Радиоастрономия - Википедия - Radio astronomy
Радиоастрономия является подполем астрономия что изучает небесные объекты в радиочастоты. Первое обнаружение радиоволн от астрономического объекта было в 1932 году, когда Карл Янский в Bell Telephone Laboratories наблюдаемое излучение, исходящее от Млечный Путь. Последующие наблюдения выявили ряд различных источников радиоизлучения. К ним относятся звезды и галактики, а также совершенно новые классы объектов, такие как радиогалактики, квазары, пульсары, и мазеры. Открытие космическое микроволновое фоновое излучение рассматривается как доказательство Теория большого взрыва, был создан с помощью радиоастрономии.
Радиоастрономия проводится с использованием больших радиоантенны упоминается как радиотелескопы, которые используются либо по отдельности, либо с несколькими связанными телескопами, использующими методы радиоинтерферометрия и синтез апертуры. Использование интерферометрии позволяет радиоастрономии достигать высоких угловое разрешение, поскольку разрешающая способность интерферометра определяется расстоянием между его компонентами, а не размером его компонентов.
История
До того, как Янски наблюдал Млечный Путь в 1930-х годах, физики предполагали, что радиоволны можно наблюдать из астрономических источников. В 1860-х годах Джеймс Клерк Максвелл с уравнения показал, что электромагнитное излучение связан с электричество и магнетизм, и мог существовать в любом длина волны. Было предпринято несколько попыток обнаружить радиоизлучение от солнце в том числе эксперимент немецких астрофизиков Йоханнес Вилсинг и Юлиус Шайнер в 1896 г. и прибор излучения сантиметрового диапазона, созданный Оливер Лодж между 1897 и 1900 годами. Эти попытки не смогли обнаружить никаких выбросов из-за технических ограничений инструментов. Открытие радиоотражающего ионосфера в 1902 году, это привело физиков к выводу, что этот слой отразит любые астрономические радиопередачи обратно в космос, что сделает их необнаруживаемыми.[1]
Карл Янский сделал открытие первого астрономического радиоисточника по счастливой случайности в начале 1930-х гг. Как инженер с Bell Telephone Laboratories, он исследовал статическое электричество, мешающее короткая волна трансатлантические голосовые передачи. Используя большой направленная антенна Янский заметил, что его аналог Бумажная записывающая система продолжала записывать повторяющийся сигнал неизвестного происхождения. Поскольку пик сигнала достигал примерно каждые 24 часа, Янски изначально подозревал, что источником помех был солнце пересекает поле зрения его направленной антенны. Дальнейший анализ показал, что источник не следовал точно 24-часовому дневному циклу Солнца, а вместо этого повторял цикл в 23 часа 56 минут. Янски обсудил загадочные явления со своим другом, астрофизиком и учителем Альбертом Мелвином Скеллеттом, который указал, что время между пиками сигнала было точной длиной звездный день; время, за которое «неподвижные» астрономические объекты, такие как звезда, проходят перед антенной каждый раз, когда Земля вращается.[2] Сравнивая свои наблюдения с оптическими астрономическими картами, Янски в конце концов пришел к выводу, что источник излучения достиг пика, когда его антенна была нацелена на самую плотную часть Млечный Путь в созвездие из Стрелец.[3] Он пришел к выводу, что, поскольку Солнце (и, следовательно, другие звезды) не были крупными источниками радиошума, странные радиопомехи могут быть вызваны межзвездным газом и пылью в галактике.[2] (Пиковый радиоисточник Янского, один из самых ярких в небе, был обозначен Стрелец А в 1950-х годах и, как предполагалось позже, вместо того, чтобы быть галактическим "газом и пылью", испускаются электроны в сильном магнитном поле. Сейчас думают, что это ионы на орбите вокруг массивной Черная дыра в центре галактики в точке, теперь обозначенной как Стрелец A *. Звездочка указывает на то, что частицы в Стрельце А ионизированы.)[4][5][6][7]Янски объявил о своем открытии в 1933 году. Он хотел исследовать радиоволны Млечного Пути более подробно, но Bell Labs направила его в другой проект, поэтому он больше не работал в области астрономии. Его новаторские усилия в области радиоастрономии получили признание благодаря названию фундаментальной единицы плотность потока, то Янски (Джу), после него.
Гроте Ребер был вдохновлен работой Янского, и в 1937 году построил параболический радиотелескоп диаметром 9 м на своем заднем дворе. Он начал с повторения наблюдений Янского, а затем провел первый обзор неба в радиодиапазоне.[8] 27 февраля 1942 г. Джеймс Стэнли Эй, а Британская армия научный сотрудник, впервые обнаружил радиоволны, излучаемые Солнцем.[9] Позже в том же году Джордж Кларк Саутворт,[10] в Bell Labs подобно Янски, он также обнаруживал радиоволны от Солнца. Оба исследователя были связаны с радиолокатором безопасности во время войны, поэтому Ребер, который не был таковым, первым опубликовал свои выводы 1944 года.[11] Несколько других людей независимо открыли солнечные радиоволны, в том числе Э. Шотт в Дания[12] и Элизабет Александр работа над Остров Норфолк.[13][14][15][16]
В Кембриджский университет, где ионосферные исследования проводились во время Вторая Мировая Война, J.A. Ratcliffe вместе с другими членами Учреждение телекоммуникационных исследований который провел военное исследование радар, создал группу радиофизиков в университете, где наблюдались и изучались радиоволны Солнца.
Это раннее исследование вскоре переросло в наблюдение других небесных радиоисточников, и были впервые применены методы интерферометрии для выделения углового источника обнаруженных излучений. Мартин Райл и Энтони Хьюиш на Кавендишская астрофизическая группа разработал технику вращения Земли синтез апертуры. Группа радиоастрономии в Кембридже основала Радиоастрономическая обсерватория Малларда недалеко от Кембриджа в 1950-х годах. В конце 1960-х - начале 1970-х годов, когда компьютеры (такие как Титан ) стал способен обрабатывать ресурсоемкие вычисления. преобразование Фурье При необходимости инверсии они использовали синтез апертуры для создания эффективной апертуры «одна миля», а затем и «5 км» с помощью телескопов One-Mile и Ryle соответственно. Они использовали Кембриджский интерферометр нанести на карту радио небо, создавая Второй (2C) и В третьих (3C) Кембриджские каталоги радиоисточников.[17]
Методы
Радиоастрономы используют различные методы для наблюдения за объектами в радиочастотном спектре. Инструменты можно просто направить на мощный радиоисточник для анализа его излучения. Чтобы "отобразить" область неба более подробно, можно записать несколько перекрывающихся сканов и собрать их вместе в мозаика изображение. Тип используемого инструмента зависит от силы сигнала и количества необходимых деталей.
Наблюдения земной шар на поверхности ограничены длинами волн, которые могут проходить через атмосферу. На низких частотах или длинных волнах передача ограничена ионосфера, который отражает волны с частотами меньше характерных плазменная частота. Вода пар мешает радиоастрономии на более высоких частотах, что привело к созданию радиообсерваторий, которые проводят наблюдения на миллиметр длины волн на очень высоких и сухих участках, чтобы свести к минимуму содержание водяного пара в зоне прямой видимости. Наконец, передающие устройства на Земле могут вызывать радиочастотные помехи. Из-за этого многие радиообсерватории строятся в отдаленных местах.
Радиотелескопы
Радиотелескопы могут быть очень большими, чтобы принимать сигналы с низким соотношение сигнал шум. Также с угловое разрешение является функцией диаметра "цель "пропорционально длине волны наблюдаемого электромагнитного излучения, радиотелескопы должны быть намного больше по сравнению с их оптический аналоги. Например, оптический телескоп диаметром 1 метр в два миллиона раз больше, чем длина волны наблюдаемого света, что дает ему разрешение примерно 0,3. угловые секунды, в то время как "тарелка" радиотелескопа во много раз больше, в зависимости от наблюдаемой длины волны, может быть способна разрешить только объект размером с полную луну (30 угловых минут).
Радиоинтерферометрия
Сложность достижения высоких разрешений с помощью одиночных радиотелескопов привела к появлению радиотелескопов. интерферометрия, разработанный британским радиоастрономом Мартин Райл австралийский инженер, радиофизик и радиоастроном Джозеф Лэйд Поуси и Руби Пейн-Скотт в 1946 г. Неожиданно первое использование радиоинтерферометра для астрономических наблюдений было выполнено Пейн-Скоттом, Поуси и Линдси Маккриди 26 января 1946 г. Один переделанная антенна РЛС (бортовая решетка) на 200 МГц возле Сидней, Австралия. Эта группа использовала принцип интерферометра с морской скалой, в котором антенна (ранее использовавшаяся радаром времен Второй мировой войны) наблюдала солнце на восходе с помехами, возникающими из-за прямого излучения солнца и отраженного излучения моря. При этой базовой линии почти 200 метров авторы определили, что солнечное излучение во время фазы всплеска было намного меньше солнечного диска и исходило из области, связанной с большим солнечное пятно группа. Австралийская группа изложила принципы синтез апертуры в новаторской статье, опубликованной в 1947 году. Использование морского утеса интерферометр был продемонстрирован многочисленными группами в Австралии, Иране и Великобритании во время Второй мировой войны, которые наблюдали интерференционные полосы (прямое отраженное излучение радара и отраженный сигнал от моря) от приближающихся самолетов.
Кембриджская группа Райла и Вонберга впервые наблюдала Солнце на частоте 175 МГц в середине июля 1946 года с помощью интерферометра Майкельсона, состоящего из двух радиоантенн с расстояниями от нескольких десятков метров до 240 метров. Они показали, что радиоизлучение меньше 10 угловые минуты по размеру, а также обнаружена круговая поляризация во всплесках типа I. Две другие группы также обнаружили круговую поляризацию примерно в то же время (Дэвид Мартин в Австралии и Эдвард Эпплтон с Джеймс Стэнли Эй в Соединенном Королевстве).
Современное радиоинтерферометры состоят из широко разнесенных радиотелескопов, наблюдающих за одним и тем же объектом, которые соединены вместе с помощью коаксиальный кабель, волновод, оптоволокно, или другой тип линия передачи. Это не только увеличивает общий собранный сигнал, но также может использоваться в процессе, называемом синтез апертуры для значительного увеличения разрешения. 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, размер которого соответствует размеру наиболее удаленных друг от друга антенн в решетке. Для получения высококачественного изображения требуется большое количество различных расстояний между разными телескопами (проецируемое расстояние между любыми двумя телескопами, если смотреть со стороны радиоисточника, называется «базовой линией») - требуется как можно больше различных базовых линий. чтобы получить изображение хорошего качества. Например, Очень большой массив имеет 27 телескопов, дающих сразу 351 независимую базу.
Интерферометрия с очень длинной базой
Начиная с 1970-х годов, повышение устойчивости приемников радиотелескопов позволило объединить телескопы со всего мира (и даже на околоземную орбиту) для выполнения интерферометрия с очень длинной базой. Вместо того, чтобы физически соединять антенны, данные, полученные на каждой антенне, сопоставляются с информацией о времени, обычно от местного атомные часы, а затем сохраняются для последующего анализа на магнитной ленте или жестком диске. В это более позднее время данные коррелируются с данными от других антенн, записанными аналогичным образом, для получения результирующего изображения. Используя этот метод, можно синтезировать антенну размером с Землю. Большие расстояния между телескопами позволяют достигать очень высоких угловых разрешений, гораздо более высоких, чем в любой другой области астрономии. На самых высоких частотах синтезированные пучки менее 1 миллисекунда дуги возможны.
Известные массивы VLBI, работающие сегодня, - это Очень длинный массив базовых линий (с телескопами, расположенными по всей Северной Америке) и Европейская сеть VLBI (телескопы в Европе, Китае, Южной Африке и Пуэрто-Рико). Каждый массив обычно работает отдельно, но отдельные проекты наблюдаются вместе, что увеличивает чувствительность. Это называется глобальным РСДБ. Существуют также сети VLBI, действующие в Австралии и Новой Зеландии, которые называются LBA (Long Baseline Array),[19] и массивы в Японии, Китае и Южной Корее, которые вместе наблюдают, чтобы сформировать Восточноазиатскую сеть VLBI (EAVN).[20]
С момента своего создания запись данных на жесткий носитель была единственным способом собрать вместе данные, записанные на каждом телескопе, для последующей корреляции. Однако доступность сегодня во всем мире сетей с высокой пропускной способностью позволяет выполнять VLBI в реальном времени. Этот метод (называемый e-VLBI) был впервые применен в Японии, а совсем недавно принят в Австралии и в Европе EVN (European VLBI Network), который выполняет все большее количество научных проектов e-VLBI в год.[21]
Астрономические источники
Радиоастрономия привела к значительному расширению астрономических знаний, особенно с открытием нескольких классов новых объектов, в том числе пульсары, квазары[22] и радиогалактики. Это потому, что радиоастрономия позволяет нам видеть вещи, которые не обнаруживаются в оптической астрономии. Такие объекты представляют собой одни из самых экстремальных и энергичных физических процессов во Вселенной.
В космическое микроволновое фоновое излучение также был впервые обнаружен с помощью радиотелескопов. Однако радиотелескопы также использовались для исследования объектов, расположенных намного ближе к дому, включая наблюдения солнце солнечной активности и радиолокационного картирования планеты.
Другие источники включают:
- солнце
- Юпитер
- Стрелец А, то галактический центр из Млечный Путь, с одной порцией Стрелец А * Считается, что это излучающая радиоволна огромная черная дыра
- Активные ядра галактик и пульсары имеют струи заряженных частиц, которые испускают синхротронное излучение
- Слияние скопления галактик часто показывают диффузное радиоизлучение[23]
- Остатки сверхновой может также показывать диффузное радиоизлучение; пульсары представляют собой тип остатка сверхновой, который испускается очень синхронно.
- В космический микроволновый фон является черное тело радио / микроволновое излучение
Международное регулирование
Радиоастрономическая служба (также: радиоастрономическая служба радиосвязи) является, согласно статье 1.58 Международный союз электросвязи (ITU) Регламент радиосвязи (RR),[24] определяется как "A служба радиосвязи с использованием радиоастрономии ". Предметом этой службы радиосвязи является получение радиоволны передано астрономический или небесные объекты.
Распределение частот
Распределение радиочастот предусмотрено согласно Статья 5. Регламента радиосвязи МСЭ (издание 2012 г.).[25]
Для улучшения гармонизации использования спектра большинство распределений услуг, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные Таблицы распределения и использования частот, за которые отвечает соответствующая национальная администрация. Распределение может быть первичным, вторичным, эксклюзивным и общим.
- первичное размещение: указывается прописными буквами (см. пример ниже)
- вторичное размещение: обозначается строчными буквами
- исключительное или совместное использование: находится в сфере ответственности администраций
В соответствии с соответствующим Регион МСЭ полосы частот распределяются (первичные или вторичные) для радиоастрономическая служба следующее.
Распределение по услугам | ||
1 регион | 2 регион | Регион 3 |
13 360–13 410 кГц ФИКСИРОВАННЫЙ
| ||
25 550–25 650 РАДИОАСТРОНОМИЯ | ||
37.5–38.25 МГц ФИКСИРОВАННЫЙ
| ||
322–328.6 ИСПРАВЛЕНО
| ||
406.1–410 ИСПРАВЛЕНО
| ||
1 400–1 427 СПУТНИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ (пассивный)
| ||
1 610.6–1 613.8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ
РАДИОАСТРОНОМИЯ
| 1 610.6–1 613.8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ
РАДИОАСТРОНОМИЯ
РАДИОПРЕДЕЛЕНИЕ-
| 1 610.6–1 613.8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ
РАДИОАСТРОНОМИЯ
Радиоопределение-
|
10.6–10.68 ГГц РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
10.68–10.7 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
14.47–14.5 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
15.35–15.4 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
22.21–22.5 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
23.6–24 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги | ||
31.3–31.5 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги |
Смотрите также
- Большая миллиметровая матрица Atacama
- Канал 37
- Гамма-астрономия
- Инфракрасная астрономия
- Радиолокационная астрономия
- Рентгеновская астрономия
- Волны (Юнона) (радиоприбор на орбитальном аппарате "Юнона Юпитер")
- Зоопарк Радио Галактика
Рекомендации
- ^ Ф. Гиго. "Предыстория радиоастрономии". Национальная радиоастрономическая обсерватория. Получено 2010-04-09.
- ^ а б "Мир научных открытий о Карле Янском". Получено 2010-04-09.
- ^ Янский, Карл Г. (1933). «Радиоволны извне солнечной системы». Природа. 132 (3323): 66. Bibcode:1933 Натур.132 ... 66J. Дои:10.1038 / 132066a0. S2CID 4063838.
- ^ Белусевич, Р. (2008). Относительность, астрофизика и космология: Том 1. Wiley-VCH. п. 163. ISBN 978-3-527-40764-4.
- ^ Камбич, Б. (6 октября 2009 г.). Просмотр созвездий в бинокль. Springer. С. 131–133. ISBN 978-0-387-85355-0.
- ^ Gillessen, S .; Eisenhauer, F .; Trippe, S .; и другие. (2009). «Наблюдение за орбитами звезд вокруг массивной черной дыры в центре Галактики». Астрофизический журнал. 692 (2): 1075–1109. arXiv:0810.4674. Bibcode:2009ApJ ... 692.1075G. Дои:10.1088 / 0004-637X / 692/2/1075. S2CID 1431308.
- ^ Браун, Р.Л. (1982). «Прецессирующие джеты в Стрельце А - Газовая динамика в центральном парсеке галактики». Астрофизический журнал. 262: 110–119. Bibcode:1982ApJ ... 262..110B. Дои:10.1086/160401.
- ^ "Гроте Ребер". Получено 2010-04-09.
- ^ Привет, J.S. (1975). Радио Вселенная (2-е изд.). Pergamon Press. ISBN 978-0080187617.
- ^ Саутворт, Г. (1945). «Микроволновое излучение Солнца». Журнал Института Франклина. 239 (4): 285–297. Дои:10.1016/0016-0032(45)90163-3.
- ^ Келлерман, К. И. (1999). "Наблюдения Гроте Ребера о космической статике". Астрофизический журнал. 525C: 371. Bibcode:1999ApJ ... 525C.371K.
- ^ Шотт, Э. (1947). "175 МГц-Strahlung der Sonne". Physikalische Blätter (на немецком). 3 (5): 159–160. Дои:10.1002 / phbl.19470030508.
- ^ Александр, F.E.S. (1945). Длинноволновое солнечное излучение. Отдел научных и производственных исследований, Лаборатория развития радио.
- ^ Александр, F.E.S. (1945). Отчет о расследовании "эффекта острова Норфолк". Отдел научных и производственных исследований, Лаборатория развития радио. Bibcode:1945rdlr.book ..... A.
- ^ Александр, F.E.S. (1946). «Радиоэнергия Солнца». Радио и Электроника. 1 (1): 16–17. (видеть R&E холдинги на НЛНЗ В архиве 2016-07-23 в Archive.today.)
- ^ Орчистон, В. (2005). "Доктор Элизабет Александр: первая женщина-радиоастроном". Новая астрономия: открытие электромагнитного окна и расширение нашего видения планеты Земля. Библиотека астрофизики и космических наук. 334. С. 71–92. Дои:10.1007/1-4020-3724-4_5. ISBN 978-1-4020-3723-8.
- ^ "Радиоастрономия". Кембриджский университет: Физический факультет. Архивировано из оригинал на 2013-11-10.
- ^ «Первая 7-метровая антенна ALMA прибыла в Чайнантор». Изображение недели ESO. 29 августа 2011 г.. Получено 1 сентября 2011.
- ^ «РСДБ при АТНФ». 7 декабря 2016.
- ^ «Восточноазиатская сеть VLBI и Азиатско-Тихоокеанский телескоп».
- ^ Технологический прорыв в радиоастрономии - астрономические наблюдения через высокоскоростной канал передачи данных
- ^ Шилдс, Грегори А. (1999). «Краткая история AGN». Публикации Тихоокеанского астрономического общества. 111 (760): 661–678. arXiv:Astro-ph / 9903401. Bibcode:1999PASP..111..661S. Дои:10.1086/316378. S2CID 18953602. Получено 3 октября 2014.
- ^ "Вывод". Архивировано из оригинал на 2006-01-28. Получено 2006-03-29.
- ^ Регламент радиосвязи МСЭ, Раздел IV. Радиостанции и системы - статья 1.58, определение: радиоастрономическая служба / радиоастрономическая служба радиосвязи
- ^ Регламент радиосвязи МСЭ, ГЛАВА II - Частоты, СТАТЬЯ 5 Распределение частот, Раздел IV - Таблица распределения частот
дальнейшее чтение
- Журналы
- Гарт Вестерхаут (1972). «Ранняя история радиоастрономии». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 189 (1): 211–218. Bibcode:1972НЯСА.198..211W. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1972.tb12724.x. S2CID 56034495.
- Хендрик Кристоффель ван де Хюльст (1945). "Radiostraling uit het wereldruim. II. Herkomst der radiogolven". Nederlands Tijdschrift для Natuurkunde (на голландском). 11: 210–221.
- Книги
- Бруно Бертотти (ред.), Современная космология в ретроспективе. Издательство Кембриджского университета 1990.
- Джеймс Дж. Кондон и др .: Основы радиоастрономии. Princeton University Press, Принстон, 2016 г., ISBN 9780691137797.
- Робин Майкл Грин, Сферическая астрономия. Издательство Кембриджского университета, 1985.
- Раймонд Хейнс, Рослинн Хейнс и Ричард МакГи, Исследователи южного неба: история австралийской астрономии. Издательство Кембриджского университета 1996.
- J.S. Привет, Эволюция радиоастрономии. Академик Нила Уотсона, 1973.
- Дэвид Л. Джонси, Радиоастрономия и космология. Спрингер 1977 г.
- Роджер Клифтон Дженнисон, Введение в радиоастрономию. 1967.
- Альбрехт Крюгер, Введение в солнечную радиоастрономию и радиофизику. Springer 1979 г.
- Дэвид П.Д. Маннс, Единое небо: как международное сообщество создало радиоастрономическую науку. Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 2013.
- Аллан А. Ниделл, Наука, холодная война и американское государство: Ллойд В. Беркнер и баланс профессиональных идеалов. Рутледж, 2000.
- Джозеф Лэйд Поуси и Рональд Ньюболд Брейсвелл, Радиоастрономия. Кларендон Пресс, 1955.
- Кристен Рольфс, Томас Л. Уилсон, Инструменты радиоастрономии. Springer 2003.
- Д.Т. Уилкинсон, П.Дж. Пиблз, Случайные открытия в радиоастрономии. Грин Бэнк, Западная Вирджиния: Национальная радиоастрономическая обсерватория, 1983.
- Вудрафф Т. Салливан III, Ранние годы радиоастрономии: размышления через пятьдесят лет после открытия Янского. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета, 1984.
- Вудрафф Т. Салливан III, Космический шум: история ранней радиоастрономии. Издательство Кембриджского университета, 2009.
- Вудрафф Т. Салливан III, Классика в радиоастрономии. Издательство Reidel Publishing Company, Дордрехт, 1982.
внешняя ссылка
- nrao.edu Национальная радиоастрономическая обсерватория
- История радиоастрономии * Радиотелескоп Ребера - Службы национальных парков
- Разработан радиотелескоп - краткая история из НАСА Центр космических полетов Годдарда
- Общество радиоастрономов-любителей
- Визуализация данных радиотелескопа с помощью Google Earth
- UnwantedEmissions.com Общий справочник по распределению радиочастотного спектра, включая радиоастрономию.
- Улучшение радиоастрономических изображений путем обработки массивов
- Что такое радиоастрономия - Радиоастролаб