Для чего используют радиотелескопы
Радиотелескопы
Радиотелескоп – прибор, который широко применяется в астрономических исследованиях, для изучения электромагнитного излучения различных астрономических объектов. В устройстве радиотелескопов используют специальные антенны, которые позволяют улавливать частоты от нескольких десятков мегагерц до нескольких десятков гигагерц.
Развитие радиоастрономии (раздел астрономии, который занимается изучением космических радиоволн) и создание первых радиотелескопов обязано американскому радиоинженеру Карлу Янскому. Янский работал радиоинженером в телефонной компании и ему пришлось изучать помехи неизвестного происхождения. Для этой цели инженер собрал особый прибор, который позволял улавливать радиоволны с длинной волны 4000 метров и 14,6 метров. Прибор Янского и был первым радиотелескопом в мире.
Датчики радиотелескопа были установлены на деревянной конструкции, которая размещались на движущейся платформе. С помощью этого прибора инженер смог услышать шумы, свисты и другие помехи. В результате его исследования удалось установить, что помехи исходят из Центра Галактики, то есть из Млечного Пути. Когда Янский направлял датчики прибора на Млечный Путь, то помехи становились отчетливей и сильней. Инженер написал ряд статей на тему космических шумов и их источников, но его труды не заинтересовали ни инженеров, ни астрономов. Только лишь в сороковых годах двадцатого века дело Карла Янского продолжили Г. Ребер, Дж. С. Хей и Дж. Саутуорт.
Принцип работы радиотелескопа во многом сходен с работой оптического телескопа. Радиотелескопы улавливают излучение космических объектов, обрабатывает сигнал и передает его на детектор (монитор), на котором появляется условное изображение объекта. Использование различных улавливающих антенн позволяет астрономам изучать различной природы излучения. Например, одни радиотелескопы настроены только на рентгеновское излучение, другие на тепловое инфракрасное излучение, третьи телескопы улавливают световое излучение, включая инфракрасные и ультрафиолетовые волны.
Антенны представляют собой огромную чашу (иногда металлическую, иногда зеркальную), которая отражает радиоволну и направляет ее на специальный прибор – облучатель – настроенный на определенную длину волны. Таких антенн может быть огромное количество. Некоторые радиотелескопы имеют диаметр в несколько сотен метров, как например трехсотметровый радиотелескоп, установленный на острове Пуэрто-Рико. В России есть радиотелескоп размер которого равен 600 метров.
Мини-лекции. Радиоастрономия. Радиотелескопы
Конечно антенну Карла Янского можно было бы назвать первым радиотелескопом но. Но она как бы не была к этому приспособлена и радиоизлучение Млечного Пути было открыто чисто случайно. А на первооткрывателя радиотелескопостроения может претендовать американец Грот Рёбер построивший первый в мире радиотелескоп. Как и следовало ожидать, построил он его по образу и подобию оптических телескопов, точнее рефлекторов. Ну, а дальше по нарастающей. Так появились не только телескопы-рефлекторы, но и рефракторы, в смысле радиорефракторы. Вот только в отличие от оптических они вовсе не похожи на своих предшественников. Никаких линз, окуляров не было. И человек сталкивающийся ранее с оптическими зрительными трубами (телескопами) находясь рядом с радиорефрактором не мог даже предположить что это за сооружение?!
РЕФРАКТОР, от латинского refractus «преломленный». Действительно линза преломляя лучи света сводила их в одну точку, — фокус. Если мысленно разбить линзу на тонкие колечки, то каждое будет преломлять свою долю лучей и в конечно счёте все колечки сведут сообща все лучи в одну точку. В радиотелескопе-рефракторе представляющим собой множество элементарных антенн, их токи сходятся в одном месте, причём строго в фазе. Так сообща все антенны телескопа «преломляют» радиолучи и сводят к одной точке «радиофокусу». В итоге суммарный сигнал в приёмнике достигнет максимального значения. Теперь для Вас не будет загадкой в нашей таблице деление всех радиотелескопов на рефлекторы и рефракторы!
Со времён Янского-Рёбера в мире было понастроено большое количество радиотелескопов. Классов, систем, подклассов, подсистем и таблица на рисунке, это хоть какая-то попытка классифицировать все эти железяки. Сразу оговорюсь, что если одни типы телескопов входят в одну группу, то это не значит, что они не могут входить и в другую?! Итак, все радиотелескопы во-первых делятся на две группы: антенны с заполненной апертурой и с незаполненной. А апертура это ещё что?
Апертура — это от латинского apertura «отверстие». В оптике это дырочка куда смотреть и чем, а в радиоастрономии работающая в данных условиях ЧАСТЬ ПОВЕРХНОСТИ сложной антенны. И если в рефлекторе сразу можно сразу предположить, что это «отверстие» есть раскрыв тарелки с диаметром D, то как же быть с рефрактором? Но тут не мудрствуя лукаво приняли за отверстие площадь геометрическую занимаемую этим самым рефрактором. Только вместо диаметра стала длина и ширина: a и b. Если и встретится где-нибудь буковка D, то это всего лишь размер сторон.
Заполненная апертура это такая, которая больше уже не станет. А незаполненная, хотя и выполняет свои функции, но как-то не очень. И при желании её можно как-то и чем-то заполнить. И судя по таблице незаполненная апертура лидирует. Почему, Вы узнаете позже.
Многочисленные стада параболоидов, потомков рёберского радиотелескопа разбрелись по всему свету и они первыми претендуют на заполненную апертуру. Здесь как-то без вопросов. А откуда взялась эта незаполненная, неполноценная? Оттуда же, откуда и стринги в противовес трусикам по колено 20-30 годов! Это случай когда одни интересы превалируют над другими.
Ну, со стрингами понятно, а причём здесь радиотелескопы? В сказке об антеннах мы с Вами говорили о проблеме широких диаграмм направленности ДН. И как из-за этой широкости мы не можем «разглядеть» не только подробности объекта, но и даже отдельно два расположенных рядом объектов?! Выход? Там где вход! В уменьшении этой широкости антенн, тех самых тарелок. Как? На рис9 небольшенькая формула. Это с учётом всяких дифракционных гадостей ширина ДН. Всё просто, чтобы уменьшить угол нужно либо уменьшить длину волны или же увеличить в диаметре тарелку! Сказано-сделано! Вот только с длиной волны как-то не очень. Задачи-то базируются именно на длинах волн. Нам остаётся лишь увеличивать диаметр тарелки. Но тут вмешалась механика, текучесть металлов, температурные изменения и пр. И если до ста-трёхсот метров ещё было терпимо, то более всё, приехали! Да, начались всякие извращения. Но всё как-то не очень и главное дорого! Что же делать? И вот какому-о Майкельсону, а точнее Альберту, светлая ему память, пришла мысль!
Чувствительность телескопа зависит же от площади раскрыва (тарелки), а разрешающая способность от диаметра (длины). Если мысленно разбить апертуру рис1 на вот такие как бы маленькие частички-антенны d, то получается. Получается, что они все (а, их много) ориентированы и чувствительны к одной гармонике пространственной частоты. Опустим все эти шибко научные доводы. По-простому нужно всю площадь апертуры использовать с умом и используя узенькие полоски все частички-антенны расположить вдоль этих полосок с длиной значительно больше диаметра. Да, пострадает чувствительность. Но как и со стрингами, чем-то нужно пожертвовать?! Так появился класс антенн-телескопов с высоким разрешением, получившим эту странную незаполненную апертуру. А, незаполненную, это как?
На рис2 Вы видите апертуру тарелки. Она вся используется на 100% и считается заполненной. На рис4, это область спектральной чувствительности нашей тарелки в uv-плоскости пространственных частот. Уж догадался о Вашем вопросе. Забудьте про эти странные названия неизвестно чего? Главное форма (половина реальной) и радиус этой площадки Smax рис11. А теперь посмотрите на рис3. Та же внешне тарелка но вот только из неё вырезана середина и если активная часть тарелки голубая, то на рис3 только узкая полоска! Вот она и работает. И что? А то, что реакция отображённая на рис4 точна такая же как и от заполненной. Всё осталось не смотря на потерю площади. А, что всё-таки изменилось? Чувствительность уменьшилась. Но это тот случай когда радиоастрономам, как оказалось важнее узкая ДН и высокое разрешение! И тарелка стала с незаполненной апертурой.
Другой вариант на рис5. Это так называемый потомок креста Миллса. На самом деле цветные полоски очень узкие (по сравнению с протяжённостью). Это тоже считается радиотелескоп с незаполненной апертурой. Почему? А где его тарелка? Ну, тарелки нет (как основы, точки отсчёта), она воображаемая и не тарелка, а прямоугольная плоскость (на рис6 жёлтого цвета). По идее и реакция на uv-плоскости должна быть одинаковой.
Что же это такое за параллельный синтез и ещё какой-то последовательный? Синтез, применительно к радиоастрономии-это получение из простого элементарного чего-то более сложного, с другими качественными характеристиками. А собственно синтез чего? Апертуры! Параллельный апертурный синтез — это одновременные наблюдения на всех антеннах. Последовательный апертурный синтез — это последовательные во времени наблюдения с перемещающимися по земной поверхности антеннами. А если скажем парабола (тарелка) одна, почему она с параллельным синтезом? Вроде бы синтезировать-то и нечего? Ну не совсем. Ведь всю апертуру можно представить как бесконечное множество элементарных антенн, работающих в унисон, здесь и сейчас. А в последовательном синтезе постепенно двигая антенны ведут наблюдения и только потом, после обработки сводят дебит с кредитом. И добиваясь нужного результата получают какую-то апертуру. Как пример Т-образная система (такие существуют) рис7 с параллельным синтезом. А на рис8 с последовательным синтезом. Здесь как бы недостающая часть Т-образной получается посредством передвижения красного квадратика (антенны) по земле и только потом. Вообще-то всё это делается для достижения каких-то целей и в частности увеличение разрешения телескопа. В конечном (упрощённом) виде получим коэффициент [ЭТА] рис10, равным отношения телесного угла ДН элементарной составляющей радиотелескопа к телесному углу ДН полученную в результате синтеза. Для телескопов с параллельным синтезом он равен всегда [1]. Для последовательного всегда больше единицы. Для суперсинтеза Райла он достигает 1000! Так, что игра стоит свеч!
И последнее. Система с независимой записью сигналов. В двух словах — получение данных с двух и более радиотелескопов и их записи на магнитный носитель. Затем совместная обработка и получение результата.
Вот теперь можно приземлиться и поговорить о конкретных железяках-радиотелескопах. Хотя и тоже в двух-трёх словах. Для описание особо значимых железок посвящены отдельные страницы. Эта таблица как основа взята из книги 1973 г. А готовилась ещё раньше, а посему некоторые радиотелескопы в то время ещё не существовали (были в проекте), а некоторых уже нет. Какие-то усовершенствованные и выглядят не так как на моих рисунках.
Наконец-то мы добрались до главного. Начнём с самой маленькой категории, — жёлтого цвета, то есть с заполненными апертурами. Ну с параболоидами Вы худо-бедно познакомились, начиная с рефлектора Рёбера. Не смотря на отношение параболоидов к меньшинству их на самом деле в мире несметное количество! Только в состав одного Сибирского солнечного радиотелескопа входит аж 256 штук!
Далее. Сферические чаши. Это лежащие на земле (в углублениях земли) части сферы. Те же рефлекторы, но только сферические. И как пример радиотелескоп в Пуэрто-Рико, рассказ о котором есть отдельная страница!
Ещё два примечательных два брата-акробата. Это перископические радиотелескопы в штате Огайо (США) и Нансе (Франция). Им и не только также посвящена отдельная страница. Чёрная, траурная рамка вокруг названия говорит о том, что его уже нет в живых! Это бывший радиотелескоп в штате Огайо! Его разрушили. Земля, деньги, гольф-клуб! В Нансе ещё живой. Можете в Гугле (в Яндокс-картах разрешение хуже) посмотреть.
Перейдём к рефракторам. Синфазные полотна или решётки, как Вам угодно? Это расположенные горизонтально большое количество элементарных антенн (диполи и диполи Надененко). Решётками, как правило называют систему из небольшого количества антенн и их можно сосчитать. Полотна это много антенн. :-)) Такая система даёт неплохие результаты правда и недостатки тоже присутствуют. Под цилиндрами скрываются системы состоящие из отрезка параболического цилиндра и синфазного полотна. С одной стороны как бы рефлектор, а по принципу собирания общего сигнала, — рефрактор. Такие системы существуют как отдельно, так и в составе других систем-радиотелескопов (по аналогии с параболоидами).
Ну вот! Наконец-то мы добрались до радиотелескопов с незаполненной апертурой. Во-первых это рефлекторы. Да они также как и параболоиды собирают радиолучи в одну точку, но совсем не похожи на своего старшего брата. Так «клеверный лист» имеет действительно такую клеверную форму. Вот только отражает не сплошное зеркало, а состоящее из кусков, металлических листов. Это листы размером 6Х6 метра и числом равным 5000 листов. Каждый лист как и параболоид может вращаться в двух плоскостях на 45°! Кроме того все листы радиально перемещаются по лепесткам «клеверного листа». Вот какая загогулина получается?! Антенна Хорнера также как предыдущая крестообразная, но состоит из двух пересекающихся параболических секций. АПП, это так называемая антенна переменного профиля. Здесь как и в случае с «клеверным листом» сделано расчленение отражающей поверхности. Различные положения отрезков позволяет менять форму этой самой отражающей поверхности. И только при наблюдении объектов в зените отражающая поверхность образует раскрыв (апертуру) максимального значения, окружность поэтому и в таком положении считается с параллельным синтезом. В остальных же случаях, — нет.
Рефракторами с незаполненной апертурой считаются решётки. Это система из нескольких элементарных антенн (диполей). Антенны располагаются на равных расстояниях друг от друга. Но беда не приходит одна и умники начали менять расстояния добиваясь более узкой диаграммы направленности. Более серьёзными системами являются крестообразные радиотелескопы — кресты. Это крест Миллса в Австралии, в Пущино на Оке, в Харьковской области (УТР-2 Ивановка), солнечный радиотелескоп в Бурятии (Тунка). Кольцевая антенна в Кулгуре (Австралия) состоящая из 96 параболоидов стоящих по кругу. И в тоже время это фазируемая решётка. Типа она конечно женщина, но блондинка, а это уже меняет дело. Так и с фазируемой решёткой. Просто решётка, это одно, а фазируемая? Ну, это уже меняет дело!
У нас остались самые упёртые и непредсказуемые антенны с незаполненными апертурами да ещё и с последовательным синтезом апертур. Это в первую очередь пулковский радиотелескоп и Зеленчукский РАТАН-600. Они представляют собой АПП о которых мы узнали ранее. РАТАН это расширенный, пулковский с большими возможностями. Более подробно на странице о РАТАНЕ-600.
К рефракторам с последовательным синтезам можно отнести двухэлементные интерферометры о которых есть целая страница. Суперсинтез Райла и VLA я бы отнёс к экзотике, насколько они отличаются от остальных систем. Если Райл своим методом синтезирования, то VLA своими размерами! Не даром же и абриевиатура VLA (Very Large Array)расшифровывается как Очень Большая Антенна (антенная решётка)! Она представляет собой кучу параболоидов поставленных на ЖД-рельсы в виде буквы Y. Каждое плечо длиной в 21 км.! Так и хочется брякнуть: « А, Вам слабо?!» :-)).
Конечно вся эта таблица, поверхностное знакомство, но? Но теперь Вы не будете смотреть на всё это. И хоть немного узнаете что-то новое, неизведанное!
Радиотелескоп
Мы привыкли видеть мир в оптическом диапазоне и слышать в звуковом. Всем известно, что летучая мышь видит в темноте благодаря ультразвуковому локатору. Существует множество приборов, расширяющих человеческие возможности восприятия – к этому относится вся измерительная аппаратура. Она отображает всевозможные физические процессы в графическом или звуковом виде, доступном человеку.
Техническое описание
Данная установка представляет собой двухкоординатное сканирующее устройство. Оно работает в диапазоне 10ГГц, на этих частотах работают ТВ спутники. Первоначально планировалось сделать фотографию геостационарной орбиты. Дополнительно к этому было интересно посмотреть на Солнце, а так же, из разряда детской любознательности хотелось узнать, видна ли будет Луна и, вообще, что же будет на снимке.
В устройстве использована параболическая сетчатая антенна, конвертер на диапазон 10-12 ГГц, двухосевое поворотное устройство, со специально разработанным пультом управления, написана программа для управления поворотным устройством. Чтобы оцифровывать уровень, собрана плата из логарифмического преобразователя уровня AD8313, АЦП MAX1236, контроллера, передающего информацию в COM-порт. Программа, управляющая поворотным устройством, принимает данные с АЦП, добавляет к ним временные и координатные метки и сохраняет в файл. Изображение строится по простому, но необходимому алгоритму, т.к. точность координат – 1 градус, а данные идут со скоростью 10 отсчетов на градус. Т.к. в нашем случае тарелка крутится по горизонтали, то по горизонтали разрешение примерно 10 точек на градус, а по вертикали 1 точка на градус. Полный панорамный снимок с обзором на 360 градусов по ширине и 90 градусов по высоте делается примерно полтора часа. Благодаря возможностям конвертора можно принимать излучение с различной поляризацией отдельно и получать различные изображения. Такие черно-белые изображения можно составлять в одно цветное, благодаря этому спутники выглядят разноцветными. Немногие об этом догадываются, но параболическая система с головкой в фокусе параболы имеет возможность фокусироваться не только на спутники, но и пытаться сфокусироваться на, например, соседний дом, благодаря чему можно получить четкие снимки, на которых можно разглядеть каркас парника и даже рамы окон притом, что диаметр параболического отражателя значительно превосходит по размеру их ширину.
Пример работы телескопа
Снимки
Фокусировка
Вынося приемник из фокуса параболы можно фокусироваться на разные расстояния.
На верхнем изображении фокусировка на спутники, а на нижнем — на дом, при этом спутники стали более размытыми.
Вначале, когда надо было настраивать работу всей системы, за опорную точку был принят спутник Eutelsat36B геостационарной орбиты на 36º восточной долготы. Когда нами был получен положительный результат, мы сделали широкий снимок и увидели деревья. Они были очень размыты и вокруг них на некотором расстоянии была видна аура. В дальнейшем, с настройкой и дообработкой в фотошопе и осмыслением проекции, стало видно и ясно, что аура деревьев – это провода линий электропередач.
Все знают, что вокруг Земли вращается не только Луна, но и более яркий объект — Солнце, в чем можно убедиться, посмотрев эту анимацию, на котором видны оба светила.
Северное сияние
Все кто пытался смотреть спутниковое телевидение в дождь или снег, когда на небе есть только одна сплошная темная туча, знают что качество принимаемого сигнала зависит от метео-обстановки. В данном случае очевидно, что радиосигнал от спутника гасится в тучах. Но есть и другие факторы, влияющие на качество приема, например, излучение от Солнца. Нами замечено, что часто через некоторое время после сильных солнечных вспышек картинка с метеоспутников принимается с очень сильными шумами – это работает ионосфера, создавая шум.
Мы сделали снимки в период солнечной непогоды. г. Наро-Фоминск. Эффект происходил после захода Солнца.
На анимации видно движущееся Солнце.
Вспышки на земле
Однажды при периодической съемке были замечены длительные мощные вспышки, занимающие большую часть неба. Трудно получить реальное мгновенное изображение, если один снимок делается в течении 8 минут, но вы можете посмотреть на анимацию, сделанную так как это было возможно.
Если вам есть что сказать по поводу вспышек или просто есть что добавить к этой теме, пожалуйста, пишите в комментариях.
Для чего нужны радиотелескопы?
Опытные радисты знают: когда в радиоприёмнике иногда раздаются шум и треск, не стоит сразу винить аппаратуру: вполне возможно, что это подаёт голос. Солнце!
Впервые о том, что Солнце имеет собственную «радиостанцию», люди узнали в 30-х годах прошлого века. Открывателем космических радиоволн стал молодой физик Карл Янский. Он работал в одной из американских радиокомпаний, и ему поручили изучить направление прихода атмосферных коротковолновых радиопомех.
Антенна современного радиотелескопа давно уже не напоминает ту «раскладушку», с которой работал Янский.
Чаще всего это гигантская металлическая чаша диаметром в несколько десятков, а то и сотен метров.
Например, крупный радиотелескоп Аресибо расположен в кратере потухшего вулкана на Больших Антильских островах. Склоны кратера выровняли и прикрыли металлическими щитами. Получилась огромная чаша-зеркало, с помощью которой и улавливаются радиоголоса звёзд.
Один из крупнейших радиотелескопов мира РАТАН-600 находится в нашей стране, в районе станицы Зеленчукской в Ставропольском крае.
Даже построив такую махину, астрономы на этом не успокоились. В 1980 году совместными усилиями специалистов стран Восточный и Западной Европы, а также Китая и Южной Африки был создан радиотелескоп, антенна которого оказалась диаметром. в половину земного шара! Самое удивительное, что никаких новых установок при этом не строили.
Вся хитрость в оригинальном подходе, который использовали учёные. Представьте себе, скажем, у нас в Крыму и где-то в Швеции два радиотелескопа направлены на один и тот же небесный объект. На обоих телескопах принятые сигналы записываются и передаются на компьютер. Затем радиоастрономы сравнивают записи, оценивают информацию с помощью электронных вычислительных машин. В итоге получается, что два телескопа работают как один — в общей упряжке.
Причём таким образом не только два, но и большее количество телескопов могут действовать сообща. Антенна такого всепланетарного радиотелескопа получается гигантской, простираясь на тысячи километров. Такие сети радиотелескопов называют РСДБ-сетями (расшифровывается как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами). Метод РСДБ придумали американцы в 1970-х годах. В наше время существует три крупных сети: «КВАЗАР» в России, EVN в Европе (в ней тоже участвуют российские радиотелескопы), и VLBA в США.
Зачем учёным такие гулливеровы «игрушки»? Оказывается, чем больше радиотелескоп, тем при прочих равных условиях чувствительнее его «радиоухо». Особенно удобны «упряжки» радиотелескопов для обнаружения источников со сложной пространственной структурой. То есть когда из одного места доносится не один, а сразу хор радиоголосов, и надо разобраться, кому какой принадлежит.
В свою очередь, накопленные знания нужны специалистам, чтобы лучше понять устройство мира. Например, мы до сих пор плохо знаем, как именно шло образование нашей Солнечной системы. Геологические процессы на планетах, химические реакции в их недрах сильно изменили облик небесных тел, и теперь нелегко представить, какими они были первоначально. Так что было бы важно отследить образование какой-либо другой планетной системы. Тогда по аналогии мы могли бы получить наглядное представление и о том, как образовывалась наша.
Так, проводя совместными усилиями «прослушивание» газопылевой туманности в созвездии Ориона, радиоастрономы пяти стран сумели не только услышать в общем хоре отдельные радиоголоса, но и догадаться, о чём шёл «разговор». Скорее всего, полагают учёные, радиотелескопам удалось обнаружить протозвёзды (звёзды, формирование которых ещё не закончено), возможно, даже отдельные далёкие системы, подобные Солнечной, как раз в разгар строительства. Так что, наблюдая за ними, мы можем узнать, судя по всему, немало интересного и о собственной.
Удалось радиоастрономам отыскать и следы Большого взрыва. Радиоастрономы зафиксировали в глубинах Вселенной фоновое или реликтовое радиоизлучение, которое представляет собой не что иное, как эхо Большого взрыва. Представляете, сколько миллиардов лет прошло, а радиоэхо до сих пор разгуливает по просторам Вселенной. И учёным удалось услышать его.
Благодаря РСДБ-сетям, астрономы получили возможность изучать такие загадочные космические объекты, как пульсары, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Появление радиотелескопов изменило характер труда астрономов. Как шутят они сами, многие теперь перестали смотреть по ночам на звёзды через «ночезрительную трубу» обычного, оптического телескопа, бормоча себе под нос стихи М. В. Ломоносова: «Открылась бездна звёзд полна. » Они теперь работают на сверхмощных компьютерах, выполняя сложные астрономические расчёты, напевая слова из романса на слова М. Ю. Лермонтова: «. И звезда с звездою говорит. »