§ 12. Випромінювання: приймання та аналіз

1. Величини потоків випромінювання. Інформацію про яви­ща і процеси, що відбуваються у навколишньому Всесвіті, астрономи отримують шляхом реєстрації електромагнітного випромінювання, яке приходить від космічних об'єктів. Досі ми розглядали його як електро­магнітні хвилі певної довжини (або частоти), але можна уявити його і як частинки, які називаються фотонами.

Але за межами земної атмосфери такий же телескоп здатний влов­лювати сигнали від об'єктів, у 40 разів слабкіших (до 28^m ).

З 40-х років XX ст. успішно використовують фотоелектронні по­множувачі, в яких потік фотонів, що надходить від небесного світи­ла, перетворюється в електричний струм. Фотоелектронний помно­жувач (ФЕП) - це скляний прозорий балон, у якому створено вакуум і в який вмонтовані фотокатод, емітери або диноди - загальною кількістю до двох десятків - і анод. Усі вони мають виводи, на які подаються все зростаючі електричні потенціали. Електрон, вирва­ний внаслідок фотоефекту з фотокатода, прискорюється в електрич­ному полі, вдаряється об поверхню першого емітера і вибиває з ньо­го декілька електронів, які, у свою чергу, рухаються в напрямку другого емітера, вдаряються об нього і вибивають ще більше елек­тронів і т.д.

У підсумку кількість електронів, що потрапляють на анод, буде у 10^б-10⁹ разів більшою від початкової кількості, вирваної з катода.

З початку 70-х років в астрономії застосовують приймачі, дія яких грунтується на притаманному всім напівпровідникам явищі внутрішнього фотоефекту. Для зниження шумів прилад охолоджу­ють до температури рідкого азоту (77 К). Одним із варіантів таких фотоприймачів є прилади із зарядовим зв'язком (ПЗЗ, англомовна абревіатура CCD). Тут електрони, що вивільнилися при поглинанні речовиною фотонів, зберігаються в окремих елементах кремнієвої кристалічної пластинки - в пікселах, а зчитувальний пристрій підраховує і реєструє величину нагромадженого реального заряду.

Завдяки застосуванню ПЗЗ гранична зоряна величина, яку, зокре­ма, можна зареєструвати на 5-метровому рефлекторі, зросла з 25^m до 28^m , тобто стало можливим реєструвати потоки в 16 разів слабкіші, ніж раніше. Щоб досягти такого прогресу зі старими (фотографічними) приймачами, довелося б побудувати оптичний телескоп з діаметром дзеркала 31м.

3. Допоміжні прилади. Саме по собі зображення об'єкта, отримане у фокусі телескопа, особливо якщо це далека зоря, не не­се важливої інформації, яка б розкривала його природу. Для того щоб отримати цю інформацію, астрономи використовують найрізноманітніші допоміжні прилади. Найвідомішими серед них є спектрографи. Вивчаючи спектри космічних тіл, можна дізнатися про хімічний склад, температуру, наявність і величини електрич­них та магнітних полів цих об'єктів, швидкість їхнього руху в про­сторі тощо.

Дуже часто спостереження проводять із застосуванням світло­фільтрів, за допомогою яких виділяють випромінювання об'єктів в окремих діапазонах спектра.

Сконструйовано електронно-оптичні перетворювачі (ЕОП), завдя­ки яким інфрачервоне зображення трансформується у видиме. Най­простіший ЕОП нагадує однокаскадний фотопомножувач, у якому анод виготовлено у вигляді циліндричної трубки, що виконує функції фокусуючої системи. Фотоелектрони вільно проходять крізь неї і, потрапля­ючи на екран, покритий люмінофором (сульфідом цинку чи кадмію), різко гальмуються. При цьому екран починає світитися (флуоресціюва­ти). В такий спосіб електронне зображення перетворюється у світлове, яке потім фотографують.

З 1950-х років в астрономії використовують телевізійний метод спостережень слабких об'єктів, що дає великий виграш у часі. Цей метод дозволяє значно посилювати слабкі за яскравістю об'єкти, передавати їхні зображення від телескопа в лабораторне приміщення, збільшувати масштаб зображення, його контрастність і яскравість, роз­глядати це зображення або фотографувати його.

Завдяки телевізійному методу з'явилася спекл-інтерферометрія - метод отримування моментального зображення об'єкта (за декілька со­тих часток секунди), діаметр якого близький до дифракційного. Тим самим усувається ефект розсіювання світлових променів на неоднорідностях земної атмосфери, а тому можна не лише виявляти подвійність окремих астрономічних об'єктів, а й оцінювати головні па­раметри таких систем.

Найрізноманітніші допоміжні пристрої та методи реєстрації енергії розроблено для позаоптичних діапазонів спектра. Опишемо коротко принцип роботи нейтринного телескопа, тобто детектора нейтрино, які приходять до Землі від Сонця та інших зір.

У 1967 р. в США на глибині 1 490 м було змонтовано установку (го­ризонтальний циліндричний бак довжиною близько 14 м і діаметром 6 м), що містить 400 ООО л (615 т) С₂С1₄. Після кожних 100 днів роботи через нього пропускають 20 000 л газоподібного гелію, який захоплює з собою ізотопи ³⁷Аr. Далі у вугільних фільтрах атоми аргону поглина­ються, їхній розпад і реєструється лічильниками.

Інші нейтринні детектори змонтовано, зокрема, у шахтах з видо­бування золота на глибині 3 км у Південно-Африканській Рес­публіці та на глибині 2 км у Південній Індії. Нейтринну обсерва­торію збудовано у надрах гори Андирчі неподалік від Ельбруса в Кабардино Балкарії.

Слід також відзначити найбільші японські нейтринні детектори, встановлені за 200 км від Токіо: «Каміоканде» та «Суперкаміоканде» з чутливістю, у 100 разів вищою від попереднього. Останній можна по праву назвати нейтринним телескопом, адже з його допомогою одержа­но перше нейтринне зображення Сонця.

I. Яку роль відіграють телескопи в астрономії? 2. У чому принципова різниця між фотографічними і фотоелектричним методами спостережень? 3. Як працює електронно-оптичний перетворювач? 4. Що таке детектор нейтрино?

II. 1. За даними курсу фізики накресліть схему призмового спектрографа, з'ясовуючи роль кожного з його складових елементів. 11.2  З'ясуйте, що отримає спостерігач, встановивши тригранну призму перед об'єктивом рефрактора.

Вивчивши розділ II «Інструменти і методи астрофізичних досліджень»

необхідно знати:

Астрономія сьогодні - це всехвильова наука, яка досліджує небесні світила не лише за допомогою видимого людським оком світла.

Основне призначення телескопа - зібрати більше світла

і збільшити кут зору, під яким спостерігається те чи інше світило.

Оптичні телескопи бувають лінзові (рефрактори)

і дзеркальні (рефлектори).

В сучасній астрономії використовують, окрім оптичних, також інші телескопи: радіотелескопи, інфрачервоні тощо, як наземні, так і орбітальні. Астрономічна обсерваторія - це науковий центр,

де за допомогою телескопів спостерігають небесні об'єкти.

бажано вміти:

Проводити спостереження небесних світил за допомогою телескопа.