Что такое радиоастрономия, и каково ее значение?
Радиоастрономия — это отрасль астрономии, которая занимается изучением радиочастот, связанных с небесными телами. Она помогает выявить неизвестные свойства этих тел.
Чтобы наблюдать Вселенную во всей ее полноте и славе, нам необходимо знать не только то, что мы видим, но и то, из чего состоят небесные объекты. Каждый объект во Вселенной испускает излучение, которое очень красноречиво говорит о его составляющих. Оно дает свидетельства предполагаемых событий в прошлом, а также указывает на события, которые могут произойти в будущем.
Что такое радиоастрономия?
Радиоастрономия — это раздел астрономии, изучающий радиочастоты космических объектов. Радиоволны, излучаемые этими объектами, проливают свет на присущий им космический состав. Первым, кто обнаружил эти волны, был Карл Янски, когда он наблюдал излучение, исходящее от Млечного Пути.
Будь то звезды, целые галактики, квазары, пульсары или даже мазеры — все испускает радиоволны. Для проведения радиоастрономических исследований используются радиотелескопы с массивными антеннами.
Радиоволны — это еще один тип волн в электромагнитном спектре. Каждая волна дает большое количество циклов (кульминация одного пика и одной впадины дает один цикл). Волна движется вперед, преодолевая небольшие расстояния за один цикл. Частота этого типа волн лежит в диапазоне от 104 до 1011 или 1012 Гц и используется для связи на большие расстояния.
Методы проведения радиоастрономии
С точки зрения того, какое устройство необходимо использовать для анализа объекта в космосе, имеет значение мощность сигнала, которая является следствием расстояния от Земли. Для достижения необходимого разрешения используется либо простой радиотелескоп, установленный в направлении небесного объекта, либо более сложный коктейль из нескольких перекрывающихся телескопов.
Из-за наличия различных газов и паров, присутствующих в атмосфере Земли, уровень детализации, который может быть достигнут, снижается. Помехи ограничивают сигналы определенными областями атмосферы. Строительство наблюдательных лабораторий в отдаленных местах — один из способов уменьшить эти помехи.
- Радиотелескопы — Радиотелескопы являются простейшими устройствами, способными обнаруживать радиоволны, но их недостатком является их размер. Чтобы обнаружить очень слабые сигналы, радиотелескопы должны быть массивными с очень большими апертурами, а это не совсем практично и не везде можно построить. Точность, связанная с радиотелескопами, не совсем уместна.
- Радиоинтерферометрия — радиоинтерферометрия использует принцип использования нескольких радиотелескопов для наблюдения за одним и тем же объектом и, таким образом, устраняет недостаток точности, связанный с использованием только одного радиотелескопа. Различные телескопы соединяются коаксиально таким образом, чтобы их базовая точка наблюдения оставалась неизменной. Этот метод решает две основные задачи: обнаружение и сбор более сильного сигнала и беспрецедентное увеличение разрешения. Идея состоит в том, чтобы создать один гигантский телескоп, фактически не строя его. Каждый телескоп, который проецируется в космос, называется базовой линией, поэтому чем больше количество базовых линий, тем точнее будет изображение объекта.
Значение радиоастрономии
В отличие от оптической астрономии, которая исследует горячую Вселенную, радиоастрономия в основном используется для наблюдения за холодной Вселенной. Радиоастрономия работает в миллиметровом диапазоне волн, что позволяет увеличить разрешение по сравнению с оптическим телескопом.
Основные области применения радиоастрономии следующие:
- Помощь в обнаружении и анализе скрытых небесных объектов, которые не видны из-за облаков пыли и газа
- Помощь в понимании ключевых элементов, составляющих звезды и целые галактики
- Помогает тщательно изучить даже газовые и пылевые облака
- Помогает проникнуть в самые отдаленные точки Вселенной, что невозможно с помощью оптического телескопа
- Дает представление о том, как возникла Вселенная, как она развивалась на протяжении веков и тысячелетий и куда мы движемся
- Рассказывает нам больше о черных дырах, присутствующих в центре галактик.
Когда радиоастрономы ищут радиоволны, они видят даже темные участки неба. Что не бросается нам в глаза, для радиотелескопа означает нечто значительное. Одно из самых полезных применений — изучение рождения звезд среди облаков пыли и газов.
Если направить радиоволну на небесный объект и наблюдать за результирующей волной, то даже мельчайшие детали могут быть отображены и проанализированы. Наложение нескольких точек данных позволяет астрономам создать виртуальное изображение обсуждаемого объекта.
То, что начиналось как простое шипение при каждом восходе центра нашей галактики, теперь превратилось в нечто чрезвычайно важное. Сейчас радиоастрономия помогает нам установить факты о далеких звездах и планетах, что имеет решающее значение для понимания основных характеристик Вселенной. Видимого света недостаточно, чтобы составить полную историю объекта!
Какие сведения о небесных телах можно получить , используя радиотелескопы?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Как астрономы слушают космос?
В 1933 году инженер по имени Карл Янский случайно обнаружил, что радиоволны исходят не только от изобретений, сделанных человеком, но и от природных материалов в космосе. С тех пор в поисках космических радиоволн астрономы строили все лучшие и лучшие телескопы, в попытках больше узнать о том, откуда они исходят и что могут рассказать о нашей Вселенной. Хотя ученые могут многое узнать из видимого света, который они обнаруживают с помощью обычных телескопов, такие объекты и события как черные дыры, формирующиеся звезды и планеты, умирающие звезды и многие другие можно обнаружить только с помощью радиотелескопов. Вместе телескопы, способные улавливать различные виды волн – от радиоволн до видимых световых волн и гамма-лучей – рисуют более подробную картину Вселенной. Но так ли просто слушать звезды, как может показаться на первый взгляд?
Так выглядит радиотелескоп MeerKat в Южной Африке. С его помощью астрономы слушают космос.
Видимый свет
Когда мы смотрим на ночное небо, мы видите яркие огни звезд. Если вы живете в темной местности вдали от городов, то можете наблюдать тысячи подобных объектов. При этом отдельные точки, которые вы видите – это близлежащие звезды. Еще более 200 миллиардов этих небесных тел существуют в одной только нашей галактике. За пределами Млечного Пути, по разным оценкам, находится по крайней мере 100 миллиардов галактик, каждая со своими 100 миллиардами звезд. Почти все эти звезды невидимы для наших глаз.
Видимый свет, который воспринимает глаз человека – это лишь крошечная часть того, что астрономы называют «электромагнитным спектром». Фотоны с большей энергией – это ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-лучи (гамма-лучи обладают наибольшей энергией). Фотоны с меньшей энергией – это инфракрасные и радиоволны (радиоволны имеют наименьшую энергию).
Человеческий глаз под микроскопом.
Электромагнитный спектр включает гамма-лучи, рентгеновские лучи, ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Поскольку человеческие глаза воспринимают только видимый свет, нам необходимы специальные телескопы, чтобы уловить остальную часть этого «спектра», а затем превратить их в изображения и графики.
Еще больше увлекательных статей о том, как астроном изучают Вселенную и последних научных открытиях читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте.
Что такое радиоволна?
Свет состоит из крошечных частиц, называемых “фотонами», которые могут одновременно вести себя и как частица, и как волна. В видимом свете фотоны обладают средним количеством энергии, но когда энергии становится больше, они превращаются в ультрафиолетовое излучение, увидеть которое мы не можем, а вот получить солнечный ожог – запросто. С большей энергией фотоны превращаются в рентгеновские лучи, которые проходят прямо через нас. Но если энергии становится еще больше, они превращаются в гамма-лучи, которые исходят от взрывающихся звезд.
Радиоастрономия подарила миру наиболее подробную карту Вселенной.
В тех случаях, когда у фотонов энергии немного, ученые говорят об инфракрасном излучении, которое мы ощущаем как тепло, а фотоны с наименьшей энергией исследователи называют «радиоволнами». Интересно, что радиоволны исходят из очень странных мест в космосе – самых холодных и далеких галактик и звезд. Они рассказывают нам о тех уголках Вселенной, о существовании которых мы даже не догадывались бы, если бы пользовались глазами или телескопами, которые воспринимают только видимый световой спектр.
Пионеры радиоастрономии
Интересно и то, что первый в мире радиоастроном на самом деле был инженером. В 1933 году Карл Янский работал над проектом для Bell Laboratories – лаборатории в Нью-Джерси, названной в честь Александра Грэма Белла, который изобрел телефон. Там разрабатывалась первая телефонная система, которая работала через Атлантический океан. Но когда люди впервые попытались позвонить по этой системе, то слышали шипящий звук на заднем фоне в определенное время дня.
В «Белл Лабс» решили, что шум вреден для бизнеса и отправили Карла Янского выяснить, чем он вызван. Инженер вскоре понял, что радиоволны, исходящие из центра галактики, нарушают телефонную связь и вызывают помехи. Вот так сам того не зная Янский открыл новую, невидимую Вселенную и стал первым в мире радиоастрономом.
Основатель радиоастрономии Карл Янский рядом с построенной им антенной, которая обнаружила первые радиоволны исходящие из космоса.
Как работают радиотелескопы?
Когда астрономы направляют радиотелескопы на какой-либо объект в космосе, радиоволны попадают на их поверхность. Поверхность телескопа работает для радиоволн как зеркало и может быть металлической с отверстиями в ней (сетка), или из сплошного металла, например алюминия.
Первое зеркало направляет радиоволны ко второму «радиозеркалу», которое затем направляет их в место, под названием «приемник». Эта часть радиотелескопа принимает радиоволны и превращает их в изображение. По сути, приемник делает то же самое, что и камера: превращает радиоволны в картинку.
С помощью радиоастрономии недавно ученые нанесли на карту Вселенной сотни тысяч новых галактик.
Когда астрономы ищут радиоволны, то наблюдают за другими объектами и событиями, чем когда ищут видимый свет. Все потому, что места, которые кажутся темными нашим глазам или обычным телескопам, в радиоволнах буквально светятся.
Те уголки нашей Вселенной, в которых формируются звезды, например, полны пыли. Эта пыль не дает свету добраться до нас, так что все вокруг выглядит как пустое черное пространство. Но стоит направить в такие участки радиотелескоп, как астрономам открывается восхитительное зрелище – сквозь пыль можно разглядеть рождающуюся звезду.
Устройство и принцип действия
Конструкции радиоастрономии ( от 0,1 мм до 1000 м ). Антенны радиотелескопов, принимающих мм, см, дм и метровые волны, чаще всего представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических рефлекторов. В фокусе параболоида устанавливается облучатель — устройство, собирающее радиоизлучение, которое направляется на него зеркалом. Облучатель передаёт принятую энергию на вход радиометра, и, после усиления и детектирования, сигнал регистрируется на ленте самопишущего электроизмерительного прибора [3] . На современных радиотелескопах аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и записывается на жёсткий диск в виде одного или нескольких файлов.
Для направления антенн в исследуемую область неба их устанавливают обычно на Азимутальных монтированиях, обеспечивающих повороты по ΔР , которая регистрируется, определяется соотношением:
ΔP = P /(S √Δft)
где Р — мощность собственных шумов радиотелескопа, S — эффективная площадь (собирающая поверхность) антенны, Δf — полоса частот, которые принимаются, t — время накопления сигнала.
Для повышения чувствительности радиотелескопа увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приемные устройства на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д. Разрешение q радиотелескопа (радианы):
где I — длина волны, D — линейный размер 100 м на сантиметровый волнах) имеют разрешение около 1 Первые радиотелескопы
Предпосылки
Ещё в конце 19 века учёные предполагали, что частотой, также должны излучаться небесными телами, в частности Солнцем. В 1890 г. США и в 1894 г. Англии независимо друг от друга предложили поставить опыты по обнаружению Солнца. Но, тогда эти опыты не могли удаться, ввиду отсутствия [4] .
Начало — Карл Янский
Точная копия радиотелескопа Карла Янского в натуральную величину. Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), Грин Бэнк, Западная Вирджиния, США
История радиотелескопов берёт своё начало с экспериментов Карла Янского, проведённых в 1931 г. В то время Янский работал радиоинжинером на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Ему было поручено исследование направления прихода грозовых помех. Для этого Карл Янский построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30.5 м в длину и 3.7 м в высоту. Работа велась на волне 14.6 м ( 20.5 МГц ). Антенна была соединена с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени [5] .
Запись излучений, полученная Янским 24 февраля 1932 года. Максимумы (стрелки) повторяются через 20 мин. — период полного оборота антенны.
В декабре 1932 г. Янский уже сообщал о первых результатах, полученных на своей установке [6] . В статье сообщалось об обнаружении «… постоянного шипения неизвестного происхождения» , которое «… трудно отличить от шипения, вызываемого шумами самой аппаратуры. Направление прихода шипящих помех меняется постепенно в течение дня, делая полный оборот за 24 часа» . В двух своих следующих работах, в октябре 1933 года и октябре 1935 года, Карл Янский постепенно приходит к заключению, что источником его новых помех является центральная область нашей галактики [7] . Причём наибольший отклик получается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути [8] .
Янский сознавал, что прогресс в радиоастрономии потребует антенн больших размеров с более острыми диаграммами, которые должны быть легко ориентируемы в различных направлениях. он сам предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом 30.5 м в диаметре для работы на метровых волнах. Однако его предложение не получило поддержки в США, и радиоастрономия зачахла [5] .
Второе рождение — Гроут Ребер
Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера
В 1937 году Гроут Ребер , радиоинженер из Уэтона (США, диаметром 9,5 м . Эта меридианную монтировку, т.е. была управляема лишь по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли . 12° по уровню половинной мощности, в то время как у 30° по уровню половинной мощности в наиболее узком [5] .
Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты [9] [10] .
Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г. [11]
Классификация радиотелескопов
Широкий радиоастрономии, быстрые темпы развития радиофизики и радиотелескопостроения, большое число независимых коллективов радиоастрономов привели к большому разнообразию типов радиотелескопов. Наиболее естественно классифицировать радиотелескопы по характеру заполнения их апертуры и по методам фазирования СВЧ поля ( [14] :