Радиоастрономия. Радиотелескопы. Основные характеристики

Современные радиотелескопы позволяют исследовать Вселенную в таких подробностях, которые еще недавно находились за пределами возможного не только в радиодиапазоне, но и в традиционной астрономии видимого света. Объединенные в единую сеть инструменты, расположенные на разных континентах, позволяют заглянуть в самую сердцевину радиогалактик, квазаров, молодых звездных скоплений, формирующихся планетных систем. Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами в тысячи раз превзошли по «зоркости» самые крупные оптические телескопы. С их помощью можно не только отслеживать перемещение космических аппаратов в окрестностях далеких планет, но и исследовать движения коры нашей собственной планеты, в том числе непосредственно «почувствовать» дрейф материков. На очереди космические радиоинтерферометры, которые позволят еще глубже проникнуть в тайны Вселенной.

Земная атмосфера прозрачна не для всех видов электромагнитного излучения, приходящего из космоса. В ней есть только два широких «окна прозрачности». Центр одного из них приходится на оптическую область, в которой лежит максимум излучения Солнца . Именно к нему в результате эволюции адаптировался по чувствительности человеческий глаз, который воспринимает световые волны с длиной от 350 до 700 нанометров. (На самом деле это окно прозрачности даже немного шире — примерно от 300 до 1 000 нм, то есть захватывает ближний ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны). Однако радужная полоска видимого света — лишь малая доля богатства «красок» Вселенной. Во второй половине XX века астрономия стала поистине всеволновой. Достижения техники позволили астрономам вести наблюдения в новых диапазонах спектра. С коротковолновой стороны от видимого света лежат ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны. По другую сторону располагаются инфракрасный, субмиллиметровый и радиодиапазон. Для каждого из этих диапазонов есть астрономические объекты, которые именно в нем проявляют себя наиболее рельефно, хотя в оптическом излучении они, может быть, и не представляют собой ничего выдающегося, так что астрономы до недавнего времени их просто не замечали.

Один из наиболее интересных и информативных диапазонов спектра для астрономии — радиоволны. Излучение, которое регистрирует наземная радиоастрономия, проходит через второе и гораздо более широкое окно прозрачности земной атмосферы — в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м. Ионосфера Земли — слой ионизованного газа на высоте около 70 км — отражает в космос все излучение на волнах длиннее 30 м. На волнах короче 1 мм космическое излучение полностью «съедают» молекулы атмосферы (главным образом кислород и водяной пар).

Главная характеристика радиотелескопа — его диаграмма направленности. Она показывает чувствительность инструмента к сигналам, приходящим с разных направлений в пространстве. Для «классической» параболической антенны диаграмма направленности состоит из главного лепестка, имеющего вид конуса, ориентированного по оси параболоида, и нескольких гораздо (на порядки) более слабых боковых лепестков. «Зоркость» радиотелескопа, то есть его угловое разрешение, определяется шириной главного лепестка диаграммы направленности. Два источника на небе, которые вместе попадают в раствор этого лепестка, сливаются для радиотелескопа в один. Поэтому ширина диаграммы направленности определяет размер самых мелких деталей небесного радиоисточника, которые еще можно различить по отдельности.

Универсальное для телескопостроения правило гласит, что разрешающая способность антенны определяется отношением длины волны к диаметру зеркала телескопа. Поэтому для увеличения «зоркости» телескоп должен быть побольше, а длина волны — поменьше. Но как назло радиотелескопы работают с самыми длинными волнами электромагнитного спектра. Из-за этого даже огромные размеры зеркал не позволяют добиться высокой разрешающей способности. Не самый крупный современный оптический телескоп с диаметром зеркала 5 м может различить звезды на расстоянии всего 0,02 угловой секунды. Невооруженным глазом видны детали около одной минуты дуги. А радиотелескоп диаметром 20 м на волне 2 см дает разрешение еще в три раза хуже — около 3 угловых минут. Снимок участка неба, сделанный любительским фотоаппаратом, содержит больше деталей, чем карта радиоизлучения той же области, полученная одиночным радиотелескопом.

Широкая диаграмма направленности ограничивает не только остроту зрения телескопа, но и точность определения координат наблюдаемых объектов. Между тем точные координаты нужны для сопоставления наблюдений объекта в разных диапазонах электромагнитного излучения — это непременное требование современных астрофизических исследований. Поэтому радиоастрономы всегда стремились к созданию как можно более крупных антенн. И, как ни удивительно, радиоастрономия в итоге намного обогнала по разрешению оптическую.

Рекордсмены в одиночном разряде

Полноповоротные параболические антенны — аналоги оптических телескопов-рефлекторов — оказались самыми гибкими в работе из всего многообразия радиоастрономических антенн. Их можно направлять в любую точку неба, следить за радиоисточником — «копить сигнал», как говорят радиоастрономы, — и тем самым повышать чувствительность телескопа, его способность выделять на фоне всевозможных шумов гораздо более слабые сигналы космических источников. Первый крупный полноповоротный параболоид диаметром 76 м был построен в 1957 году в британской обсерватории Джодрелл-Бэнк. А сегодня тарелка крупнейшей в мире подвижной антенны в обсерватории Грин-Бэнк (США) имеет размеры 100 на 110 м. И это практически предел для одиночных подвижных радиотелескопов. Увеличение диаметра имеет три важных следствия: два хороших и одно плохое. Во-первых, самое важное для нас — пропорционально диаметру возрастает угловое разрешение. Во-вторых, растет чувствительность, причем гораздо быстрее, пропорционально площади зеркала, то есть квадрату диаметра. И, в-третьих, еще быстрее увеличивается стоимость, которая в случае зеркального телескопа (как оптического, так и радио) примерно пропорциональна кубу диаметра его главного зеркала.

Главные трудности связаны с деформациями зеркала под действием силы тяжести. Чтобы зеркало телескопа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать одной десятой от длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной несколько метров или дециметров. Но на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Из-за деформаций конструкции под собственным весом и ветровых нагрузок практически невозможно создать полноповоротный параболический телескоп диаметром более 150 м. Крупнейшая неподвижная тарелка диаметром 305 м построена в обсерватории Аресибо, Пуэрто-Рико. Но в целом эпоха гигантомании в строительстве радиотелескопов подошла к концу. В Мексике на горе Сьерра-Негра, на высоте 4 600 метров, завершается строительство 50-метровой антенны для работы в диапазоне миллиметровых волн. Возможно, это последняя большая одиночная антенна, создающаяся в мире.

Для того чтобы разглядеть детали строения радиоисточников, нужны другие подходы, в которых нам и предстоит разобраться.

Принцип действия

Радиоволны, испускаемые наблюдаемым объектом, распространяются в пространстве, порождая периодические изменения электрического и магнитного поля. Параболическая антенна собирает упавшие на нее радиоволны в одной точке — фокусе. Когда через одну точку проходит несколько электромагнитных волн, они интерферируют, то есть их поля складываются. Если волны приходят в фазе — они усиливают друг друга, в противофазе — ослабляют, вплоть до полного нуля. Особенность параболического зеркала как раз в том, что все волны от одного источника приходят в фокус в одной фазе и усиливают друг друга максимально возможным образом! На этой идее основано функционирование всех зеркальных телескопов.

В фокусе возникает яркое пятно, и здесь же обычно помещают приемник, который замеряет суммарную интенсивность излучения уловленного в пределах диаграммы направленности телескопа. В отличие от оптической астрономии, радиотелескоп не может сделать фотографию участка неба. В каждый момент он фиксирует излучение, приходящее только с одного направления. Грубо говоря, радиотелескоп работает как однопиксельный фотоаппарат. Для построения изображения приходится сканировать радиоисточник точка за точкой. (Впрочем, строящийся в Мексике миллиметровый радиотелескоп имеет в фокусе матрицу радиометров и «однопиксельным» уже не является.)

Командная игра

Однако можно поступить и по-другому. Вместо того чтобы сводить все лучи в одну точку, мы можем измерить и записать колебания электрического поля, порождаемые каждым из них на поверхности зеркала (или в другой точке, через которую проходит тот же луч), а затем «сложить» эти записи в компьютерном устройстве обработки, учтя фазовый сдвиг, соответствующий расстоянию, которое каждой из волн оставалось пройти до воображаемого фокуса антенны. Прибор, действующий по этому принципу, называется интерферометром, в нашем случае — радиоинтерферометром.

Интерферометры избавляют от необходимости строить огромные цельные антенны. Вместо этого можно расположить рядом друг с другом десятки, сотни и даже тысячи антенн и объединять принятые ими сигналы. Такие телескопы называются синфазными решетками. Однако проблему «зоркости» они все же не решают — для этого нужно сделать еще один шаг.

Как вы помните, с ростом размера радиотелескопа его чувствительность растет гораздо быстрее, чем разрешающая способность. Поэтому мы быстро оказываемся в ситуации, когда мощности регистрируемого сигнала более чем достаточно, а углового разрешения катастрофически не хватает. И тогда возникает вопрос: «Зачем нам сплошная решетка антенн? Нельзя ли ее проредить?» Оказалось, что можно! Эта идея получила название «синтеза апертуры», поскольку из нескольких отдельных независимых антенн, размещенных на большой площади, «синтезируется» зеркало гораздо большего диаметра. Разрешение такого «синтетического» инструмента определяется не диаметром отдельных антенн, а расстоянием между ними — базой радиоинтерферометра. Конечно, антенн должно быть по крайней мере три, причем их не следует располагать вдоль одной прямой. В противном случае разрешение радиоинтерферометра получится крайне неоднородным. Высоким оно окажется только в направлении, вдоль которого разнесены антенны. В поперечном же направлении разрешение по-прежнему будет определяться размером отдельных антенн.

По этому пути радиоастрономия стала развиваться еще в 1970-х годах. За это время был создан ряд крупных многоантенных интерферометров. У некоторых из них антенны неподвижны, у других могут перемещаться по поверхности земли, чтобы проводить наблюдения в разных «конфигурациях». Такие интерферометры строят «синтезированные» карты радиоисточников с гораздо более высоким разрешением, чем одиночные радиотелескопы: на сантиметровых волнах оно достигает 1 угловой секунды, а это уже сравнимо с разрешением оптических телескопов при наблюдении сквозь атмосферу Земли.

Самая известная система такого типа — «Очень большая решетка» (Very Large Array, VLA) — построена в 1980 году в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Ее 27 параболических антенн каждая диаметром 25 м и весом 209 тонн перемещаются по трем радиальным рельсовым путям и могут удаляться от центра интерферометра на расстояние до 21 км.

Сегодня действуют и другие системы: Вестерборк в Голландии (14 антенн диаметром 25 м), ATCA в Австралии (6 антенн по 22 м), MERLIN в Великобритании. В последнюю систему наряду с 6 другими инструментами, разбросанными по всей стране, входит и знаменитый 76-метровый телескоп. В России (в Бурятии) создан Сибирский солнечный радиоинтерферометр — специальная система антенн для оперативного изучения Солнца в радиодиапазоне.

Размером с земной шар

В 1965 году советские ученые Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашев, Г.Б. Шоломицкий предложили независимо регистрировать данные на каждой антенне интерферометра, а потом совместно их обрабатывать, как бы имитируя явление интерференции на компьютере. Это позволяет разносить антенны на сколь угодно большие расстояния. Поэтому метод получил название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) и успешно используется с начала 1970-х годов. Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет 12,2 тыс. км, а разрешение на волне порядка 3 мм достигает 0,00008’’ — на три порядка выше, чем у крупных оптических телескопов. Существенно улучшить этот результат на Земле вряд ли удастся, поскольку размер базы ограничивается диаметром нашей планеты.

В настоящее время систематические наблюдения ведутся несколькими сетями межконтинентальных радиоинтерферометров. В США создана система, включающая в себя 10 радиотелескопов в среднем диаметром 25 м, расположенных в континентальной части страны, на Гавайских и Виргинских островах. В Европе для РСДБ-экспериментов регулярно объединяют 100-метровый Боннский телескоп и 32-метровый в Медичине (Италия), интерферометры MERLIN, Вестерборк и другие инструменты. Эта система называется EVN. Имеется также глобальная Международная сеть радиотелескопов для астрометрии и геодезии IVS. А недавно в России начала действовать собственная интерферометрическая сеть «Квазар» из трех 32-метровых антенн, расположенных в Ленинградской области, на Северном Кавказе и в Бурятии. Важно отметить, что телескопы не закреплены жестко за РСДБ-сетями. Они могут использоваться автономно или переключаться между сетями.

Интерферометрия со сверхдлинными базами требует очень высокой точности измерений: необходимо зафиксировать пространственное распределение максимумов и минимумов электромагнитных полей с точностью до доли длины волны, то есть для коротких волн до долей сантиметра. И с высочайшей точностью отметить моменты времени, в которые проводились измерения на каждой антенне. В качестве сверхточных часов в экспериментах РСДБ используются атомные стандарты частоты.

Но не стоит думать, что у радиоинтерферометров нет недостатков. В отличие от сплошной параболической антенны диаграмма направленности интерферометра вместо одного главного лепестка имеет сотни и тысячи узких лепестков сравнимой величины. Строить карту источника с такой диаграммой направленности — это все равно, что ощупывать клавиатуру компьютера растопыренными пальцами. Восстановление изображения — сложная и, более того, «некорректная» (то есть неустойчивая к малым изменениям результатов измерений) задача, которую, однако, радиоастрономы научились решать.

Достижения радиоинтерферометрии

Радиоинтерферометры с угловым разрешением в тысячные доли секунды дуги «заглянули» в самые внутренние области наиболее мощных «радиомаяков» Вселенной — радиогалактик и квазаров, которые излучают в радиодиапазоне в десятки миллионов раз интенсивнее, чем обычные галактики. Удалось «увидеть», как из ядер галактик и квазаров выбрасываются облака плазмы, измерить скорости их движения, которые оказались близкими к скорости света.

Много интересного было открыто и в нашей Галактике. В окрестностях молодых звезд найдены источники мазерного радиоизлучения (мазер — аналог оптического лазера, но в радиодиапазоне) в спектральных линиях молекул воды, гидроксила (OH) и метанола (CH 3 OH). По космическим масштабам источники очень малы — меньше Солнечной системы. Отдельные яркие пятнышки на радиокартах, полученных интерферометрами, могут быть зародышами планет.

Такие мазеры найдены и в других галактиках. Изменение положений мазерных пятен за несколько лет, наблюдавшееся в соседней галактике M33 в созвездии Треугольника, впервые позволило непосредственно оценить скорость ее вращения и перемещение по небу. Измеренные смещения ничтожны, их скорость во многие тысячи раз меньше видимой для земного наблюдателя скорости улитки, ползущей по поверхности Марса . Такой эксперимент пока находится далеко за пределами возможностей оптической астрономии: заметить собственные движения отдельных объектов на межгалактических расстояниях ей просто не под силу.

Наконец, интерферометрические наблюдения дали новое подтверждение существования сверхмассивных черных дыр. Вокруг ядра активной галактики NGC 4258 были обнаружены сгустки вещества, которые движутся по орбитам радиусом не более трех световых лет, при этом их скорости достигают тысячи километров в секунду. Это означает, что масса центрального тела галактики — не менее миллиарда масс Солнца, и оно не может быть не чем иным, как черной дырой .

Целый ряд интересных результатов получен методом РСДБ при наблюдениях в Солнечной системе . Начать хотя бы с самой точной на сегодня количественной проверки общей теории относительности. Интерферометр измерил отклонение радиоволн в поле тяготения Солнца с точностью до сотой доли процента. Это на два порядка точнее, чем позволяют оптические наблюдения.

Глобальные радиоинтерферометры также применяются для слежения за движением космических аппаратов, изучающих другие планеты. Первый раз такой эксперимент был проведен в 1985-м, когда советские аппараты «Вега-1» и «-2» сбросили в атмосферу Венеры аэростаты. Наблюдения подтвердили быструю циркуляцию атмосферы планеты со скоростью около 70 м/с, то есть один оборот вокруг планеты за 6 суток. Это удивительный факт, который еще ожидает своего объяснения.

В прошлом году аналогичные наблюдения с участием сети из 18 радиотелескопов на разных континентах сопровождали посадку аппарата «Гюйгенс» на спутник Сатурна Титан. С расстояния в 1,2 млрд. км велось слежение за тем, как движется аппарат в атмосфере Титана с точностью до десятка километров! Не слишком широко известно о том, что во время посадки «Гюйгенса» была потеряна практически половина научной информации. Зонд ретранслировал данные через станцию «Кассини» , которая доставила его к Сатурну. Для надежности предусматривалось два дублирующихся канала передачи данных. Однако незадолго до посадки было принято решение передавать по ним разную информацию. Но в самый ответственный момент из-за пока еще не выясненного сбоя один из приемников на «Кассини» не включился, и половина снимков пропала. А вместе с ними пропали и данные о скорости ветра в атмосфере Титана, которые передавались как раз по отключившемуся каналу. К счастью, в NASA успели подстраховаться — спуск «Гюйгенса» наблюдал с Земли глобальный радиоинтерферометр. Это, по-видимому, позволит спасти пропавшие данные о динамике атмосферы Титана. Результаты этого эксперимента еще обрабатываются в Европейском объединенном радиоинтерферометрическом институте, и, кстати, занимаются этим наши соотечественники Леонид Гурвиц и Сергей Погребенко.

РСДБ для земли
У метода радиоинтерферометрии есть и чисто практические применения — не зря, например, в Санкт-Петербурге этой темой занимается Институт прикладной астрономии РАН. Наблюдения по технологии РСДБ позволяют не только определять координаты радиоисточников с точностью до десятитысячной доли секунды дуги, но и измерять положения самих радиотелескопов на Земле с точностью лучше одного миллиметра. Это, в свою очередь, дает возможность с высочайшей точностью отслеживать вариации вращения Земли и подвижки земной коры.

Например, именно с использованием РСДБ было экспериментально подтверждено движение континентов. На сегодня регистрация таких движений уже стала рутинным делом. Интерферометрические наблюдения далеких радиогалактик прочно вошли в арсенал геофизики наряду с сейсмическим зондированием Земли. Благодаря им надежно регистрируются периодические смещения станций друг относительно друга, вызванные деформациями земной коры. Причем отмечаются не только давно уже измеренные твердотельные приливы (впервые зарегистрированные методом РСДБ), но и прогибы, возникающие под воздействием изменений атмосферного давления, веса воды в океане и веса грунтовых вод.

Для определения параметров вращения Земли в мире ежедневно ведутся наблюдения небесных радиоисточников, координируемые Международной службой РСДБ для астрометрии и геодезии IVS. Полученные данные используются, в частности, для выявления дрейфа плоскостей орбит спутников глобальной системы позиционирования GPS. Без внесения соответствующих поправок, получаемых из РСДБ-наблюдений, погрешность определения долготы в системе GPS была бы на порядки больше, чем сейчас. В некотором смысле РСДБ играет для GPS-навигации ту же роль, что точные морские хронометры для навигации по звездам в XVIII веке. Точное знание параметров вращения Земли также необходимо для успешной навигации межпланетных космических станций.

Леонид Петров, Центр космических полетов им. Годдарда, NASA

Инструменты будущего

По крайней мере в ближайшие полвека генеральной линией развития радиоастрономии будет создание все более крупных систем апертурного синтеза — все проектируемые крупные инструменты являются интерферометрами. Так, на плато Чахнантор в Чили совместными усилиями ряда стран Европы и Америки началось строительство системы антенн миллиметрового диапазона ALMA (Atacama Large Millimeter Array — Большая миллиметровая система Атакама). Всего здесь будет 64 антенны диаметром 12 метров с рабочим диапазоном длин волн от 0,35 до 10 мм. Наибольшее расстояние между антеннами ALMA составит 14 км. Благодаря очень сухому климату и большой высоте над уровнем моря (5100 м) система сможет вести наблюдения на волнах короче миллиметра. В других местах и на меньшей высоте это невозможно из-за поглощения такого излучения парами воды в воздухе. Строительство ALMA будет закончено к 2011 году.

Европейская система апертурного синтеза LOFAR будет работать на гораздо более длинных волнах — от 1,2 до 10 м. Она войдет в строй в течение трех ближайших лет. Это очень интересный проект: чтобы снизить стоимость, в нем используются простейшие неподвижные антенны — пирамиды из металлических стержней высотой около 1,5 м с усилителем сигнала. Зато таких антенн в системе будет 25 тысяч. Их объединят в группы, которые разместят по всей территории Голландии вдоль лучей «изогнутой пятиконечной звезды» диаметром около 350 км. Каждая антенна будет принимать сигналы со всего видимого неба, но их совместная компьютерная обработка позволит выделять те, что пришли с интересующих ученых направлений. При этом чисто вычислительным путем формируется диаграмма направленности интерферометра, ширина которой на самой короткой волне составит 1 секунду дуги. Работа системы потребует огромного объема вычислений, но для сегодняшних компьютеров это вполне посильная задача. Для ее решения в прошлом году в Голландии был установлен самый мощный в Европе суперкомпьютер IBM Blue Gene/L с 12 288 процессорами. Более того, при соответствующей обработки сигналов (требующей еще больших компьютерных мощностей) LOFAR сможет одновременно наблюдать на несколькими и даже на многими объектами!

Но самый амбициозный проект близкого будущего — SKA (Square Kilometer Array — Система «Квадратный километр») . Суммарная площадь его антенн составит около 1 км2, а стоимость инструмента оценивается в миллиард долларов. Проект SKA находится пока на раннем этапе разработки. Основной обсуждаемый вариант конструкции — тысячи антенн диаметром несколько метров, работающих в диапазоне от 3 мм до 5 м. Причем половину из них панируется установить на участке диаметром 5 км, а остальные разнести на значительные расстояния. Китайские ученые предлагали альтернативную схему — 8 неподвижных зеркал диаметром 500 м каждое, подобных телескопу в Аресибо. Для их размещения были даже предложены подходящие высохшие озера. Однако в сентябре Китай выбыл из числа стран — претендентов на размещение гигантского телескопа. Теперь основная борьба развернется между Австралией и Южной Африкой.

И целого мира мало

Возможности увеличения базы наземных интерферометров практически исчерпаны. Будущее — это запуск антенн интерферометра в космос, где нет ограничений, связанных с размерами нашей планеты. Такой эксперимент уже проводился. В феврале 1997 года был запущен японский спутник HALCA, который проработал до ноября 2003 года и завершил первый этап в развитии международного проекта VSOP (VLBI Space Observatory Programme — Программа космической обсерватории РСДБ). Спутник нес антенну в виде зонтика диаметром 8 м и работал на эллиптической околоземной орбите, которая обеспечивала базу, равную трем диаметрам Земли. Были получены изображения многих внегалактических радиоисточников с разрешением в тысячные доли секунды дуги. Следующий этап эксперимента по космической интерферометрии, VSOP-2, планируется начать в 2011—2012 годах. Еще один инструмент такого типа создается в рамках проекта «Радиоастрон» Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН совместно с учеными других стран. Спутник «Радиоастрон» будет иметь параболическое зеркало диаметром 10 м. Во время запуска оно будет в сложенном состоянии, а после выхода на орбиту развернется. «Радиоастрон» будет снабжен приемниками для нескольких длин волн — от 1,2 до 92 см. В качестве наземных антенн космического интерферометра будут использоваться радиотелескопы в Пущино (Россия), Канберре (Австралия) и Грин-Бэнк (США). Орбита спутника будет очень вытянутой, с апогеем 350 тыс. км. С такой базой интерферометра на самой короткой волне удастся получить изображения радиоисточников и измерять их координаты с точностью до 8 миллионных долей секунды дуги. Это даст возможность заглянуть в ближайшие окрестности ядер радиогалактик и черных дыр, в глубины областей образования молодых звезд в Галактике.

Российскими учеными разрабатывается и более совершенный космический радиотелескоп для работы в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах — «Миллиметрон». Зеркало этого инструмента будет охлаждаться жидким гелием до температуры 4 Кельвина (–269°C) для уменьшения теплового шума и повышения чувствительности. Рассматривается несколько вариантов работы этого интерферометра по схемам «Космос—Земля» и «Космос—Космос» (между двумя телескопами на спутниках). Аппарат может быть запущен на такую же вытянутую орбиту, как в проекте «Радиоастрон», либо в точку Лагранжа системы Солнце—Земля, на расстоянии 1,5 млн. км в противосолнечном направлении от Земли (это в 4 раза дальше, чем Луна). В последнем варианте на волне 0,35 мм интерферометр «Космос—Земля» будет давать угловое разрешение до 45 миллиардных долей секунды дуги — в сотни тысяч раз лучше, чем в современных оптических инструментах!

Михаил Прохоров, доктор физико-математических наук
Георгий Рудницкий, кандидат физико-математических наук

План:

Введение

• 1 Устройство
• 2 Принцип работы
  • 2.1 Радиоинтерферометры
• 3 Первые радиотелескопы
  • 3.1 Начало - Карл Янский
  • 3.2 Второе рождение - Гроут Ребер
• 4 Классификация радиотелескопов
  • 4.1 Антенны с заполненной апертурой
    • 4.1.1 Параболоиды вращения
    • 4.1.2 Параболические цилиндры
    • 4.1.3 Антенны с плоскими отражателями
    • 4.1.4 Земляные чаши
    • 4.1.5 Антенные решётки (синфазные антенны)
  • 4.2 Антенны с незаполненной апертурой
• 5 Список радиотелескопов
Примечания

Введение

Радиотелескоп РТФ-32 обсерватории «Зеленчукская», ИПА РАН. Расположен на Северном Кавказе.

Радиотелеско́п - астрономический инструмент для приёма собственного радиоизлучения небесных объектов (в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике) и исследования их характеристик: координат, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации .

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов исследующих электромагнитное излучение, - более высокочастотными являются телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения .

Радиотелескопы предпочтительно располагать далеко от главных населённых пунктов, чтобы максимально уменьшить электромагнитные помехи от вещательных радиостанций, телевидения, радаров и др. излучающих устройств. Размещение радиообсерватории в долине или низине ещё лучше защищает её от влияния техногенных электромагнитных шумов.

1. Устройство

Радиотелескоп состоит из двух основных элементов: антенного устройства и очень чувствительного приёмного устройства - радиометра. Радиометр усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму, удобную для регистрации и дальнейшей обработки.

Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в 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 . 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 монтировках, обеспечивающих повороты по азимуту и высоте (полноповоротные антенны). Существуют также антенны, допускающие лишь ограниченные повороты, и даже полностью неподвижные. Направление приёма в антеннах последнего типа (обычно очень большого размера) достигается путём перемещения облучателей, которые воспринимают отражённое от антенны радиоизлучение.

2. Принцип работы

Принцип работы радиотелескопа больше схож принципом работы фотометра, нежели оптического телескопа. Радиотелескоп не может строить изображение непосредственно, он лишь измеряет энергию излучения, приходящего с направления, в котором "смотрит" телескоп. Таким образом, чтобы получить изображение протяженного источника, радиотелескоп должен промерить его яркость в каждой точке.

Ввиду дифракции радиоволн на апертуре телескопа, измерение направления на точечный источник происходит с некоторой ошибкой, которая определяется диаграммой направленности антенны и накладывает фундаментальное ограничение на разрешающую способность инструмента:

где λ - длина волны, D - диаметр апертуры. Высокая разрешающая способностью позволяет наблюдать более мелкие пространственные детали исследуемых объектов. Чтобы улучшить разрешающую способность, нужно либо уменьшить длину волны, либо увеличить апертуру. Однако использование малых длин волн повышает требования к качеству поверхности зеркала (см. критерий Релея). Поэтому обычно идут по пути увеличения апертуры. Увеличение апертуры также позволяет улучшить ещё одну важную характеристику - чувствительность. Радиотелескоп должен обладать высокой чувствительностью, чтобы обеспечить надёжную регистрацию как можно более слабых источников. Чувствительность определяется уровнем флюктуаций плотности потока ΔP :

где P - мощность собственных шумов радиотелескопа, S - эффективная площадь (собирающая поверхность) антенны, Δf - полоса частоти и t - время накопления сигнала. Для повышения чувствительности радиотелескопов увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приёмники и усилители на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д.

2.1. Радиоинтерферометры

Помимо увеличения диаметра апертуры, существует ещё один способ увеличить разрешающую способность (или сузить диаграмму направленности). Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением λ / d . Такая процедура редукции называется апертурным синтезом. Интерференция может проводиться как аппаратно, путём подачи сигнала по кабелям и волноводам в общий смеситель, так и на ЭВМ с предварительно оцифрованными по меткам точного времени и сохраненными на носитель сигналами. Современные технические средства позволили создать систему РСДБ, которая включает в себя телескопы расположенные на разных материках и разнесенные на несколько тысяч километров.

3. Первые радиотелескопы

3.1. 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 радиоинженером 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 .

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 . 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 . Причём наибольший отклик получается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути .

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 .

3.2. Второе рождение - Гроут Ребер

Меридианный радиотелескоп Гроута Ребера

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США, штат Иллинойс) заинтересовался работой Янского и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янского, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее. У антенны Ребера луч имел коническую форму с шириной 12° по уровню половинной мощности, в то время как у луча антенны Янского была веерообразная форма шириной 30° по уровню половинной мощности в наиболее узком сечении .

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты .

Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г.

Совершенствуя свою аппаратуру , Ребер предпринял систематический обзор неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода . На картах отчётливо видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы . Карты Ребера достаточно хороши даже по сравнению с современными картами.

После Второй Мировой войны были сделаны существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учёными в Европе, Австралии и США. Таким образом начался расцвет радиоастрономии.

4. Классификация радиотелескопов

Широкий диапазон длин волн, разнообразие объектов исследований в 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 (рефлекторы, рефракторы, независимая запись полей) :

4.1. Антенны с заполненной апертурой

Антенны этого типа похожи на зеркала оптических телескопов и является наиболее простыми и привычными в использовании. Антенны с заполненой апертурой просто собирают сигнал от наблюдаемого объекта и фокусируют его на приёмнике. Записанный сигнал уже несет в себе научную информацию и не нуждается в синтезе. Недостатком таких антенн является низкая разрешающая способность. Антенны с незаполненной апертурой можно разделить на несколько классов по форме их поверхности и методу монтирования.

4.1.1. Параболоиды вращения

Практически все антенны такого типа устанавливаются на Альт-азимутальных монтировках и являются полноповоротным. Главным их преимуществом является то, что такие радиотелескопы могут, как и оптические, наводиться на объект и вести его. Таким образом, наблюдения могут проводиться в любое время, пока исследуемый объект находится над горизонтом. Типичные представители: Радиотелескоп Грин-Бэнк, РТ-70, калязинский радиотелескоп.

4.1.2. Параболические цилиндры

Строительство полноповоротных антенн сопряжено с определёнными трудностями, связанными с огромной массой таких конструкций. Поэтому строят неподвижные и полуподвижные системы. Стоимость и сложность таких телескопов растет гораздо медленнее с их ростом размеров. Параболический цилиндр собирает лучи не в точке, а на прямой, параллельной его образующей (фокальная линия). Из-за этого телескопы данного типа имеют несимметричную диаграмму направленности и различное разрешение по разным осям. Ещё одним недостатком таких телескопов является то, что ввиду ограниченной подвижности для наблюдения им доступна только часть неба. Представители: радиотелескоп Иллинойского университета , индийский телескоп в Ути .

Ход лучей в телескопе Нансэ

4.1.3. Антенны с плоскими отражателями

Для работы на параболическом цилиндре требуется, чтобы на фокальной линии было размещено несколько детекторов, сигнал с которых складывается с учетом фаз. На коротких волнах это сделать непросто из-за больших потерь в линиях связи. Антенны с плоским отражателем позволяют обойтись лишь одним приёмником. Такие антенны состоят из двух частей: подвижного плоского зеркала и неподвижного параболоида. Подвижное зеркало "наводится" на объект и отражает лучи на параболоид. Параболоид концентрирует лучи в точке фокуса, где располагается приёмник. Такому телескопу доступна только часть неба для наблюдений. Представители: радиотелескоп Крауса , Большой радиотелескоп в Нансэ .

4.1.4. Земляные чаши

Стремление удешевить конструкцию привело астрономов к мысли об использовании природного рельефа в качестве зеркала телескопа. Представителем этого типа стал 300-метровый радиотелескоп Аресибо. Он расположен в карстовой воронке, дно которой вымощено алюминиевыми листами в форме сфероида. приёмник на специальных опорах подвешивается над зеркалом. Недостатком данного инструмента является то, что ему доступна область неба в пределах 20° от зенита.

4.1.5. Антенные решётки (синфазные антенны)

Такой телескоп состоит из множества элементарных облучателей (диполей или спиралей) расположенных на расстоянии меньшем, чем длина волны. Благодаря точному управлению фазой каждого элемента, удается добиться высокой разрешающей способности и эффективной площади. Недостатком таких антенн является то, что они изготавливаются под строго определённую длину волны. Представители: радиотелескоп БСА в Пущино.

4.2. Антенны с незаполненной апертурой

Наиболее важными для целей астрономии являются две характеристика радиотелескопов: разрешающая способность и чувствительность. При этом чувствительность пропорциональна площади антенны, а разрешение - максимальному размеру. Таким образом, самые распространенные круглые антенны дают наихудшее разрешение при той же эффективной площади. Поэтому в радиоастрономии появились телескопы с малой

Телескоп ДКР-1000, с незаполненной апертурой

площадью, но большой разрешающей способностью. Такие антенны получили название антенн с незаполненной апертурой , так как они имеют "дыры" в апертуре, превосходящие длину волны. Чтобы получить изображение с таких антенн, наблюдения нужно проводить в режиме синтеза апертур. Для апертурного синтеза достаточно двух синхронно работающих антенн, расположенных на некотором расстоянии, которое называют базой . Чтобы восстановить изображение источника, нужно промерить сигнал на всех возможных базах с некоторым шагом вплоть до максимальной .

Если антенны всего две, то придется проводить наблюдение, затем менять базу, проводить наблюдение в следующей точке, опять менять базу и т. д. Такой синтез называется последовательным . По такому принципу работает классический радиоинтерферометр. Недостаток последовательного синтеза состоит в том, что он требует много времени и не может выявить переменность радиоисточников на коротких временах. Поэтому чаще применяется параллельный синтез . В нём участвует сразу много антенн (приёмников), которые одновременно проводят измерения для всех нужных баз. Представители: «Северный крест» в Италии, радиотелескоп ДКР-1000 в Пущино.

Крупные массивы типа VLA часто относят к последовательному синтезу. Однако, ввиду большого количества антенн, практически все базы уже представлены, и дополнительных перестановок обычно не требуется.

РАДИОТЕЛЕСКОПЫ
антенны с заполненной апертурой		антенны с незаполненной апертурой
параллельный синтез		параллельный синтез		последовательный синтез		системы с независимой записью сигналов
рефлекторы	рефракторы	рефлекторы	рефракторы	рефлекторы	рефракторы
- параболоиды вращ. - сферические чаши - антенна Огайо - антенна Нансе	- синфазные полотна - цилиндры	- ант. "Клевер.лист" - антенна Хорнера - АПП набл. в зен.	- решётки - кресты - кольц.ант. в Кулгуре	- АПП - перископический интерферометр	- двухэлем. интерферометр - суперсинтез Райла - система VLA

5. Список радиотелескопов

Расположение	Тип антенны	Размер	Минимальная рабочая длина волны
США , Грин Бэнк	Параболический сегмент с активной поверхностью	110x100 м	6 мм
, Эффельсберг	Параболический рефлектор	100 м	7 мм
, Джодрелл Бэнк	Параболический рефлектор	76 м	1.3 см
, Евпатория, РТ-70	Параболический рефлектор	70 м	1 см
, Калязинская радиоастрономическая обсерватория	Параболический рефлектор	64 м	1 см
, Медвежьи Озера	Параболический рефлектор	64 м	1 см
, Паркс	Параболический рефлектор	64 м	7 мм
, Нобеяма	Параболический рефлектор	45 м	1 мм
, Медичина	Параболический рефлектор	32 м	1.3 см
, Светлое, РТФ-32	Параболический рефлектор	32 м	5 мм
, Зеленчукская, РТФ-32	Параболический рефлектор	32 м	5 мм
, Бадары, РТФ-32	Параболический рефлектор	32 м	5 мм
, Гранада	Параболический рефлектор	30 м	1 мм
, Пуэрто-Рико, Аресибо	Сферический рефлектор	300 м	10 см
, Зеленчукская, РАТАН-600	Антенна переменного профиля	588 м	3 мм
, Бадары, Сибирский солнечный радиотелескоп	Массив антенн 128х128 элементов (крестообразный радиоинтерферометр)	622х622 м	5.2 см
, Нанси	Двухзеркальный	2х40х300 м	11 см
, Пущино, ДКР-1000	Крест из двух параболических цилиндров	2х1000х40 м	2.5 м
, Харьков, УТР-2	Система дипольных антенн, «Т»	1860х50 м, 900х50 м	12 м
, Ути	Параболический цилиндр	500х30 м	91 см
, Медичина, «Северный крест»	«Т» из двух параболических цилиндров	2х500х30 м	70 см
, Санкт-Петербург, Главная Астрономическая Обсерватория РАН, Большой Пулковский Радиотелескоп	Параболический рефлектор	130х3 м	2.3 см

Примечания

1. Большая советская энциклопедия - slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00064/63300.htm?text=радиотелескоп&encid=bse&stpar3=1.1. - СССР: Советская энциклопедия, 1978.
2. Электромагнитное излучение
3. Радиотелескоп // Физика космоса: Маленькая энциклопедия - www.astronet.ru/db/FK86/ / Под ред. Р. А. Сюняева. - 2-е изд. - М .: Сов. энциклопедия, 1986. - С. 560. - 783 с. - ISBN 524(03)
4. П.И.Бакулин, Э.В.Кононович, В.И.Мороз Курс общей астрономии. - М .: Наука, 1970.
5. 1 2 3 Джон Д. Краус. Радиоастрономия. - М .: Советское радио, 1973.
6. Jansky K.G. Directional Studies of Atmospherics at Hight Frequencies. - Proc. IRE, 1932. - Т. 20. - С. 1920-1932.
7. Jansky K.G. Electrical disturbances apparently of extraterrestrial origin.. - Proc. IRE, 1933. - Т. 21. - С. 1387-1398.
8. Jansky K.G. A note on the source of interstellar interference.. - Proc. IRE, 1935. - Т. 23. - С. 1158-1163.
9. Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., June, 1940. - Т. 91. - С. 621-624.
10. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, February, 1940. - Т. 28. - С. 68-70.
11. 1 2 Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., November, 1944. - Т. 100. - С. 279-287.
12. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, August, 1942. - Т. 30. - С. 367-378.
13. Кип Торн. Чёрные дыры и складки времени. - М .: Издательство физико-математической литературы, 2007. - С. 323-325. - 616 с. - ISBN 9785-94052-144-4
14. 1 2 3 Н.А.Есепкина, Д.В.Корольков, Ю.Н.Парийский. Радиотелескопы и радиометры. - М .: Наука, 1973.
15. Радиотелескоп Иллинойского университета. - www.ece.illinois.edu/about/history/reminiscence/400ft.html
16. Телескоп в Ути - rac.ncra.tifr.res.in/ort.html
17. , Радиотелескоп Грин-Бэнк , Very Large Array (радиотелескоп) , Сибирский солнечный радиотелескоп .

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.

01.09.2017 13:40 1039

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.

) и исследования их характеристик, таких как: координаты, пространственная структура, интенсивность излучения, спектр и поляризация.

Радиотелескоп занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов для исследования электромагнитного излучения - более высокочастотными являются теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения.

Радиотелескопы предпочтительно располагать далеко от главных населённых пунктов, чтобы максимально уменьшить электромагнитные помехи от вещательных радиостанций, телевидения, радаров и др. излучающих устройств. Размещение радиообсерватории в долине или низине ещё лучше защищает её от влияния техногенных электромагнитных шумов.

Устройство

Радиотелескоп состоит из двух основных элементов: антенного устройства и очень чувствительного приёмного устройства - радиометра. Радиометр усиливает принятое антенной радиоизлучение и преобразует его в форму, удобную для регистрации и обработки.

Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в 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. На современных радиотелескопах аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и записывается на жёсткий диск в виде одного или нескольких файлов.

Для калибровки полученных измерений (приведения их к абсолютным значениям плотности потока излучения) ко входу радиометра вместо антенны подключается генератор шума известной мощности.

В зависимости от конструкции антенны и методики наблюдений, радиотелескоп может либо заранее наводиться на заданную точку небесной сферы (через которую вследствие суточного вращения пройдёт наблюдаемый объект), либо работать в режиме слежения за объектом.

Для направления антенн в исследуемую область неба их устанавливают обычно на Азимутальных монтировках, обеспечивающих повороты по азимуту и высоте (полноповоротные антенны). Существуют также антенны, допускающие лишь ограниченные повороты, и даже полностью неподвижные. Направление приёма в антеннах последнего типа (обычно очень большого размера) достигается путём перемещения облучателей, которые воспринимают отражённое от антенны радиоизлучение.

Принцип работы

Принцип работы радиотелескопа больше схож принципом работы фотометра, нежели оптического телескопа. Радиотелескоп не может строить изображение непосредственно, он лишь измеряет энергию излучения, приходящего с направления, в котором «смотрит» телескоп. Таким образом, чтобы получить изображение протяженного источника, радиотелескоп должен промерить его яркость в каждой точке.

Ввиду дифракции радиоволн на апертуре телескопа, измерение направления на точечный источник происходит с некоторой ошибкой, которая определяется диаграммой направленности антенны и накладывает фундаментальное ограничение на разрешающую способность инструмента:

где - длина волны, - диаметр апертуры. Высокая разрешающая способностью позволяет наблюдать более мелкие пространственные детали исследуемых объектов. Чтобы улучшить разрешающую способность, нужно либо уменьшить длину волны, либо увеличить апертуру. Однако использование малых длин волн повышает требования к качеству поверхности зеркала. Поэтому обычно идут по пути увеличения апертуры. Увеличение апертуры также позволяет улучшить ещё одну важную характеристику - чувствительность. Радиотелескоп должен обладать высокой чувствительностью, чтобы обеспечить надёжную регистрацию как можно более слабых источников. Чувствительность определяется уровнем флюктуаций плотности потока :

где - мощность собственных шумов радиотелескопа, - эффективная площадь антенны, - полоса частот и - время накопления сигнала. Для повышения чувствительности радиотелескопов увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приёмники и усилители на основе мазеров, параметрических усилителей и т. д.

Радиоинтерферометры

Помимо увеличения диаметра апертуры, существует ещё один способ увеличить разрешающую способность (или сузить диаграмму направленности). Если взять две антенны, расположенных на расстоянии d (база) друг от друга, то сигнал от источника до одной из них будет приходить чуть раньше, чем до другой. Если затем сигналы с двух антенн проинтерферировать, то из результирующего сигнала с помощью специальной математической процедуры редукции можно будет восстановить информацию об источнике с эффективным разрешением . Такая процедура редукции называется апертурным синтезом. Интерференция может проводиться как аппаратно, путём подачи сигнала по кабелям и волноводам в общий смеситель, так и на ЭВМ с предварительно оцифрованными по меткам точного времени и сохраненными на носитель сигналами. Современные технические средства позволили создать систему РСДБ, которая включает в себя телескопы расположенные на разных материках и разнесенные на несколько тысяч километров.

Первые радиотелескопы

Начало - Карл Янский

Копия радиотелескопа Янского

История радиотелескопов берёт своё начало в 1931 году, с экспериментов Карла Янского на полигоне фирмы Bell Telephone Labs. Для исследования направления прихода грозовых помех он 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.

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. 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. Причём наибольший отклик получается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути.

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.

Второе рождение - Гроут Ребер

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США, штат Иллинойс) заинтересовался работой Янского и сконструировал в заднем дворе дома своих родителей антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м. Эта антенна имела меридианную монтировку, то есть была управляема лишь по углу места, а изменение положения лепестка диаграммы по прямому восхождению достигалось за счёт вращения Земли. Антенна Ребера была меньше, чем у Янского, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее. У антенны Ребера луч имел коническую форму с шириной 12° по уровню половинной мощности, в то время как у луча антенны Янского была веерообразная форма шириной 30° по уровню половинной мощности в наиболее узком сечении.

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты.

Радиокарта небосвода, полученная Гроутом Ребером в 1944 г.

Совершенствуя свою аппаратуру, Ребер предпринял систематический обзор неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 м. На картах отчётливо видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, и Кормы. Карты Ребера достаточно хороши даже по сравнению с современными картами, метровых длин волн.

После Второй мировой войны были сделаны существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учёными в Европе, Австралии и США. Таким образом начался расцвет радиоастрономии, который привёл к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Классификация радиотелескопов

Широкий диапазон длин волн, разнообразие объектов исследований в 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 (рефлекторы, рефракторы, независимая запись полей) :

Антенны с заполненной апертурой

Антенны этого типа похожи на зеркала оптических телескопов и являются наиболее простыми и привычными в использовании. Антенны с заполненной апертурой просто собирают сигнал от наблюдаемого объекта и фокусируют его на приёмнике. Записанный сигнал уже несет в себе научную информацию и не нуждается в синтезе. Недостатком таких антенн является низкая разрешающая способность. Антенны с заполненной апертурой можно разделить на несколько классов по форме их поверхности и методу монтирования.

Параболоиды вращения

Практически все антенны такого типа устанавливаются на Альт-азимутальных монтировках и являются полноповоротным. Главным их преимуществом является то, что такие радиотелескопы могут, как и оптические, наводиться на объект и вести его. Таким образом, наблюдения могут проводиться в любое время, пока исследуемый объект находится над горизонтом. Типичные представители: Радиотелескоп Грин-Бэнк, РТ-70, Калязинский радиотелескоп.

Параболические цилиндры

Строительство полноповоротных антенн сопряжено с определёнными трудностями, связанными с огромной массой таких конструкций. Поэтому строят неподвижные и полуподвижные системы. Стоимость и сложность таких телескопов растет гораздо медленнее с их ростом размеров. Параболический цилиндр собирает лучи не в точке, а на прямой, параллельной его образующей (фокальная линия). Из-за этого телескопы данного типа имеют несимметричную диаграмму направленности и различное разрешение по разным осям. Ещё одним недостатком таких телескопов является то, что ввиду ограниченной подвижности для наблюдения им доступна только часть неба. Представители: радиотелескоп Иллинойского университета, индийский телескоп в Ути.

Ход лучей в телескопе Нансэ

Антенны с плоскими отражателями

Для работы на параболическом цилиндре требуется, чтобы на фокальной линии было размещено несколько детекторов, сигнал с которых складывается с учетом фаз. На коротких волнах это сделать непросто из-за больших потерь в линиях связи. Антенны с плоским отражателем позволяют обойтись лишь одним приёмником. Такие антенны состоят из двух частей: подвижного плоского зеркала и неподвижного параболоида. Подвижное зеркало «наводится» на объект и отражает лучи на параболоид. Параболоид концентрирует лучи в точке фокуса, где располагается приёмник. Такому телескопу доступна только часть неба для наблюдений. Представители: радиотелескоп Крауса, Большой радиотелескоп в Нансэ.

Земляные чаши

Стремление удешевить конструкцию привело астрономов к мысли об использовании природного рельефа в качестве зеркала телескопа. Представителем этого типа стал 300-метровый . Он расположен в карстовой воронке, дно которой вымощено алюминиевыми листами в форме сфероида. приёмник на специальных опорах подвешивается над зеркалом. Недостатком данного инструмента является то, что ему доступна область неба в пределах 20° от зенита.

Антенные решётки (синфазные антенны)

Такой телескоп состоит из множества элементарных облучателей (диполей или спиралей) расположенных на расстоянии меньшем, чем длина волны. Благодаря точному управлению фазой каждого элемента, удается добиться высокой разрешающей способности и эффективной площади. Недостатком таких антенн является то, что они изготавливаются под строго определённую длину волны. Представители: радиотелескоп БСА в Пущино.

Антенны с незаполненной апертурой

Наиболее важными для целей астрономии являются две характеристики радиотелескопов: разрешающая способность и чувствительность. При этом чувствительность пропорциональна площади антенны, а разрешение - максимальному размеру. Таким образом, самые распространенные круглые антенны дают наихудшее разрешение при той же эффективной площади. Поэтому в радиоастрономии появились телескопы с малой площадью, но большой разрешающей способностью. Такие антенны получили название антенн с незаполненной апертурой , так как они имеют «дыры» в апертуре, превосходящие длину волны. Чтобы получить изображение с таких антенн, наблюдения нужно проводить в режиме синтеза апертур. Для апертурного синтеза достаточно двух синхронно работающих антенн, расположенных на некотором расстоянии, которое называют базой . Чтобы восстановить изображение источника, нужно промерить сигнал на всех возможных базах с некоторым шагом вплоть до максимальной.

Если антенны всего две, то придется проводить наблюдение, затем менять базу, проводить наблюдение в следующей точке, опять менять базу и т. д. Такой синтез называется последовательным . По такому принципу работает классический радиоинтерферометр. Недостаток последовательного синтеза состоит в том, что он требует много времени и не может выявить переменность радиоисточников на коротких временах. Поэтому чаще применяется параллельный синтез . В нём участвует сразу много антенн (приёмников), которые одновременно проводят измерения для всех нужных баз. Представители: «Северный крест» в Италии, радиотелескоп ДКР-1000 в Пущино.