичних вимірів необхідно виключити земні ефекти з астрономічних даних. Це являє собою досить важку задачу, ускладнену ще і флуктуаціями сигналів космічних джерел радіовипромінювання, непередбаченим впливом атмосфери й іоносфери Землі на радіосигнали, повільним дрейфом атомних годин на різних станціях і навіть релятивістському скривленні радіохвиль під впливом Сонця. Для уточнення найважливіших геофізичних і геодезичних параметрів радіотелескопи в усьому світі об'єдналися під егідою НАСА в проекті «Динаміка кори» і в згаданих раніше системах «Поларіс» і «Ірис». Із створенням РІСДБ з'явиться можливість одержувати точні зображення космічних джерел радіовипромінювання, використовуваних у геодезії як точки відліку. У той же час РІСДБ забезпечить регулярні спостереження, що доповнять і розширять уже існуючі мережі геодезичних радіоінтерферометрів з наддовгою базою.

РІСДБ у космосі. Ще одним застосуванням РІСДБ буде міжпланетна навігація. Свої здібності в цьому відношенні мережі РІСДБ продемонстрували з вражаючим успіхом під час недавньої радянської програми «Вега», ціль якої полягала в посилці космічного апарату до Венери і комети Галлея. Відповідно до цієї програми, що з'явилася найбільшим з коли-небудь здійснюваних міжнародних проектів, мережа з 20 антен у різних точках земної кулі стежила за двома космічними апаратами. Обоє вони досягли Венери в червні 1985 р., скинувши в її атмосферу апарат, що спускається на аеростаті, з передавачем, що працює на частоті 1,7 Ггц. Мережа РІСДБ супроводжувала ці апарати, що гнались венеріанськими вітрами, швидкість яких, як показали виміри, досягає 225 км/ч.

Пролетівши Венеру, апарати продовжували рух до місця зустрічі з кометою Галлея, що відбулася 6 і 9 березня 1986 р., на тиждень раніш запланованої зустрічі комети з космічним апаратом «Джотто» Європейського космічного агентства. Учені цього агентства розраховували направити «Джотто» на освітлювану Сонцем сторону комети для того, щоб зробити фотознімки, але оскільки в них не було точних даних про місце розташування комети, їхні фотокамери могли виявитися спрямованими на тіньову сторону. Оптичні зображення комети, отримані апаратами «Вега», разом з даними про положення «Джотто», що поставляються мережею РІСДБ, дозволили європейським вченим в останній момент скорегувати траєкторію космічного апарата і підвести його на відстань трохи сотень миль від освітленого Сонцем крижаного ядра комети. Фотокамери на борті апарата «Джотто» одержали можливість зробити вражаючі знімки комети Галлея 14 березня, під час максимального зближення апарату з кометою до моменту припинення зв'язку з апаратом після його зіткнення з осколками комети.

У будь-якому випадку, навіть коли РІСДБ використовується разом з іншими розосередженими по земній кулі радіотелескопами, його роздільна здатність в остаточному підсумку буде обмежена розмірами Землі. Подальше підвищення роздільній здатності системи зв'язано з винесенням базових ліній у космічний простір, ймовірно, на Місяць чи навіть на інші планети. Побудова РІСДБ із базуємими в космосі антенами сполучена з чималими технічними труднощами, зв'язаними з розробкою великогабаритних антен підвищеної точності і високочутливих приймачів, призначених для роботи в суворих космічних умовах, де неможливо забезпечити їхнє обслуговування людиною. Можливість побудови таких космічних систем уже була доведена групою вчених США, Австралії і Японії, що використовували невелику антену на борті супутника в якості одного з елементів РІСДБ зі змішаним наземним і космічним базуванням.

Плани створення спеціалізованих РІСДБ із залученням системи супутників уже зараз обговорюються в США, Західній Європі, Японії і Радянському Союзу. Висунуто пропозицію про спільний проект НАСА і Європейського космічного агентства по висновку супутника «Квазат» з антенами діаметром 10 – 15 м на навколоземну орбіту до середини наступного десятиліття. Радянський Союз також оголосив про програму створення космічного РІСДБ, що припускає вивід двох чи трьох супутників «Радіоастрон» на орбіту з апогеєм до 75 000 км. Європейські й американські вчені запрошені брати участь у цих дослідженнях, однак прагнення уряду США обмежити обмін із СРСР технологічними досягненнями в області освоєння космічного простору може знизити ступінь участі американських учених.

У більш віддаленому майбутньому радянські вчені мають намір вивести на сонячну орбіту гігантські антени з поперечними розмірами в декілька кілометрів. Такі ґрати могли б мати базові лінії довжиною декілька сто мільйонів кілометрів, а роздільна здатність системи досягла б мільйонної частки секунди дуги. Настільки могутній радіотелескоп відкриває нові можливості для астрономії і теоретично дозволить спостерігати «сонячні плями» на інших зірках нашої Галактики і розглянути характерні риси сусідніх галактик з розмірами, порівняно з передбачуваними розмірами чорних дір. Як не привабливі ці прогнози, створення й ефективне використання такою антеною грат може стати реальним лише в міру нагромадження досвіду роботи з наземними РІСДБ і антенами на навколоземній орбіті.

Наука і суспільство

Молюск і бомба. Скільки часу на ділі потрібно наутілусу, щоб виростити нову камеру, донедавна залишалося невідомим. Цей молюск вислизає від спостереження: місце його проживання обмежене тропічними водами західної частини Тихого океану, а плаває він звичайно на глибинах від сотні до декількох сотень метрів, так що піймати його непросто. Але навіть будучи пійманим, він рідко живе більше року, і в цьому ще одні труднощі спостереження за його розвитком. Зараз дослідники довідалися дещо про життя наутілусів, принаймні одного їхнього представника, в організмі якого був виявлений вуглець-14, що утворився в результаті ядерних вибухів в атмосфері. Виміривши концентрацію цього ізотопу в раковині молюска, учені прийшли до висновку, що період «змужніння» у наутілуса склав 12 років. В міру дорослішання наутілуса його ріст сповільнювався і камери в раковині утворювалися усе рідше, але усе-таки швидше, ніж одна камера в рік, як уявляв собі Холмс.

Н. Ландман з Американського музею природної історії, Э. Драффел з Океанографічного інституту у Вудс-Холі, Дж. Кочран з Університету шт. Нью-Йорк у Стоні-Бруке й А. Джалл з Арізонського університету почали своє дослідження з того, що спробували визначити, у якому ступені ядерні іспити в атмосфері, що проводилися в 1950-х і 1960-х роках, могли забруднити середовище проживання наутілуса. Після того, як у 1963 р. СРСР і США припинили ядерні іспити в атмосфері, продукти ядерних вибухів продовжували попадати в океан. Вивчивши корали, що ростуть на Великому бар'єрному рифі в Австралії, учені визначили зміни в часі ступеня забруднення в південній частині Тихого океану. З'ясувалося, що з 1958 р. концентрація вуглецю-14 у послідовно наростали шарах коралів різко підвищувалася щодо природного фонового рівня і досягла максимуму в шарах, що утворилися в середині 1970-х років.

Після того як була побудована ця «шкала часу», учені вимірили концентрації вуглецю-14 у різних камерах наутілуса, що у 1969 р. був пійманий поблизу Нової Каледонії, у 1200 км до сходу від Австралії, і незабаром вмер. Раковина містила в цілому 31 камеру; особливості будівлі молюска показали, що він досяг статевої зрілості (після цього наутілус перестає нарощувати камери). За допомогою мас-спектрометра, встановленого на прискорювачі, дослідники визначили, що стінки перших 15 камер містять вуглець-14 лише у фонових концентраціях. У більш молодих камерах концентрація ізотопу послідовно збільшувалася. Порівнявши ці дані з даними по коралах, дослідники уклали, що наутілус виростив у 1957 р. сімох камер, а протягом наступного року додав до свого житла ще вісім. У наступному десятилітті камери утворювалися не так швидко: остання цілком закрита камера виросла за сімох місяців (її будівля була закінчена в 1968 р. – за рік до того, як наутілус був пійманий).

Палеонтологи дуже зацікавлені в тому, щоб більше довідатися про невловимого наутілуса – останнього виду колись великого класу тварин, так званих головоногих із зовнішньою раковиною. У мезозойську еру (200 – 65 млн. років тому) океан буквально кишів цими створеннями, із щупальцями і схожими на сучасних головоногих – восьминогів чи каракатиць, але ув'язненими в раковини, що захищали тварину і служили свого роду баластовими цистернами.