КУРС ЗАГАЛЬНОЇ АСТРОНОМІЇ - С. М. АНДРІЄВСЬКИЙ 2007

Частина IV

ОСНОВИ ТЕОРЕТИЧНОЇ ТА ПРАКТИЧНОЇ АСТРОФІЗИКИ

Розділ 9

ТЕЛЕСКОПИ

9.4. Радіотелескопи і радіоінтерферометри

Через атмосферу Землі до її поверхні доходять хвилі радіодіапазону з довжиною від 1 до 4 мм і від 8 мм до 20 м. Увесь цей інтервал довжин хвиль прийнято ділити на шість діапазонів: декаметровий (λ > 10 м), метровий (1 м < λ < 10 м), дециметровий (10 см < λ < 1м), сантиметровий (1 см < λ < 10см), міліметровий (1 мм < λ < 1см) і субміліметровий (λ < 1 мм). Космічне радіовипромінювання реєструють за допомогою радіотелескопів, що істотно відрізняються між собою залежно від того, в яких діапазонах їх використовують.

Складовими частинами радіотелескопа є антена, фідерна лінія (електрична лінія, по якій передається енергія), радіоприймач та реєстратор. Залежно від вирішуваних проблем у радіоастрономії використовують різні типи антен: дипольні антени, параболічні рефлектори, рупори, спіралі тощо.

Найпростішим прикладом дипольної антени є два металеві стрижні, загальна довжина яких дорівнює половині довжини λ реєстрованої хвилі. Потрапляючи на антену, електромагнітна хвиля збуджує в ній змінний струм, який по фідерній лінії передається у приймач. Чутливість антени істотно залежить від її орієнтації відносно фронту падаючої хвилі. Графічне зображення цієї залежності називається діаграмою направленності антени (рис. 9.9). Наприклад, якщо диполь встановлено вертикально, то потужність сигналу буде найбільшою тоді, коли джерело перебуває біля горизонту (φ = 0°). Якщо ж кут φ між перпендикуляром до осі антени і напрямом поширення хвилі 45°, то потужність прийнятого сигналу удвічі менша, а при φ = 90° — дорівнює нулю. Однак інтенсивність зареєстрованого сигналу не залежить від азимута джерела.

Рис. 9.9. Півхвильовий диполь і його діаграма напрямленості

Звичайно використовують не один, а декілька диполів, розташованих в одній площині на відстані λ/2 один від одного. Диполі поєднують з приймачем так, щоб коливання струму, який туди надходить від кожного з них, мали одну і ту ж фазу. Така синфазна антена, як і дзеркало телескопа, збирає у приймачі всю енергію, що на неї потрапляє. Синфазна багатодипольна антена найчутливіша до випромінювання, яке падає перпендикулярно до площини розташування диполів. Діаграма, що показує залежність зареєстрованої потужності від кута φ, — діаграма направленності — для багатодипольної антени має форму пелюстки, що зветься головною, збоку від неї є ще невеличкі бокові пелюстки, поява яких зумовлена дифракцією радіохвиль. Якщо синфазна антена складається з N диполів, то ширина головної пелюстки у напрямі, перпендикулярному до осей диполів, φΝ= 120°/N. Цей кут визначає роздільну здатність радіотелескопа: два точкові об'єкти на небі можна розрізнити лише у випадку, якщо кутова відстань між ними більша від φΝ.

Параболічна антена (рис. 9.10) збирає у фокусі випромінювання усіх довжин хвиль радіодіапазону. Принцип дії такої антени такий самий, що і в головного дзеркала оптичного телескопа. У фокусі антени (прямому чи кас- сегренівському) встановлений опромінювач — півхвильовий диполь або рупор, який і приймає випромінювання певної довжини хвилі, відбите антеною. Щоб зареєструвати випромінювання іншої довжини хвилі, досить замінити цей опромінювач. Роздільна здатність параболічного радіотелескопа характеризується кутом:

image80

image81

Рис. 9.10. Параболічна антена

Чим більший діаметр параболічної антени радіотелескопа, тим краща його роздільна здатність. Тому сучасні радіотелескопи мають діаметр антени, який перевищує 25 м.

Наприклад, при D = 60 м і λ = 1 м роздільна здатність радіотелескопа φD ~ 1°. Приблизно з такою ж точністю будуть визначені координати радіо-джерела.

Роздільна здатність істотно підвищується при застосуванні радіоінтерферометрів (рис. 9.11). Фактично радіоінтерферометром є вже згадана синфазна антена, бо при значній кількості диполів роздільна здатність уздовж довжини антени може бути як завгодно високою (тобто кут φΝ може бути дуже малий). Не обов'язково включати усі N антен. Достатньо взяти два диполі або дзеркала, віддалити їх на відстань а і з'єднати з приймачем фідерними лініями однакової довжини. Такий тип радіотелескопа називається двохантенним або двопроменевим інтерферометром.

image82

Рис. 9.11. Схема двохантенного радіоінтерферометра

Принцип роботи інтерферометра відомий. Якщо радіоджерело перебуває на кутовій відстані φ від осі інструмента, то виникає різниця ходу променів d = asinφ. Оскільки при великих відстанях а (базі інтерферометра) різниця ходу d = λ/2 досягається вже при дуже малих кутах φ, то можна прийняти, що sinφ ≈ φ і d = αφ. Отже, при φ = λ/2α (радіан) різниця фаз дорівнюватиме λ/2. Тут струми від обох антен будуть у протифазі, і внаслідок інтерференції інтенсивність сумарного сигналу становитиме нуль. При φ, що дорівнює або кратне λ/α, фази струмів збігаються. Тому діаграма направленності інтерферометра складається з вузьких пелюсток шириною φα = λ/α.

При малих базах як фідерну лінію використовують коаксіальний або ж екранований двопровідний кабель. Для передачі енергії хвиль, коротших від 10 см, застосовують хвилеводи. Якщо ж база інтерферометра сягає декількох десятків кілометрів, то застосовують радіорелейні лінії. У наш час для вивчення Всесвіту та його окремих об'єктів використовують методи радіоінтерферометри з наддовгою базою. При цьому сигнали від кожної з антен, розташованих на протилежних точках Землі, записують в електронному форматі, а згодом їх зіставляють за допомогою спеціального корелятора. Так досягають роздільної здатності до 0,0001", що набагато перевищує сучасні можливості оптичної астрономії.

З 1957 р. найбільшим параболічним рефлектором був радіотелескоп обсерваторії Джодрелл Бенк (Англія). Його дзеркало має діаметр 76 м і масу 750 т. Сьогодні вже є рухомі дзеркала діаметром 100 м (наприклад, радіотелескоп в обсерваторії Грін Бенк, (рис. 9.12), а найбільша з параболічних антен — нерухомий телескоп, встановлений в Аресібо у кратері згаслого вулкана на острові Пуерто-Ріко (діаметр дзеркала — 305 м).

image83

Рис. 9.12. Радіотелескоп обсерваторії Грін Бенк

Зрозуміло, що чим більша відстань між телескопами, які поєднані єдиною комп'ютерною мережею, тим чіткішим є радіозображення досліджуваного джерела. Прикладом ефективного інтерферометра є система з 27 параболічних антен в Нью-Мексико — VLA (Very Large Array). Діаметр кожної антени 25 м, а розмір усієї системи досягає 30 км. Роздільна здатність цього інтерферометра — 0,1".

Набагато кращу роздільну здатність має система VLBI (Very Long Baseline Interferometry), яка поєднує між собою десять радіотелескопів з діаметром антени 25 м, кожний з яких знаходиться на відстані в тисячі кілометрів, що і забезпечує спостереження радіоджерел з роздільною здатністю α = 0,0001", а це майже в 100 разів перевищує значення роздільної здатності потужних оптичних телескопів. Але навіть це значення не є граничним. Так, космічний радіотелескоп на японській станції HALCA, виведений на навколоземну орбіту в 1997 р., має базу 56 000 км і дозволяє досягнути ще вищої роздільної здатності, ніж VLBI.

В Україні є два досить великих параболічних радіотелескопи — РТ-22 (D = 22 м), який знаходиться поблизу Сімеїза, і радіотелескоп з D = 70 м, встановлений недалеко від Євпаторії.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.