Радиотелескоп - Radio telescope

64-метровый радиотелескоп в г. Обсерватория Паркса как это было в 1969 году, когда он использовался для приема телевизионного видео в прямом эфире с Аполлон-11
Антенна УТР-2 низкочастотный радиотелескоп, Харьков область, край, Украина. Состоит из массива 2040 клеточный диполь элементы.

А радиотелескоп специализированный антенна и радиоприемник используется для обнаружения радиоволны от астрономические радиоисточники в небе.[1][2][3] Радиотелескопы - основной инструмент наблюдения, используемый в радиоастрономия, который изучает радиочастота часть электромагнитный спектр испускается астрономическими объектами, так же как оптические телескопы являются основным инструментом наблюдения, используемым в традиционных оптическая астрономия который изучает световая волна часть спектра, исходящая от астрономических объектов. В отличие от оптических телескопов, радиотелескопы можно использовать как днем, так и ночью.

Поскольку астрономические радиоисточники, такие как планеты, звезды, туманности и галактики находятся очень далеко, радиоволны, исходящие от них, чрезвычайно слабы, поэтому радиотелескопам требуются очень большие антенны, чтобы собрать достаточно энергии для их изучения, и чрезвычайно чувствительное приемное оборудование. Радиотелескопы обычно большие параболические ("тарелочные") антенны аналогично тем, которые используются для отслеживания и связи с спутники и космические зонды. Их можно использовать по отдельности или связать вместе в виде массива. Радио обсерватории предпочтительно расположены вдали от крупных населенных пунктов, чтобы избежать электромагнитная интерференция (EMI) с радио, телевидение, радар, автомобили и другие электронные устройства, созданные руками человека.

Радиоволны из космоса впервые были обнаружены инженером Карл Гуте Янски в 1932 г. Bell Telephone Laboratories в Холмдел, Нью-Джерси с помощью антенны, построенной для изучения шума радиоприемника. Первым специально созданным радиотелескопом была 9-метровая параболическая антенна, сконструированная радиолюбителем. Гроте Ребер на его заднем дворе в Уитон, Иллинойс в 1937 году. Проведенный им обзор неба часто считается началом области радиоастрономии.

Ранние радиотелескопы

Полноразмерная копия первого радиотелескопа Янского. диполь массив 1932 г., сохранившийся в США Национальная радиоастрономическая обсерватория в Грин-Бэнк, Западная Вирджиния.
Ребер "тарелка" радиотелескопа, Уитон, Иллинойс, 1937 г.

Первая радиоантенна, использованная для идентификации астрономического радиоисточника, была построена Карл Гуте Янски, инженер с Bell Telephone Laboratories, в 1932 году. Янски поставили задачу определить источники статический это может помешать радиотелефон оказание услуг. Антенна Янского представляла собой массив диполи и отражатели предназначен для получения короткая волна радиосигналы в частота из 20,5 МГц (длина волны около 14,6 метра). Он был установлен на поворотном столе, который позволял ему вращаться в любом направлении, за что получил название «Карусель Янского». Его диаметр составлял примерно 100 футов (30 м), а высота - 20 футов (6 м). Вращая антенну, можно было точно определить направление принимаемого источника помех (статического). В небольшом сарае сбоку от антенны находился аналог записывающая система с ручкой и бумагой. После записи сигналов со всех сторон в течение нескольких месяцев, Янски в конце концов разделил их на три типа статики: близлежащие грозы, далекие грозы и слабое устойчивое шипение над ними. дробовой шум, неизвестного происхождения. Янски, наконец, определил, что "слабое шипение" повторяется с циклом 23 часа 56 минут. Этот период - продолжительность астрономического звездный день, время, которое требуется любому "неподвижному" объекту, расположенному на небесная сфера вернуться в то же место в небе. Таким образом, Янски подозревал, что шипение исходит за пределами Солнечная система, и сравнив свои наблюдения с оптическими астрономическими картами, Янски пришел к выводу, что излучение исходит от Млечный путь и был самым сильным в направлении центра галактики, в созвездие из Стрелец.

Радист-любитель, Гроте Ребер, был одним из пионеров того, что стало известно как радиоастрономия. Он построил первый параболический радиотелескоп диаметром 9 метров (30 футов) на своем заднем дворе в Уитоне, штат Иллинойс, в 1937 году. Он повторил новаторскую работу Янски, определив Млечный Путь как первый внеземной радиоисточник. и он продолжил проводить первый обзор неба в очень высоко радиочастоты, обнаружение других радиоисточников. Быстрый разработка радара в течение Вторая Мировая Война создал технологию, которая была применена в радиоастрономии после войны, и радиоастрономия стала отраслью астрономии, когда университеты и исследовательские институты построили большие радиотелескопы.[4]

Типы

Радиотелескоп Ути, дипольная решетка 326,5 МГц в Ути, Индия

Диапазон частот в электромагнитный спектр что составляет радиоспектр очень большой. Как следствие, типы антенн, которые используются в качестве радиотелескопов, сильно различаются по конструкции, размеру и конфигурации. На длинах волн от 30 до 3 метров (10–100 МГц) они обычно либо направленная антенна решетки, похожие на «телевизионные антенны», или большие стационарные отражатели с подвижными точками фокусировки. Поскольку длины волн, наблюдаемые с помощью этих типов антенн, очень велики, поверхности "отражателя" могут быть изготовлены из грубой проволоки. сетка такие как проволочная сетка.[5][6] На более коротких длинах волн параболические "тарелочные" антенны преобладают. В угловое разрешение тарелочной антенны определяется отношением диаметра тарелки к длина волны наблюдаемых радиоволн. Это диктует размер антенны, необходимый радиотелескопу для полезного разрешения. Радиотелескопы, работающие на длинах волн от 3 метров до 30 см (от 100 МГц до 1 ГГц), обычно имеют диаметр более 100 метров. Телескопы, работающие на длинах волн короче 30 см (выше 1 ГГц), имеют размеры от 3 до 90 метров в диаметре.[нужна цитата ]

Частоты

Все более широкое использование радиочастот для связи делает астрономические наблюдения все более трудными (см. Открытый спектр ) .Переговоры по защите распределение частот части спектра, наиболее полезные для наблюдения за Вселенной, координируются Научным комитетом по распределению частот для радиоастрономии и космической науки.

Сюжет атмосферного коэффициент пропускания (или непрозрачность) для различных длин волн электромагнитное излучение.

Некоторые из наиболее известных диапазонов частот, используемых радиотелескопами, включают:

Большие блюда

Самый большой в мире радиотелескоп с заполненной апертурой (то есть с полной тарелкой) - это Сферический телескоп с апертурой пятьсот метров (FAST) завершено в 2016 г. Китай.[8] Блюдо диаметром 500 метров (1600 футов) с площадью, равной 30 футбольным полям, встроено в естественный Карст депрессия в пейзаже в Провинция Гуйчжоу и не может двигаться; то фидерная антенна находится в кабине, подвешенной над тарелкой на тросах. Активная тарелка состоит из 4450 подвижных панелей, управляемых компьютером. Изменяя форму антенны и перемещая кабину кормления на кабелях, телескоп можно направить в любую область неба под углом до 40 ° от зенита. Несмотря на то, что антенна имеет диаметр 500 метров, только круглая область на 300 метров на тарелке освещается фидерной антенной в любой момент времени, поэтому фактическая эффективная апертура составляет 300 метров. Строительство было начато в 2007 году и завершено в июле 2016 года.[9] и телескоп заработал 25 сентября 2016 года.[10]

Второй по величине телескоп с заполненной апертурой в мире был Радиотелескоп Аресибо находится в Аресибо, Пуэрто-Рико, хотя 2 декабря 2020 года он потерпел катастрофическое коллапс. Аресибо был единственным в мире радиотелескопом, также способным получать активные радиолокационные изображения объектов, сближающихся с Землей; все остальные телескопы предназначены только для пассивного обнаружения.

Другой стационарный телескоп-тарелка, такой как FAST, антенна которого 305 м (1001 фут) встроена в естественную впадину в ландшафте, антенна может поворачиваться под углом примерно 20 ° к плоскости зенит перемещая приостановленный фидерная антенна, используя часть тарелки диаметром 270 метров для любого индивидуального наблюдения. Самый большой индивидуальный радиотелескоп любого типа - это РАТАН-600 расположен рядом Нижний Архыз, Россия, который состоит из 576-метрового круга прямоугольных радиоотражателей, каждый из которых может быть направлен в сторону центрального конического приемника.

Вышеупомянутые стационарные тарелки не являются полностью «управляемыми»; они могут быть нацелены только на точки в области неба рядом с зенит, и не может получать из источников вблизи горизонта. Самый большой полностью управляемый спутниковый радиотелескоп - 100-метровый. Телескоп Грин-Бэнк в Западная Виргиния, США, построен в 2000 году. Самый большой полностью управляемый радиотелескоп в Европе - 100-метровый радиотелескоп Эффельсберга около Бонн, Германия, эксплуатируется Институт радиоастрономии Макса Планка, который также был крупнейшим полностью управляемым телескопом в мире в течение 30 лет, пока не была построена антенна Грин-Бэнк.[11] Третий по величине полностью управляемый радиотелескоп - 76-метровый. Телескоп Ловелла в Обсерватория Джодрелл Бэнк в Чешир, Англия, завершено в 1957 году. Четвертым по величине полностью управляемым радиотелескопом являются шесть 70-метровых антенн: три российских РТ-70, и три в Сеть дальнего космоса НАСА. Запланированный Цитайский радиотелескоп с диаметром 110 м (360 футов), как ожидается, станет крупнейшим в мире полностью управляемым радиотелескопом с одной тарелкой после завершения строительства в 2023 году.

Более типичный радиотелескоп имеет одну антенну диаметром около 25 метров. Десятки радиотелескопов примерно такого размера работают в радиообсерваториях по всему миру.

Галерея больших блюд

Радиотелескопы в космосе

С 1965 года люди запустили три космических радиотелескопа. В 1965 г. Советский Союз отправил первый позвонил Зонд 3. В 1997 г. Япония отправил второй, HALCA. Последний был отправлен Россия в 2011 году звонил Спектр-Р.

Радиоинтерферометрия

Основная статья: Астрономический интерферометр
Смотрите также: Радиоастрономия § Радиоинтерферометрия
В Очень большой массив в Сокорро, Нью-Мексико, интерферометрическая антенна состоит из 27 параболических телескопов.

Одно из самых заметных достижений произошло в 1946 году, когда была введена техника, названная астрономическая интерферометрия, что означает объединение сигналов от нескольких антенн так, чтобы они имитировали антенну большего размера для достижения большего разрешения. Астрономические радиоинтерферометры обычно состоят из набора параболических антенн (например, Одномильный телескоп ), решетки одномерных антенн (например, Телескоп синтеза обсерватории Молонгло ) или двумерные массивы всенаправленных диполи (например., Тони Хьюиш Пульсарный массив ). Все телескопы в группе широко разнесены и обычно соединяются с помощью коаксиальный кабель, волновод, оптоволокно, или другой тип линия передачи. Недавние достижения в стабильности электронных генераторов теперь также позволяют проводить интерферометрию путем независимой записи сигналов на различных антеннах, а затем последующей корреляции записей на каком-то центральном обрабатывающем устройстве. Этот процесс известен как Интерферометрия с очень длинным базовым уровнем (РСДБ). Интерферометрия действительно увеличивает общий собираемый сигнал, но ее основная цель - значительно повысить разрешение с помощью процесса, называемого синтез апертуры. Этот метод работает путем наложения (мешающий ) сигнал волны из разных телескопов по принципу волны которые совпадают с тем же фаза будут складываться друг с другом, в то время как две волны с противоположными фазами будут нейтрализовать друг друга. Это создает комбинированный телескоп, который по разрешению (но не по чувствительности) эквивалентен одиночной антенне, диаметр которой равен разносу антенн, наиболее удаленных друг от друга в решетке.

Большая миллиметровая матрица Atacama в Пустыня Атакама состоящий из 66 радиотелескопов диаметром 12 метров (39 футов) и 7 метров (23 футов), предназначенных для работы на субмиллиметровые длины волн

Для получения качественного изображения требуется большое количество различных расстояний между телескопами. Спроектированное расстояние между любыми двумя телескопами со стороны радиоисточника называется базовой линией. Например, Очень большой массив (VLA) рядом Сокорро, Нью-Мексико имеет 27 телескопов с 351 независимой базой сразу, что обеспечивает разрешение 0,2 угловые секунды на длине волны 3 см.[12] Мартин Райл с группа в Кембридже получил Нобелевская премия для интерферометрии и апертурного синтеза.[13] В Зеркало Ллойда Интерферометр также был разработан независимо в 1946 г. Джозеф Поуси группа в Сиднейский университет.[14] В начале 1950-х гг. Кембриджский интерферометр нанесли на карту радио небо, чтобы произвести знаменитые 2C и 3C обзоры радиоисточников. Примером большой физически связанной группы радиотелескопов является Гигантский радиотелескоп Метревэйва, находится в Пуна, Индия. Самый большой массив, Низкочастотный массив (LOFAR), завершенный в 2012 году, расположен в Западной Европе и состоит из около 81 000 малых антенн на 48 станциях, расположенных на территории в несколько сотен километров в диаметре, и работает в диапазоне длин волн от 1,25 до 30 м. Системы VLBI, использующие пост-наблюдательную обработку, были созданы с антеннами, расположенными за тысячи миль друг от друга. Радиоинтерферометры также использовались для получения подробных изображений анизотропии и поляризации Космический микроволновый фон, словно CBI интерферометр в 2004 году.

Самый большой в мире телескоп с физическим подключением Массив квадратных километров (СКА), планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году.

Астрономические наблюдения

Основная статья: Радиоастрономия

Многие астрономические объекты можно наблюдать не только в видимый свет но также испускать радиация в радиоволны. Помимо наблюдения за энергетическими объектами, такими как пульсары и квазары радиотелескопы могут "отображать" большинство астрономических объектов, таких как галактики, туманности, и даже радиоизлучение от планеты.[15][16]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Марр, Джонатан М .; Snell, Ronald L .; Курц, Стэнли Э. (2015). Основы радиоастрономии: методы наблюдений. CRC Press. С. 21–24. ISBN  978-1498770194.
  2. ^ Краткая энциклопедия Британики. Энциклопедия Britannica, Inc., 2008. стр. 1583. ISBN  978-1593394929.
  3. ^ Вершуур, Геррит (2007). Невидимая Вселенная: История радиоастрономии (2-е изд.). Springer Science & Business Media. С. 8–10. ISBN  978-0387683607.
  4. ^ Салливан, W.T. (1984). Первые годы радиоастрономии. Издательство Кембриджского университета. ISBN  0-521-25485-X
  5. ^ Лей, Вилли; Menzel, Donald H .; Ричардсон, Роберт С. (июнь 1965 г.). «Обсерватория на Луне». Довожу до вашего сведения. Галактика Научная фантастика. С. 132–150.
  6. ^ CSIRO. «Блюдо исполняется 45 лет». Организация Содружества научных и промышленных исследований. Архивировано из оригинал 24 августа 2008 г.. Получено 16 октября, 2008.
  7. ^ «Микроструктура». Jb.man.ac.uk. 1996-02-05. Получено 2016-02-24.
  8. ^ «Эксклюзив для Китая: Китай начинает строительство крупнейшего в мире радиотелескопа». English.peopledaily.com.cn. 2008-12-26. Получено 2016-02-24.
  9. ^ «Китай завершает строительство крупнейшего в мире радиотелескопа». 2016-07-06. Получено 2016-07-06.
  10. ^ Вонг, Джиллиан (25 сентября 2016 г.), В Китае открывается крупнейший в мире радиотелескоп, ABC News
  11. ^ Ридпат, Ян (2012). Словарь по астрономии. ОУП Оксфорд. п. 139. ISBN  978-0-19-960905-5.
  12. ^ «Микроволновое зондирование невидимого». Архивировано из оригинал 31 августа 2007 г.. Получено 13 июня, 2007.
  13. ^ Природа т.158, с. 339, 1946 г.
  14. ^ Природа т.157, с.158, 1946
  15. ^ "Что такое радиоастрономия?". Общедоступный веб-сайт.
  16. ^ "Что такое радиотелескопы?".

дальнейшее чтение

  • Рольфс, К., и Уилсон, Т. Л. (2004). Инструменты радиоастрономии. Библиотека астрономии и астрофизики. Берлин: Springer.
  • Азимов, И. (1979). Книга фактов Исаака Азимова; Наблюдатели за небом. Нью-Йорк: Гроссет и Данлэп. С. 390–399. ISBN  0-8038-9347-7