Реферат на тему радиотелескопы
Обновлено: 05.07.2024
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.
Но это если сложно, но зачем нам сложные научные слова? Если говорить простым языком, то это огромная тарелка(как та, которая стоит на домах у кого подключено спутниковое телевидение), которая способна ловить даже слабые радиосигналы. Это помогает учёным находить нейтронные звёзды, ведь они коллапсируют и издают радиоволны, которые и попадаются в радиотелескопы.
История.
Но какая же история у таких огромных антенн. Как и многие другие открытия, космические радиоволны были открыты случайно. В 1932 г. Карл Янский, при изучении атмосферных помех, обнаружил помехи неизвестного происхождения, повторявшиеся каждые звездные сутки, источник этих помех – Млечный Путь. Это открытие получило развитие позже, когда в 1937 году Грот Рёбер сделал первый параболический радиотелескоп диаметром 9,5 метров во дворе своего дома, так началась история радиоастрономии на Земле. С помощью радиотелескопа он смог составить радиокарту небосвода, которая была опубликована в астрономическом журнале, это положило начало более глубокого изучения космических радиоволн и строительства больших радиотелескопов.
Радиоастрономия получила бурное развитие с освоением космоса людьми. В 1957 году в космос был запущен первый искусственный спутник (в этом году как раз состоялся юбилей – 60 лет с момента запуска спутника), связь с ним должна была поддерживаться через радиоволны.
Со временем антенны радиотелескопов становились больше. Чтобы получать более качественный прием, телескопы ставят в "радиотихие" места, например, в долины, подальше от цивилизации, чтобы минимизировать радиопомехи земного происхождения. Если радиотелескоп получает коротковолновые излучения, такие телескопы устанавливают на вершинах гор, так как там меньше влаги, которая поглощает излучение. Также используют сложение сигналов нескольких телескопов – интерферометры, это позволяет добиться высокой чувствительности к радиоволнам, ведь сила радиоизлучения очень слабая. Радиотелескопы не получают изображение, мы получаем размытую картинку с областями излучения, которые передают невидимые объекты. С помощью радиоастрономии можно заглянуть внутрь пылевых облаков, были открыты несколько новых классов астрономических объектов, например, пульсары, квазары, радиогалактики, которые недоступны для наблюдений в оптическом диапазоне, стала общепринятой теория Большого взрыва. Радиотелескопы одновременно являются приемниками сигнала и передатчиками, через крупнейший радиотелескоп в Пуэрто-Рико были впервые переданы сигналы внеземным цивилизациям. Кто знает, может быть спустя некоторое время мы получим ответ на наше послание.
Так как вывод радиотелескопов в космос и на другие космические объекты является очень дорогостоящей процедурой, а атмосфера Земли не препятствует получению радиоизлучения из космоса, наибольшее распространение они получили именно на Земле. В космос чаще выводятся телескопы, которые не могут принимать излучение на Земле в силу препятствия атмосферы и помех Земли. К ним относятся, например, телескопы, принимающие гамма-лучи, рентгеновское излучение.
3 рекордсмена по величине радиотелескопа.
1. Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (FAST).
FAST - крупнейшая космическая обсерватория, находящаяся в юго-восточной провинции Гуанчжоу (Китай). Представляет собой тарелку диаметром 500 м, которая состоит из 4450 треугольных алюминиевых панелей. Расположена в горах, в естественном карстовом углублении. На строительство телескопа потребовалось 5 лет, бюджет составил $180 млн.
В настоящий момент задачей телескопа является поиск экзопланет, расположенных на расстоянии 100 световых лет от Солнца и обладающих магнитным полем. Благодаря высокой чувствительности FAST может регистрировать слабое радиоизлучение, которое генерируется заряженными частицами в магнитосфере и ионосфере планеты или в ходе взаимодействия экзопланеты с ее спутником или звездой. Кстати, факт наличия у открытых планет магнитного поля считается одним из аргументов в пользу ее потенциальной обитаемости.
Характеристики: частота работы - 70 МГц-3 ГГц; Собирающая площадь - 70000 м3; Длина волн - 0,3-5,1 ГГц; Фокусное расстояние - 140 м.
2. Телескоп астрономической обсерватория Аресибо.
Он также входит в число крупнейших - его диаметр 305 метров, а глубина зеркала – 50,9 м. Расположена в Пуэрто-Рико на высоте 497 метров над уровнем моря. Рефлектор покрыт 38778 алюминиевыми пластинами размером 1x2 метра. Над зеркалом телескопа, который находится в естественном углублении, подвешен облучатель, перемещающийся в необходимую позицию с помощью тросов. В настоящее время, телескоп используется для исследований в области радиоастрономии, физики атмосферы и радиолокационных наблюдений объектов Солнечной системы.
Характеристики: частота работы - 50 МГц-10 ГГц; Собирающая площадь - 73000 м² ; Длина волн – 3 см-1м; Фокусное расстояние – 132,5 м.
3. РАТАН-600 (Радиоастрономический Телескоп Академии наук).
РАТАН расположен в Карачаево-Черкесии на высоте 970 м над уровнем моря. Оснащен 576 метровым круговым отражателем, состоящим из 895 прямоугольных элементов размером 11,4*2 м. Отражатель разделён на 4 независимых сектора, каждый площадью 3000 м². Элементы каждого сектора выставляются по параболе, образуя отражающую и фокусирующую полосу антенны.
Радиотелескоп предназначен для исследований объектов ближнего и дальнего космоса: изучение радиоизлучения звезд; исследование тел Солнечной системы; обнаружения искусственных сигналов внеземного происхождения.
Радиотелескоп – прибор, который широко применяется в астрономических исследованиях, для изучения электромагнитного излучения различных астрономических объектов. В устройстве радиотелескопов используют специальные антенны, которые позволяют улавливать частоты от нескольких десятков мегагерц до нескольких десятков гигагерц.
Развитие радиоастрономии (раздел астрономии, который занимается изучением космических радиоволн) и создание первых радиотелескопов обязано американскому радиоинженеру Карлу Янскому. Янский работал радиоинженером в телефонной компании и ему пришлось изучать помехи неизвестного происхождения. Для этой цели инженер собрал особый прибор, который позволял улавливать радиоволны с длинной волны 4000 метров и 14,6 метров. Прибор Янского и был первым радиотелескопом в мире.
Датчики радиотелескопа были установлены на деревянной конструкции, которая размещались на движущейся платформе. С помощью этого прибора инженер смог услышать шумы, свисты и другие помехи. В результате его исследования удалось установить, что помехи исходят из Центра Галактики, то есть из Млечного Пути. Когда Янский направлял датчики прибора на Млечный Путь, то помехи становились отчетливей и сильней. Инженер написал ряд статей на тему космических шумов и их источников, но его труды не заинтересовали ни инженеров, ни астрономов. Только лишь в сороковых годах двадцатого века дело Карла Янского продолжили Г. Ребер, Дж. С. Хей и Дж. Саутуорт.
Принцип работы радиотелескопа во многом сходен с работой оптического телескопа. Радиотелескопы улавливают излучение космических объектов, обрабатывает сигнал и передает его на детектор (монитор), на котором появляется условное изображение объекта. Использование различных улавливающих антенн позволяет астрономам изучать различной природы излучения. Например, одни радиотелескопы настроены только на рентгеновское излучение, другие на тепловое инфракрасное излучение, третьи телескопы улавливают световое излучение, включая инфракрасные и ультрафиолетовые волны.
Антенны представляют собой огромную чашу (иногда металлическую, иногда зеркальную), которая отражает радиоволну и направляет ее на специальный прибор – облучатель – настроенный на определенную длину волны. Таких антенн может быть огромное количество. Некоторые радиотелескопы имеют диаметр в несколько сотен метров, как например трехсотметровый радиотелескоп, установленный на острове Пуэрто-Рико. В России есть радиотелескоп размер которого равен 600 метров.
Космическое радиоизлучение впервые было обнаружено в 1931 г. американским инженером Карлом Янским (1905— 1950) при изучении им атмосферных радиопомех. В апреле 1933 г. Янский установил, что это радиоизлучение исходит от Млечного Пути. В те годы на открытие Янского никто не обратил внимания, кроме американского радиоинженера Гроута Рёбера, который вскоре построил самодельный радиотелескоп диаметром 9,5 м и подтвердил открытие Янским радиоизлучения Млечного Пути. В 1942 г. Рёбер опубликовал первую радиокарту неба, указав на ней расположение радиоисточников, а в 1944 г. сообщил об открытии им радиоизлучения Солнца. И лишь с 1946 г. началось строительство и установка в астрономических обсерваториях радиотелескопов для приема радиоизлучения небесных объектов.
Принцип действия радиотелескопа
Радиотелескопы состоят из антенны и чувствительного радиоприемника с усилителем (радиометра). Доходящее до Земли радиоизлучение подавляющего большинства небесных тел настолько мало, что для его приема необходимы антенны с полезной площадью в тысячи и десятки тысяч квадратных метров. Конструкции антенн весьма разнообразны. Так, сравнительно небольшими антеннами (до 100 м в диаметре) служат металлические вогнутые зеркала, а также каркасы параболической и цилиндрической формы, покрытые металлической сеткой. Они отражают сфокусированные радиоволны на облучатель, и наведенные в нем электрические токи передаются по проводам на усилитель и далее на самопишущие регистрационные приборы. Антенны устанавливаются на колоннах или решетчатых опорах, могут быть направлены на различные участки неба и автоматически поворачиваться за ними. Эти радиотелескопы могут служить и радиолокаторами, направляющими к Луне и планетам мощные импульсы радиосигналов.
Радиотелескоп состоит из антенной системы, радиометра (приемника радиосигнала) и регистратора сигналов. Радиометр – это приемное устройство, с помощью которого измеряют мощность излучения малой интенсивности в диапазоне радиоволн (длины волн от 0,1 мм до 1000 м). Другими словами радиотелескоп принимает наиболее низкочастотное излучение по сравнению с другими приборами, с помощью которых исследуется электромагнитное излучение (например, инфракрасный телескоп, рентгеновский телескоп и т. д.).
Отражатели наиболее крупных радиотелескопов собираются из плоских металлических зеркал, расположенных сплошной полосой параболического сегмента. Такие радиотелескопы неподвижны (стационарны), а их облучатели способны перемещаться в небольших пределах. Однако это не ограничивает возможностей радиотелескопов, так как в суточном вращении неба каждый небесный объект обязательно проходит в поле их обзора, а радиотелескопы способны принимать радиоизлучение в любое время суток. Один из крупнейших стационарных радиотелескопов был изготовлен в Советском Союзе и установлен вблизи станции Зеленчукской Ставропольского края. Его отражатель собран из 900 плоских металлических зеркал размерами 2×7,4 м и имеет вид замкнутого кольца диаметром 600 м.
У крупного стационарного радиотелескопа диаметром 300 м, установленного в Аресибо (Пуэрто-Рико), антенной параболической формы служит кратер потухшего вулкана; кратер забетонирован и сверху покрыт металлическим слоем.
В Китае недавно создали радиотелескоп, получивший название FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope). По диаметру он несколько меньше Российского, размер устройства составляет 500 м, но зато он имеет 4,450 тыс. металлических отражателей, что делает его крупнейшим в мире по общей площади антенн. По своей конструкции он аналогичен обсерватории Аресибо, где для установки конструкции использована естественная природная впадина.
Особенности радиотелескопов
Разрешающая способность радиотелескопов тоже зависит от диаметра их антенн и длины воспринимаемых радиоволн. Однако она всегда ниже, чем у оптических телескопов, так как длина радиоволн значительно больше длины световых волн. Но если два радиотелескопа установлены на значительном расстоянии друг от друга, одновременно воспринимают радиоизлучение одного и того же источника и подают сигналы на общий радиометр, то разрешение резко повышается. Два таких спаренных радиотелескопа называются радиоинтерферометром, а при расстоянии между радиотелескопами в тысячи километров — радиоинтерферометром со сверхдлинной базой. Разрешение такого радиоинтерферометра достигает 0,0001″, т. е. в сотни раз превышает разрешение оптических телескопов.
Радиотелескопы – это просто огромные чувствительные широкополосные приемники, в которых используются некоторые из самых передовых беспроводных технологий. Вы, наверное, слышали о радиотелескопах, но все ли вы знаете о том, как они работают, и о некоторых используемых в них экстремальных радиотехнологиях?
Большинству телескопы известны как оптические инструменты для наблюдения за далекими объектами. По сути, радиотелескоп – это то же самое. Но вместо того, чтобы искать свет, он ищет радиоволны. Сегодня мы с помощью оптического телескопа можем визуально увидеть то, что кажется бесконечным числом звезд, планет и галактик. Но это не все. Множество других вещей в космосе мы увидеть просто не можем. Причина этого заключается в том, что пыль и пылевые облака в космосе блокируют значительное количество света во вселенной. Но радиоволны проникают прямо сквозь облака и пыль, а также через земную атмосферу.
Оказывается, почти все в космосе излучает электромагнитные волны. Как вы помните, электромагнитный спектр начинается от постоянного тока, проходит через радиоволновый диапазон, затем переходит в инфракрасную область, за которой следует видимый свет. По мере увеличения частоты и снижения длины волны, начинаются ультрафиолетовые волны, за которыми следуют рентгеновские лучи, гамма-лучи и так далее. Радиоволны можно считать очень низкочастотным светом. Или считать свет сверхвысокочастотными радиоволнами.
Инфракрасные волны приходят от тепла. Любой объект, который излучает тепло при любой температуре выше абсолютного нуля (–273 °C), излучает радиоволны. Звезды, планеты, ионизированные газы и галактики – все излучают радиоволны. Сигналы очень слабы, так как они достигают нас через огромные расстояния. Даже при скорости света 300,000,000 метров в секунду, для того, чтобы далекие космические сигналы достигли нас, нужны годы. Но если мы сможем построить достаточно чувствительный приемник, мы сможем собрать их, изучить и попытаться понять, что же происходило в космосе в прошлом.
Приемник на основе передовых технологий
Хороший чувствительный приемник начинается с большой антенны. Чтобы преобразовывать эти крошечные сигналы из космоса в поток электронов, который мы можем зарегистрировать и обработать, антенны радиотелескопа должны быть большими, с высоким усилением и узкой диаграммой направленности. Большинство радиотелескопов имеют огромное параболическое зеркало. Поперечник самых больших из них – сто или больше футов.
Размер зеркала, или апертура, определяет коэффициент усиления антенны и ее минимальную полезную частоту. Большие зеркала имеют механические системы для вращения их по азимуту и углу наклона. Большая парабола собирает поступающие волны в сконцентрированный пучок в фокусе, где антенна преобразует слабый сигнал в напряжение, которое можно усилить.
Кстати, единица измерения силы сигнала в радиоастрономии называется янский (Ян), в честь Карла Янского (Karl Jansky), который был первым ученым, обнаружившим радиоволны из космоса. Один янский составляет 10–26 Вт на квадратный метр на герц. Согласитесь, не очень-то мощный сигнал.
Самые современные беспроводные приемники начинаются с малошумящего усилителя (МШУ). Шум является главным врагом слабых радиосигналов, поскольку при слишком высоком уровне он может их полностью маскировать. Несмотря на свое название, МШУ также добавляет шум приемнику. По большей части этот шум является тепловым, вызванным нагревом, который возбуждает атомы и электроны, создающие случайный сигнал. Возможно, вы знаете, что напряжение теплового шума рассчитывается как
T – температура в градусах Кельвина (K), или в градусах Цельсия + 273;
B – ширина в Гц полосы частот, в которой проводятся измерения;
R – активное сопротивление компонента, создающего шум;
k – постоянная Больцмана, или 1.38×10 –23 .
В приемнике радиотелескопа МШУ охлаждается криогенными методами до температуры, близкой к абсолютному нулю (4 K). Внешний интерфейс приемника (МШУ, смеситель и облучатель) помещен в герметичный корпус и охлаждается жидким гелием. Вот это по настоящему малошумящий усилитель!
В усилителях также используются специальные компоненты, такие как транзисторы и интегральные схемы, сделанные из материалов, которые лучше всего работают на частотах дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Среди них гетероструктурные полевые и биполярные транзисторы, а также транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT), изготовленные из арсенида галлия (GaAs) и фосфида индия (InP).
После предварительного усиления сигналов перед детектированием диодом Шоттки их частота понижается в смесителе до более низкой, обычно лежащей в диапазоне от 1 до 10 ГГц. После детектирования сигналы оцифровываются и сохраняются, а затем преобразуются в цветные визуальные изображения, помогающие объяснить их природу. Поскольку удаленные космические сигналы относительно постоянны, их можно наблюдать непрерывно и усреднять для улучшения отношения сигнал/шум.
 | ||
| Радиотелескоп с очень большой антенной системой (VLA) в Нью-Мексико. (Изображение с Wikipedia). | ||
Вполне предсказуемо, что на верхних частотах миллиметрового диапазона получить большой коэффициент усиления трудно. Одно из решений заключалось в исключении усилителя и подаче сигнала антенны непосредственно в смеситель, который смещает сигнал в более низкочастотную область, где проще добиться более низкого шумового усиления. Но с этим связана проблема создания малошумящих смесителей. В настоящее время она была решена с помощью специального устройства, известного как смеситель со структурой сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), нелинейность которого обусловлена квантовым туннелированием между двумя сверхпроводниками.
Раньше в большинстве радиотелескопов использовалась одна огромная параболическая антенна. Она может охватывать широкие диапазоны частот и усилений и обладать узкой диаграммой направленности. В более старых оригинальных разработках приемник располагался в фокальной точке параболы, чтобы получить усиление до того, как добавят шум другие части системы. Сегодня более распространенным является размещение в фокальной точке отражателя, который направляет сигнал в центр тарелки, где можно более надежно установить тяжелый приемный блок с его криогенными компонентами.
Растущая тенденция состоит в том, чтобы делать несколько меньших (менее 25 м) параболических антенн и располагать их в подвижном массиве, чей совокупный выходной сигнал будет таким же, если не мощнее, чем у одной большой параболы. Примером может служить очень большая антенная система (Very Large Array – VLA) в Нью-Мексико. В ней используются 27 парабол диаметром 25 метров каждая. Одним из применений таких составных конструкций является одновременное подключение к приемнику двух или более антенн для реализации интерферометрии – совокупности методов наложения сигналов для улучшения разрешения.
Значительная часть систем радиотелескопа приходится на вычислительную систему. Все полученные сигналы оцифровываются, сохраняются и подвергаются широкому спектру методов глубокой обработки. Вычислительная мощность системы впечатляет, поскольку центральный процессор, ПЛИС или другое устройство должны выполнять преобразования Фурье и другой анализ больших чисел с плавающей точкой. Сообщалось об использовании систем с производительностью до 750 миллиардов операций с плавающей точкой в секунду.
Частоты, представляющие интерес
Из космоса приходят радиосигналы с частотами от нескольких мегагерц до 1 ТГц. Большинство из них находится в диапазоне сотен мегагерц или единиц гигагерц. Некоторые сигналы поступают от источников тепла, но другие излучаются на одной частоте. Первыми были обнаружены сигналы в диапазоне 160 МГц. Основная часть сигналов была найдена на частоте 178 МГц. Мощный нетепловой сигнал исходит от водорода – вселенная заполнена водородом, который излучает очень узкий сигнал на частоте 1420 МГц (21 см). Астрономы выполнили широкомасштабное исследование неба на частоте 5 ГГц. Доступ к некоторым частотам, например, 10.7 ГГц и 15.4 ГГц, ограничен Федеральной комиссией по связи (FCC) и Национальной администрацией по связи и информации США (NTIA). Молекулы аммиака были обнаружены на частоте 22 ГГц. Окись углерода (СО) нашли на частоте 115 ГГц.
Источники космических сигналов могут иметь много частот. Это значит, что хорошие приемники радиотелескопов должны поддерживать широкий диапазон перестраиваемых частот. Для приема сигналов миллиметровых волн разрабатываются новые, более свершенные системы. Технология развивается, приближаясь к частоте 1 ТГц.
Правда о применениях радиотелескопов
Ученые используют радиотелескопы для изучения вселенной с ее огромным количеством звезд (солнц), планет, лун, галактик и странных источников, таких как пульсары, квазары и черные дыры. Астрономы способны измерять частоту сигнала, которая может изменяться, если источник движется по направлению к приемнику или от него. Используя принцип Допплера, они могут делать потрясающие измерения скоростей и расстояний.
Благодаря своей универсальности, большие радиотелескопы, помимо космического картографирования, использовались также и в других проектах. Одним из приложений является слежение за удаленными космическими аппаратами. Они могут использоваться в качестве резервного средства практически в любом виде деятельности, связанной с космосом: исследовании Луны, изучении Марса, связи с шаттлами и космическими станциями, а также для слежения за спутниками. И, конечно же, для поиска внеземного разума.
 | ||
| Гигантский радиотелескоп в Аресибо, Пуэрто-Рико. (Изображение с Wikipedia). | ||
Новые приемники с СИС-смесителями, МШУ на HEMT транзисторах и криогенным охлаждением способны принимать сигналы с частотой, достигающей 950 ГГц, делая радиотелескопы воплощением прорывных технологий. Вероятно, и военные используют некоторые новейшие технологии, о которых мы не знаем. Как бы мы использовали эту технологию, если бы ее можно было перенести в коммерческий сектор? Есть идеи? Как насчет базовой станции сотовой связи с криогенным охлаждением. Подумайте об этом. А с другой стороны, может быть, и не стоит.
Читайте также: