Ирина Радунская - Безумные идеи
А как отделить лунное радиоизлучение от его «упаковки», от паразитного излучения, если ни то, ни другое неизвестно?! Это паразитное радиоизлучение неизбежно добавлялось к слабым радиоволнам, приходящим от Луны, и отделить их казалось невозможным.
– Выделить излучение Луны на фоне внешних помех и внутренних шумов аппаратуры так же трудно, как расслышать шелест отдельного дерева сквозь шум леса при сильном ветре. – Так обрисовал трудность задачи В.С. Троицкий. – Поэтому ошибки измерений достигали 20 процентов. Мы же могли позволить себе ошибиться лишь на один-два процента. Не больше.
И вот после десяти лет трудной, хлопотной, кропотливой работы с Луной горьковские радиоастрономы отважились на отчаянное средство.
«Вот если бы существовала еще одна Луна...» – мелькнула у них однажды невероятная мысль. И если бы радиоизлучение от этой другой Луны было точно известно... Тогда можно было бы сравнить известное радиоизлучение от «новой» Луны с неизвестным от «старой», настоящей Луны («упаковка»-то у них одинаковая) и столь нехитрым путем определить его.
И горьковчане осуществили это дерзкое намерение: создали на Земле искусственную Луну. Она должна была корректировать измерения радиоизлучения, принимаемого от естественной Луны. Это была безумная идея, которая, однако, спасла проблему.
...Возле Судака в Крыму на высокой скале, стоящей на самом берегу моря, с давних времен сохранились причудливые развалины старинных укреплений. Стены, сложенные из больших каменных глыб, узкие проходы, крутые лесенки – это остатки Генуэзской крепости. Когда-то ее воздвигли генуэзцы, приплывшие к крымским берегам из Италии.
А в середине 1962 года на горе возле развалин остановилось несколько грузовиков. Группа людей выгрузила кучу громоздких ящиков и осторожно стала подниматься к самой высокой башне. Вскоре над башней показался черный пятиметровый диск. Это была искусственная Луна №1. Предназначалась она для измерения радиоизлучения на волнах в 1,6 сантиметра и 3,2 сантиметра. Ближе к морю на расстоянии 200 метров от радиотелескопа была установлена искусственная Луна №2, предназначенная для работы на волне 10 сантиметров.
Закончив установку аппаратуры, ученые приступили к наблюдениям. Сначала радиотелескоп поворачивался в сторону искусственной Луны. Когда в поле его зрения попадал черный диск, радиотелескоп впитывал идущее от него радиоизлучение и посылал сигнал в приемник. Перо самописца тотчас записывало этот сигнал. После этого зеркало радиотелескопа направлялось на настоящую Луну. Самописец записывал сигнал и от нее. Затем вся процедура повторялась. Много раз в день. Каждый день в течение месяца. Затем последовали второй и третий месяцы.
Уравнение со многими неизвестными
В чем смысл этой процедуры? А в том, что, сравнивая излучение от настоящей Луны и ее двойника, используя искусственную Луну в качестве гири на своеобразных весах, ученые надеялись узнать вес «сметаны» – энергию лунного радиоизлучения без тары. Или, переходя от бытовой аналогии к более научной, такой метод помогает решить своего рода уравнение с двумя неизвестными, где х – радиоизлучение Луны, а у – космический и земной фон радиоизлучения. Сигнал от искусственной Луны известен, а главное, известно, что помехи при приеме сигналов искусственной и естественной лун почти одинаковы. Сравнивая оба сигнала, можно точно учесть помехи и таким путем надежно определить собственное радиоизлучение Луны.
Но все оказалось гораздо сложнее. Просто взвесить и сравнить было недостаточно. Прошло немало времени, прежде чем так просто объясняемый метод принес результаты. Было апробировано несколько искусственных лун. Это были и просто круги из листового алюминия или железа размером 30...40 метров, выложенные на склоне оврага в Зименках. Это были и черные, абсолютно черные диски, сделанные из специальных материалов и поднятые на шестах или вышках.
Месяцами горьковчане крутили свои антенны между искусственной и естественной лунами, и все получалось не так.
Тщательный анализ показал, что металлический двойник Луны не пригоден. Наряду с известным излучением он как зеркало отражает в антенну радиотелескопа радиоизлучение, исходящее от поверхности Земли. Поэтому результаты измерений сильно зависели от положения этого зеркала, от того, какой участок Земли отражался им в антенну радиотелескопа. От металлической Луны пришлось отказаться. Но черная Луна тоже не обеспечивала однозначных результатов.
Долгое время задача казалась неразрешимой. Лишь после сопоставления большого числа наблюдений удалось установить, что причина кроется в дифракции – в огибании радиоволнами края искусственной Луны. Первоначально исследователи полагали, что в антенну попадает только та часть радиоизлучения Земли и космического фона, которая минует диск. Они не учитывали, что земное и космическое излучения частично огибают диск и тоже попадают в антенну. Точно так же морская волна, разрезанная торчащей сваей, миновав ее, снова смыкается и бежит дальше, почти не изменившись.
Так ученые столкнулись с непредвиденным осложнением. Вначале, когда только был задуман опыт с двойником Луны, они считали, что им предстоит решить простое уравнение с двумя неизвестными. А оказалось, Y скрывал в себе сразу несколько неизвестных величин. Как же выйти из положения?
Для выяснения влияния дифракции, для определения той доли, которую она вносит в общее радиоизлучение, горьковчане придумали остроумный способ. Они решили заменить диск отверстием в большой черной плоскости.
Дело в том, что, хотя непрозрачный диск и отверстие в непрозрачной стенке являются столь же противоположными и дополняющими друг друга, как плюс и минус, они в одном отношении оказываются тождественными. Оптики еще в прошлом веке убедились, что электромагнитные волны одинаково огибают и край диска и край отверстия. Так же одинаково огибают их и радиоволны, идущие из космоса или от земной поверхности.
И вот тут-то крылась возможность решить новое уравнение с двумя неизвестными. Сравнивая радиоизлучение от диска, от сплошной плоскости и от отверстия в ней, зная величины радиоизлучения от диска и плоскости с дырой, можно было узнать, наконец, долю космического фона вместе с дифракцией и земным фоном. Опыт намечался сложный, но зато появилась возможность определить все неизвестные части у.
Для выполнения нового опыта нужно было сделать непрозрачную стенку достаточно большой, чтобы радиоволны, огибающие ее внешние края, не попадали в антенну радиотелескопа.
Схема эксперимента была намечена. Ученые, наконец, могли приступить к сложному опыту, состоящему из ряда измерений.
Радиотелескоп направлялся на искусственную Луну, и делался первый отсчет. Затем черный диск убирался, и делался второй отсчет. После этого на то же место устанавливалась черная стенка с отверстием, равным диску, и делался третий отсчет. Затем черный диск закрывал отверстие, и делался четвертый отсчет. (Из четвертого опыта ученые узнавали величину земного фона. Из первого опыта – величину дифракции. Из второго – космического фона. Третий опыт был, по существу, контрольным.)
Итак, сравнивая четыре отсчета, удалось учесть все существенные помехи. Для контроля эта процедура была повторена, причем искусственная Луна и вспомогательная черная стенка переносились в различные места для того, чтобы помехи от Земли заметно изменились. При этом, сравнивая сигнал от черного диска, от отверстия в черной поверхности и от сплошной черной поверхности с сигналом от Луны и от участков неба, близких к Луне, но удаленных от нее настолько, что лунное излучение не попадало в антенну, когда она направлена на эти участки, радиоастрономы смогли точно учесть мешающее действие Земли и космического фона.
Так постепенно были откалиброваны искусственные луны, и можно было применять их для измерений радиоизлучения от настоящей Луны.
Луну надо подогреть
Конечно, все могло бы быть проще, если бы... двойник удалось расположить на одной линии с Луной. Тогда вся работа свелась бы к тому, что мерилось бы радиоизлучение от Луны (диск при этом убирался). А потом диск снова возвращался на место и мерилось его радиоизлучение. В этом случае все помехи были бы идентичны, и задача действительно свелась бы к уравнению с двумя неизвестными. Но... Во-первых, теория не позволяет расположить диск близко к антенне. А связать его с ней жестко при расстоянии между ними в сотни метров да еще вращать вместе с антенной, чтобы следить за Луной и следовать за ней по всему небосводу, – конечно, задача нереальная. Поэтому искусственную Луну приходится держать на одном месте, но измерения вести месяцами, чтобы вычислить средние величины помех. Кроме того, даже если бы искусственную и естественную луны удалось выдерживать на одной линии, дифракция фона на краю диска все равно внесла бы излишнюю погрешность.