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.
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.
Аура
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.
Луна
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.
Все изображения можно посмотреть здесь.
Продолжаю рассказ о новогодней поездке в "страну телескопов", начатый (крупнейший в Евразии оптический телескоп с диаметром главного монолитного зеркала 6 м). На этот раз речь пойдет о двух его родственниках — радиотелескопах РАТАН-600 и РТФ-32. Первый занесен в Книгу Рекордов Гиннеса, а второй входит в единственный постоянно действующий в России радиоинтерферометрический комплекс "Квазар". Кстати, сейчас комплекс "Квазар" играет важную роль в работе системы ГЛОНАСС. Давайте обо всем подробнее и доступнее, по возможности!
А сейчас позанудствуем! :)
Для науки основными преимуществами телескопа является многочастотность (диапазон от 0,6 до 35 ГГц) и большое безаберрационное поле (что позволяет измерять почти мгновенно радиоспектры космических источников в широком диапазоне частот), высокая разрешающая способность и высокая чувствительность по яркостной температуре (которые позволяют проводить исследования протяженных структур, таких как флуктуации микроволнового фонового излучения на малых угловых масштабах, недостижимых даже на специализированных космических аппаратах и наземных инструментах).
Телескоп состоит из двух основных отражателей:
1. Круговой отражатель (справа и вдоль всего снимка).
Это наиболее крупная часть радиотелескопа, она состоит из 895 прямоугольных отражающих элементов размером 11,4 на 2 метра, расположенных по кругу с диаметром 576 метров. Они могут перемещаться по трём степеням свободы. Круговой отражатель разделён на 4 независимых сектора, названных по частям света: север, юг, запад, восток. Общая площадь 12"000м². Отражающие элементы каждого сектора выставляются по параболе, образуя отражающую и фокусирующую полосу антенны. В фокусе такой полосы располагается специальный облучатель.
2. Плоский отражатель (слева).
Плоский отражатель состоит из 124 плоских элементов высотой 8,5 метра и общей длинной 400 метров. Элементы могут вращаться относительно горизонтальной оси, расположенной вблизи уровня земли. Для проведения некоторых измерений отражатель может быть убран совмещением его поверхности с плоскостью земли. Отражатель используется как перископическое зеркало. При работе поток радиоизлучения, попавший на плоский отражатель, направляется в сторону южного сектора кругового отражателя. Отразившись от кругового отражателя, радиоволна фокусируется на облучателе, который устанавливается на кольцевых рельсах. Установкой облучателя в заданную позицию и перестройкой зеркала можно направлять радиотелескоп в заданную точку неба. Также возможен режим слежения за источником, при этом облучатель непрерывно движется, а также перестраивается зеркало.
12. Вид на плоский отражатель с обратной стороны. Видны механизмы, приводящие пластины в движение.
13. На радиотелескопе имеется пять приёмных кабин-облучателей, установленных на железнодорожных платформах с радиоприемной аппаратурой и наблюдателями. Одни напоминают бронепоезд, другие инопланетные корабли. На фото мы видим две такие кабины. По задумке, платформы могут перемещаться по одному из 12 радиальных путей, что обеспечивает набор фиксированных азимутов с шагом 30°. Перестановка облучателей между путями должна была осуществляется с помощью центрального поворотного круга (в центре фото)... Так было задумано, но потом от этого отказались (и так хватает) и поворотный круг не используется, а часть рельсов демонтирована.
14. В конце 1985 года установлен дополнительный конический отражатель-облучатель. Основу составляет коническое вторичное зеркало, под которым расположен облучатель. Он позволяет принимать излучение со всего кругового отражателя, при этом реализуется максимальная разрешающая способность радиотелескопа. Однако в таком режиме можно наблюдать только радиоисточники, направление на которые отклоняется от зенита не более ±5 градусов. Этот облучатель чаще всего фигурирует на иллюстрациях, связанных с телескопом, наверное из-за своего инопланетного вида:)
15. А еще с верхней площадки этого облучателя хорошо снимать общий радиотелескопа. Ну и вообще радует, что есть возможность полазать:) На РТФ-32 такой возможности не было.
Кстати, был курьез, приведший к образованию устойчивой местной "городской легенды". Когда проводились первые наблюдения на РАТАНе, во избежание помех от автотранспорта останавливалось движение по станице Зеленчукской вблизи РАТАНа. Закрытость телескопа и отсутствие достаточной информации об этом близком к станице и впечатляющем своими размерами сооружении породило разнообразные мифы среди местного населения - о том, что РАТАН якобы "облучает". Возможно, этому слуху способствовало еще и названием "облучатели" - хотя на самом деле они абсолютно ничего не излучают, а лишь принимают сигнал.
16. Кабина №1 на позиции, через несколько минут начнутся наблюдения, а пока нас приглашают зайти внутрь этого "бронепоезда".
14. Наш экскурсовод и рабочее место наблюдателя.
Какие же задачи ставятся перед РАТАНом?
- обнаружение большого числа космических источников радиоизлучения, отождествление их с космическими объектами;
- изучение радиоизлучения звезд;
- изучение квазаров и радиогалактик;
- исследование тел солнечной системы;
- исследования областей повышенного радиоизлучения на Солнце, их строения, магнитных полей;
- обнаружения искусственных сигналов внеземного происхождения (SETI);
- исследования реликтового излучения.
Телескоп исследует астрономические объекты во всем диапазоне расстояний во Вселенной: от самых близких - Солнца, солнечного ветра, планет и их спутников в Солнечной системе и до самых далеких звездных систем - радиогалактик, квазаров и космического микроволнового фона. На радиотелескопе выполняется свыше 20 научных программ как отечественных, так и иностранных заявителей.
По проекту "Генетический код Вселенной" на РАТАН-600 исследуются все компоненты фонового излучения на всех угловых масштабах. Ежедневные наблюдения Солнца на радиотелескопе дают уникальную, дополняемую другими инструментами, информацию о свойствах солнечной плазмы в диапазоне высот от хромосферы до нижней короны, то есть тех областей атмосферы Солнца, где зарождаются мощные солнечные вспышки. Эта информация позволяет прогнозировать вспышки солнечной активности, влияющие на самочувствие людей и на работу энергосистем на планете. В настоящее время архив наблюдательных данных РАТАН-600 содержит более полумиллиона записей радиообъектов.
15. А так выглядят радиометры, измерительная и фиксирующая аппаратура. Что-то осталось со времен первых наблюдений, а что-то уже заменено на современное оборудование. Одно можно сказать - радиотелескоп живет и развивается, являясь еще и опытной площадкой для инженеров.
16. На этом завершилась наша экскурсия на РАТАН-600: радиотелескоп загружен наблюдениями и отвлекать работающих там людей нельзя.
Итак, РАТАН-600 до сих пор является крупнейшим в мире рефлекторным зеркалом и основным радиотелескопом России, работающим в центральном "окне прозрачности" земной атмосферы в диапазоне длин волн 1-50 см. Ни один другой радиотелескоп в мире не имеет подобного частотного перекрытия с возможностью проведения одновременных наблюдений на всех частотах. Благодаря ему и БТА по соседству астрономы всего мира знают названия станицы Зеленчукской и Карачаево-Черкесской республики.
17. Сфотографировался на вершине "НЛО", на память:)
P.S. Надеюсь, я вас не сильно утомил техническими деталями?
Таблица 2
Характеристики телескопа
Перигей-350000 км.
Апогей-600км. /2/
Зеркальная параболическая антенна радиотелескопа имеет диаметр в 10метров, состоит из 27 лепестков и 3-х метрового цельного зеркала.
Полная масса полезного научного груза - приблизительно 2600 кг. Она включает массу антенны(1500кг), электронного комплекса, содержащего приёмники, малошумящие усилители, синтезаторы частот, блоки управления, преобразователи сигналов, стандарты частоты, высокоинформативную систему передачи научных данных - около 900 кг.
В настоящий момент для сеансов двусторонней связи используются крупнейшие в России антенные комплексы П-2500 (диаметр 70 м) в приморском городе Уссурийск и ТНА-1500 (диаметр 64 м) в подмосковном посёлке Медвежьи Озера.
Связь с аппаратом «Спектр-Р» возможна в двух режимах. Первый режим - двусторонняя связь, включающая передачу команд на борт и прием с него телеметрической информации.
Второй режим связи - сброс радиоинтерферометрических данных через узконаправленную антенну высокоинформативного радиокомлекса (ВИРК).
Заключение
Я считаю, что данная работа в достаточной мере описываетимеющиеся методы получения космического радиоизлучения. При помощь данной работы можно проследить за тенденциями в развитии радиотелескопов. Можно заметить, что ученые акцентировали свои усилия в улучшении телескопов больше на увеличении характеристики углового расширения, чем на увеличении чувствительности радиотелескопов. Это, скорее всего, связано с тем, что увеличение чувствительности требует увеличения площади,следовательно и диаметра, антенн(2.5), что делать после определенного порога(150м) очень сложно. Так как наблюдения, проводимые при помощи ‘Радиоастрона’ оказались очень результативными, я думаю, что радиоастрономия будут продолжать развитие в этом направлении(увеличение разрешения за счет увеличения апертуры) путем размещения новых орбитальных обсерватории, которые будут подобны ‘Радиоастрону’. Мою мысль подтверждает наличие такого проекта как SNAP(SuperNova Acceleration Probe), который планируют запустить в 2020 году. /5/
Список используемых источников
1.Краус Д. Д. 1.2. Краткая история первых лет радиоастрономии // Радиоастрономия / Под ред. В. В. Железнякова. - М.: Советское радио, 1973. - С. 14-21. - 456 с.
2. Сопутствующие определения[Электронный ресурс] // Электронная Энциклопедия: сайт.- URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/(дата обращения: 12.05.2014)
3. Вокруг света.-М.:Науч.-попул. 2006-2007
4. Проект Радиоастрон и космическая радиоастрономия [Электронный ресурc] //Федеральное космическое агенство: cайт. - URL: http://www.federalspace.ru/185/ (дата обращения: 12.05.2014)
5. Информация о проекте SNAP [Электронный ресурс ] // Supernova Acceleration Probe:
cайт. - URL: http://snap.lbl.gov/index.php (дата обращения: 12.05.2014)
Приложение
Фотографии радиоинтерфероматра VLA и фотография получаемых с них изображений
Рис. 1VeryLargeArray(видсземли)
Рис. 2VeryLargeArray(вид со спутника) 
Рис. 3Изображение черной дыры 3C75 в радиодиапазоне
Характеристики радиотелескопов
Современные радиотелескопы позволяют исследовать Вселенную в таких подробностях, которые еще недавно находились за пределами возможного не только в радиодиапазоне, но и в традиционной астрономии видимого света. Объединенные в единую сеть инструменты, расположенные на разных континентах, позволяют заглянуть в самую сердцевину радиогалактик, квазаров, молодых звездных скоплений, формирующихся планетных систем. Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами в тысячи раз превзошли по «зоркости» самые крупные оптические телескопы. С их помощью можно не только отслеживать перемещение космических аппаратов в окрестностях далеких планет, но и исследовать движения коры нашей собственной планеты, в том числе непосредственно «почувствовать» дрейф материков. На очереди космические радиоинтерферометры, которые позволят еще глубже проникнуть в тайны Вселенной. |
Земная атмосфера прозрачна не для всех видов электромагнитного излучения, приходящего из космоса. В ней есть только два широких «окна прозрачности». Центр одного из них приходится на оптическую область, в которой лежит максимум излучения Солнца. Именно к нему в результате эволюции адаптировался по чувствительности человеческий глаз, который воспринимает световые волны с длиной от 350 до 700 нанометров. (На самом деле это окно прозрачности даже немного шире - примерно от 300 до 1 000 нм, то есть захватывает ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны). Однако радужная полоска видимого света - лишь малая доля богатства «красок» Вселенной. Во второй половине XX века астрономия стала поистине всеволновой. Достижения техники позволили астрономам вести наблюдения в новых диапазонах спектра. С коротковолновой стороны от видимого света лежат ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны. По другую сторону располагаются инфракрасный, субмиллиметровый и радиодиапазон. Для каждого из этих диапазонов есть астрономические объекты, которые именно в нем проявляют себя наиболее рельефно, хотя в оптическом излучении они, может быть, и не представляют собой ничего выдающегося, так что астрономы до недавнего времени их просто не замечали.
Один из наиболее интересных и информативных диапазонов спектра для астрономии - радиоволны. Излучение, которое регистрирует наземная радиоастрономия, проходит через второе и гораздо более широкое окно прозрачности земной атмосферы - в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м. Ионосфера Земли - слой ионизованного газа на высоте около 70 км - отражает в космос все излучение на волнах длиннее 30 м. На волнах короче 1 мм космическое излучение полностью «съедают» молекулы атмосферы (главным образом кислород и водяной пар).
Современные радиотелескопы позволяют исследовать Вселенную в таких подробностях, которые еще недавно находились за пределами возможного не только в радиодиапазоне, но и в традиционной астрономии видимого света. Объединенные в единую сеть инструменты, расположенные на разных континентах, позволяют заглянуть в самую сердцевину радиогалактик, квазаров, молодых звездных скоплений. |
|
У Аресибо в Пуэрто-Рико - самое большое в мире неподвижное цельное зеркало - 305 м. Над сферичес-кой чашей на тросах висит конструкция в 800 т. По периметру зеркало окружено металлической сеткой, которая защищает телескоп от радиоизлучения. | Крупнейшая в мире полноповоротная параболичес-кая антенна обсерватории Грин-Бэнк (Западная Виргиния, США). Зеркало размером 100х110 м было построено после того, как в 1988 г под собственным весом обрушилась 90 м полноповоротная антенна. |
 |
 |
Главная характеристика радиотелескопа - его диаграмма направленности. Она показывает чувствительность инструмента к сигналам, приходящим с разных направлений в пространстве. Для «классической» параболической антенны диаграмма направленности состоит из главного лепестка, имеющего вид конуса, ориентированного по оси параболоида, и нескольких гораздо (на порядки) более слабых боковых лепестков. «Зоркость» радиотелескопа, то есть его угловое разрешение, определяется шириной главного лепестка диаграммы направленности. Два источника на небе, которые вместе попадают в раствор этого лепестка, сливаются для радиотелескопа в один. Поэтому ширина диаграммы направленности определяет размер самых мелких деталей радиоисточника, которые еще можно различить по отдельности.
Универсальное для телескопостроения правило гласит, что разрешающая способность антенны определяется отношением длины волны к диаметру зеркала телескопа. Поэтому для увеличения «зоркости» телескоп должен быть побольше, а длина волны - поменьше. Но как назло радиотелескопы работают с самыми длинными волнами электромагнитного спектра. Из-за этого даже огромные размеры зеркал не позволяют добиться высокой разрешающей способности. Не самый крупный современный оптический телескоп с диаметром зеркала 5 м может различить звезды на расстоянии всего 0,02 угловой секунды. Невооруженным глазом видны детали около одной минуты дуги. А радиотелескоп диаметром 20 м на волне 2 см дает разрешение еще в три раза хуже - около 3 угловых минут. Снимок участка неба, сделанный любительским фотоаппаратом, содержит больше деталей, чем карта радиоизлучения той же области, полученная одиночным радиотелескопом.
Широкая диаграмма направленности ограничивает не только остроту зрения телескопа, но и точность определения координат наблюдаемых объектов. Между тем точные координаты нужны для сопоставления наблюдений объекта в разных диапазонах э/магнитного излучения - это непременное требование современных астрофизических исследований. Поэтому радиоастрономы всегда стремились к созданию как можно более крупных антенн. И, как ни удивительно, радиоастрономия в итоге намного обогнала по разрешению оптическую.
Принцип действия радиотелескопов
Полноповоротные параболические антенны - аналоги оптических телескопов-рефлекторов - оказались самыми гибкими в работе из
всего многообразия радиоастрономических антенн. Их можно направлять в любую точку неба, следить за радиоисточником -
«копить сигнал», как говорят радиоастрономы, - и тем самым повышать чувствительность телескопа, его способность выделять на
фоне всевозможных шумов гораздо более слабые сигналы космических источников. Первый крупный полноповоротный параболоид
диаметром 76 м был построен в 1957 году в британской обсерватории Джодрелл-Бэнк. А сегодня тарелка крупнейшей в мире
подвижной антенны в обсерватории Грин-Бэнк (США) имеет размеры 100 на 110 м. И это практически предел для одиночных
подвижных радиотелескопов. Увеличение диаметра имеет три важных следствия: два хороших и одно плохое. Во-первых, самое
важное для нас - пропорционально диаметру возрастает угловое разрешение. Во-вторых, растет чувствительность, причем гораздо
быстрее, пропорционально площади зеркала, то есть квадрату диаметра. И, в-третьих, еще быстрее увеличивается стоимость,
которая в случае зеркального телескопа (как оптического, так и радио) примерно пропорциональна кубу диаметра его главного
зеркала.
Главные трудности связаны с деформациями зеркала под действием силы тяжести. Чтобы зеркало
телескопа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать одной
десятой от длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной несколько метров или дециметров. Но на коротких
сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Из-за деформаций
конструкции под собственным весом и ветровых нагрузок практически невозможно создать полноповоротный параболический
телескоп диаметром более 150 м. Крупнейшая неподвижная тарелка диаметром 305 м построена в обсерватории Аресибо,
Пуэрто-Рико. Но в целом эпоха гигантомании в строительстве радиотелескопов подошла к концу. В Мексике на горе Сьерра-Негра,
на высоте 4 600 метров, завершается строительство 50-метровой антенны для работы в диапазоне миллиметровых волн. Возможно,
это последняя большая одиночная антенна, создающаяся в мире.
Для того чтобы разглядеть детали строения радиоисточников, нужны другие подходы, в которых нам
и предстоит разобраться. Радиоволны, испускаемые наблюдаемым объектом, распространяются в пространстве, порождая
периодические изменения электрического и магнитного поля. Параболическая антенна собирает упавшие на нее радиоволны в одной
точке - фокусе. Когда через одну точку проходит несколько электромагнитных волн, они интерферируют, то есть их поля
складываются. Если волны приходят в фазе - они усиливают друг друга, в противофазе - ослабляют, вплоть до полного нуля.
Особенность параболического зеркала как раз в том, что все волны от одного источника приходят в фокус в одной фазе и
усиливают друг друга максимально возможным образом! На этой идее основано функционирование всех зеркальных телескопов.
В фокусе возникает яркое пятно, и здесь же обычно помещают приемник, который замеряет суммарную
интенсивность излучения уловленного в пределах диаграммы направленности телескопа. В отличие от оптической астрономии,
радиотелескоп не может сделать фотографию участка неба. В каждый момент он фиксирует излучение, приходящее только с одного
направления. Грубо говоря, радиотелескоп работает как однопиксельный фотоаппарат. Для построения изображения приходится
сканировать радиоисточник точка за точкой. (Впрочем, строящийся в Мексике миллиметровый радиотелескоп имеет в фокусе
матрицу радиометров и «однопиксельным» уже не является.)
"Командная игра радиотелескопов"
Однако можно поступить и по-другому. Вместо того чтобы сводить все лучи в одну точку, мы можем
измерить и записать колебания электрического поля, порождаемые каждым из них на поверхности зеркала (или в другой точке,
через которую проходит тот же луч), а затем «сложить» эти записи в компьютерном устройстве обработки, учтя фазовый сдвиг,
соответствующий расстоянию, которое каждой из волн оставалось пройти до воображаемого фокуса антенны. Прибор, действующий
по этому принципу, называется интерферометром, в нашем случае - радиоинтерферометром.
Интерферометры избавляют от необходимости строить огромные цельные антенны. Вместо этого можно
расположить рядом друг с другом десятки, сотни и даже тысячи антенн и объединять принятые ими сигналы. Такие телескопы
называются синфазными решетками. Однако проблему «зоркости» они все же не решают - для этого нужно сделать еще один шаг.
Как вы помните, с ростом размера радиотелескопа его чувствительность растет гораздо быстрее, чем разрешающая способность.
Поэтому мы быстро оказываемся в ситуации, когда мощности регистрируемого сигнала более чем достаточно, а углового
разрешения катастрофически не хватает. И тогда возникает вопрос: «Зачем нам сплошная решетка антенн? Нельзя ли ее
проредить?» Оказалось, что можно! Эта идея получила название «синтеза апертуры», поскольку из нескольких отдельных
независимых антенн, размещенных на большой площади, «синтезируется» зеркало гораздо большего диаметра. Разрешение такого
«синтетического» инструмента определяется не диаметром отдельных антенн, а расстоянием между ними - базой
радиоинтерферометра. Конечно, антенн должно быть по крайней мере три, причем их не следует располагать вдоль одной прямой.
В противном случае разрешение радиоинтерферометра получится крайне неоднородным. Высоким оно окажется только в направлении,
вдоль которого разнесены антенны. В поперечном же направлении разрешение по-прежнему будет определяться размером отдельных
антенн.
По этому пути радиоастрономия стала развиваться еще в 1970-х годах. За это время был создан ряд
крупных многоантенных интерферометров. У некоторых из них антенны неподвижны, у других могут перемещаться по поверхности
земли, чтобы проводить наблюдения в разных «конфигурациях». Такие интерферометры строят «синтезированные» карты
радиоисточников с гораздо более высоким разрешением, чем одиночные радиотелескопы: на сантиметровых волнах оно достигает 1
угловой секунды, а это уже сравнимо с разрешением оптических телескопов при наблюдении сквозь атмосферу Земли.
Самая известная система такого типа - «Очень большая решетка» (Very Large Array, VLA) -
построена в 1980 году в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Ее 27 параболических антенн каждая диаметром 25
м и весом 209 тонн перемещаются по трем радиальным рельсовым путям и могут удаляться от центра интерферометра на расстояние до 21 км.
Сегодня действуют и другие системы: Вестерборк в Голландии (14 антенн диаметром 25 м), ATCA в Австралии (6 антенн по 22 м),
MERLIN в Великобритании. В последнюю систему наряду с 6 другими инструментами, разбросанными по всей стране, входит и
знаменитый 76-метровый телескоп. В России (в Бурятии) создан Сибирский солнечный радиоинтерферометр - специальная система
антенн для оперативного изучения Солнца в радиодиапазоне.
В 1965 году советские ученые Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашев, Г.Б. Шоломицкий предложили
независимо регистрировать данные на каждой антенне интерферометра, а потом совместно их обрабатывать, как бы имитируя
явление интерференции на компьютере. Это позволяет разносить антенны на сколь угодно большие расстояния. Поэтому метод
получил название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) и успешно используется с начала 1970-х годов.
Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет 12,2 тыс. км, а разрешение на волне порядка 3 мм достигает
0,00008’’ - на три порядка выше, чем у крупных оптических телескопов. Существенно улучшить этот результат на Земле вряд ли
удастся, поскольку размер базы ограничивается диаметром нашей планеты.
В настоящее время систематические наблюдения ведутся несколькими сетями межконтинентальных
радиоинтерферометров. В США создана система, включающая в себя 10 радиотелескопов в среднем диаметром 25 м, расположенных
в континентальной части страны, на Гавайских и Виргинских островах. В Европе для РСДБ-экспериментов регулярно объединяют
100-метровый Боннский телескоп и 32-метровый в Медичине (Италия), интерферометры MERLIN, Вестерборк и другие инструменты.
Эта система называется EVN. Имеется также глобальная Международная сеть радиотелескопов для астрометрии и геодезии IVS.
А недавно в России начала действовать собственная интерферометрическая сеть «Квазар» из трех 32-метровых антенн,
расположенных в Ленинградской области, на Северном Кавказе и в Бурятии. Важно отметить, что телескопы не закреплены жестко
за РСДБ-сетями. Они могут использоваться автономно или переключаться между сетями.
Интерферометрия со сверхдлинными базами требует очень высокой точности измерений: необходимо
зафиксировать пространственное распределение максимумов и минимумов электромагнитных полей с точностью до доли длины волны,
то есть для коротких волн до долей сантиметра. И с высочайшей точностью отметить моменты времени, в которые проводились
измерения на каждой антенне. В качестве сверхточных часов в экспериментах РСДБ используются атомные стандарты частоты.
Но не стоит думать, что у радиоинтерферометров нет недостатков. В отличие от сплошной
параболической антенны диаграмма направленности интерферометра вместо одного главного лепестка имеет сотни и тысячи узких
лепестков сравнимой величины. Строить карту источника с такой диаграммой направленности - это все равно, что ощупывать
клавиатуру компьютера растопыренными пальцами. Восстановление изображения - сложная и, более того, «некорректная» (то есть
неустойчивая к малым изменениям результатов измерений) задача, которую, однако, радиоастрономы научились решать.
Достижения радиоинтерферометрии
Радиоинтерферометры с угловым разрешением в тысячные доли секунды дуги «заглянули» в самые внутренние области наиболее
мощных «радиомаяков» Вселенной - радиогалактик и квазаров, которые излучают в радиодиапазоне в десятки миллионов раз
интенсивнее, чем обычные галактики. Удалось «увидеть», как из ядер галактик и квазаров выбрасываются облака плазмы,
измерить скорости их движения, которые оказались близкими к скорости света. Много интересного было открыто и в нашей
Галактике. В окрестностях молодых звезд найдены источники мазерного радиоизлучения (мазер - аналог оптического лазера, но в
радиодиапазоне) в спектральных линиях молекул воды, гидроксила (OH) и метанола (CH 3 OH). По космическим масштабам
источники очень малы - меньше Солнечной системы. Отдельные яркие пятнышки на радиокартах, полученных интерферометрами,
могут быть зародышами планет.
Такие мазеры найдены и в других галактиках. Изменение положений мазерных пятен за несколько лет,
наблюдавшееся в соседней галактике M33 в созвездии Треугольника, впервые позволило непосредственно оценить скорость ее
вращения и перемещение по небу. Измеренные смещения ничтожны, их скорость во многие тысячи раз меньше видимой для земного
наблюдателя скорости улитки, ползущей по поверхности Марса. Такой эксперимент пока находится далеко за пределами
возможностей оптической астрономии: заметить собственные движения отдельных объектов на межгалактических расстояниях ей
просто не под силу. Наконец, интерферометрические наблюдения дали новое подтверждение существования сверхмассивных черных
дыр. Вокруг ядра активной галактики NGC 4258 были обнаружены сгустки вещества, которые движутся по орбитам радиусом не
более трех световых лет, при этом их скорости достигают тысячи километров в секунду. Это означает, что масса центрального
тела - не менее миллиарда масс Солнца, и оно не может быть не чем иным, как черной дырой.
Целый ряд интересных результатов получен методом РСДБ при наблюдениях в Солнечной системе.
Начать хотя бы с самой точной на сегодня количественной проверки общей теории относительности. Интерферометр измерил
отклонение радиоволн в поле тяготения Солнца с точностью до сотой доли процента. Это на два порядка точнее, чем позволяют
оптические наблюдения. Глобальные радиоинтерферометры также применяются для слежения за движением космических аппаратов,
изучающих другие планеты. Первый раз такой эксперимент был проведен в 1985-м, когда советские аппараты «Вега-1» и «-2»
сбросили в атмосферу Венеры аэростаты. Наблюдения подтвердили быструю циркуляцию атмосферы планеты со скоростью около
70 м/с, то есть один оборот вокруг планеты за 6 суток. Это удивительный факт, который еще ожидает своего объяснения.
В 2004 году аналогичные наблюдения с участием сети из 18 радиотелескопов на разных континентах
сопровождали посадку аппарата «Гюйгенс» на спутник Сатурна Титан. С расстояния в 1,2 млрд. км велось слежение за тем, как
движется аппарат в атмосфере Титана с точностью до десятка километров! Не слишком широко известно о том, что во время
посадки «Гюйгенса» была потеряна практически половина научной информации. Зонд ретранслировал данные через станцию
«Кассини», которая доставила его к Сатурну. Для надежности предусматривалось два дублирующихся канала передачи данных.
Однако незадолго до посадки было принято решение передавать по ним разную информацию. Но в самый ответственный момент из-за
пока еще не выясненного сбоя один из приемников на «Кассини» не включился, и половина снимков пропала. А вместе с ними
пропали и данные о скорости ветра в атмосфере Титана, которые передавались как раз по отключившемуся каналу. К счастью, в
NASA успели подстраховаться - спуск «Гюйгенса» наблюдал с Земли глобальный радиоинтерферометр. Это, по-видимому, позволит
спасти пропавшие данные о динамике атмосферы Титана. Результаты этого эксперимента еще обрабатываются в Европейском
объединенном радиоинтерферометрическом институте, и, кстати, занимаются этим наши соотечественники Леонид Гурвиц и Сергей
Погребенко.
Будущее радиоинтерферометрии
По крайней мере в ближайшие полвека генеральной линией развития радиоастрономии будет создание
все более крупных систем апертурного синтеза - все проектируемые крупные инструменты являются интерферометрами. Так, на
плато Чахнантор в Чили совместными усилиями ряда стран Европы и Америки началось строительство системы антенн миллиметрового
диапазона ALMA (Atacama Large Millimeter Array - Большая миллиметровая система Атакама). Всего здесь будет 64 антенны
диаметром 12 метров с рабочим диапазоном длин волн от 0,35 до 10 мм. Наибольшее расстояние между антеннами ALMA составит
14 км. Благодаря очень сухому климату и большой высоте над уровнем моря (5100 м) система сможет вести наблюдения на волнах
короче миллиметра. В других местах и на меньшей высоте это невозможно из-за поглощения такого излучения парами воды в
воздухе. Строительство ALMA будет закончено к 2011 году.
 |
 |
Радиотелескопы настоящего и скорого будущего времени на Земле и в Космосе |
|
Проект "Радиоастрон", запуск в 2007 |
|
 |
 |
Европейская система апертурного синтеза LOFAR будет работать на гораздо более длинных волнах - от 1,2 до 10 м. Она войдет в строй в течение трех ближайших лет. Это очень интересный проект: чтобы снизить стоимость, в нем используются простейшие неподвижные антенны - пирамиды из металлических стержней высотой около 1,5 м с усилителем сигнала. Зато таких антенн в системе будет 25 тысяч. Их объединят в группы, которые разместят по всей территории Голландии вдоль лучей «изогнутой пятиконечной звезды» диаметром около 350 км. Каждая антенна будет принимать сигналы со всего видимого неба, но их совместная компьютерная обработка позволит выделять те, что пришли с интересующих ученых направлений. При этом чисто вычислительным путем формируется диаграмма направленности интерферометра, ширина которой на самой короткой волне составит 1 секунду дуги. Работа системы потребует огромного объема вычислений, но для сегодняшних компьютеров это вполне посильная задача. Для ее решения в прошлом году в Голландии был установлен самый мощный в Европе суперкомпьютер IBM Blue Gene/L с 12 288 процессорами. Более того, при соответствующей обработки сигналов (требующей еще больших компьютерных мощностей) LOFAR сможет одновременно наблюдать на несколькими и даже на многими объектами!
Но самый амбициозный проект близкого будущего - SKA (Square Kilometer Array - Система «Квадратный километр»). Суммарная площадь его антенн составит около 1 км 2 , а стоимость инструмента оценивается в миллиард долларов. Проект SKA находится пока на раннем этапе разработки. Основной обсуждаемый вариант конструкции - тысячи антенн диаметром несколько метров, работающих в диапазоне от 3 мм до 5 м. Причем половину из них панируется установить на участке диаметром 5 км, а остальные разнести на значительные расстояния. Китайские ученые предлагали альтернативную схему - 8 неподвижных зеркал диаметром 500 м каждое, подобных телескопу в Аресибо. Для их размещения были даже предложены подходящие высохшие озера. Однако в сентябре Китай выбыл из числа стран - претендентов на размещение гигантского телескопа. Теперь основная борьба развернется между Австралией и Южной Африкой.
Возможности увеличения базы наземных интерферометров практически исчерпаны. Будущее - это запуск антенн интерферометра в космос, где нет ограничений, связанных с размерами нашей планеты. Такой эксперимент уже проводился. В феврале 1997 года был запущен японский спутник HALCA, который проработал до ноября 2003 года и завершил первый этап в развитии международного проекта VSOP (VLBI Space Observatory Programme - Программа космической обсерватории РСДБ). Спутник нес антенну в виде зонтика диаметром 8 м и работал на эллиптической околоземной орбите, которая обеспечивала базу, равную трем диаметрам Земли. Были получены изображения многих внегалактических радиоисточников с разрешением в тысячные доли секунды дуги. Следующий этап эксперимента по космической интерферометрии, VSOP-2, планируется начать в 2011-2012 годах. Еще один инструмент такого типа создается в рамках проекта «Радиоастрон» Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН совместно с учеными других стран. Спутник «Радиоастрон» будет иметь параболическое зеркало диаметром 10 м. Во время запуска оно будет в сложенном состоянии, а после выхода на орбиту развернется. «Радиоастрон» будет снабжен приемниками для нескольких длин волн - от 1,2 до 92 см. В качестве наземных антенн космического интерферометра будут использоваться радиотелескопы в Пущино (Россия), Канберре (Австралия) и Грин-Бэнк (США). Орбита спутника будет очень вытянутой, с апогеем 350 тыс. км. С такой базой интерферометра на самой короткой волне удастся получить изображения радиоисточников и измерять их координаты с точностью до 8 миллионных долей секунды дуги. Это даст возможность заглянуть в ближайшие окрестности ядер радиогалактик и черных дыр, в глубины областей образования молодых звезд в Галактике.
Авторы материала: Михаил Прохоров, доктор физико-математических наук и Георгий Рудницкий, кандидат физико-математических наук Журнал «Вокруг Света»: Самый зоркий телескоп
Российскими учеными разрабатывается и более совершенный космический радиотелескоп для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах - «Миллиметрон». Зеркало этого инструмента будет охлаждаться жидким гелием до температуры 4 Кельвина (-269°C) для уменьшения теплового шума и повышения чувствительности. Рассматривается несколько вариантов работы этого интерферометра по схемам «Космос-Земля» и «Космос-Космос» (между двумя телескопами на спутниках). Аппарат может быть запущен на такую же вытянутую орбиту, как в проекте «Радиоастрон», либо в точку Лагранжа системы Солнце-Земля, на расстоянии 1,5 млн. км в противосолнечном направлении от Земли (это в 4 раза дальше, чем Луна). В последнем варианте на волне 0,35 мм интерферометр «Космос-Земля» будет давать угловое разрешение до 45 млрд долей секунды дуги! |
Использование РСДБ для Земли У метода радиоинтерферометрии есть и чисто практические применения - не зря, например, в
Санкт-Петербурге этой темой занимается Институт прикладной астрономии РАН. Наблюдения по технологии РСДБ позволяют не
только определять координаты радиоисточников с точностью до десятитысячной доли секунды дуги, но и измерять положения самих
радиотелескопов на Земле с точностью лучше одного миллиметра. Это, в свою очередь, дает возможность с высочайшей точностью
отслеживать вариации вращения Земли и подвижки земной коры. Например, именно с использованием РСДБ было экспериментально
подтверждено движение континентов. На сегодня регистрация таких движений уже стала рутинным делом. Интерферометрические
наблюдения далеких радиогалактик прочно вошли в арсенал геофизики наряду с сейсмическим зондированием Земли. Благодаря
им надежно регистрируются периодические смещения станций друг относительно друга, вызванные деформациями земной коры.
Причем отмечаются не только давно уже измеренные твердотельные приливы (впервые зарегистрированные методом РСДБ), но и
прогибы, возникающие под воздействием изменений атмосферного давления, веса воды в океане и веса грунтовых вод.
Леонид Петров, Центр космических полетов им. Годдарда, NASA |
Загрузка...
