Радиоастрономия — возможности и перспективы

Радиоастрономия

Радиоволны

Радиоволны – электромагнитные волны, частоты которых ниже 3000 ГГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра.
Анимированная схема излучения радиоволн

В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.

Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.

Радиоастрономия

Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн. Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение). Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.

Реликтовое излучение также было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов. Кроме того, радиотелескопы использовались и для исследования ближайших к Земле астрономических объектов, включая наблюдения Солнца и солнечной активности, и радарное картографирование планет Солнечной системы.

Инструменты радиоастрономии

Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

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

История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янски 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 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

В 1932 году Янски 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 1933 года и 1935 года Карл Янски постепенно приходит к заключению, что помехи производит центральная область нашей Галактики.

Янски 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 метров в диаметре для работы на метровых волнах, однако его предложение не получило поддержки.

В 1937 году Гроут Ребер, радиоинженер из Уэтона (США), заинтересовался работой Янски 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 Янски, но работала на более коротких волнах, и её диаграмма направленности была значительно острее.

Весной 1939 года Ребер обнаружил на волне 1,87 м (160 МГц) излучение с заметной концентрацией в плоскости Галактики и опубликовал некоторые результаты. Развивая аппаратуру, Ребер приступил к систематическому обзору неба и в 1944 году опубликовал первые радиокарты небосвода на волне 1,87 метров, показывающие центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедь A, Кассиопея A, Большого Пса и Кормы.

После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.

ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов.

Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик. Таким образом, сегодня благодаря современным радиообсерваториям мы можем смотреть не только в прошлое, разбирая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее, не теряясь в пыли космического пространства.

Галактические радиоисточники.

Уже первые наблюдения Г.Ребера показали, что радиоизлучение Млечного Пути неоднородно – оно сильнее в направлении центра Галактики. Дальнейшие исследования подтвердили, что основные источники радиоволн относительно компактны; их называют точечными или дискретными. Зарегистрированы уже десятки тысяч таких источников.

Излучение космических радиоисточников бывает двух типов: тепловое и нетепловое (обычно синхротронное). Тепловое излучение рождается в горячем газе от случайного (теплового) движения заряженных частиц – электронов и протонов. Его интенсивность в широком диапазоне спектра почти постоянна, но на длинных волнах она быстро уменьшается. Такое излучение характерно для эмиссионных туманностей. Остальные источники имеют нетепловое излучение, интенсивность которого растет с увеличением длины волны. В этих источниках излучение возникает при движении очень быстрых электронов в магнитном поле. Скорости электронов близки к скорости света, и это не может быть следствием простого теплового движения. Для разгона электронов до таких скоростей в лаборатории используют специальные ускорители – синхротроны. Как это происходит в естественных условиях, не совсем ясно. Синхротронное излучение сильно поляризовано. Это позволяет обнаруживать его в космических источниках и по направлению поляризации определять ориентацию их магнитного поля. Таким методом исследованы межзвездные магнитные поля в нашей и соседних галактиках.

Одним из важнейших достижений радиоастрономии стало открытие активных процессов в ядрах галактик. Радионаблюдения указывали на это еще в 1950-е годы, но окончательное подтверждение появилось в 1962, когда с помощью 5-метрового оптического телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были независимо обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.

Другим важнейшим открытием радиоастрономии считаются квазары – очень далекие и активные внегалактические объекты. Вначале они казались рядовыми точечными источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми звездами (отсюда название «квазар» – квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла, расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной мощностью – порядка 1041 Вт. Это значительно больше мощности излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта. См. также КВАЗАР.

Примечания[ | ]

1. Курильчик, 1986, с. 533.
2. Каплан С. А.
   Как возникла радиоастрономия // Элементарная радиоастрономия. — М.: Наука, 1966. — С. 12. — 276 с. (Проверено 28 сентября 2011)
3. ↑ 12Краус Д. Д.
   1.2. Краткая история первых лет радиоастрономии // Радиоастрономия / Под ред. В. В. Железнякова. — М.: Советское радио, 1973. — С. 14—21. — 456 с. Архивная копия от 1 марта 2012 на Wayback Machine (Проверено 12 августа 2011)
4. Jansky K. G.
   Directional Studies of Atmospherics at Hight Frequencies. — Proc. IRE, 1932. — Т. 20. — С. 1920—1932. (Проверено 12 августа 2011)
5. Jansky K. G.
   Electrical disturbances apparently of extraterrestrial origin (англ.) = Электрические помехи, вероятно, внеземного происхождения. — Proc. IRE, 1933. — Vol. 21. — P. 1387—1398. (Проверено 12 августа 2011)
6. Jansky K. G.
   A note on the source of interstellar interference. — Proc. IRE, 1935. — Т. 23. — С. 1158—1163. (Проверено 12 августа 2011)
7. Reber G.
   Cosmic Static. — Astrophys. J., November, 1944. — Т. 100. — С. 279—287. (Проверено 7 сентября 2011)
8. Радиотелескоп // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
9. Электромагнитное излучение
10. Радиоинтерферометр (неопр.)
    .
    Большая советская энциклопедия
    . 3-е издание (1978). Дата обращения 26 февраля 2012. Архивировано 6 апреля 2012 года. (Проверено 16 ноября 2011)
11. Радиоинтерферометр / Матвеенко Л. И. // Физика космоса: Маленькая энциклопедия / Редкол.: Р. А. Сюняев (Гл. ред.) и др. — 2-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1986. — С. 547—551. — 783 с. — 70 000 экз. (Проверено 16 ноября 2011)
12. Томпсон и др., 2003, с. 11.
13. Конникова В. К., Лехт Е. Е., Силантьев Н. А.
    6.4. Интерферометры // Практическая радиоастрономия / М. Г. Мингалиев, М. Г. Ларионов. — М.: МГУ, 2011. — С. 241. — 304 с. (Проверено 29 ноября 2011)
14. Томпсон и др., 2003, с. 276.

Инструменты[ | ]

Радиотелескопы[ | ]

Основная статья: Радиотелескоп

Радиотелеско́п

— астрономический инструмент для приёма собственного радиоизлучения небесных объектов (в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике) и исследования их характеристик, таких как: координаты, пространственная структура, интенсивность излучения, спектр и поляризация[8].

Радиотелескоп

занимает начальное, по диапазону частот, положение среди астрономических инструментов исследующих электромагнитное излучение, — более высокочастотными являются телескопы теплового, видимого, ультрафиолетового, рентгеновского и гамма излучения[9].

Радиоинтерферометры[ | ]

Основная статья: Радиоинтерферометр

Радиоинтерферометр ВСРТ

Радиоинтерферометр

— инструмент для радиоастрономических наблюдений с высоким угловым разрешением, который состоит, как минимум, из двух антенн, разнесённых на расстоянии и связанных между собой кабельной линией связи[10][11]. Радиоинтерферометры используются для измерения тонких угловых деталей в радиоизлучении неба[12]. В частности, с их помощью получают особо точные координаты и угловые размеры астрономических объектов, а также радиоизображения небесных тел с высоким разрешением[13].

Радиоинтерферометры со сверхдлинными базами[ | ]

Основная статья: Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами

Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами

(РСДБ, англ. Very Long Baseline Interferometry, VLBI) — вид интерферометрии, используемый в радиоастрономии, при котором приёмные элементы интерферометра (телескопы) располагаются не ближе, чем на континентальных расстояниях друг от друга. При этом управление элементами РСДБ интерферометра производится независимо, без непосредственной коммутационной линии связи, в отличие от обычного радиоинтерферометра. Запись данных осуществляется на носители информации с последующей корреляционной обработкой на специализированном вычислительном оборудовании — корреляторе.[14]