Абстрактен радиотелескоп
Радиотелескопе астрономически инструмент за приемане на собствено радиоизлъчване от небесни обекти (в Слънчевата система, Галактика и Метагалактика) и изследване на техните характеристики: координати, пространствена структура, интензитет на излъчване, спектър и поляризация [1] .
Радиотелескопът заема първоначалната, по отношение на честотния диапазон, позиция сред астрономическите инструменти, изследващи електромагнитното излъчване - телескопите на топлинно, видимо, ултравиолетово, рентгеново и гама лъчение са по-високочестотни [2] .
За предпочитане е радиотелескопите да бъдат разположени далеч от основните населени места, за да се сведат до минимум електромагнитните смущения от радиостанции, телевизия, радари и други излъчващи устройства. Поставянето на радиообсерватория в долина или низина я предпазва още по-добре от влиянието на техногенния електромагнитен шум.
1. Устройство
Радиотелескопът се състои от два основни елемента: антенно устройство и много чувствително приемно устройство - радиометър. Радиометърът усилва приетото от антената радиоизлъчване и го преобразува във вид, удобен за регистриране и по-нататъшна обработка. [3]
Конструкциите на антените на радиотелескопите са много разнообразни, поради много широкия диапазон от дължини на вълните, използвани в радиоастрономията (от 0,1 mm до 1000 m). Антените на радиотелескопите, които приемат mm, cm, dm и метрови вълни, най-често са параболични рефлектори, подобни на огледалата на обикновените оптични рефлектори. Във фокуса на параболоида е монтиран облъчвател - устройство, което събира радиоизлъчване, което се насочва към него от огледало. Облъчвателят предава получената енергия на входа на радиометъра и след усилване и детекция сигналътзаписан на лентата самозаписващ електроизмервателен уред [4] . При съвременните радиотелескопи аналоговият сигнал от изхода на радиометъра се преобразува в цифров и се записва на твърд диск под формата на един или няколко файла.
За да насочат антените към изследваната област на небето, те обикновено се монтират на азимутални стойки, които осигуряват въртене по азимут и надморска височина (антени с пълна ротация). Има и антени, които позволяват само ограничени завъртания и дори напълно неподвижни. Посоката на приемане в антени от последния тип (обикновено много големи) се постига чрез преместване на каналите, които възприемат радиоизлъчването, отразено от антената.
2. Принцип на работа
Принципът на работа на радиотелескопа е по-близък до този на фотометъра, отколкото на оптичния телескоп. Радиотелескопът не може да изгради изображение директно, той само измерва енергията на радиацията, идваща от посоката, в която телескопът "гледа". По този начин, за да се получи изображение на разширен източник, радиотелескопът трябва да измери неговата яркост във всяка точка.
Поради дифракцията на радиовълните от апертурата на телескопа, измерването на посоката към точков източник става с известна грешка, която се определя от диаграмата на антената и налага фундаментално ограничение върху разделителната способност на инструмента:
където λ е дължината на вълната,Dе диаметърът на отвора. Високата разделителна способност ви позволява да наблюдавате по-фини пространствени детайли на изследваните обекти. За да подобрите разделителната способност, или намалете дължината на вълната, или увеличете блендата. Използването на къси дължини на вълните обаче повишава изискванията към качеството на огледалната повърхност (вижте критерия на Rayleigh). Следователно те обикновено следват пътя на увеличаване на блендата.Увеличаването на диафрагмата ви позволява да подобрите и друга важна характеристика - чувствителността. Радиотелескопът трябва да има висока чувствителност, за да открие надеждно най-слабите възможни източници. Чувствителността се определя от нивото на флуктуациите на плътността на потока ΔP:
къдетоPе мощността на собствения шум на радиотелескопа,Sе ефективната площ (събираща повърхност) на антената, Δfе честотната лента иtе времето за натрупване на сигнала. За повишаване на чувствителността на радиотелескопите се увеличава тяхната събирателна повърхност и се използват малошумящи приемници и усилватели на базата на мазери, параметрични усилватели и др.
2.1. Радиоинтерферометри
В допълнение към увеличаването на диаметъра на отвора, има друг начин за увеличаване на разделителната способност (или стесняване на диаграмата на излъчване). Ако вземем две антени, разположени на разстояниеd(база) една от друга, тогава сигналът от източника към едната от тях ще пристигне малко по-рано, отколкото към другата. Ако след това сигналите от две антени се смущават, тогава от резултантния сигнал, използвайки специална процедура за математическа редукция, ще бъде възможно да се възстанови информация за източника с ефективна разделителна способност λ /d. Тази процедура на намаляване се нарича синтез на апертура. Смущението може да се извърши както в хардуера, чрез подаване на сигнал през кабели и вълноводи към общ миксер, така и в компютър със сигнали, предварително дигитализирани чрез времеви марки и съхранени на носител. Съвременните технически средства позволиха да се създаде VLBI система, която включва телескопи, разположени на различни континенти и разделени от няколко хиляди километра.
3. Първите радиотелескопи
3.1. Начало - Карл Янски
Историярадиотелескопите произлизат от експериментите на Карл Янски, извършени през 1931 г. По това време Янски работи като радиоинженер в тестовата площадка Bell Telephone Labs. На него беше поверено изследването на посоката на пристигане на шум от мълния. За да направи това, Карл Янски изгради вертикално поляризирана еднопосочна антена като платното на Брус. Размерите на конструкцията са 30,5 м дължина и 3,7 м височина. Работата е извършена на вълна от 14,6 m (20,5 MHz). Антената беше свързана с чувствителен приемник, на изхода на който имаше записващо устройство с голяма времеконстанта [5] .
Янски признава, че напредъкът в радиоастрономията ще изисква по-големи, по-остри антени, които лесно могат да бъдат ориентирани в различни посоки. Самият той предложи дизайн на параболична антена с огледало с диаметър 30,5 m за работа на метрови вълни. Предложението му обаче не получава подкрепа в САЩ и радиоастрономията замира [5] .
3.2. Прераждане - Grout Reber
През 1937 г. Гроте Ребер, радиоинженер от Уетън (САЩ, Илинойс), се заинтересува от работата на Янски и проектира антена с параболичен рефлектор с диаметър 9,5 м в задния двор на къщата на родителите си.Тази антена имаше меридианно монтиране, т.е. тя се контролираше само във височина, а промяната на позицията на лоба на диаграмата в право изкачване беше постигната поради въртенето на Земята. Антената на Reber беше по-малка от тази на Jansky, но работеше на по-къси дължини на вълните и диаграмата й беше много по-остра. Лъчът на антената на Reber имаше конична форма с ширина 12° при половината от мощността, докато лъчът на антената Jansky имаше ветрилообразна форма с ширина 30° при половината от мощността в най-тясната част [5] .
След Втората световна война са направенизначителен технологичен напредък в радиоастрономията от учени в Европа, Австралия и Съединените щати. Така започва разцветът на радиоастрономията.
4. Класификация на радиотелескопите
Широкият диапазон от дължини на вълните, разнообразието от обекти на изследване в радиоастрономията, бързият темп на развитие на радиофизиката и конструкцията на радиотелескопи, голям брой независими екипи от радиоастрономи доведоха до голямо разнообразие от видове радиотелескопи. Най-естествено е радиотелескопите да се класифицират според естеството на запълване на тяхната апертура и според методите за фазиране на микровълновото поле (рефлектори, рефрактори, независим запис на полета) [14]:
4.1. Антени с пълна апертура
Антените от този тип са подобни на огледалата на оптичните телескопи и са най-лесни и познати за използване. Антените с пълна апертура просто събират сигнала от наблюдавания обект и го фокусират върху приемника. Записаният сигнал вече носи научна информация и не е необходимо да се синтезира. Недостатъкът на такива антени е ниската разделителна способност. Антените с празна апертура могат да бъдат разделени на няколко класа според формата на повърхността и метода на монтаж.
4.1.1. Параболоиди на революцията
Почти всички антени от този тип са монтирани на Alt-азимутални стойки и са напълно въртящи се. Основното им предимство е, че такива радиотелескопи, подобно на оптичните, могат да бъдат насочени към обект и да го направляват. По този начин наблюденията могат да се извършват по всяко време, докато изследваният обект е над хоризонта. Типични представители: радиотелескоп Green Bank, RT-70, радиотелескоп Kalyazinsky.
4.1.2. Параболични цилиндри
Конструкцията на антени с пълна ротация е свързана с определени трудности, свързани с огромнитемного такива структури. Затова се изграждат неподвижни и полуподвижни системи. Цената и сложността на такива телескопи нарастват много по-бавно с нарастването на размера им. Параболичният цилиндър събира лъчи не в точка, а на права линия, успоредна на неговата образуваща (фокална линия). Поради това телескопите от този тип имат асиметрична диаграма на излъчване и различни разделителни способности по различни оси. Друг недостатък на такива телескопи е, че поради ограничената мобилност само част от небето им е достъпна за наблюдение. Представители: радиотелескоп на университета в Илинойс [15] , индийски телескоп в Ути [16] .
4.1.3. Антени с плоски рефлектори
За работа с параболичен цилиндър е необходимо да се поставят няколко детектора на фокалната линия, сигналът от който се добавя, като се вземат предвид фазите. На къси вълни това не е лесно да се направи поради големите загуби в комуникационните линии. Антените с плосък рефлектор ви позволяват да работите само с един приемник. Такива антени се състоят от две части: подвижно плоско огледало и фиксиран параболоид. Подвижното огледало "насочва" към обекта и отразява лъчите върху параболоида. Параболоидът концентрира лъчите във фокусната точка, където се намира приемникът. Само част от небето е достъпна за наблюдения с такъв телескоп. Представители: Радиотелескоп Краус [17] , Голям радиотелескоп в Нансе [17] .
4.1.4. глинени купи
Желанието да се намалят разходите за строителство доведе астрономите до идеята за използване на естествен релеф като огледало на телескоп. Представител на този тип беше 300-метровият радиотелескоп Arecibo. Намира се в понор, чието дъно е постлано със сфероидни алуминиеви листове. приемникът на специални опори е окачен над огледалото. Недостатъкът на този инструмент е, че тойобластта на небето в рамките на 20° от зенита е достъпна.
4.1.5. Антенни решетки (синфазни антени)
Такъв телескоп се състои от множество елементарни канали (диполи или спирали), разположени на разстояние, по-малко от дължината на вълната. Чрез прецизно контролиране на фазата на всеки елемент е възможно да се постигне висока разделителна способност и ефективна площ. Недостатъкът на такива антени е, че те се произвеждат за строго определена дължина на вълната. Представители: радиотелескоп BSA в Пущино.
4.2. Антени с празна апертура
Най-важни за целите на астрономията са две характеристики на радиотелескопите: разделителна способност и чувствителност. В този случай чувствителността е пропорционална на площта на антената, а разделителната способност е пропорционална на максималния размер. По този начин най-често срещаните кръгли антени дават най-лошата разделителна способност за същата ефективна площ. Следователно, телескопи с малки
площ, но с висока резолюция. Такива антени се наричат антени с празна апертура, защото имат "дупки" в апертурата, които надвишават дължината на вълната. За да се получи изображение от такива антени, трябва да се извършват наблюдения в режим на синтез на апертура. За апертурен синтез са достатъчни две синхронно работещи антени, разположени на определено разстояние, което се наричабаза. За да възстановите изходното изображение, е необходимо да измерите сигнала на всички възможни бази с известна стъпка до максимума [14] .
Ако има само две антени, тогава ще трябва да наблюдавате, след това да промените основата, да наблюдавате в следващата точка, да промените отново основата и т.н. Такъв синтез се наричапоследователен. На този принцип работи класическият радиоинтерферометър. недостатъкпоследователният синтез е, че той изисква много време и не може да разкрие променливостта на радиоизточниците за кратки времена. Следователнопаралелният синтезсе използва по-често. Той включва много антени (приемници) наведнъж, които едновременно извършват измервания за всички необходими бази. Представители: "Северен кръст" в Италия, радиотелескоп DKR-1000 в Пущино.
Големите масиви като VLA често се наричат последователен синтез. Въпреки това, поради големия брой антени, почти всички бази вече са налични и обикновено не са необходими допълнителни пермутации.