Радиотелескоп

Радиотелескоп ТНА-400 в Крыму

Услышать вселенную. Радиотелескоп. Гиганты астрономической науки. Ловушка для Солнца [24:09]

Радиотелескоп — астрофизический прибор для приема собственного электромагнитного излучения космических объектов в диапазоне несущих частот от десятков МГц до десятков ГГц и исследование его характеристик: координат источников, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

Общая информация

Антенны некоторых радиотелескопов похожи на обычные рефлекторы. Они собирают радиоволны в фокусе металлического вогнутого зеркала, которое можно сделать решетчатым и огромных размеров — диаметром в десятки метров. Другие радиотелескопы — это огромные подвижные рамы, на которых параллельно друг другу закреплены металлические стержни или спирали. Радиоволны, поступающих возбуждают в них электромагнитные колебания, которые после усиления попадают на очень чувствительную приемную радиоаппаратуру для регистрации радиоизлучения объекта.

Радиотелескоп занимает исходное положение среди астрономических приборов (или комплексов), исследующие электромагнитное излучение. В радиотелескопов относятся также гравитационные телескопы. Более высокочастотные приборы:

• Инфракрасный телескоп (диапазон теплового (инфракрасного) излучения);
• Телескоп — оптический диапазон (иногда включая инфракрасный и (или) ультрафиолетовый световой диапазон);
• Рентгеновский телескоп (рентгеновский диапазон).

Устройство и принцип действия

Обсерватория Аресибо [9:21]

Радиотелескоп состоит из антенной системы и радиоприемного устройства — радиометра. Конструкции антенн отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в радиоастрономии (от 0,1 мм до 1000 м). Для направления антенн в область неба, которая исследуется, их устанавливают обычно на азимутальной монтировке, обеспечивающих повороты по азимуту и высоте (полноповоротные антенны). Существуют также антенны, допускающие лишь ограниченные повороты, и даже полностью неподвижны. Направление приема в антеннах последнего типа (обычно очень большого размера) достигается путем перемещения облучателя, воспринимающего отраженный от антенны радиоизлучение.

Для наблюдения на коротких волнах распространены зеркальные параболические антенны, установленные на поворотных устройствах, служащих для наведения радиотелескопов на источник радиоизлучения; по принципу действия такие радиотелескопы аналогичные оптическим телескопам- рефрактор. Часто используются комбинации ряда зеркальных антенн, соединенных кабельными линиями в единую систему — «решетка». Для наблюдения на длинных волнах используется решетка из большого числа элементарных излучателей — диполь.

Радиотелескоп должен обладать высокой чувствительностью, что обеспечивает надежную регистрацию возможно более слабой плотности потока радиоизлучения, гарноою разрешением, позволяет наблюдать меньшие пространственные детали исследуемых объектов. Минимальная плотность потока ДР регистрируемого определяется соотношением:

• ΔP = P / (S√Δft)

где Р — мощность собственных шумов радиотелескопа, S — эффективная площадь (собирающая поверхность) антенны, Δf — полоса частот, t — время накопления сигнала.

Для улучшения чувствительности радиотелескопов увеличивают их собирающую поверхность и применяют малошумящие приемные устройства на основе мазеров, параметрических усилителей и тому подобное. Разрешение q радиотелескопа (в радианах):

• q > I / D

где I — длина волны, D — линейный размер апертуры антенны.

Самые зеркальные антенны (диаметром до 100 м на сантиметровых волнах) обладают разрешением около 1 угловой секунды, что сопоставимо с возможностями невооруженного глаза. Трудности создания радиотелескопов больших размеров со сплошным зеркалом вынуждают широко использовать решетки, а для получения двумерного «изображение» — крещатые, кольцевые и другие антенны с незаполненной апертурой.

Апертурный синтез

Радикальным путем получения высокого разрешения в радиоастрономии является составление (синтез) антенного устройства большой апертуры с помощью нескольких сравнительно небольших антенн, которые в процессе наблюдений перемещаются относительно друг друга в соответствии с заданными движениями большого антенного устройства. Существующие радиотелескопы апертурного синтеза позволяют получать радиоизображения с разрешением около 1 угловой секунды. При использовании в системе синтеза радиоинтерферометров со сверхбольшими базами можно ожидать разрешения при получении изображений объектов порядка 10⁻² — 10⁻⁴ угловых секунд. Радиотелескопы, состоящие из системы отдельных антенн, отдаленных друг от друга (иногда на многие сотни км), с помощью которых проводят одновременные наблюдения космических радиоисточников, позволяют узнать о структуре радиоисточников и измерить их угловой размер, даже если он во много раз меньше угловой секунды.

История и развитие

Радиоизлучение космического происхождения на волне 14,6 м впервые было зарегистрировано К. Янским (США) в 1931 году с помощью антенны, предназначенной для исследования радиопомех от молний. После того, для его принятия создали оборудования различных систем. Первый радиотелескоп построил Гроут Ребер (англ. Grote Reber), радиолюбитель с Уиттон (Иллинойс, США) в 1937 году на заднем дворе своих родителей. Его аппарат имел параболическую форму антенны диаметром 9 м. С его помощью Грот наметил звездную карту в радиодиапазоне на которой выделялись центральные области Млечного пути и «яркие» объекты Лебедь A (Cyg A) и Кассиопея A (Cas A). Быстрое развитие радиотелескопии начался в 40-х годах. В Австралии в 1948 был сооружен первый радиоинтерферометр, а в 1953 — первый крестообразный радиотелескоп. Большой полноповоротный параболоид диаметром 76 м впервые был построен в Великобритании в 1957. Принцип получения изображения с высоким разрешением методом последовательного синтеза апертуры развивается с 1956 года в Кембридже. В 1967 в США и Канаде проведены первые наблюдения на интерферометрах с независимым записи сигналов и сверхбольшими базами. До 1975 лучше точность полноповоротные параболоиды установлено на радиоастрономических обсерваториях в Эффельсберге, Пущине и Симизи, на Китт-Пик.

Радиотелескоп с неподвижной сферической чашей сооружен в кратере вулкана в Аресибо (Пуэрто-Рико) (диаметр 300 м, минимальная длина волны 10 см). Имеет очень большую собирающую поверхность и используется как локатор для картографирования планет.

Представление о небесных телах и их системы чрезвычайно обогатились после того, как начали изучать их радиоизлучение.

Литература

• Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры, М., 1973.
• Христиансен В., Хегб И. Радиотелескопы, пер. с англ., М., 1972.
• Rohlfs, K., & Wilson, TL Tools Of Radio Astronomy. Astronomy and astrophysics library. Berlin: Springer, 2004.
• Asimov, I. Isaac Asimov’S Book Of Facts; Sky Watchers. New York: Grosset & Dunlap. Page 390—399 1979. ISBN 0-8038-9347-7