Что такое радиотелескопы в астрономии
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.
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.
Радиотелескоп
Содержание
Введение
VLA — «Сверхбольшой массив».
Устройство и принцип действия
где Р — мощность собственных шумов радиотелескопа, S — эффективная площадь (собирающая поверхность) антенны, Δf — полоса частот, которые принимаются, t — время накопления сигнала.
Для повышения чувствительности радиотелескопа увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приемные устройства на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д. Разрешение q радиотелескопа (радианы):
где I — длина волны, D — линейный размер апертуры антенны.
Первые радиотелескопы
Предпосылки
Начало — Карл Янский
Точная копия радиотелескопа Карла Янского в натуральную величину. Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), Грин Бэнк, Западная Вирджиния, США
Запись излучений, полученная Янским 24 февраля 1932 года. Максимумы (стрелки) повторяются через 20 мин. — период полного оборота антенны.
Второе рождение — Гроут Ребер
Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера
Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г. [11]
После Второй Мировой войны были сделаны существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учёными в Европе, Австралии и США. Таким образом начался расцвет радиоастрономии.
Классификация радиотелескопов
Что нужно знать о радиотелескопах
Экстремальные радиотехнологии, включая огромные антенные системы и гигантские параболы, позволяют проводить самые передовые исследования космоса
Радиотелескопы – это просто огромные чувствительные широкополосные приемники, в которых используются некоторые из самых передовых беспроводных технологий. Вы, наверное, слышали о радиотелескопах, но все ли вы знаете о том, как они работают, и о некоторых используемых в них экстремальных радиотехнологиях?
Большинству телескопы известны как оптические инструменты для наблюдения за далекими объектами. По сути, радиотелескоп – это то же самое. Но вместо того, чтобы искать свет, он ищет радиоволны. Сегодня мы с помощью оптического телескопа можем визуально увидеть то, что кажется бесконечным числом звезд, планет и галактик. Но это не все. Множество других вещей в космосе мы увидеть просто не можем. Причина этого заключается в том, что пыль и пылевые облака в космосе блокируют значительное количество света во вселенной. Но радиоволны проникают прямо сквозь облака и пыль, а также через земную атмосферу.
Оказывается, почти все в космосе излучает электромагнитные волны. Как вы помните, электромагнитный спектр начинается от постоянного тока, проходит через радиоволновый диапазон, затем переходит в инфракрасную область, за которой следует видимый свет. По мере увеличения частоты и снижения длины волны, начинаются ультрафиолетовые волны, за которыми следуют рентгеновские лучи, гамма-лучи и так далее. Радиоволны можно считать очень низкочастотным светом. Или считать свет сверхвысокочастотными радиоволнами.
Инфракрасные волны приходят от тепла. Любой объект, который излучает тепло при любой температуре выше абсолютного нуля (–273 °C), излучает радиоволны. Звезды, планеты, ионизированные газы и галактики – все излучают радиоволны. Сигналы очень слабы, так как они достигают нас через огромные расстояния. Даже при скорости света 300,000,000 метров в секунду, для того, чтобы далекие космические сигналы достигли нас, нужны годы. Но если мы сможем построить достаточно чувствительный приемник, мы сможем собрать их, изучить и попытаться понять, что же происходило в космосе в прошлом.
Приемник на основе передовых технологий
Хороший чувствительный приемник начинается с большой антенны. Чтобы преобразовывать эти крошечные сигналы из космоса в поток электронов, который мы можем зарегистрировать и обработать, антенны радиотелескопа должны быть большими, с высоким усилением и узкой диаграммой направленности. Большинство радиотелескопов имеют огромное параболическое зеркало. Поперечник самых больших из них – сто или больше футов.
Размер зеркала, или апертура, определяет коэффициент усиления антенны и ее минимальную полезную частоту. Большие зеркала имеют механические системы для вращения их по азимуту и углу наклона. Большая парабола собирает поступающие волны в сконцентрированный пучок в фокусе, где антенна преобразует слабый сигнал в напряжение, которое можно усилить.
Кстати, единица измерения силы сигнала в радиоастрономии называется янский (Ян), в честь Карла Янского (Karl Jansky), который был первым ученым, обнаружившим радиоволны из космоса. Один янский составляет 10–26 Вт на квадратный метр на герц. Согласитесь, не очень-то мощный сигнал.
Самые современные беспроводные приемники начинаются с малошумящего усилителя (МШУ). Шум является главным врагом слабых радиосигналов, поскольку при слишком высоком уровне он может их полностью маскировать. Несмотря на свое название, МШУ также добавляет шум приемнику. По большей части этот шум является тепловым, вызванным нагревом, который возбуждает атомы и электроны, создающие случайный сигнал. Возможно, вы знаете, что напряжение теплового шума рассчитывается как
В приемнике радиотелескопа МШУ охлаждается криогенными методами до температуры, близкой к абсолютному нулю (4 K). Внешний интерфейс приемника (МШУ, смеситель и облучатель) помещен в герметичный корпус и охлаждается жидким гелием. Вот это по настоящему малошумящий усилитель!
В усилителях также используются специальные компоненты, такие как транзисторы и интегральные схемы, сделанные из материалов, которые лучше всего работают на частотах дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Среди них гетероструктурные полевые и биполярные транзисторы, а также транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), изготовленные из арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP).
После предварительного усиления сигналов перед детектированием диодом Шоттки их частота понижается в смесителе до более низкой, обычно лежащей в диапазоне от 1 до 10 ГГц. После детектирования сигналы оцифровываются и сохраняются, а затем преобразуются в цветные визуальные изображения, помогающие объяснить их природу. Поскольку удаленные космические сигналы относительно постоянны, их можно наблюдать непрерывно и усреднять для улучшения отношения сигнал/шум.
 | ||
| Радиотелескоп с очень большой антенной системой (VLA) в Нью-Мексико. (Изображение с Wikipedia). | ||
Вполне предсказуемо, что на верхних частотах миллиметрового диапазона получить большой коэффициент усиления трудно. Одно из решений заключалось в исключении усилителя и подаче сигнала антенны непосредственно в смеситель, который смещает сигнал в более низкочастотную область, где проще добиться более низкого шумового усиления. Но с этим связана проблема создания малошумящих смесителей. В настоящее время она была решена с помощью специального устройства, известного как смеситель со структурой сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), нелинейность которого обусловлена квантовым туннелированием между двумя сверхпроводниками.
Раньше в большинстве радиотелескопов использовалась одна огромная параболическая антенна. Она может охватывать широкие диапазоны частот и усилений и обладать узкой диаграммой направленности. В более старых оригинальных разработках приемник располагался в фокальной точке параболы, чтобы получить усиление до того, как добавят шум другие части системы. Сегодня более распространенным является размещение в фокальной точке отражателя, который направляет сигнал в центр тарелки, где можно более надежно установить тяжелый приемный блок с его криогенными компонентами.
Растущая тенденция состоит в том, чтобы делать несколько меньших (менее 25 м) параболических антенн и располагать их в подвижном массиве, чей совокупный выходной сигнал будет таким же, если не мощнее, чем у одной большой параболы. Примером может служить очень большая антенная система (Very Large Array – VLA) в Нью-Мексико. В ней используются 27 парабол диаметром 25 метров каждая. Одним из применений таких составных конструкций является одновременное подключение к приемнику двух или более антенн для реализации интерферометрии – совокупности методов наложения сигналов для улучшения разрешения.
Значительная часть систем радиотелескопа приходится на вычислительную систему. Все полученные сигналы оцифровываются, сохраняются и подвергаются широкому спектру методов глубокой обработки. Вычислительная мощность системы впечатляет, поскольку центральный процессор, ПЛИС или другое устройство должны выполнять преобразования Фурье и другой анализ больших чисел с плавающей точкой. Сообщалось об использовании систем с производительностью до 750 миллиардов операций с плавающей точкой в секунду.
Частоты, представляющие интерес
Из космоса приходят радиосигналы с частотами от нескольких мегагерц до 1 ТГц. Большинство из них находится в диапазоне сотен мегагерц или единиц гигагерц. Некоторые сигналы поступают от источников тепла, но другие излучаются на одной частоте. Первыми были обнаружены сигналы в диапазоне 160 МГц. Основная часть сигналов была найдена на частоте 178 МГц. Мощный нетепловой сигнал исходит от водорода – вселенная заполнена водородом, который излучает очень узкий сигнал на частоте 1420 МГц (21 см). Астрономы выполнили широкомасштабное исследование неба на частоте 5 ГГц. Доступ к некоторым частотам, например, 10.7 ГГц и 15.4 ГГц, ограничен Федеральной комиссией по связи (FCC) и Национальной администрацией по связи и информации США (NTIA). Молекулы аммиака были обнаружены на частоте 22 ГГц. Окись углерода (СО) нашли на частоте 115 ГГц.
Источники космических сигналов могут иметь много частот. Это значит, что хорошие приемники радиотелескопов должны поддерживать широкий диапазон перестраиваемых частот. Для приема сигналов миллиметровых волн разрабатываются новые, более свершенные системы. Технология развивается, приближаясь к частоте 1 ТГц.
Правда о применениях радиотелескопов
Ученые используют радиотелескопы для изучения вселенной с ее огромным количеством звезд (солнц), планет, лун, галактик и странных источников, таких как пульсары, квазары и черные дыры. Астрономы способны измерять частоту сигнала, которая может изменяться, если источник движется по направлению к приемнику или от него. Используя принцип Допплера, они могут делать потрясающие измерения скоростей и расстояний.
Благодаря своей универсальности, большие радиотелескопы, помимо космического картографирования, использовались также и в других проектах. Одним из приложений является слежение за удаленными космическими аппаратами. Они могут использоваться в качестве резервного средства практически в любом виде деятельности, связанной с космосом: исследовании Луны, изучении Марса, связи с шаттлами и космическими станциями, а также для слежения за спутниками. И, конечно же, для поиска внеземного разума.
 | ||
| Гигантский радиотелескоп в Аресибо, Пуэрто-Рико. (Изображение с Wikipedia). | ||
Продолжается создание новых радиотелескопов. Многие из них состоят из множества параболических антенн. При этом сохраняется тенденция к увеличению размеров одиночных зеркал. Самый большой радиотелескоп США находится в Аресибо в Пуэрто-Рико. Это огромное 305-метровое сферическое зеркало, встроенное в долину. В настоящее время самый большой радиотелескоп диаметром 500 метров принадлежит Китаю. Трудно даже представить, что он будет способен «увидеть».
Новые приемники с СИС-смесителями, МШУ на HEMT транзисторах и криогенным охлаждением способны принимать сигналы с частотой, достигающей 950 ГГц, делая радиотелескопы воплощением прорывных технологий. Вероятно, и военные используют некоторые новейшие технологии, о которых мы не знаем. Как бы мы использовали эту технологию, если бы ее можно было перенести в коммерческий сектор? Есть идеи? Как насчет базовой станции сотовой связи с криогенным охлаждением. Подумайте об этом. А с другой стороны, может быть, и не стоит.
Перевод: Дмитрий Леканов по заказу РадиоЛоцман
Радиотелескопы — принцип действия, конструкция
Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 1931 г. американским инженером Карлом Янским (1905— 1950) при изучении им атмосферных радиопомех. В апреле 1933 г. Янский установил, что это радиоизлучение исходит от Млечного Пути. В те годы на открытие Янского никто не обратил внимания, кроме американского радиоинженера Гроута Рёбера, который вскоре построил самодельный радиотелескоп диаметром 9,5 м и подтвердил открытие Янским радиоизлучения Млечного Пути. В 1942 г. Рёбер опубликовал первую радиокарту неба, указав на ней расположение радиоисточников, а в 1944 г. сообщил об открытии им радиоизлучения Солнца. И лишь с 1946 г. началось строительство и установка в астрономических обсерваториях радиотелескопов для приема радиоизлучения небесных объектов.
Принцип действия радиотелескопа
Радиотелескопы состоят из антенны и чувствительного радиоприемника с усилителем (радиометра). Доходящее до Земли радиоизлучение подавляющего большинства небесных тел настолько мало, что для его приема необходимы антенны с полезной площадью в тысячи и десятки тысяч квадратных метров. Конструкции антенн весьма разнообразны. Так, сравнительно небольшими антеннами (до 100 м в диаметре) служат металлические вогнутые зеркала, а также каркасы параболической и цилиндрической формы, покрытые металлической сеткой. Они отражают сфокусированные радиоволны на облучатель, и наведенные в нем электрические токи передаются по проводам на усилитель и далее на самопишущие регистрационные приборы. Антенны устанавливаются на колоннах или решетчатых опорах, могут быть направлены на различные участки неба и автоматически поворачиваться за ними. Эти радиотелескопы могут служить и радиолокаторами, направляющими к Луне и планетам мощные импульсы радиосигналов.
Радиотелескоп состоит из антенной системы, радиометра (приемника радиосигнала) и регистратора сигналов. 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 принимает наиболее низкочастотное излучение по сравнению с другими приборами, с помощью которых исследуется электромагнитное излучение (например, инфракрасный телескоп, рентгеновский телескоп и т. д.).
Отражатели наиболее крупных радиотелескопов собираются из плоских металлических зеркал, расположенных сплошной полосой параболического сегмента. Такие радиотелескопы неподвижны (стационарны), а их облучатели способны перемещаться в небольших пределах. Однако это не ограничивает возможностей радиотелескопов, так как в суточном вращении неба каждый небесный объект обязательно проходит в поле их обзора, а радиотелескопы способны принимать радиоизлучение в любое время суток. Один из крупнейших стационарных радиотелескопов был изготовлен в Советском Союзе и установлен вблизи станции Зеленчукской Ставропольского края. Его отражатель собран из 900 плоских металлических зеркал размерами 2×7,4 м и имеет вид замкнутого кольца диаметром 600 м.
У крупного стационарного радиотелескопа диаметром 300 м, установленного в Аресибо (Пуэрто-Рико), антенной параболической формы служит кратер потухшего вулкана; кратер забетонирован и сверху покрыт металлическим слоем.
В Китае недавно создали радиотелескоп, получивший название FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope). По диаметру он несколько меньше Российского, размер устройства составляет 500 м, но зато он имеет 4,450 тыс. металлических отражателей, что делает его крупнейшим в мире по общей площади антенн. По своей конструкции он аналогичен обсерватории Аресибо, где для установки конструкции использована естественная природная впадина.
Особенности радиотелескопов
Разрешающая способность радиотелескопов тоже зависит от диаметра их антенн и длины воспринимаемых радиоволн. Однако она всегда ниже, чем у оптических телескопов, так как длина радиоволн значительно больше длины световых волн. Но если два радиотелескопа установлены на значительном расстоянии друг от друга, одновременно воспринимают радиоизлучение одного и того же источника и подают сигналы на общий радиометр, то разрешение резко повышается. Два таких спаренных радиотелескопа называются радиоинтерферометром, а при расстоянии между радиотелескопами в тысячи километров — радиоинтерферометром со сверхдлинной базой. Разрешение такого радиоинтерферометра достигает 0,0001″, т. е. в сотни раз превышает разрешение оптических телескопов.