Радиоастрономия: основы и применение радиотелескопов

Радиоастрономия — это область астрономии, которая остается малоизвестной среди любителей астрономии, однако она играет ключевую роль в астрофизике. Давайте подробнее рассмотрим, что она из себя представляет.

Что такое радиоастрономия

Радиоастрономия занимается изучением радиоволн, возникающих в результате излучения различных небесных тел. Большинство объектов во Вселенной излучают электромагнитные волны, и хотя часть этих волн находится в видимом спектре, другие, находящиеся в радиодиапазоне, можно наблюдать с помощью антенн и радиотелескопов.

Основные сведения об электромагнитных волнах

• Частота — это скорость колебаний волны, которая связана с длиной волны.
• Амплитуда волны определяет её мощность.
• Радиоспектр представляет собой график, отображающий мощность сигнала на различных частотах.
• Радиоволны не могут проходить через проводящие материалы.

Что можно наблюдать

В радиоастрономии спектр наблюдаемых объектов очень широк. Наиболее доступным для изучения является Солнце, для чего достаточно простой параболической антенны. Также под постоянным наблюдением находятся планеты, такие как Юпитер и его знаменитое пятно. Эти два объекта регулярно исследуются на радиостанции в Нанси. Кроме того, можно фиксировать отражения наших радаров от метеоров, что называется meteor scatter. Также доступны для наблюдения галактики, туманности, звезды, квазары, пульсары и черные дыры.

Примером радионаблюдений является изучение атома водорода, известного как 21-см линия, излучаемая на частоте 1420 МГц (1,420 ГГц). Это позволяет создавать карты распределения водорода в космосе.

Как происходят наблюдения

Антенны и параболы

Как и в визуальной астрономии, радиоволны отражаются от зеркала и направляются к приемнику. Чем больше зеркало, тем больше мощность захватываемых волн. Зеркало радиотелескопа представляет собой поверхность, отражающую волны, которая может быть выполнена из металла или даже из решетки, действующей как клетка Фарадея. Размер решетки выбирается в зависимости от диапазона частот, которые необходимо принимать. Чем выше частота, тем мельче должны быть ячейки. Также размер антенны варьируется в зависимости от желаемой частоты и чувствительности. Например, моя антенна для meteor scatter — это YAGI на 143.05 МГц, длина которой составляет 2,5 метра; для более низкой частоты её размер увеличился бы.

Сигналы передаются от антенны к приемнику через экранированный коаксиальный кабель, чтобы избежать помех. Существует множество типов антенн, отличающихся конструкцией и материалами. Их размещение и магнитная среда также влияют на функционирование. Крупнейший радиотелескоп в мире находится в Аресибо:

А радиотелескоп в Нанси, расположенный в центре Франции:

Приемники и обработка сигналов

Профессиональные радиотелескопы

Большинство профессиональных радиотелескопов смешивают полученный сигнал с сигналом более низкой частоты, чтобы упростить его анализ. Это необходимо, так как не существует электроники, способной достаточно быстро обрабатывать сигналы очень высокой частоты. Понижение частоты позволяет использовать менее энергоемкую и более доступную электронику. Следует отметить, что речь идет только о приобретении данных, а не о их обработке. Для этой цели используется аналогово-цифровой преобразователь.

Полученные данные передаются в программу, которая обрабатывает их и сохраняет в формате, удобном для анализа, например, в виде изображений или графиков.

Радиотелескопы для любителей

Для любителей наиболее простым решением является использование USB-приемника. В последние годы появились доступные устройства RTLSDR, которые стоят около 30 евро и позволяют наблюдать за определенным диапазоном частот. Однако их основным недостатком является низкая скорость сбора данных. Моя система для meteor scatter использует RTLSDR, который захватывает данные каждые 0,5 секунды, что значительно медленнее по сравнению с профессиональными установками. В будущем я планирую модернизировать свою систему, как только будет обеспечено финансирование.

Что касается обработки, то из-за более низкой скорости работы приемника данных меньше, и для их обработки подойдет даже маломощный компьютер, например, Raspberry Pi с оптимизированной программой на C.

Заключение

Надеюсь, что эта статья о радиотелескопах и радиоастрономии вдохновит вас на изучение более специализированных материалов в этой увлекательной области. Для меня это один из самых доступных способов заниматься серьезными исследованиями и получать удовольствие от роли начинающего ученого. Настройте свои антенны!