Как работает радиотелескоп. Принцип действия радиотелескопа. Принцип работы радиотелескопов
01.09.2017 13:40
1037
Радиотелескопом называется устройство, с помощью которого астрономы изучают космические объекты, находящиеся далеко от Земли. В отличие от обычного оптического телескопа , исследуемый объект нельзя увидеть сразу. Радиотелескоп улавливает излучение небесных тел и полученный сигнал передаёт на специальный монитор.
Идея создать такой аппарат принадлежит американскому физику Карлу Янскому. Исследуя атмосферные радиопомехи, учёный обнаружил радиоволны неизвестного происхождения. Впоследствии выяснилось, что источником радиоизлучения является центр нашей галактики Млечный Путь. Это открытие образовало новую науку – радиоастрономию, изучающую небесные объекты с помощью электромагнитного излучения.
Внешне радиотелескоп напоминает простую спутниковую антенну, способную принимать радиоизлучения из космоса. Источниками радиоизлучения во вселенной являются планеты, астероиды и кометы . С помощью радиотелескопа астрономам удалось вести наблюдения за солнцем и разными процессами, которые на нём происходят. Также данные измерений помогли определить размеры и массы планет нашей солнечной системы.
Радиоастрономические обсерватории расположены в разных уголках нашей планеты. Самый крупный радиотелескоп в мире находится на юге России, в Карачаево-Черкессии. Он входит в комплекс Зеленчукской радиоастрономической обсерватории.
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.
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
Современный радиотелескоп является весьма сложным устройством, состоящим в основном из следующих главных элементов: антенны, системы перемещения антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, приемного устройства, устройства предварительной обработки принятого сигнала, устройства управления антенной. Планетный радиолокатор в дополнение к вышеупомянутым элементам имеет еще передающее и модуляционное устройства, а также систему синхронизации.
Планетные радиолокаторы с отключенными передатчиками обычно используются в качестве радиотелескопов для наблюдения радиоизлучения планет и других небесных тел. При этом приемное устройство радиолокатора либо переключается из режима узкополосного приема в режим широкополосного приема, либо на телескопе устанавливается специальный радиоастрономический приемник - радиометр.
Рассмотрим основные устройства радиотелескопов и планетных радиолокаторов (рис. 5).
Антенны. Одним из наиболее сложных устройств современного радиотелескопа и планетного радиолокатора является антенная система. Антенна собирает анергию радиоизлучения от небесного источника и передает ее приемному устройству. Чем больше линейные размеры антенны, тем большая величина энергии радиоизлучения собирается антенной. С ростом линейных размеров антенны сужается ее диаграмма направленности, т. е. уменьшается угол, в пределах которого антенна эффективно принимает радиоизлучение. А тем самым увеличивается разрешающая способность антенны по углу и возрастает ее коэффициент усиления. Поэтому радиоастрономы стремятся создавать для исследования источников радиоизлучения, имеющих малые угловые размеры, антенны возможно больших размеров.
Радиоастрономические антенны можно разделить по аналогии с оптическими телескопами на две группы - радиорефлекторы (одиночные антенны) и радиорефракторы (многоэлементные антенны). В радиорефлекторах поток радиоизлучения собирается и фокусируется «зеркальной» системой. Сфокусированный сигнал поступает на облучатель и через фидерный тракт, соединяющий антенну с приемным устройством, передается в приемное устройство. В радиорефракторах поток радиоизлучения принимается отдельными антеннами и складывается затем в фидерном тракте.
В радиоастрономии применяются следующие типы рефлекторных антенн: параболические, сферические, рупорные, перископические, переменного профиля. К рефракторным антеннам относятся различные типы интерферометрических систем, синфазные антенны, фазируемые решетки и крестообразные антенны. Основные характеристики антенн некоторых советских и зарубежных телескопов приведены в табл. 2.
Параболические антенны. Наиболее широкое применение среди рефлекторных антенн нашли параболические. Эти антенны имеют свой аналог в оптике - прожектор с параболическим отражателем, в котором свет от «точечного» источника превращается в параллельный пучок. В параболической антенне процесс идет в обратном направлении - параллельный поток радиоизлучения фокусируется зеркалом в фокусе параболоида, где он принимается облучателем.
Параболические антенны, используемые в радиоастрономии, имеют внушительные размеры (рис. 6 и 7). Самый большой на Земле полноповоротный параболический радиотелескоп имеет зеркало диаметром 100 м. Его антенна поворачивается на 360° по азимуту и 90° по углу места. Вес антенного сооружения составляет 3200 т.
Параболические антенны могут работать только в ограниченном диапазоне длин волн: выполнить параболическую поверхность абсолютно точно невозможно, вследствие чего неровности поверхности параболоида при работе на очень коротких длинах волн начинают ухудшать фокусирующие свойства антенны. Это приводит, в свою очередь, к ухудшению эффективности антенны, т. е. как бы уменьшению площади раскрыва антенны, собирающей поток радиоизлучения. А так как с ростом длины волны расширяется диаграмма направленности антенны и на некоторой длине волны данную антенну становится уже нецелесообразно использовать для наблюдений (так как при этом уменьшается ее коэффициент усиления), то радиоастрономы для более длинноволновых измерений используют другие типы антенн.
Однако даже в одинаковых конструкциях параболических антенн минимальная длина волны, на которой еще эффективно работает антенна, может быть разной. Это зависит от тщательности изготовления поверхности зеркала и от деформаций зеркала при изменении его ориентации в пространстве, а также от действия тепловых и ветровых нагрузок. Так, например, зеркало диаметром 22 м антенны РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории по своему исполнению более точное, чем зеркало антенны аналогичных размеров в Пущино (Физический институт АН СССР).
Параболические антенны, работающие в миллиметровом диапазоне длин волн, имеют диаметр, не превышающий 25 м. Антенны больших размеров эффективно работают в сантиметровом диапазоне. Антенна РТ-22 Крымской астрофизической обсерватории может эффективно работать на длинах волн не короче 4 мм. Антенна Национальной радиоастрономической обсерватории США с диаметром 11 м, установленная на горе Китт-Пик, работает с предельной длиной волны 1,2 мм. Для уменьшения температурных деформаций зеркала антенна этого радиотелескопа в нерабочем состоянии находится под куполом диаметром 30 м (во время измерений купол частично раскрывается).
Сферические антенны. На земном шаре существует всего несколько (радиоастрономических антенн, имеющих сферическое зеркало. Эти антенны получили также название «земляные чаши», так как сферический отражатель в них находится на поверхности Земли, а смещение диаграммы направленности антенны производится за счет перемещения облучателя. Самая большая антенна такого типа (с диаметром раскрыва 305 м) находится на о. Пуэрто-Рико в Южной Америке (обсерватория Аресибо).
Антенны со сферическими зеркалами менее эффективно фокусируют электромагнитное излучение, чем параболические антенны, но обладают тем преимуществом, что могут осуществлять обзор (сканирование) неба в пределах большего телесного угла (без поворота самого зеркала, а только за счет смещения отражателя из фокуса зеркала). Так антенна в Аресибо позволяет смещать диаграмму направленности в пределах 20° относительно зенита в любом направлении. Ее зеркало состоит из металлических щитов, которыми выстлано дно потухшего вулкана. На трех гигантских опорах натянуты тросы, по которым движется специальная каретка с установленными на ней облучателями и другой радиотехнической аппаратурой (см. первую страницу обложки). Антенна может эффективно работать до длины волны не короче 10 см (на этой волне ее диаграмма направленности имеет ширину 1,5′). Антенна в Аресибо до реконструкции имела сферическую поверхность из металлической сетки и могла эффективно работать только в длинноволновом участке дециметрового диапазона (лямбда>50 см). Аресибская антенна также используется в качестве антенны планетного радиолокатора, работающего на длине волны 12,5 см и имеющего среднюю мощность 450 кВт.
В Бюраканской астрофизической обсерватории работает самая коротковолновая сферическая антенна с неподвижным зеркалом, диаметр которого равен 5 м. Антенна является прообразом будущей, проектируемой для Бюраканской обсерватории 200-метровой чаши, которая по расчетам будет иметь предельную длину волны 3 см.
Рупорные антенны. В отличие от зеркальных (сферических и параболических) рупорные антенны состоят из одного облучателя. Радиоастрономических антенн такого типа «а Земле немного. Благодаря тому что их характеристики можно точно рассчитать, эти антенны используются для прецизионных измерений потоков радиоизлучения некоторых источников, которые радиоастрономами принимаются за эталонные. С помощью рупорной антенны был точно измерен поток радиоизлучения источника Кассиопея А и открыто реликтовое радиоизлучение. Туманность Кассиопея А является одним из самых мощных источников радиоизлучения и широко используется радиоастрономами для калибровок антенн в качестве эталонного источника.
Перископические антенны. В радиоастрономии нашли широкое применение и перископические антенны, преимуществом которых является то, что при относительно больших размерах они обладают довольно хорошей эффективностью. Антенны подобного типа состоят из трех элементов: плоского зеркала, которое поворачивается по углу места; фокусирующего главного зеркала (в виде сферического или параболического цилиндра) и облучателя.
Сферическое или ‘параболическое зеркало фокусирует поток радиоизлучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Так как линейные размеры таких антенн в горизонтальном направлении существенно больше, чем в вертикальном, то и ширина диаграммы направленности антенн в горизонтальной плоскости существенно меньше ширины диаграммы, чем в вертикальной плоскости. Самая коротковолновая перископическая антенна сооружена в обсерватории Горьковского радиофизического института. Она эффективно работает до длин волн 1 мм. На длине волны 4 мм ширина диаграммы направленности этой антенны составляет 45″ в горизонтальной плоскости и 8’ в вертикальной плоскости.
Антенны переменного профиля. Вблизи станицы Зеленчукской Ставропольского края начал работать радиотелескоп РАТАН-600 (рис. 8). Схема его антенной системы напоминает схему перископической антенны. Однако в отличие от последней главное зеркало этой антенны в вертикальной плоскости плоское. Несмотря на гигантские размеры (диаметр главного зеркала 588 м), эта антенна может эффективно работать до длины волны 8 мм.
Рассмотрим теперь различные типы рефракторных антенн, которые эффективно используются «а метровых волнах.
Синфазные антенны. Эти антенны состоят из отдельных полуволновых облучателей (диполей), которые составляют полотно, имеющее п облучателей в одном направлении и m облучателей в ортогональном направлении. Расстояние между облучателем в обоих ортогональных направлениях равно половине длины волны. С помощью антенны подобного типа, состоящей из 64 диполей, была проведена первая радиолокация Луны на длине волны 2,5 м.
В синфазных антеннах суммирование сигналов от отдельных облучателей производится в фидерном тракте. Причем вначале суммируются сигналы от облучателей, расположенных в одном ряду, а затем уже производится суммирование по этажам (или наоборот). Чем больше число облучателей в ряду, тем уже диаграмма направленности антенны в плоскости, проходящей вдоль ряда этих диполей. Синфазные антенны узкополосны, т. е. практически они могут работать только на одной длине волны.
Антенна Центра дальней космической связи СССР, состоящая из 8 параболических антенн, расположенных по 4 в ряд (рис. 9), имеет почти в 8 раз больший коэффициент усиления, чем коэффициент усиления отдельной параболической антенны. Эта сложная антенна построена по принципу синфазной антенной решетки.
Крестообразные антенны. Дальнейшим развитием антенн подобного типа явились крестообразные антенны. В них используется не пХт облучателей, как в синфазных антеннах, а п + т облучателей. В этих антеннах п облучателей располагается в одном направлении, а т облучателей в направлении, перпендикулярном к нему. Путем соответствующего фазирования по высокой частоте такая антенна имеет диаграмму направленности (в вышеуказанных плоскостях), подобную диаграмме антенны, состоящей из пХт облучателей. Однако коэффициент усиления такой крестообразной антенны меньше, чем у соответствующих синфазных антенн (состоящих из пХт облучателей). Часто такие антенны называют антеннами с незаполненной апертурой (раскрывом). (В синфазных антеннах, или антеннах с заполненной апертурой (пХт облучателей), для изменения направления диаграммы направленности в пространстве необходимо поворачивать плоскость расположения облучателей путем поворота подвижного основания.)
В фазируемых решетках и антеннах с незаполненной апертурой обычно изменение направления диаграммы направленности в одной из плоскостей осуществляется за счет изменения фазовых соотношений в фидерном тракте, а в другой плоскости - за счет механического поворота антенной системы.
Крупнейшей антенной крестообразного типа в декаметровом диапазоне является антенна радиотелескопа УТР-2 Харьковского института радиотехники и электроники (рис. 10). Эта антенная система состоит из 2040 широкополосных неподвижных облучателей, расположенных параллельно земной поверхности и образующих два плеча - «север-юг» и «запад-восток».
Интерферометры. Особое место среди антенных систем занимают антенные интерферометры. Простейший радиоинтерферометр состоит из двух антенн, соединенных высокочастотным кабелем; сигналы от них суммируются и поступают на приемное устройство. Как и в оптическом интерферометре, разность фаз принятых сигналов определяется разностью хода лучей, которая зависит от расстояния между антеннами и направления прихода радиосигналов (рис. 11).
Из-за движения источника радиоизлучения по небесной сфере как раз и происходит изменение разности фаз сигналов, принятых антеннами радиоинтерферометра. Это приводит к появлению максимумов и минимумов интерференционных сигналов. Перемещение источника радиоизлучения на некоторый угол, при котором максимум интерференционного сигнала в радиоинтерферометре сменит минимум, эквивалентен ширине его диаграммы направленности. Однако в отличие от одиночных антенн радиоинтерферометр имеет многолепестковую диаграмму направленности в плоскости, проходящей вдоль базы интерферометра. Ширина интерференционного лепестка тем уже, чем больше расстояние (база) между антеннами. (В плоскости, ортогональной базе интерферометра, диаграмма направленности определяется размерами одиночной антенны этого интерферометра.)
В настоящее время создание высокостабильных генераторов частоты позволило реализовать радиоинтерферометрию с независимым приемом. В этой системе высокочастотные сигналы принимаются каждой из двух антенн и независимо друг от друга преобразуются в более низкие частоты с помощью сигналов от высокостабильных атомных стандартов частоты.
Интерферометры с независимым приемом в настоящее время работают с базами, превышающими размер континента и достигающими 10 000 км. Угловое разрешение таких интерферометров достигло нескольких десятитысячных долей секунды дуги.
Приемники. Одной из основных характеристик радиотелескопа и планетного радиолокатора является чувствительность - минимальная мощность принятого сигнала, которую может зарегистрировать радиотелескоп или радиолокатор. Чувствительность зависит от параметров приемного устройства, параметров антенн и характеристик окружающего антенну пространства. В радиоастрономии принимаются настолько слабые сигналы радиоизлучения, что для того чтобы зарегистрировать эти сигналы, их приходится усиливать во много раз; при этом и полезные сигналы и помехи имеют шумовой характер. Это осложняет их разделение в приемном устройстве.
Приемные устройства радиотелескопов - радиометры, имея высокую чувствительность, также обладают высокой стабильностью своих характеристик. Так как чувствительность приемника главным образом определяется характеристика-ми его высокочастотной части, то поэтому входным узлам радиометра уделяют повышенное внимание. Для снижения уровня шумов приемника в его входных устройствах используются «малошумя-щие» высокочастотные усилители на лампах бегущей волны или туннельных диодах, а также применяются параметрические или квантовые парамагнитные усилители. Для получения еще более высокой чувствительности приемника его высокочастотные узлы охлаждают до сверхнизких температур (в качестве хладоагентов используют жидкий азот или жидкий гелий). Система охлаждения, использующая жидкий гелий, позволяет получить температуру высокочастотных узлов приемника 5-10° К..
Радиоастрономические приемники для обеспечения высокой чувствительности должны иметь полосы пропускания в сотни мегагерц или даже несколько тысяч мегагерц. Однако приемники со столь широкими полосами пригодны не для всех исследований. Так, измерение в радиодиапазоне спектров поглощения некоторых газов, находящихся в атмосферах Земли и планет (водяного пара, кислорода, озона и т. д.), требует максимальных полос пропускания порядка 50 МГц. Чувствительность такого приемника будет относительно невысокой. Поэтому в таких измерениях необходимую чувствительность получают за счет увеличения времени накопления сигнала на выходе радиометра.
Допустимое время накопления сигнала определяется схемой измерения и временем наличия сигналов радиоизлучения исследуемого небесного тела в поле зрения антенны радиотелескопа. При малых временах накопления (интегрирования), исчисляемых секундами или десятками секунд, оно обычно осуществляется на элементах выходных фильтров радиометра. При больших временах накопления функции интегратора выполняет ЭВМ.
Все вышеописанные методы позволяют понизить уровень собственных шумов в сотни и тысячи раз. При этом радиометр может измерять интенсивность радиоизлучения, соответствующую шумовой температуре 0,003-0,01°К (при времени накопления 1 с). Однако собственными шумами обладает не только приемное устройство, но и антенно-фидерная система, шумы которой зависят от многих параметров: температуры, коэффициента полезного действия антенны, потерь электромагнитной энергии в фидерном тракте и т. д.
В радиоастрономии интенсивность шумовых сигналов принято характеризовать шумовой температурой. Этот параметр определяется мощностью шумов в полосе пропускания, равной 1 Гц. Чем выше к. п. д. антенны, тем ниже ее шумовая температура, а следовательно, тем выше может быть получена чувствительность радиотелескопа.
Помехи радиоприему. Повышение чувствительности радиотелескопов ограничивается внешними помехами естественного происхождения. Искусственные помехи в значительной степени уменьшены за счет выбора специально для радиоастрономических исследований частотных диапазонов, в которых запрещена работа наземных и космических радиостанций и радиосистем любого назначения. Для уменьшения влияния индустриальных помех радиотелескопы располагают вдали от промышленных центров, преимущественно в котлованах гор, так как последние хорошо экранируют радиотелескопы от наземных индустриальных помех.
Естественными помехами являются радиоизлучения земной поверхности и атмосферы, а также самого космического пространства. Для снижения влияния фонового радиоизлучения Земли на показания радиометра антенну радиотелескопа конструируют таким образом, чтобы ее диаграмма направленности в направлении к поверхности Земли имела значительное ослабление по сравнению с направлением на исследуемое небесное тело.
Благодаря наличию в земной атмосфере газов, имеющих линии молекулярного поглощения в радиодиапазоне (кислород, водяной пар, озон, угарный газ и т. д.), атмосфера излучает шумовые сигналы в миллиметровом и сантиметровом диапазонах и также ослабляет в этих диапазонах принимаемое радиоизлучение небесных тел. Интенсивность радиоизлучения атмосферы существенно зависит от длины волны - сильно возрастает с уменьшением длины волны. Радиоизлучение атмосферы особенно сильно вблизи резонансных линий упомянутых газов (наиболее интенсивными линиями являются линии кислорода и водяного пара вблизи длин волн 1,63; 2,5; 5 и 13,5 мм).
Для уменьшения влияния атмосферы радиоастрономы выбирают для наблюдений небесных тел участки радиодиапазона вдали от резонансных линий. Эти участки, в которых атмосферные шумы минимальны, получили название «окон прозрачности» атмосферы. В миллиметровом диапазоне такими «окнами» являются участки вблизи длин волн 1,2; 2,1; 3,2 и 8,6 мм. Чем в более коротковолновом диапазоне находится «окно прозрачности», тем большее в нем ослабление радиосигнала от исследуемого источника и выше уровень шумов атмосферы. (Радиоизлучение атмосферы сильно возрастает с ростом влажности. Основная масса водяного пара находится в приземном слое атмосферы на высотах до 2-3 км.)
Для уменьшения влияния атмосферы на радиоастрономические измерения радиотелескопы стараются размещать в районах с очень сухим климатом и на больших высотах над уровнем моря. Таким образом, требования к размещению радиотелескопов во многом оказываются схожими с требованиями размещения оптических телескопов. Поэтому часто в высокогорных обсерваториях вместе с радиотелескопами размещаются и оптические телескопы.
На результаты наблюдения космического радиоизлучения оказывает также влияние влага, сконцентрированная в облаках и выпадающая в виде осадков. Шумы атмосферы за счет этих компонент существенно возрастают с уменьшением длины волны (на волнах короче 3-5 см). Поэтому радиоастрономы стараются провести измерения в безоблачную погоду.
Кроме радиоизлучения атмосферы и поверхности Земли, фактором, ограничивающим чувствительность радиотелескопа, является космическое излучение Галактики и Метагалактики. В дециметровом, сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн Метагалактика излучает подобно абсолютно черному телу, нагретому до температуры 2,7° К. Это излучение распределено в пространстве изотропно. Интенсивность же излучения межзвездной среды в Галактике зависит от направления наблюдения (особенно велика интенсивность излучения в направлении Млечного Пути). Излучение галактического происхождения возрастает также с увеличением длины волны на волнах более 30 см. Поэтому наблюдение радиоизлучения небесных тел на волнах длиннее 50 см является весьма сложной задачей, которая усугубляется также возрастающим влиянием земной ионосферы на волнах метрового диапазона.
Передатчики. Для измерений характеристик отражения планет средняя мощность передатчиков планетных радиолокаторов должна составлять сотни киловатт. В настоящее время создано всего несколько таких радиолокаторов.
Передатчики планетных радиолокаторов работают либо без модуляции, либо попользуют какой-либо вид модуляции. Выбор режима излучения передатчика зависит от задач исследований. Так, измерение эффективной площади рассеяния и «доплеровокого» спектра сигнала, отраженного от планеты, не требует модуляции и обычно проводится при монохроматическом излучаемом сигнале. В то же время измерение дальности до планеты и радиолокационное картографирование требуют модулированного сигнала.
Импульсная модуляция передатчика (применяемая при исследовании Луны) не может обеспечить большую среднюю мощность излучения, и поэтому она практически не используется при планетных исследованиях. Методы частотной и фазовой модуляции применяются почти во всех передатчиках крупнейших планетных радиолокаторов. Так, планетный радиолокатор центра дальней космической связи СССР для измерения дальности использует метод линейной частотной модуляции, а планетный радиолокатор Массачусетского технологического института - метод «псевдошумовой фазовой манипуляции».
Передатчики планетных радиолокаторов должны иметь весьма высокую стабильность частоты излучения (относительная нестабильность передатчика должна быть порядка 10 -9). Поэтому они строятся по схеме: стабилизированный маломощный генератор + усилитель мощности.
Основные характеристики передатчиков, используемых в зарубежных планетных радиолокаторах, а также отдельные характеристики этих радиолокаторов приведены в табл. 3 (см. с. 38).
Устройства наведения антенн и обработки принятых сигналов. Современный радиотелескоп немыслим без ЭВМ. Обычно в нем применяются даже две ЭВМ. Одна из них работает в контуре наведения и сопровождения исследуемого источника излучения. Она вырабатывает сигналы, пропорциональные текущему азимуту и углу места источника, которые затем поступают в блоки управления приводами антенны. Эта же ЭВМ также контролирует правильность исполнения приводами антенн управляющих команд., анализируя сигналы с датчиков углов поворота этих приводов.
Антенные системы радиотелескопов могут изменять положение диаграммы направленности как в одной, так и в двух плоскостях. Обычно изменение положения диаграммы направленности антенн производится путем механического перемещения антенны или облучателя в соответствующей плоскости. (Исключение составляют антенны типа фазируемых решеток, в которых изменение направления приема радиоизлучения осуществляется путем изменения фазовых соотношений в фидерном тракте.)
Антенны с одной степенью свободы обычно устанавливаются вдоль меридиана и изменяют свое положение по углу места, а измерение радиоизлучения источника производится во время прохождения его через географический меридиан, на котором расположен радиотелескоп. По такому принципу работает большое количество радиотелескопов. Полноповоротными антеннами обычно являются антенны зеркального типа.
Кроме обычно принятой азимуто-угломестной системы наведения, в некоторых радиотелескопах используется экваториальная система, в которой антенна радиотелескопа может поворачиваться относительно оси, параллельной оси вращения Земли (вдоль параллели), а также и в ортогональной плоскости. Такая система наведения антенны требует более простых алгоритмор для управления положением диаграммы направленности в пространстве.
Системы управления антенной, кроме наведения и сопровождения выбранного источника, позволяют проводить обзор (сканирование) неба в некоторой окрестности вокруг источника. Такой режим используется при измерении распределения интенсивности радиоизлучения по диску планеты.
Вторая ЭВМ на современных радиотелескопах используется для первичной обработки результатов измерений. Входным сигналом для этой ЭВМ являются текущие координаты и значения напряжений на выходе радиометра, пропорциональные интенсивности радиоизлучения исследуемого и калибровочных источников. По этим данным ЭВМ рассчитывает распределение интенсивности радиоизлучения в зависимости от координат, т. е. строит карту радиояркостных температур исследуемого источника.
Для калибровки интенсивности принятых сигналов используется сопоставление радиоизлучения от исследуемого источника с некоторыми эталонами, которые могут быть как первичными, так и вторичными. Метод первичного эталонирования, так называемый метод «искусственной луны», был разработан советским ученым В. С. Троицким. В данном методе измерения первичным эталоном является радиоизлучение поглощающего диска, установленного перед антенной радиотелескопа. С помощью метода «искусственной луны» в Горьковском радиофизическом институте был проведен большой цикл прецизионных измерений радиоизлучения Луны и других источников.
В качестве вторичных эталонов обычно используются сигналы радиоизлучения некоторых дискретных источников (например, радиоисточников в созвездиях Кассиопея, Лебедь, Дева, Телец, а также некоторых квазаров). Иногда в качестве вторичного эталона используется радиоизлучение Юпитера.
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?