Для чего нужны радиотелескопы? Принцип действия радиотелескопа.

Радиотелескоп является разновидностью телескопа и применяется для исследования электромагнитного излучения объектов. Он позволяет изучать электромагнитное излучение астрономических объектов в диапазоне несущих частот от десятков МГц до десятков ГГц. С помощью радиотелескопа ученые могут принять собственное радиоизлучения объекта и, основываясь на полученных данных, исследовать его характеристики, такие как: координаты источников, пространственная структура, интенсивность излучения, а также спектр и поляризация.

Впервые радиокосмическое излучение было обнаружено в 1931 году Карлом Янским, американским радиоинженером. Изучая атмосферные радиопомехи, Янский обнаружил постоянный радиошум. На тот момент ученый точно не мог объяснить его происхождение и отождествил его источник с Млечным путем, а именно с его центральной частью, где находится центр галактики. Только в начале 1940-х работы Янского были продолжены и поспособствовали в дальнейшем развитию радиоастрономии.

Радиотелескоп состоит из антенной системы, радиометра и регистрирующей аппаратуры. Радиометр – это приемное устройство, с помощью которого измеряют мощность излучения малой интенсивности в диапазоне радиоволн (длины волн от 0,1 мм до 1000 м). Другими словами радиотелескоп занимает наиболее низкочастотное положение по сравнению с другими приборами, с помощью которых исследуется электромагнитное излучение (например, инфракрасный телескоп, рентгеновский телескоп и т. д.).

Антенна представляет собой устройство для сбора радиоизлучения небесных объектов. Соновными характеристиками любой антенны являются: чувствительность (то есть минимально возможный сигнал для обнаружения), а также угловое разрешение (то есть способность разделить излучения от нескольких радиоисточников, которые расположены близко друг к другу).

Очень важно, чтобы радиотелескоп обладал высокой чувствительностью и хорошей разрешающей способностью, так как именно это дает возможность наблюдать меньшие пространственные детали исследуемых объектов. Минимальная плотность потока DР, которая регистрируется, определяется соотношением:
DP=P/(S \sqrt(Dft))
где Р - мощность собственных шумов радиотелескопа, S - эффективная площадь антенны, Df - полоса частот, которые принимаются, t - время накопления сигнала.

Антенны, используемые в радиотелескопах, можно разделить на несколько основных типов (классификация производится в зависимости от диапазона длин волн и назначения):
Антенны полной апертуры: параболические антенны (используются для наблюдения на коротких волнах; установлены на поворотных устройствах), радиотелескоп со сферическими зеркалами (диапазон волн до 3-см, неподвижная антенна; перемещение в пространстве луча антенны осуществляется облучением разных частей зеркала), радиотелескоп Крауса (длина волн 10 см; неподвижное вертикально расположенное сферическое зеркало, на которое направлено излучение источника с помощью плоского зеркала, установленного под определенным углом), перископические антенны (небольшие размеры по вертикали и большие в горизонтальном направлении);
Антенны с незаполненной апертурой (два типа в зависимости от способа воспроизведения изображения: последовательный синтез, апертурный синтез – см. ниже). Простейший инструмент данного типа – простой радиоинтерферометр (связанные между собой системы из двух радиотелескопов для одновременного наблюдения за радиоисточником: обладает большей разрешающей способностью, пример: Интерферометр с апертурным синтезом в Кембридже, Англия, длина волны 21 см). Другие типы антенн: крест (крест Миллса с последовательным синтезом в Молонго, Австралия, длина волны 73,5 см), кольцо (инструмент типа последовательного синтеза в Калгуре, Австралия, длина волны 375 см), составной интерферометр (интерферометр с апертурным синтезом во Флерсе, Австралия, длина волны 21).

Самыми точными в работе являются полноповоротные параболические антенны. В случае их применения чувствительность телескопа усиливается за счет того, что такую антенну можно направить в любую точку неба, накапливая сигнал от радиоисточника. Подобный телескоп выделяет сигналы космических источников на фоне разнообразных шумов. Зеркало отражает радиоволны, которые фокусируются и улавливаются облучателем. Облучатель представляет из себя полуволновое диполе, принимающее излучение заданной длины волны. Основная проблема использования радиотелескопов с параболическими зеркалами состоит в том, что при повороте зеркало деформируется под действием сил тяжести. Именно из-за этого в случае увеличения диаметра свыше примерно 150 м увеличиваются отклонения при измерениях. Тем не менее, существуют очень крупные радиотелескопы, которые успешно работают много лет.

Иногда, для более успешных наблюдений, используют несколько радиотелескопов, установленных на определенном расстоянии друг от друга. Такая система называется радиоинтерферометром (см. выше). Принцип его действия состоит в измерении и записи колебаний электромагнитного поля, которые порождаются отдельными лучами на поверхности зеркала или другой точке, через которую проходит тот же луч. После этого записи складываются с учетом фазового сдвига.

Если решетку антенн сделать не сплошной, а разнесенной на достаточно большое расстояние, то получится зеркало большого диаметра. Такая система работает по принципу «синтеза апертуры». В этом случае разрешение определяется расстоянием между антеннами, а не их диаметром. Таким образом, данная система позволяет не строить огромные антенны, а обойтись, как минимум, тремя, расположенными с определенными промежутками. Одной из самых известных систем подобного рода является VLA (Very Large Array). Этот массив расположен в США, штате Нью-Мексико. «Очень большая решетка» была создана в 1981 году. Система состоит из 27 полноповоротных параболических антенн, которые расположены вдоль двух линий, образующих букву “V”. Диаметр каждой антенны достигает 25 метров. Каждая антенна может занимать одну из 72 позиций, передвигаясь по рельсовым путям. VLA по чувствительности соответствует антенне диаметром 136 километров и по угловому разрешению превосходит лучшие оптические системы. Неслучайно именно VLA использовалась при поиске воды на Меркурии, радио-корон вокруг звезд и других явлений.

По своей конструкции радиотелескопы чаще всего открыты. Хотя в некоторых случаях для того, чтобы защитить зеркало от погодных явлений (температурных изменений и ветровых нагрузок), телескоп помещают внутрь купола: сплошного (Хайстекская обсерватория, 37-м радиотелескоп) или с раздвижным окном (11-м радиотелескоп на Китт-Пик, США).

В настоящее время перспективы использования радиотелескопов заключаются в том, что они позволяют наладить связь между антеннами, находящимися в разных странах и даже на разных континентах. Подобные системы называются радиоинтерферометрами со сверхдлинной базой (РСДБ). Сеть из 18 телескопов была использована в 2004 году для наблюдения за посадкой аппарата «Гюйгенс» на Титан, спутник Сатурна. Ведется проектирование системы ALMA, состоящей из 64 антенн. Перспектива на будущее – запуск антенн интерферометра в космос.

На фото изображена Мерчисонская радиоастрономическая обсерватория, которая находится в Западной Австралии. Она включает в себя 36 комплексов с такими вот зеркальными антеннами, работающими в диапазоне 1.4 ГГц. Диаметр главного зеркала каждой антенны составляет 12 метров. Совместно эти антенны являются частью одного большого радиотелескопа Pathfinder. Это самый большой из всех существующих на сегодняшний день радиотелескопов.

Десятки зеркальных антенн используются для исследований и наблюдения за галактикой. Они способны заглянуть в такую даль, на которую не способен самый крупный в мире оптический телескоп Hubble. Совместно эти антенны работают как один большой интерферометр и образуют массив, способный собирать электромагнитные волны с самого края вселенной.

Сотни тысяч антенн по всему миру объединяются в один радиотелескоп Square Kilometre Array

Подобные радиотелескопы развернуты по всему земному шару, и многие из них к 2030 году планируется объединить в единую систему Square Kilometre Array (SKA) , имеющую общую площадь приема более одного квадратного километра, как вы наверняка догадались из названия. В него будет входить более двух тысяч антенных систем, расположенных в Африке и полмиллиона комплексов из Западной Австралии. В проекте SKA принимает участие 10 стран: Австралия, Канада, Китай, Индия, Италия, Нидерланды, Новая Зеландия, Южная Африка, Швеция и Соединенное Королевство:

Никто и никогда не строил ничего подобного. Система радиотелескопов SKA позволит решить самые насущные загадки вселенной. Он сможет измерить огромное количество пульсаров, звездных осколков и других космических тел, излучающих электромагнитные волны вдоль своих магнитных полюсов. Наблюдая за подобными объектами вблизи черных дыр, смогут быть открыты новые физические законы и, возможно, будет разработана единая теория квантовой механики и гравитации.

Строительство единой системы SKA начинается поэтапно с более мелких составных частей и Pathfinder в Австралии будет одной из таких частей. Кроме этого в настоящее время уже строится система SKA1, которая будет являться лишь малой частью будущей Square Kilometre Array, но при завершении строительства станет крупнейшим радиотелескопом в мире.

SKA1 будет включать в себя две части на разных континентах в Африке и Австралии

SKA1 будет состоять из двух частей: SKA1-mid в южной части Африки, и SKA1-low в Австралии. SKA1-mid изображена на рисунке ниже и будет включать в себя 197 зеркальных антенн диаметром от 13.5 до 15 метров каждая:

А система SKA1-low будет рассчитана на сбор низкочастотных радиоволн, которые появились в космосе миллиарды лет назад, когда объекты, подобные звездам, только начинали свое существование. Для приема этих радиоволн радиотелескоп SKA1-low не будет использовать зеркальные антенны. Вместо этого будет установлено множество более мелких турникетных антенн, предназначенных для сбора сигналов в широком диапазоне частоте, в том числе телевизионном и FM-диапазонах, которые совпадают с частотой излучения старейших источников во вселенной. Антенны SKA1-low работают в диапазоне от 50 до 350 МГц, их внешний вид изображен ниже:

К 2024 году руководители проекта SKA планируют установить более 131 000 подобных антенн, сгруппированных в кластеры и разбросанных по пустыне на десятки километров. В один кластер будет включено по 256 таких антенн, сигналы которых будут объединяться и передаваться через одну волоконно-оптическую линию связи. Низкочастотные антенны будут работать вместе, принимая излучение, возникшее во вселенной миллиарды лет назад. И тем самым, помогут понять физические процессы, происходящие в далеком прошлом.

Принцип работы радиотелескопов

Антенны, объединенные в один общий массив, работают по тому же принципу, что и оптический телескоп, вот только радиотелескоп фокусирует не оптическое излучение, а принимаемые радиоволны. Законы физики диктуют такие требования, что чем выше принимаемая длина волны, тем больше должен быть диаметр зеркальной антенны. Вот так, например, выглядит радиотелескоп без пространственного разнесения приемных антенных систем, - действующий пятисотметровый сферический радиотелескоп FAST в юго-западной провинции Гуйчжоу в Китае. Этот радиотелескоп в будущем также станет частью проекта Square Kilometre Array (SKA):

Но увеличивать диаметр зеркала до бесконечности не получится, а реализация интерферометра как на фото выше, не всегда и не везде возможна, поэтому приходится использовать большое количество территориально разнесенных антенн меньшего размера. Например, таким видом антенн для радиоастрономии являются Murchison Widefield Array (MWA). Антенны MWA работают в диапазоне от 80 до 300 МГц:

Антенны MWA также входят в состав системы SKA1-low в Австралии. Они также способны заглянуть в темный период ранней вселенной, называемой эпохой реионизации. Эта эпоха существовала 13 миллиардов лет назад (примерно через миллиард лет после Большого взрыва), когда только зарождающиеся звезды и другие объекты начали нагревать вселенную, заполненную атомами водорода. Примечательно то, что до сих пор можно обнаружить радиоволны, излучаемые этими нейтральными атомами водорода. Волны испускались с длиной волны 21 см, но к тому времени, как они достигли Земли, прошли миллиарды лет космической экспансии, растянувшие их еще на несколько метров.

Антенны MWA будут использоваться для того, чтобы обнаружить эхо дальнего прошлого. Астрономы надеются, что изучение этого электромагнитного излучения поможет глубже понять, как формировалась ранняя вселенная, и как структуры, подобные галактикам, формировались и изменялись в эту эпоху. Астрономы отмечают, что это одна из основных фаз во время эволюции Вселенной, которая совершенно нам неизвестна.

На изображении ниже секции с MWA-антеннами. Каждая секция содержим по 16 антенн, которые объединяются между собой в единую сеть с помощью оптоволокна:

Антенны MWA принимают радиоволны частями с разных направлений одновременно. Входящие сигналы усиливаются в центре каждой антенны с помощью пары малошумящих усилителей, а затем направляются в ближайший формирователь луча. Там волноводы различной длины придают сигналам антенны определенную задержку. При правильном выборе этой задержки формирователи луча "наклоняют" диаграмму направленности массива так, что радиоволны, поступающие с определенного участка неба, достигают антенну в одно и то же время, как если бы они принимались одной большой антенной.

Антенны MWA делятся на группы. Сигналы от каждой группы отправляются на один приемник, который распределяет сигналы между различными частотными каналами, а затем отправляет их в центральное здание обсерватории по оптоволокну. Там с помощью специализированных программных пакетов и блоков обработки графики данные коррелируются, перемножая сигналы от каждого приемника и интегрируя их по времени. Этот подход позволяет создать единый сильный сигнал, как будто он был принят одним большим радиотелескопом.

Подобно оптическому телескопу, дальность видимости такого виртуального радиотелескопа пропорциональна его физическому размеру. В частности, для виртуального телескопа, состоящего из набора зеркальных или фиксированных антенн, максимальное разрешение телескопа определяется его расстоянием между несколькими приемными частями. Чем больше это расстояние, тем точнее разрешение.

Сегодня астрономы используют это свойство для создания виртуальных телескопов, которые охватывают целые континенты, что позволяет увеличить разрешение телескопа настолько хорошо, чтобы разглядеть черные дыры в центре Млечного пути. Но размер радиотелескопа не является единственным требованием для получения детальной информации о далеком объекте. Качество разрешения зависит также от общего количества приемных антенн, частотного диапазона и расположения антенн относительно друг друга.

Данные, полученные с помощью MWA, отправляются через сотни километров в ближайший центр обработки данных с суперкомпьютером. MWA может отправлять более 25 терабайт данных в день и в ближайшие годы c выходом SKA1-low эта скорость станет еще выше. И 131 000 антенн в составе радиотелескопа SKA1-low, работая в одном общем массиве, будет собирать каждый день более терабайта данных.

А вот так решается проблема с электропитанием радиотелескопов. В Мерчисонской радиоастрономической обсерватории электропитание антенных комплексов обеспечивается за счет солнечных панелей емкостью в 1,6 мегаватт:

До недавнего времени антенны обсерватории работали на дизель-генераторах, а сейчас помимо солнечных панелей она имеет еще и огромное количество блоков литиево-ионных батарей, которые могут хранить 2,6 мегаватт-часов. Некоторые части антенного массива вскоре получат собственные солнечные панели.

В таких амбициозных проектах всегда довольно остро стоит вопрос финансирования. На данный момент бюджет строительства SKA1 в Южной Африке и Австралии составляет около 675 миллионов евро. Это сумма, установленная 10 странами-членами проекта: Австралией, Канадой, Китаем, Индией, Италией, Нидерландами, Новой Зеландией, Южной Африкой, Швецией и Соединенным Королевством. Но это финансирование не покрывает всю стоимость SKA1, на которые надеются астрономы. Поэтому обсерватория пытается привлечь больше стран к партнерству, которое могло бы увеличить финансирование.

Заключение

Радиотелескопы позволяют наблюдать за далекими космическими объектами: пульсарами, квазарами и др. Вот так, например, с помощью радиотелескопа FAST удалось обнаружить в 2016 году радиопульсар:

После обнаружения пульсара удалось установить, что пульсар в тысячу раз тяжелее Солнца и на земле один кубический сантиметр такого вещества весил бы несколько миллионов тонн. Сложно переоценить значимость информации, которую можно получить с помощью вот таких необычных радиотелескопов.

Телескоп - это уникальный оптический прибор, предназначенный для наблюдения за небесными телами. Использование приборов позволяет рассмотреть самые разные объекты, не только те, которые располагаются недалеко от нас, но и те, которые находятся за тысячи световых лет от нашей планеты. Так что такое телескоп и кто его придумал?

Первый изобретатель

Телескопические устройства появились в семнадцатом веке. Однако по сей день ведутся дебаты, кто изобрел телескоп первым - Галилей или Липперсхей. Эти споры связаны с тем, что оба ученых примерно в одно время вели разработки оптических устройств.

В 1608 году Липперсхей разработал очки для знати, позволяющие видеть удаленные объекты вблизи. В это время велись военные переговоры. Армия быстро оценила пользу разработки и предложила Липперсхею не закреплять авторские права за устройством, а доработать его так, чтобы в него можно было бы смотреть двумя глазами. Ученый согласился.

Новую разработку ученого не удалось удержать втайне: сведения о ней были опубликованы в местных печатных изданиях. Журналисты того времени назвали прибор зрительной трубой. В ней использовалось две линзы, которые позволяли увеличить предметы и объекты. С 1609 года в Париже вовсю продавали трубы с трехкратным увеличением. С этого года какая-либо информация о Липперсхее исчезает из истории, а появляются сведения о другом ученом и его новых открытиях.

Примерно в те же годы итальянец Галилео занимался шлифовкой линз. В 1609 году он представил обществу новую разработку - телескоп с трехкратным увеличением. Телескоп Галилея имел более высокое качество изображения, чем трубы Липперсхея. Именно детище итальянского ученого получило название «телескоп».

В семнадцатом веке телескопы изготавливались голландскими учеными, но они имели низкое качество изображения. И только Галилею удалось разработать такую методику шлифовки линз, которая позволила увеличить четко объекты. Он смог получить двадцатикратное увеличение, что было в те времена настоящим прорывом в науке. Исходя из этого невозможно сказать, кто изобрел телескоп: если по официальной версии, то именно Галилео представил миру устройство, которое он назвал телескопом, а если смотреть по версии разработки оптического прибора для увеличения объектов, то первым был Липперсхей.

Первые наблюдения за небом

После появления первого телескопа были сделаны уникальные открытия. Галилео применил свою разработку для отслеживания небесных тел. Он первым увидел и зарисовал лунные кратеры, пятна на Солнце, а также рассмотрел звезды Млечного Пути, спутники Юпитера. Телескоп Галилея дал возможность увидеть кольца у Сатурна. К сведению, в мире до сих пор есть телескоп, работающий по тому же принципу, что и устройство Галилея. Он находится в Йоркской обсерватории. Аппарат имеет диаметр 102 сантиметра и исправно служит ученым для отслеживания небесных тел.

Современные телескопы

На протяжении столетий ученые постоянно изменяли устройства телескопов, разрабатывали новые модели, улучшали кратность увеличения. В результате удалось создать малые и большие телескопы, имеющие разное назначение.

Малые обычно применяют для домашних наблюдений за космическими объектами, а также для наблюдения за близкими космическими телами. Большие аппараты позволяют рассмотреть и сделать снимки небесных тел, расположенных в тысячах световых лет от Земли.

Виды телескопов

Существует несколько разновидностей телескопов:

1. Зеркальные.
2. Линзовые.
3. Катадиоптрические.

К линзовым относят рефракторы Галилея. К зеркальным относят устройства рефлекторного типа. А что такое телескоп катадиоптрический? Это уникальная современная разработка, в которой сочетается линзовый и зеркальный прибор.

Линзовые телескопы

Телескопы в астрономии играют важную роль: они позволяют видеть кометы, планеты, звезды и другие космические объекты. Одними из первых разработок были линзовые аппараты.

В каждом телескопе есть линза. Это главная деталь любого устройства. Она преломляет лучи света и собирает их в точке, под названием фокус. Именно в ней строится изображение объекта. Чтобы рассмотреть картинку, используют окуляр.

Линза размещается таким образом, чтобы окуляр и фокус совпадали. В современных моделях для удобного наблюдения в телескоп применяют подвижные окуляры. Они помогают настроить резкость изображения.

Все телескопы обладают аберрацией - искажением рассматриваемого объекта. Линзовые телескопы имеют несколько искажений: хроматическую (искажаются красные и синие лучи) и сферическую аберрацию.

Зеркальные модели

Зеркальные телескопы называют рефлекторами. На них устанавливается сферическое зеркало, которое собирает световой пучок и отражает его с помощью зеркала на окуляр. Для зеркальных моделей не характерна хроматическая аберрация, так как свет не преломляется. Однако у зеркальных приборов выражена сферическая аберрация, которая ограничивает поле зрения телескопа.

В графических телескопах используются сложные конструкции, зеркала со сложными поверхностями, отличающиеся от сферических.

Несмотря на сложность конструкции, зеркальные модели легче разрабатывать, чем линзовые аналоги. Поэтому данный вид более распространен. Самый большой диаметр телескопа зеркального типа составляет более семнадцати метров. На территории России самый большой аппарат имеет диаметр шесть метров. На протяжении многих лет он считался самым большим в мире.

Характеристики телескопов

Многие покупают оптические аппараты для наблюдений за космическими телами. При выборе устройства важно знать не только то, что такое телескоп, но и то, какими характеристиками он обладает.

1. Увеличение. Фокусное расстояние окуляра и объекта - это кратность увеличения телескопа. Если фокусное расстояние объектива два метра, а у окуляра - пять сантиметров, то такое устройство будет обладать сорокакратным увеличением. Если окуляр заменить, то увеличение будет другим.
2. Разрешение. Как известно, свету свойственны преломление и дифракция. В идеале любое изображение звезды выглядит как диск с несколькими концентрическими кольцами, называемыми дифракционными. Размеры дисков ограничены только возможностями телескопа.

Телескопы без глаз

А что такое телескоп без глаза, для чего его используют? Как известно, у каждого человека глаза воспринимают изображение по-разному. Один глаз может видеть больше, а другой - меньше. Чтобы ученые смогли рассмотреть все, что им необходимо увидеть, применяют телескопы без глаз. Эти аппараты передают картинку на экраны мониторов, через которые каждый видит изображение именно таким, какое оно есть, без искажений. Для малых телескопов с этой целью разработаны камеры, подключаемые к аппаратам и снимающие небо.

Самыми современными методами видения космоса стало использование ПЗС камер. Это особые светочувствительные микросхемы, которые собирают информацию с телескопа и передают ее на ЭВМ. Получаемые с них данные настолько четкие, что невозможно представить, какими еще устройствами можно было бы получить такие сведения. Ведь глаз людей не может различать все оттенки с такой высокой четкостью, как это делают современные камеры.

Для измерения расстояний между звездами и другими объектами пользуются специальными приборами - спектрографами. Их подключают к телескопам.

Современный астрономический телескоп - это не одно устройство, а сразу несколько. Получаемые данные с нескольких аппаратов обрабатываются и выводятся на мониторы в виде изображений. Причем после обработки ученые получают изображения очень высокой четкости. Увидеть глазами в телескоп такие же четкие изображения космоса невозможно.

Радиотелескопы

Астрономы для своих научных разработок используют огромные радиотелескопы. Чаще всего они выглядят как огромные металлические чаши с параболической формой. Антенны собирают получаемый сигнал и обрабатывают получаемую информацию в изображения. Радиотелескопы могут принимать только одну волну сигналов.

Инфракрасные модели

Ярким примером инфракрасного телескопа является аппарат имени Хаббла, хотя он может быть одновременно и оптическим. Во многом конструкция инфракрасных телескопов схожа с конструкцией оптических зеркальных моделей. Тепловые лучи отражаются обычным телескопическим объективом и фокусируются в одной точке, где находится прибор, измеряющий тепло. Полученные тепловые лучи пропускаются через тепловые фильтры. Только после этого происходит фотографирование.

Ультрафиолетовые телескопы

При фотографировании фотопленка может засвечиваться ультрафиолетовыми лучами. В некоторой части ультрафиолетового диапазона возможно принимать изображения без обработки и засвечивания. А в некоторых случаях необходимо, чтобы лучи света прошли через специальную конструкцию - фильтр. Их использование помогает выделить излучение определенных участков.

Существуют и другие виды телескопов, каждый из которых имеет свое назначение и особые характеристики. Это такие модели, как рентгеновские, гамма-телескопы. По своему назначению все существующие модели можно разделить на любительские и профессиональные. И это далеко не вся классификация аппаратов для отслеживания небесных тел.

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.

Молодой исследователь сконструировал специальную антенну, способную принимать короткие волны. Вооружившись этой антенной, он стал изучать источники радиопомех и их направление. Каково же было его удивление, когда прибор упрямо стал указывать на... солнечный диск! Причем эти шипящие помехи повторялись каждые 24 часа. Это указывало на то, что источник помех может быть связан с Солнцем (24 часа, как мы помним, длятся солнечные сутки на Земле). Но проанализировав полученные данные более тщательно, Карл Янский увидел, что обнаруженный им радиосигнал повторялся на каждые 24 часа, а каждые 23 часа 56 минут - это уже длительность звёздных суток, а не солнечных, то есть период вращения Земли относительно дальних звезд, а не Солнца. Сверившись с астрономическими картами, Карл Янский обнаружил, что источником излучения была область в центре нашей галактики Млечный Путь , в созвездии Стрельца.

Карл Янский опубликовал статью, в которой рассказал о своем открытии, однако ему не поверили. Но факты - упрямая вещь. Радиоголоса были обнаружены и у других звёзд, у планет и прочих небесных объектов. Так было положено начало новой науке - радиоастрономии. Она позволила узнать о Вселенной много такого, о чем люди раньше и не подозревали.

Круговая "антенна-карусель" Карла Янского - первый радиотелескоп

Антенна современного радиотелескопа давно уже не напоминает ту «раскладушку», с которой работал Янский.

Радиотелескоп РТ-32 РАО "Бадары"
Находится в урочище Бадары Тункинского р-на республики Бурятия (Россия).

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.

Обсерватория Аресибо (Пуэрто-Рико).
Радиотелескоп Аресибо, построенный в 1963 году,
по размерам уступает только китайскому телескопу FAST, запущенному в 2016 году.
Диаметр зеркала радиотелескопа Аресибо - почти 305 метров

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.

В будущем учёные замахиваются создать радиотелескоп размерами во всю Солнечную систему. Каким образом? Точно таким же. Один из радиотелескопов они хотят разместить на борту автоматической межпланетной станции и отравить её куда-нибудь на окраину Солнечной системы, допустим, к орбите Сатурна или Плутона. Другие радиотелескопы включатся на Земле. А когда полученные сведения обработают с помощью сверхмощных компьютеров, получится, будто работал сверхгигантский радиотелескоп.

Первый шаг в этом направлении уже сделан - это международный проект "РадиоАстрон". Размеры этой сети уже превышают диаметр нашей планеты, потому что в неё, помимо наземных радиотелескопов, включен космический радиотелескоп на российском космическом аппарате «Спектр-Р», запущенном на околоземную орбиту в 2011 году.

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...»

План:

Введение

• 1 Устройство
• 2 Принцип работы
  • 2.1 Радиоинтерферометры
• 3 Первые радиотелескопы
  • 3.1 Начало - Карл Янский
  • 3.2 Второе рождение - Гроут Ребер
• 4 Классификация радиотелескопов
  • 4.1 Антенны с заполненной апертурой
    • 4.1.1 Параболоиды вращения
    • 4.1.2 Параболические цилиндры
    • 4.1.3 Антенны с плоскими отражателями
    • 4.1.4 Земляные чаши
    • 4.1.5 Антенные решётки (синфазные антенны)
  • 4.2 Антенны с незаполненной апертурой
• 5 Список радиотелескопов
Примечания

Введение

Радиотелескоп РТФ-32 обсерватории «Зеленчукская», ИПА РАН. Расположен на Северном Кавказе.

Радиотелеско́п - астрономический инструмент для приёма собственного радиоизлучения небесных объектов (в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике) и исследования их характеристик: координат, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации .

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов исследующих электромагнитное излучение, - более высокочастотными являются телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения .

Радиотелескопы предпочтительно располагать далеко от главных населённых пунктов, чтобы максимально уменьшить электромагнитные помехи от вещательных радиостанций, телевидения, радаров и др. излучающих устройств. Размещение радиообсерватории в долине или низине ещё лучше защищает её от влияния техногенных электромагнитных шумов.

1. Устройство

Радиотелескоп состоит из двух основных элементов: антенного устройства и очень чувствительного приёмного устройства - радиометра. Радиометр усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму, удобную для регистрации и дальнейшей обработки.

Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в радиоастрономии (от 0,1 мм до 1000 м). Антенны радиотелескопов, принимающих мм, см, дм и метровые волны, чаще всего представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических рефлекторов. В фокусе параболоида устанавливается облучатель - устройство, собирающее радиоизлучение, которое направляется на него зеркалом. Облучатель передаёт принятую энергию на вход радиометра, и, после усиления и детектирования, сигнал регистрируется на ленте самопишущего электроизмерительного прибора . На современных радиотелескопах аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и записывается на жёсткий диск в виде одного или нескольких файлов.

Для направления антенн в исследуемую область неба их устанавливают обычно на Азимутальных монтировках, обеспечивающих повороты по азимуту и высоте (полноповоротные антенны). Существуют также антенны, допускающие лишь ограниченные повороты, и даже полностью неподвижные. Направление приёма в антеннах последнего типа (обычно очень большого размера) достигается путём перемещения облучателей, которые воспринимают отражённое от антенны радиоизлучение.

2. Принцип работы

Принцип работы радиотелескопа больше схож принципом работы фотометра, нежели оптического телескопа. Радиотелескоп не может строить изображение непосредственно, он лишь измеряет энергию излучения, приходящего с направления, в котором "смотрит" телескоп. Таким образом, чтобы получить изображение протяженного источника, радиотелескоп должен промерить его яркость в каждой точке.

Ввиду дифракции радиоволн на апертуре телескопа, измерение направления на точечный источник происходит с некоторой ошибкой, которая определяется диаграммой направленности антенны и накладывает фундаментальное ограничение на разрешающую способность инструмента:

где λ - длина волны, D - диаметр апертуры. Высокая разрешающая способностью позволяет наблюдать более мелкие пространственные детали исследуемых объектов. Чтобы улучшить разрешающую способность, нужно либо уменьшить длину волны, либо увеличить апертуру. Однако использование малых длин волн повышает требования к качеству поверхности зеркала (см. критерий Релея). Поэтому обычно идут по пути увеличения апертуры. Увеличение апертуры также позволяет улучшить ещё одну важную характеристику - чувствительность. Радиотелескоп должен обладать высокой чувствительностью, чтобы обеспечить надёжную регистрацию как можно более слабых источников. Чувствительность определяется уровнем флюктуаций плотности потока ΔP :

где P - мощность собственных шумов радиотелескопа, S - эффективная площадь (собирающая поверхность) антенны, Δf - полоса частоти и t - время накопления сигнала. Для повышения чувствительности радиотелескопов увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приёмники и усилители на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д.

2.1. Радиоинтерферометры

Помимо увеличения диаметра апертуры, существует ещё один способ увеличить разрешающую способность (или сузить диаграмму направленности). Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением λ / d . Такая процедура редукции называется апертурным синтезом. Интерференция может проводиться как аппаратно, путём подачи сигнала по кабелям и волноводам в общий смеситель, так и на ЭВМ с предварительно оцифрованными по меткам точного времени и сохраненными на носитель сигналами. Современные технические средства позволили создать систему РСДБ, которая включает в себя телескопы расположенные на разных материках и разнесенные на несколько тысяч километров.

3. Первые радиотелескопы

3.1. Начало - Карл Янский

Точная копия радиотелескопа Карла Янского в натуральную величину. Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), Грин Бэнк, Западная Вирджиния, США

История радиотелескопов берёт своё начало с экспериментов Карла Янского, проведённых в 1931 г. В то время Янский работал радиоинженером на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Ему было поручено исследование направления прихода грозовых помех. Для этого Карл Янский построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30.5 м в длину и 3.7 м в высоту. Работа велась на волне 14.6 м (20.5 МГц). Антенна была соединена с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени .

Запись излучений, полученная Янским 24 февраля 1932 года. Максимумы (стрелки) повторяются через 20 мин. - период полного оборота антенны.

В декабре 1932 г. Янский уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке . В статье сообщалось об обнаружении «… постоянного шипения неизвестного происхождения», которое «… трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа». В двух своих следующих работах, в октябре 1933 года и октябре 1935 года, Карл Янский постепенно приходит к заключению, что источником его новых помех является центральная область нашей галактики . Причём наибольший отклик получается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути .

Янский сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. Он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30.5 м в диаметре для работы на метровых волнах. Однако его предложение не получило поддержки в США, и радиоастрономия зачахла .

3.2. Второе рождение - Гроут Ребер

Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США, штат Иллинойс) заинтересовался работой Янского и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янского, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее. У антенны Ребера луч имел коническую форму с шириной 12° по уровню половинной мощности, в то время как у луча антенны Янского была веерообразная форма шириной 30° по уровню половинной мощности в наиболее узком сечении .

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты .

Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г.

Совершенствуя свою аппаратуру , Ребер предпринял систематический обзор неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода . На картах отчётливо видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы . Карты Ребера достаточно хороши даже по сравнению с современными картами.

После Второй Мировой войны были сделаны существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учёными в Европе, Австралии и США. Таким образом начался расцвет радиоастрономии.

4. Классификация радиотелескопов

Широкий диапазон длин волн, разнообразие объектов исследований в радиоастрономии, быстрые темпы развития радиофизики и радиотелескопостроения, большое число независимых коллективов радиоастрономов привели к большому разнообразию типов радиотелескопов. Наиболее естественно классифицировать радиотелескопы по характеру заполнения их апертуры и по методам фазирования СВЧ поля (рефлекторы, рефракторы, независимая запись полей) :

4.1. Антенны с заполненной апертурой

Антенны этого типа похожи на зеркала оптических телескопов и является наиболее простыми и привычными в использовании. Антенны с заполненой апертурой просто собирают сигнал от наблюдаемого объекта и фокусируют его на приёмнике. Записанный сигнал уже несет в себе научную информацию и не нуждается в синтезе. Недостатком таких антенн является низкая разрешающая способность. Антенны с незаполненной апертурой можно разделить на несколько классов по форме их поверхности и методу монтирования.

4.1.1. Параболоиды вращения

Практически все антенны такого типа устанавливаются на Альт-азимутальных монтировках и являются полноповоротным. Главным их преимуществом является то, что такие радиотелескопы могут, как и оптические, наводиться на объект и вести его. Таким образом, наблюдения могут проводиться в любое время, пока исследуемый объект находится над горизонтом. Типичные представители: Радиотелескоп Грин-Бэнк, РТ-70, калязинский радиотелескоп.

4.1.2. Параболические цилиндры

Строительство полноповоротных антенн сопряжено с определёнными трудностями, связанными с огромной массой таких конструкций. Поэтому строят неподвижные и полуподвижные системы. Стоимость и сложность таких телескопов растет гораздо медленнее с их ростом размеров. Параболический цилиндр собирает лучи не в точке, а на прямой, параллельной его образующей (фокальная линия). Из-за этого телескопы данного типа имеют несимметричную диаграмму направленности и различное разрешение по разным осям. Ещё одним недостатком таких телескопов является то, что ввиду ограниченной подвижности для наблюдения им доступна только часть неба. Представители: радиотелескоп Иллинойского университета , индийский телескоп в Ути .

Ход лучей в телескопе Нансэ

4.1.3. Антенны с плоскими отражателями

Для работы на параболическом цилиндре требуется, чтобы на фокальной линии было размещено несколько детекторов, сигнал с которых складывается с учетом фаз. На коротких волнах это сделать непросто из-за больших потерь в линиях связи. Антенны с плоским отражателем позволяют обойтись лишь одним приёмником. Такие антенны состоят из двух частей: подвижного плоского зеркала и неподвижного параболоида. Подвижное зеркало "наводится" на объект и отражает лучи на параболоид. Параболоид концентрирует лучи в точке фокуса, где располагается приёмник. Такому телескопу доступна только часть неба для наблюдений. Представители: радиотелескоп Крауса , Большой радиотелескоп в Нансэ .

4.1.4. Земляные чаши

Стремление удешевить конструкцию привело астрономов к мысли об использовании природного рельефа в качестве зеркала телескопа. Представителем этого типа стал 300-метровый радиотелескоп Аресибо. Он расположен в карстовой воронке, дно которой вымощено алюминиевыми листами в форме сфероида. приёмник на специальных опорах подвешивается над зеркалом. Недостатком данного инструмента является то, что ему доступна область неба в пределах 20° от зенита.

4.1.5. Антенные решётки (синфазные антенны)

Такой телескоп состоит из множества элементарных облучателей (диполей или спиралей) расположенных на расстоянии меньшем, чем длина волны. Благодаря точному управлению фазой каждого элемента, удается добиться высокой разрешающей способности и эффективной площади. Недостатком таких антенн является то, что они изготавливаются под строго определённую длину волны. Представители: радиотелескоп БСА в Пущино.

4.2. Антенны с незаполненной апертурой

Наиболее важными для целей астрономии являются две характеристика радиотелескопов: разрешающая способность и чувствительность. При этом чувствительность пропорциональна площади антенны, а разрешение - максимальному размеру. Таким образом, самые распространенные круглые антенны дают наихудшее разрешение при той же эффективной площади. Поэтому в радиоастрономии появились телескопы с малой

Телескоп ДКР-1000, с незаполненной апертурой

площадью, но большой разрешающей способностью. Такие антенны получили название антенн с незаполненной апертурой , так как они имеют "дыры" в апертуре, превосходящие длину волны. Чтобы получить изображение с таких антенн, наблюдения нужно проводить в режиме синтеза апертур. Для апертурного синтеза достаточно двух синхронно работающих антенн, расположенных на некотором расстоянии, которое называют базой . Чтобы восстановить изображение источника, нужно промерить сигнал на всех возможных базах с некоторым шагом вплоть до максимальной .

Если антенны всего две, то придется проводить наблюдение, затем менять базу, проводить наблюдение в следующей точке, опять менять базу и т. д. Такой синтез называется последовательным . По такому принципу работает классический радиоинтерферометр. Недостаток последовательного синтеза состоит в том, что он требует много времени и не может выявить переменность радиоисточников на коротких временах. Поэтому чаще применяется параллельный синтез . В нём участвует сразу много антенн (приёмников), которые одновременно проводят измерения для всех нужных баз. Представители: «Северный крест» в Италии, радиотелескоп ДКР-1000 в Пущино.

Крупные массивы типа VLA часто относят к последовательному синтезу. Однако, ввиду большого количества антенн, практически все базы уже представлены, и дополнительных перестановок обычно не требуется.

5. Список радиотелескопов

Примечания

1. Большая советская энциклопедия - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00064/63300.htm?text=радиотелескоп&encid=bse&stpar3=1.1. - СССР: Советская энциклопедия, 1978.
2. Электромагнитное излучение
3. Радиотелескоп // Физика космоса: Маленькая энциклопедия - www.astronet.ru/db/FK86/ / Под ред. Р. А. Сюняева. - 2-е изд. - М .: Сов. энциклопедия, 1986. - С. 560. - 783 с. - ISBN 524(03)
4. П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз Курс общей астрономии. - М .: Наука, 1970.
5. 1 2 3 Джон Д. Краус. Радиоастрономия. - М .: Советское радио, 1973.
6. Jansky K.G. Directional Studies of Atmospherics at Hight Frequencies. - Proc. IRE, 1932. - Т. 20. - С. 1920-1932.
7. Jansky K.G. Electrical disturbances apparently of extraterrestrial origin.. - Proc. IRE, 1933. - Т. 21. - С. 1387-1398.
8. Jansky K.G. A note on the source of interstellar interference.. - Proc. IRE, 1935. - Т. 23. - С. 1158-1163.
9. Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., June, 1940. - Т. 91. - С. 621-624.
10. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, February, 1940. - Т. 28. - С. 68-70.
11. 1 2 Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., November, 1944. - Т. 100. - С. 279-287.
12. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, August, 1942. - Т. 30. - С. 367-378.
13. Кип Торн. Чёрные дыры и складки времени. - М .: Издательство физико-математической литературы, 2007. - С. 323-325. - 616 с. - ISBN 9785-94052-144-4
14. 1 2 3 Н.А.Есепкина, Д.В.Корольков, Ю.Н.Парийский. Радиотелескопы и радиометры. - М .: Наука, 1973.
15. Радиотелескоп Иллинойского университета. - www.ece.illinois.edu/about/history/reminiscence/400ft.html
16. Телескоп в Ути - rac.ncra.tifr.res.in/ort.html
17. , Радиотелескоп Грин-Бэнк , Very Large Array (радиотелескоп) , Сибирский солнечный радиотелескоп .