Современные возможности космонавтики и радиоастрономии для связи с другими цивилизациями кратко

Обновлено: 05.07.2024

Данная контрольная работа посвящена радиоастрономии – науке, которая, несмотря на свой юный возраст, навсегда изменила человеческое представление о Вселенной, изменила технический облик астрономии, превратив ее в высокотехнологическую, высокотехническую науку, мобилизующую все самые значительные достижения радиотехники, радиофизики и даже, можно сказать, технических областей физики в целом.

Содержание работы

Содержимое работы - 1 файл

Контрольная.doc

4 Возможности современной радиоастрономии

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.

6 Будущее радиоастрономии

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.

Радиоастрономия, как и любая наука, не стоит на месте – еще много загадочных объектов и явлений во Вселенной ждут своего открытия, а человечество ждет новых технологий, способных улучшить жизнь.

1. Энциклопедия для детей. Т.8. Астрономия. – 2-е изд., Э68 испр. /Глав. Ред. М.Д. Аксенова. – Аванта+, 2001. – 688 с.: ил.

Наблюдательная астрономия прошла большой путь с того времени, когда Галилео Галилей увидел Солнечную систему в первый в мире телескоп. С тех пор понимание человеком космоса постоянно развивается. Чем больше информации человечество получает из космоса, тем больше вопросов возникает об устройстве вселенной. Для разрешения этих вопросов непрерывно совершенствуются инструменты наблюдения. В результате этих процессов в первой половине двадцатого века возникло новое направление в науке о космосе – радиоастрономия.

Радиотелескоп

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.

Развитие радиоастрономии

Темпы развития радиоастрономии ограничиваются не только размерами телескопов, но и уровнем технологий обработки и передачи информации. К счастью, интенсивный рост производственных возможностей современной вычислительной техники позволяет преодолеть эту проблему. Так, уже в 2019 году будет построен колоссальный радиоинтерферометр SKA.

Собирающая поверхность этого телескопа превысит квадратный километр. Это будет достигнуто за счет того, что антенны этого телескопа разнесены на расстояние около 3000 км. Часть антенн будет размещена в ЮАР, часть в Австралии, часть в Новой Зеландии. СКА будет иметь чувствительность в 50 раз выше, чем у других ныне работающих телескопов. Сверхдлинные линии связи этого телескопа должны иметь пропускную способность выше, чем весь современный интернет-трафик, а для обработки информации потребуется суперкомпьютер. В июле 2016 года австралийская часть СКА была введена в строй и в первый сеанс работы открыла тысячи неизвестных галактик.

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.

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.

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.

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.

Atacama Large Millimeter Array (ALMA). Credit: ESO

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.

Использование всех текстовых материалов без изменений разрешается только с активной гиперссылкой на издание Ин-Спейс. Все аудиовизуальные произведения являются собственностью своих авторов и правообладателей и используются только в образовательных и информационных целях.

Как и их оптические предшественники, радиотелескопы появились на свет в результате совмещения изобретательности, любопытства и просто везения. Но разница все же имелась. В конце XIX века несколько известных ученых безуспешно пытались поймать космические радиосигналы. Но первая удача много позже выпала на долю рядового инженера, который сначала вовсе и не думал о небесных явлениях.

С момента появления телескопа в 1609 году более трехсот лет исследователи небес пользовались приборами, действующими лишь в видимой части электромагнитного спектра, обрамленной узкими участками ультрафио-летового и инфракрасного излучения. Только в 1930-х годах появились инструменты, способные регистрировать космические сигналы в метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах. Так родилась новая ветвь космической науки — радиоастрономия.

У истоков

В судьбоносный день 1886 года 29-летний профессор экспериментальной физики Технического института Карлсруэ Генрих Рудольф Герц в присутствии жены готовил в затемненной аудитории демонстрацию эксперимента по прохождению импульсного тока через открытый колебательный контур. Закончив сборку, он включил индукционный генератор, чтобы полюбоваться красивым искровым разрядом. Случилось так, что рядом лежало медное незамкнутое кольцо с острием на одном конце и шариком на другом. Либо сам Герц, либо его молодая супруга заметили, что искра одновременно проскочила как в контуре, так и внутри этой щели.

Позднее историки науки выяснили, что до Герца это явление наблюдали по крайней мере пятеро физиков. Однако лишь он так заинтересовался загадочным эффектом, что приступил к его исследованию. В результате Герц пришел к выводу, что экспериментально получил электромагнитные волны, предсказанные в начале 1860-х создателем классической электродинамики Джеймсом Максвеллом.

Окна прозрачности (см. врезку "Атмосферные окна") обусловлены взаимодействием электромагнитного излучения различных длин волн с различными слоями атмосферы. Рентгеновское и гамма-излучение доходит только до высот 30-40 км, а основная часть УФ-диапазона поглощается озоновым слоем на высоте около 30 км. Первое узкое окно прозрачности пропускает видимый свет с примыкающими к нему УФ и ближним ИК, в котором у атмосферы есть несколько узких окон, обусловленных механизмами поглощения излучения молекулами воды и углекислого газа. Большая часть ИК-диапазона поглощается содержащимися в нижних слоях атмосферы водяным паром, углекислым газом и кислородом. Затем на шкале длин волн от 1 см до 30 м следует широкое радиопрозрачное окно. Более длинные радиоволны отражаются ионосферой.

В 1897—1900 годах поисками солнечного радиоизлучения занимался в Ливерпуле известный английский физик Оливер Лодж. Детектор Лоджа в принципе мог воспринимать проходящее через ионосферу сантиметровое излучение. Однако чувствительность прибора была невысока, и к тому же он был недостаточно защищен от электрических помех. Ничего не удалось и немецким астрофизикам Иоганну Вилсингу и Юлиусу Шейнеру, которые тоже охотились за солнечными радиоволнами. Наконец, ими интересовался Гульельмо Маркони — и тоже безрезультатно.

В XX столетии поиск космических радиосигналов полностью прекратился. Возможно, это случилось потому, что в конце 1900 года Макс Планк обнародовал знаменитую формулу, описывающую спектр абсолютно черного тела. В соответствии с формулой Планка радиоизлучение нагретой примерно до 6000 К поверхности Солнца даже в сантиметровом диапазоне (не говоря о волнах большей длины) столь слабо, что его нельзя обнаружить с помощью существовавших приборов. Правда, этот вывод относится исключительно к тепловому радиоизлучению, однако прочие механизмы генерации космических радиоволн в те времена просто не рассматривались. В общем, по той или иной причине радиоастрономия тогда так и не состоялась.

Телефонист

В 1930 году Янский нашел два очевидных и предсказуемых источника помех — близкие и дальние грозы. Но в его наушниках постоянно слышалось слабое шипение, причина которого не поддавалась объяснению. К 1932 году Янский обнаружил, что загадочные помехи изменяются с периодичностью звездных суток (23 часа 56 минут) и, следовательно, возникают за пределами Солнечной системы. В дальнейшем выяснилось, что излучение приходит из Млечного Пути — иными словами, из плоскости нашей Галактики.

Тем не менее дело Янского не пропало. На его работы обратили внимание физик из Мичиганского университета Джон Краус и молодой радиоинженер Гроут Ребер. Первый уже в 1933 году соорудил небольшой радиотелескоп с отражающей антенной, но не смог ничего поймать из-за низкой чувствительности приемника. После Второй мировой он основал радиоастрономическую обсерваторию при Университете Огайо и написал ставший классическим учебник по новой науке. А Ребер в 1937 году построил на пустыре рядом с родительским домом первый в мире радиотелескоп с поворотной параболической антенной, приступил к регулярным наблюдениям и в 1942 году опубликовал карту радионеба Северного полушария. В том же 1942 году англичанин Джеймс Хей поймал солнечные радиосигналы; в 1942—1943 годах радионаблюдения Солнца вели Ребер и Джеральд Саутворт, известный американский радиоинженер, изобретатель волновода. Тогда же разработчики немецких радаров заметили отражение радиоволн от поверхности Луны, о чем стало известно лишь после войны.

Становление науки

Земная атмосфера пропускает из космоса отнюдь не любые электромагнитные излучения. Она прозрачна для волн длиной от 300 до 1500 нм – это весь оптический диапазон с прилежащими участками ультрафиолета и ближнего инфракрасного диапазона (в горных районах с сухим климатом инфракрасное окно шире). В атмосфере есть еще одна зона прозрачности, вмещающая волны длиной от 1 см до 30 м. Волны большей длины либо отражаются, либо задерживаются ионосферой, в то время как миллиметровые и субмиллиметровые волны поглощаются атмосферой (но в этом диапазоне есть несколько узких окон, например, вблизи 8 мм, сквозь которые может заглянуть радиотелескоп). Все прочие излучения возможно зарегистрировать либо в очень сухих высокогорных зонах вроде чилийской пустыни Атакама (там хорошо регистрируются волны с длинами вплоть до 0,3 мм), либо со стратостата, либо из космоса.

Вот лишь один пример, демонстрирующий ее прогресс. Самый крупный оптический телескоп середины XX века, 200-дюймовый рефлектор Паломарской обсерватории, при оптимальных атмосферных условиях обеспечивал угловое разрешение порядка 0,5 угловой секунды (в наши дни благодаря адаптивной оптике и цифровой видеоаппаратуре его разрешение почти достигло теоретического предела в 0,02 с). Работающая на принципе оптического интерферометра телескопическая система Южной Европейской обсерватории дает разрешение в 1 мс — в 500 раз лучше. Теперь посмотрим, как выросли наблюдательные возможности радиоастрономии. Некогда крупнейший в мире Транзитный телескоп британской обсерватории Джодрелл Бэнк (введен в действие в 1947 году, диаметр параболической антенны 66 м) позволил добиться рекордного по тому времени разрешения в 1 градус. Действующая с мая 1993 года американская сеть из десяти интегрированных радиотелескопов Very Long Baseline Array (восемь антенн на континентальной территории США, одна на Гавайях и одна на карибском острове Сен-Круа) дает разрешение вплоть до 0,0002 угловой секунды. То есть разрешающая способность радиотелескопов выросла в 18 млн раз! И это без учета прогресса приборного оснащения радиотелескопов и компьютеризации их работы, начало которой пришлось на 1960-е. А в скором времени появятся совершенно фантастические системы, соединяющие межконтинентальные сети наземных радиотелескопов с радиоаппаратурой на космических платформах. По расчетам, предел разрешения таких наземно-космических радиоинтерферометров дойдет до десятимиллионных (или даже стомиллионных!) долей секунды.

Гроут Ребер (1911-2002) родился и вырос в Уитоне, пригороде Чикаго. В 1933 году он получил в Арморовском технологическом институте степень радиоинженера и тогда же заинтересовался открытием Карла Янского. В свободное от работы время он на собственные средства строил радиотелескоп во дворе собственного дома. В 1937 году закончил и запустил первый в мире радиотелескоп с поворотной параболической антенной диаметром 9,5 метров. Работая по ночам (днем ему мешали искровые разряды автомобильных свечей зажигания), он в 1938 году принял первые космические радиосигналы из нашей галактики – Млечного пути – в частотном диапазоне 160 МГц. Несколько лет он занимался регулярными наблюдениями, и в начале 1940-х годов опубликовал первую карту неба Северного полушария в радиодиапазоне. Позднее телескоп Ребера был передан Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк, Западная Вирджиния, где он находится и в настоящее время – уже в качестве музейного экспоната. С конца 1950-х и до самой смерти 20 декабря 2002 года Ребер жил и работал в Тасмании, географическое расположение и климат которой благоприятны для длинноволновой радиоастрономии.

От прошлого к будущему

17 радиотелескопов, расположенных по всему миру, способны работать в режиме реального времени как единый радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (e-VLBI, electronic Very Long Baseline Interferometry).

Читайте также: