Радиотелескоп на луне: мечта ученых, которая скоро может стать реальностью

Лунная обсерватория

Другой вариант — создание полноценной обсерватории на Луне. Это решит проблему дальнейшего роста телескопов. В отличие от космических телескопов лунная обсерватория может быть обслуживаемой, следовательно, долговечной; на Луне нет помех от деятельности человека; нет атмосферы. Создание связной системы телескопов на Земле и Луне позволит значительно расширить современные возможности астрономии.

Задачи, которые стоят перед радиоастрономией – создание системы космических телескопов или создание лунной обсерватории – это те задачи, которые человечество может решить уже сейчас, но для этого необходимо большое количество специалистов, ресурсов. Космическая гонка второй половины двадцатого века подарила человечеству огромное количество технологий. Благодаря стремлению оказаться первыми в космосе был сделан значительный технологический рывок – появились спутниковая связь, интернет, системы навигации и многие другие технологии. Именно дальнейшее покорение космоса может дать человечеству решение многих проблем XXI века.

Астрономические источники

Радиоизображение центральной области галактики Млечный Путь. Стрелка указывает на остаток сверхновой, который является местоположением недавно открытого кратковременного взрывающегося низкочастотного радиоисточника. GCRT J1745-3009.

Радиоастрономия привела к значительному расширению астрономических знаний, особенно с открытием нескольких классов новых объектов, в том числе пульсары, квазары и радиогалактики. Это потому, что радиоастрономия позволяет нам видеть вещи, которые не обнаруживаются в оптической астрономии. Такие объекты представляют собой одни из самых экстремальных и энергичных физических процессов во Вселенной.

В космическое микроволновое фоновое излучение также был впервые обнаружен с помощью радиотелескопов. Однако радиотелескопы также использовались для исследования объектов, расположенных намного ближе к дому, включая наблюдения солнце солнечной активности и радиолокационного картирования планеты.

Другие источники включают:

солнце
Юпитер
Стрелец А, то галактический центр из Млечный Путь, с одной порцией Стрелец А * Считается, что это излучающая радиоволна огромная черная дыра
Активные ядра галактик и пульсары имеют струи заряженных частиц, которые испускают синхротронное излучение
Слияние скопления галактик часто показывают диффузное радиоизлучение
Остатки сверхновой может также показывать диффузное радиоизлучение; пульсары представляют собой тип остатка сверхновой, который испускается очень синхронно.
В космический микроволновый фон является черное тело радио / микроволновое излучение

5 «Земное» применение

У метода радиоинтерферометрии
есть и чисто практические «земные»
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.

История

Антенна, с помощью которой Янски обнаружил радиоволны, идущие из космоса.

История радиоастрономии связана с историей радиосвязи. Радиоволны были открыты Генрихом Герцем в 1889 году, а менее чем через 10 лет Гульельмо Маркони разработал беспроводную телеграфию, первое практическое приложение. С начала XX — го века, несколько исследователей ( Оливер Лодж, Чарльз Nordmann, …), пытаясь обнаружить радиоволны естественные от Солнца, но их эксперименты терпят неудачу из — за низкой чувствительности этих и что те — здесь происходят в то время как солнечная активность минимальна.

Начало радиоастрономии положило случайное открытие в году Карлом Янским сигналов космического происхождения. Этот инженер работает в научно-исследовательской лаборатории американской телефонной компании Bell . Он наблюдает радиосигналы, которые возвращаются каждые 23 часа 56 минут, то есть звездные сутки (продолжительность вращения Земли). Он понимает, что эта периодичность подразумевает, что источником этих радиосигналов являются звезды . Случается определить, что радиоизлучение исходит из центра галактики на длине волны 15 метров. Он опубликовал этот результат в 1935 году, но эти выводы не привели к каким-либо исследованиям или наблюдениям в мире исследований или астрономии. В 1936 году, в год солнечного максимума, многие радиостанции принимали паразитный шум, связанный с солнечной активностью, но связь не была установлена. JS Hey, который работает над разработкой радаров, в 1942 году обнаруживает радиоизлучение на длине волны 1 метр и возвращается к их источнику, который совпадает с солнечными пятнами . Эти результаты не были опубликованы до 1946 года, когда закончилась Вторая мировая война.

Первый радиотелескоп был построен в 1936 году астрономом-любителем Гроте Ребером, который в течение 10 лет оставался единственным, кто наблюдал этот новый источник данных о космосе. Работа над радарами во время Второй мировой войны ускорила развитие технологий, которые будут реализованы в радиотелескопах. Именно в это время были обнаружены солнечные излучения на длинах волн 150 МГц, 3 и 10 ГГц. После Второй мировой войны исследования начались в более широком масштабе с использованием переработанного военного оборудования ( радаров ). Во Франции с 1947 года Ив Рокар с двумя антеннами немецкого происхождения диаметром 7,5 м создал службу наблюдения, которой руководил Жан-Франсуа Денис . В 1952 году он получил средства на строительство более крупной обсерватории — радиоастрономической станции Нансай ( Шер ) с 32 радиотелескопами, установленной на одной линии, открытой в 1956 году.

В 25 марта 1951 г., Гарольд Ивен и Эдвард Перселл обнаружить 21 см линию нейтрального водорода в Млечном Пути с рупорной антенной .

В году Арно Аллан Пензиас и Роберт Вудро Вильсон обнаружили ископаемую радиацию от Большого взрыва, предсказанного Джорджем Гамовым, пытаясь устранить фоновый шум в своем передающем оборудовании.

В г. был открыт космологический диффузный фон ; Жорж Лемэтр предсказал это в своей теории примитивного взрыва, в своей статье (на французском языке), адресованной сэру Эддингтону, определяет его как «исчезнувшее сияние образования миров», связывая его с теорией изначального взрыва; то, что Фред Хойл, сторонник «стационарной» теории, изобразил в карикатурном виде, обозначив этим термином большой взрыв, который, таким образом, стал символом теории расширения Вселенной. Дисциплина радиоастрономии не имеет себе равных в истории астрономии .

В году Джоселин Белл Бернелл обнаружила первый пульсар, но именно его научный руководитель Энтони Хьюиш получил Нобелевскую премию по физике в 1974 году за свой вклад в радиоастрономию, что вызвало споры ( фр ) .

Международное регулирование

Антенна 100 м радиотелескопа Эффельсберг , Германия

Антенна 70 м комплекса связи в глубоком космосе Голдстоуна , Калифорния

Антенна 110 м радиотелескопа Грин Бэнк , США

Радиовспышки Юпитера

Радиоастрономическая служба (также: радиоастрономическая служба радиосвязи ) в соответствии со Статьей 1.58 Регламента радиосвязи (РР) Международного союза электросвязи (МСЭ) определяется как « служба радиосвязи с использованием радиоастрономии». Предметом этой службы радиосвязи является прием радиоволн, передаваемых астрономическими или небесными объектами.

Распределение частот

Распределение радиочастот обеспечивается в соответствии со Статьей 5 Регламента радиосвязи МСЭ (издание 2012 г.).

Для улучшения гармонизации использования спектра большинство распределений услуг, предусмотренных в этом документе, были включены в национальные Таблицы распределения и использования частот, за которые отвечает соответствующая национальная администрация. Распределение может быть первичным, вторичным, эксклюзивным и общим.

первичное размещение: указывается прописными буквами (см. пример ниже)
вторичное размещение: обозначается строчными буквами
исключительное или совместное использование: находится в сфере ответственности администраций

Согласно соответствующему региону МСЭ полосы частот распределяются (первичные или вторичные) радиоастрономической службе следующим образом.

Распределение по услугам
Регион 1	2 регион	Регион 3
13 360–13 410 кГц ФИКСИРОВАННАЯ РАДИОСТРОНОМИЯ
25 550-25 650 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ
37,5–38,25 МГц ФИКСИРОВАННАЯ МОБИЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Радиоастрономия
322–328.6 ИСПРАВЛЕНО МОБИЛЬНАЯ РАДИОАСТРОНОМИЯ
406.1–410 ИСПРАВЛЕНО МОБИЛЬНАЯ, кроме авиационной мобильной РАДИОСТРОНОМИИ
1 400–1 427 СПУТНИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ (пассивный) РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО МЕСТА (пассивное)
1 610,6–1 613,8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ (Земля-космос) РАДИОАСТРОНОМИЯ АЭРОНАВИГАЦИЯ РАДИОНАВИГАЦИЯ	1 610,6–1 613,8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ (Земля-космос) РАДИОАСТРОНОМИЯ АЭРОНАВИГАЦИЯ РАДИОНАВИГАЦИЯ РАДИОДЕТЕРМИНАЦИЯ- СПУТНИК (Земля-космос)	1 610,6–1 613,8 МОБИЛЬНО-СПУТНИКОВЫЙ (Земля-космос) РАДИОАСТРОНОМИЯ АЭРОНАВИГАЦИЯ РАДИОНАВИГАЦИЯ Радиоопределение спутник (Земля-космос)
10,6–10,68 ГГц РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие службы
10,68-10,7 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ и другие услуги
14.47-14.5 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ и другие услуги
15,35-15,4 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ и другие услуги
22,21-22,5 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ и другие услуги
23.6–24 РАДИОАСТРОНОМИЯ и другие услуги
31,3-31,5 РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКИХ и другие услуги

Обзоры

К началу 1950-х физики в Великобритании и Австралии уже составляли обзоры радионеба, используя методику радиоинтерферометрии. В телескопе Ребера была всего одна тарелка и один детектор, как зеркало в оптическом рефлекторном телескопе, а в радиоинтерферометрах детекторов много, и они распределены на большем расстоянии. Такое распределение равноценно применению большого зеркала, но, совмещая сигналы от многих детекторов, астрономам удается отобразить области неба детальнее, чем с одной большой тарелкой. Такой подход к сбору данных идеален для обзоров. При помощи радиоинтерферометра в Кембридже британские астрономы Энтони Хьюиш и Мартин Райл начали серию обзоров самых ярких радиоисточников в северном небе на частоте 159 МГц. Вслед за двумя предыдущими публикациями их итоговый третий Кембриджский обзор, или ЗС, — первый обзор удовлетворительного качества — был опубликован в 1959 году. Более ранние версии изобиловали недочетами калибровки, и их сомнительная достоверность привела к столкновениям с австралийскими астрономами, параллельно составлявшими обзоры южного неба. Между 1954 и 1957 годами Бернард Миллс, Эрик Хилл и Брюс Сли, применив крестообразный телескоп Миллса в Новом Южном Уэльсе, записали и опубликовали список более 2000 радиоисточников. К моменту публикации 3C споры между учеными разрешились, и радионебо было открыто к исследованиям в обоих полушариях.

Радиотелескоп Ребера

Энтони Хьюиш

Мартин Райл

Следующий вопрос — природа радиоисточников: ученые искали оптические спектры. Но поскольку расположение источников радиоволн было известно лишь приблизительно, оказалось трудно понять, какая звезда или галактика соответствует какому сигналу. Но источники постепенно выдавали свои секреты. Помимо центра Млечного Пути, некоторые из ярчайших источников — необычные объекты в нашей Галактике. Например, Кассиопея А и Крабовидная туманность — остатки сверхновых, газовые оболочки, раскиданные катастрофическим взрывом умирающей звезды, последняя — с пульсаром в центре.

Крабовидная туманность

Радиочастоты, выделенные радиоастрономии

Полосы, предназначенные для радиоастрономии, имеют определенные назначения для использования этой радиоастрономической службой.

Эти радиоокна обеспечивают доступ к различным небесным телам, потому что распределение полос частот защищает от помех со стороны других служб.

МСЭ полосы	Виды наблюдения
От 13,36 МГц до 13,41 МГц	Солнце, Юпитер
От 25,55 МГц до 25,67 МГц	Солнце, Юпитер
От 37,5 МГц до 38,25 МГц	Юпитер
От 73 МГц до 74,6 МГц	солнце
От 150,05 МГц до 153 МГц	Континуум, пульсар, Солнце
От 322 МГц до 328,6 МГц	Континуум, дейтерий
От 406,1 МГц до 410 МГц	Континуум
От 608 МГц до 614 МГц	РСДБ
От 1330 МГц до 1400 МГц	Линия HI с красным смещением
От 1400 МГц до 1427 МГц	Линия HI
От 1610,6 МГц до 1613,8 МГц	Линии OH
От 1660 МГц до 1670 МГц	Линии OH
От 1718,8 МГц до 1722,2 МГц	Линии OH
От 2655 МГц до 2700 МГц	Континуум, HII
От 3100 МГц до 3400 МГц	Линии CH
От 4800 МГц до 5000 МГц	Линии VLBI, HII, H ₂ CO и HCOH
От 6650 МГц до 6675,2 МГц	СН ₃ ОН, РСДБ
От 10,60 ГГц до 10,70 ГГц	Квазар, линии H ₂ CO, континуум
От 14,47 ГГц до 14,50 ГГц	Квазар, линии H ₂ CO, континуум
От 15,35 ГГц до 15,40 ГГц	Квазар, линии H ₂ CO, континуум
От 22,01 ГГц до 22,21 ГГц	Линия H ₂ O с красным смещением
От 22,21 ГГц до 22,5 ГГц	Н ₂ линии вывода
От 22,81 ГГц до 22,86 ГГц	NH ₃, HCOOCH _{3 линии}
От 23,07 ГГц до 23,12 ГГц	NH _{3 линии}
От 23,6 ГГц до 24,0 ГГц	_Линия NH ₃, Continuum
От 31,3 ГГц до 31,8 ГГц	Континуум
От 36,43 ГГц до 36,5 ГГц	Линии HC ₃ N, OH
От 42,5 ГГц до 43,5 ГГц	Линия SiO
От 47,2 ГГц до 50,2 ГГц	Линии CS, H ₂ CO, CH ₃ OH, OCS
От 51,4 ГГц до 59 ГГц
От 76 ГГц до 116 ГГц	Континуум, молекулярные линии
От 123 ГГц до 158,5 ГГц	Линии H ₂ CO, DCN, H ₂ CO, CS
От 164 ГГц до 167 ГГц	Континуум
От 168 ГГц до 185 ГГц	H ₂ O, O ₃, несколько линий
От 191,8 ГГц до 231,5 ГГц	Городская линия на 230,5 ГГц
От 241 ГГц до 275 ГГц	C ₂ H, HCN, HCO + линии
От 275 ГГц до 1000 ГГц	Континуум, Молекулярные линии

Цели миссии

«Радиоастрон» часто сравнивают с американским хабблом, и отмечается, что он гораздо мощнее и зорче, чем американский соперник. Кроме того, «Радиоастрон» работает вместе с мощными наземными телескопами. Всё это обеспечивает уже вышеуказанную цель – исследование астрономических объектов, которые изучаются современной астрономией, а именно:

Подробное изучение «черных дыр»;
Поиск так называемых «кротоновых нор» в другие миры;
Составление наиболее точного прогноза «космической погоды»;
Исследование турбулентности;
Изучение процессов ускорения частиц в космосе;
Изучение процесса звездообразования;
Изучение межзвёздной и межпланетной плазмы;
Изучение мазеров и мегамазеров;
Астрометрические исследования;
Проблема «SETI»;
Гравиметрические исследования.

Наша галактика взгляд со стороны

Результаты работы «Радиоастрона» за 2011-2013 года

Начальные работы были по проведению тестирования системы, проверяли, на что способен аппарат и на наличие возможных неисправностей, а также посылались и принимались первые сигналы между телескопами на земле и в космосе.

В июле 2011 года одной из важных целей «Радиоастрона» стало изучение активных галактических ядер, в том числе ядра BL Ящерицы. Кроме того, под изучение попали такие известные созвездия как Жирафа, Рака, Гидры и др. Это важные объекты с точки зрения астрономии. По-другому они называются квазарами. Прежде всего, что такое активное галактическое ядро или квазар? Это особенно яркое ядро в центре галактики. Источник света точно так и не установлен учеными, они предполагают, что это может быть поглощение материи сверхмассивной черной дырой. Благодаря этим исследованиям ученые планируют составить каталог галактик.

Кроме этого к декабрю 2011 учёные смогли рассмотреть так называемую ножку «джета», которая извергается из горячей плазмы и выбрасывается черной дырой со скоростью близкой к скорости света, а также измерили размер её толщины и изучили некоторые физические свойства.

Эти исследования и исследования с земных радиотелескопов позволяют ученым понять, как образуются джеты рядом со сверхмассивными черными дырами, и какое влияние оказывают на существование родных им галактик.

Еще одним важным результатом деятельности «Радиоастрона» стало изучение «звездных яслей», которые расположены в созвездии «Цефея», а также изучили вспышки излучения этого региона с высочайшим разрешением.

В первой половине 2013 года получены новые результаты. Важным стало то, что этот проект стал самым зорким глазом за всю астрономическую историю. Астрономы смогли добиться высочайшего углового разрешения (40 микросекунд дуги). Были зарегистрированы сигналы от дальних карликовых галактик до 20 диаметров Земли.

Благодаря изучению учеными межзвездной плазмы, полностью изменилось понимание её структуры. Следующим результатом, благодаря которому учёные смогут понять, как образуются массивные звезды, стало обнаружение мазерного излучения воды от «водяного» облака.

Еще одно достижение проекта – это изучение нейтронных звёзд, так называемых пульсаров. К июлю 2013 года было открыто 2267 пульсаров. Пульсары используются для того, чтобы просвечивать межзвёздную среду и, тем самым изучая её свойства. Ученые работают над возможностью использования межзвездной плазмы как интерферометр. Если астрономам удастся это сделать, то будет достигнуто разрешение такое, при котором тарелка была бы размером с Солнечную систему (10 млрд. км). Для сравнения «Радиоастрон» — 10 м.

Радиоинтерферометр «Радиоастрон»

«Радиоастрон» на современном этапе

В июне 2013 года закончилась ранняя научная программа и положено начало новой, так называемой открытой ключевой научной программе. «Радиоастрон» работает вместе с ведущими мировыми радиотелескопами, поэтому все международное сообщество может подать заявку на участие в проекте.

Согласно программе выделяются следующие приоритетные направления работы:

Изучение квазаров;
Составление карт джетов галактик;
Изучение пульсаров;
Изучение областей, в которых формируются звёзды.

А в ноябре 2013 «Радиоастрон» совершил юбилейный 100-й виток вокруг Земли. Таким образом, мы смело можем назвать Интерферометр «Радиоастрон» — интерферометром будущего. Поскольку за его недолгую работу он сумел сделать значительные достижения в астрономической науке, которая значительно шагнула вперёд за эти два года.

QWERTY. РАДИОАСТРОН: Гигантский зонтик российской астрономии

Что такое «Радиоастрон»?

«Радиоастрон» – это международный беспилотный космический проект, где ведущая роль принадлежит России. Главной задачей «Радиоастрона» является проведение астрофизических исследований астрономических объектов. Эти исследования проводятся в радиодиапазоне электромагнитного спектра при использовании космического радиотелескопа (КРТ). Это радиотелескоп позволяет изучать астрономические объекты с разрешением, которое может достигать миллионных долей угловой секунды.

КРТ смонтирован на российском «Спектр-Р». Это российский космический аппарат. Его запуск на орбиту произошел 18 июля 2011 года с космодрома Байконур с площадки 54/1 на ракетоносителе «Зенит-3SLБФ». Вся конструкция называется интерферометр и представляет собой огромную систему зеркал, из которых одно установлено в космосе – это и есть запущенный на орбиту космический радиотелескоп, а на земле есть тоже несколько зеркал – это установленные наземные телескопы. При изучении объектов КРТ отражает сам объект на наземные телескопы и так получается сверхточное увеличенное во много раз изображение.

Заглянуть в черную дыру: Радиоастрон и загадки Вселенной

Явление интерференции электромагнитных волн

Следующим шагом в изучении космического пространства стала идея применения явления интерференции электромагнитных волн. Человек с помощью одного глаза видит гораздо хуже, перестает точно определять расстояние до объекта и его размеры. А если бы у человека было 3 глаза и больше? Связанные между собой несколько телескопов позволили увеличить угловое разрешение в несколько миллионов раз. Это позволило точно определять координаты источников радиоволн и сопоставлять их с оптическими наблюдениями.

Одним из наиболее мощных и современных радиоинтерферометров является ALMA – комплекс, включающий в себя 66 антенн разного диаметра и работающий в миллиметровом диапазоне. Этот телескоп изучает процессы, происходившие в первые миллионы лет после образования вселенной, например формирование звезд.

Райл против Хойла

Количество радиоисточников во Вселенной критически важно для теории Большого взрыва. Райл, пламенный лидер группы радиоастрономии в Кембриджском университете, выступил против Фреда Хойла, астронома-харизматика, работавшего через дорогу, в Институте астрономии, и исследовавшего процессы ядерного синтеза, возникновения химических элементов в звездах и Большой взрыв

Во времена до открытия реликтового излучения модель Большого взрыва не принимали — сам Хойл придумал термин «Большой взрыв» в насмешку. Он держался точки зрения о стабильном состоянии Вселенной, считая, что у нее не было начала и она существовала всегда. Он предполагал, что галактики разбросаны по космосу случайным образом и разлетаются бесконечно.

Но Райл нашел доказательства того, что радиоисточники распределены неравномерно: он увидел больше относительно ярких радиоисточников, чем ожидалось бы от случайного распределения. Следовательно, утверждал он, Вселенная должна быть конечна, а модель Большого взрыва верна. Правота Райла была доказана открытием реликтового излучения, хотя двое великих астрономов продолжали спорить. И по сей день эти две исследовательские группы работают независимо друг от друга — из-за той давней вражды.

Поделиться ссылкой

Что нужно знать о радиотелескопах

Радиотелескопы — это просто огромные, чувствительные, широкополосные приемники, в которых используются самые передовые беспроводные технологии. Вы наверняка слышали о радиотелескопах, но знаете ли вы все о том, как они работают, и о некоторых экстремальных беспроводных технологиях, используемых в них?

Большинство людей знают телескопы как оптические приборы для наблюдения за удаленными объектами. Радиотелескоп — это, по сути, то же самое. Но вместо того, чтобы искать свет, он ищет радиоволны. Сегодня с помощью оптического телескопа мы можем увидеть, казалось бы, бесконечное количество звезд, планет и галактик. Но это еще не все. Мы не можем видеть многие другие вещи в космосе. Причина в том, что пыль и пылевые облака в космосе блокируют большую часть света во Вселенной. Но радиоволны могут проникать как сквозь облака и пыль, так и сквозь атмосферу Земли.

Оказывается, почти все в космосе излучает электромагнитные волны. Как вы помните, электромагнитный спектр начинается с постоянного тока, проходит через диапазон радиоволн, затем переходит в инфракрасный диапазон, за которым следует видимый свет. По мере увеличения частоты и уменьшения длины волны начинаются ультрафиолетовые волны, за которыми следуют рентгеновские лучи, гамма-лучи и т.д. Радиоволны можно рассматривать как свет очень низкой частоты. Или представьте свет как радиоволны сверхвысокой частоты.

Инфракрасные волны создаются под воздействием тепла. Любой объект, выделяющий тепло при температуре выше абсолютного нуля (-273 °C), излучает радиоволны. Звезды, планеты, ионизированные газы и галактики излучают радиоволны. Сигналы очень слабые, потому что они достигают нас с большого расстояния. Даже при скорости света 300 миллионов метров в секунду далеким космическим сигналам требуются годы, чтобы достичь нас. Но если мы сможем создать достаточно чувствительный приемник, мы сможем собирать их, изучать и пытаться понять, что происходило в космосе в прошлом.

Первые радиотелескопы

Начало — Карл Янский

Реплика Янского радиотелескопа

История радиотелескопов началась в 1931 году с экспериментов Карла Янского в Bell Telephone Labs. Он построил вертикально поляризованную, однонаправленную антенну Bruce Web для изучения направления прихода антенных помех. Размеры конструкции составляли 30,5 метра в длину и 3,7 метра в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 м (20,5 МГц). Антенна была подключена к чувствительному приемнику, выход которого представлял собой самописец с большой постоянной времени.

Запись передач, полученных Янским 24 февраля 1932 года. Максимумы (стрелки) повторяются через 20 минут; — Продолжительность одного полного оборота антенны.

В декабре 1932 года Янский уже сообщал о первых результатах, полученных с помощью своей схемы. В статье сообщалось об обнаружении «… непрерывного свиста неизвестного происхождения». который «… трудно отделить от шума, вызванного звуками самого аппарата». Направление падения шума постепенно меняется в течение дня и совершает полный оборот за 24 часа». В своих следующих двух публикациях, в октябре 1933 и октябре 1935 года, Карл Янский постепенно приходит к выводу, что источником его новых помех является центральная область нашей галактики. И наибольший резонанс достигается, когда антенна направлена на центр Млечного Пути.

Янский знал, что прогресс в радиоастрономии потребует больших антенн с более четкими диаграммами направленности, которые можно будет легко направлять в разные стороны. Он предложил конструкцию параболической антенны с зеркалом диаметром 30,5 метров для работы на метровых волнах. Однако его предложение не было поддержано в США.

Второе рождение — Гроут Ребер

Радиотелескоп Groot Reber Meridian

В 1937 году Гроте Ребер, радиотехник из Уитона (США, штат Иллинойс), заинтересовался работой Янского и построил в саду своих родителей параболическую антенну диаметром 9,5 метров. Эта антенна имела меридиональную подвеску, то есть могла управляться только углом возвышения, а изменение положения лепестка диаграммы при прямом восхождении достигалось за счет вращения Земли. Антенна Ребера была меньше антенны Янского, но работала на более коротких длинах волн и имела гораздо более четкую диаграмму направленности излучения. Луч Ребера имел коническую форму и ширину 12° в плоскости половинной мощности, а луч Янского был веерообразным и шириной 30° в плоскости половинной мощности в самом узком сечении.

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

Радиокарта неба, составленная Грутом Ребером в 1944 году.

Ребер усовершенствовал свое оборудование, провел систематическую съемку неба и опубликовал первые радиокарты неба на высоте 1,87 м в 1944 году. На картах четко видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в Стрельце, Cygnus A, Cassiopeia A, Большом Псе и Корме. Карты Ребера довольно хороши для метровых длин волн, даже по сравнению с современными картами.

Космические источники радиоволн

Если астрономы говорят о радиоволнах, то имеют в виду электромагнитные излучения от субмиллиметрового до метрового (и даже километрового) диапазонов. Они имеют несколько источников:1. Неполяризованное тепловое излучение, возникающее за счет хаотического движения заряженных частиц. Оно позволяет обнаружить очень холодные космические газовые облака, в основном состоящие из нейтральных молекул водорода и моноокиси углерода. Их размеры достигают тысяч световых лет, а масса — миллионов солнечных масс. При типичной температуре 10 К максимум их теплового излучения приходится на длину волны 0,5 миллиметра. Спектр теплового излучения не столь замороженных объектов (в частности, горячих и потому ионизированных газовых облаков, окружающих молодые звезды) сдвинут в сторону более коротких волн, поэтому его максимум уже не лежит в радиодиапазоне. Тем не менее, он имеет длинноволновый хвост, так что тепловые радиоволны излучаются даже звездами, в том числе и нашим Солнцем.2. Поляризованное магнитотормозное излучение, обусловленное спиральным движением свободных ионов, протонов и электронов в магнитных полях космического пространства. Если скорости частиц много меньше световой, такое излучение называют циклотронным, если близки к световой — синхротронным (именно оно преобладает в этом типе космических радиоволн). Циклотронное излучение направлено во все стороны, в то время как синхротронное распространяется узким пучком вдоль мгновенной скорости частицы. Яркость теплового излучения уменьшается по мере увеличения длины волны, в то время как яркость синхротронного возрастает.3. Излучение плазменных волн, рожденных в атмосферах звезд и планет (обычно при участии магнитных полей). К примеру, Юпитер помимо теплового радиоизлучения выдает всплески поляризованных радиоволн, генерируемых движением заряженных частиц в верхних слоях атмосферы. Источником таких радиоволн служит и солнечная плазма.4. Излучение, обусловленное взаимодействием спиновых магнитных моментов ядра и электрона в атомах водорода. В соответствии с правилами квантовой механики, эти моменты могут быть параллельными или антипараллелными, причем в первом случае энергия атома больше, нежели во втором. При переходе электрона из первого состояния во второе рождается квант с частотой 1420,4 МГц, что соответствует длине волны 21,1 см (правда, спектральные линии всегда несколько размыты из-за допплеровского уширения, вызванного движением атомов). В 1944 году существование такого излучения предсказал аспирант Утрехтского университета Хендрик ван де Хулст; спустя семь лет его зарегистрировали одновременно в Австралии, Голландии и США. Радиоастрономы наблюдают также излучения водородных и прочих нейтральных атомов, обусловленные иными электронными переходами.5. Излучение, которое возникает при квантовых переходах между внутренними состояниями молекул космических газов и обычно лежит в сантиметровой и миллиметровой зонах (сейчас известно около полутора сотен таких молекул, и с каждым годом их становится больше и больше). Сюда же относится и открытое в 1965 году излучение космических мазеров. Оно возникает, если молекулы в очень плотных газовых облаках поглощают звездное излучение (в основном, инфракрасное) и переходят в состояния с повышенной энергией. Резонансное излучение той же частоты, проходя через такую среду, индуцирует массовый переход молекул в нижнее энергетическое состояние — это и есть космический мазер. К настоящему времени известны два вида межзвездных мазеров, водяные и гидроксильные, однако аналогичный эффект зарегистрирован еще для нескольких молекул.6. Реликтовое микроволновое излучение, пронизывающее весь Космос и несущее информацию о Большом Взрыве. В нашу эпоху его спектр соответствует излучению абсолютно черного тела с температурой 2.725 K, так что (в соответствии с формулой Планка) максимум спектральной интенсивности приходится на длину волны 1,9 мм.

Дальнейшее чтение

Журналы

Гарт Вестерхаут (1972). «Ранняя история радиоастрономии». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 189 (1): 211–218. Bibcode1972NYASA.198..211W . DOI10.1111 / j.1749-6632.1972.tb12724.x . S2CID .
Хендрик Кристоффель ван де Хюльст (1945). «Radiostraling uit het wereldruim. II. Herkomst der radiogolven». Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde (на голландском языке). 11 : 210–221.

Книги

Бруно Бертотти (редактор), Современная космология в ретроспективе . Издательство Кембриджского университета 1990.
Джеймс Дж. Кондон и др.: Essential Radio Astronomy. Princeton University Press, Princeton 2016, ISBN .
Робин Майкл Грин, Сферическая астрономия . Издательство Кембриджского университета, 1985.
Раймонд Хейнс, Рослинн Хейнс и Ричард МакГи, Исследователи южного неба: история австралийской астрономии . Издательство Кембриджского университета 1996.
JS Эй, Эволюция радиоастрономии. Академик Нила Уотсона, 1973.
Дэвид Л. Джонси, Радиоастрономия и космология. Спрингер 1977 г.
Роджер Клифтон Дженнисон , Введение в радиоастрономию . 1967 г.
Альбрехт Крюгер, Введение в солнечную радиоастрономию и радиофизику. Springer 1979.
Дэвид П.Д. Маннс, Единое небо: как международное сообщество сформировало радиоастрономическую науку. Кембридж, Массачусетс: MIT Press, 2013.
Аллан А. Ниделл, Наука, холодная война и американское государство: Ллойд В. Беркнер и баланс профессиональных идеалов . Рутледж, 2000.
Джозеф Лэйд Поуси и Рональд Ньюболд Брейсвелл, Радиоастрономия. Кларендон Пресс, 1955.
Кристен Рольфс, Томас Л. Уилсон, Инструменты радиоастрономии . Спрингер 2003.
DT Wilkinson и PJE Peebles, Serendipitous Discoveries in Radio Astronomy. Грин Бэнк, Западная Вирджиния: Национальная радиоастрономическая обсерватория, 1983.
Вудрафф Т. Салливан III, Ранние годы радиоастрономии: размышления через пятьдесят лет после открытия Янского. Кембридж, Англия: Издательство Кембриджского университета, 1984.
Вудрафф Т. Салливан III, Космический шум: история ранней радиоастрономии. Издательство Кембриджского университета, 2009.
Вудрафф Т. Салливан III, Классика радиоастрономии . Издательство Reidel, Дордрехт, 1982.

Что такое радиоволна?

Свет состоит из крошечных частиц, называемых “фотонами», которые могут одновременно вести себя и как частица, и как волна. В видимом свете фотоны обладают средним количеством энергии, но когда энергии становится больше, они превращаются в ультрафиолетовое излучение, увидеть которое мы не можем, а вот получить солнечный ожог – запросто. С большей энергией фотоны превращаются в рентгеновские лучи, которые проходят прямо через нас. Но если энергии становится еще больше, они превращаются в гамма-лучи, которые исходят от взрывающихся звезд.

Радиоастрономия подарила миру наиболее подробную карту Вселенной.

В тех случаях, когда у фотонов энергии немного, ученые говорят об инфракрасном излучении, которое мы ощущаем как тепло, а фотоны с наименьшей энергией исследователи называют «радиоволнами». Интересно, что радиоволны исходят из очень странных мест в космосе – самых холодных и далеких галактик и звезд. Они рассказывают нам о тех уголках Вселенной, о существовании которых мы даже не догадывались бы, если бы пользовались глазами или телескопами, которые воспринимают только видимый световой спектр.