Наше место в этом мире
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Вселенная и Солнечная система
 Исследователи
Наземные обсерватории
Страница: Наземные обсерватории, Большие телескопы; Радиотелескопы Земли;
Наше место в этом мире

Способы изучения космического пространства

Радиотелескопы нашего времени

    На раннем этапе развития радиоастрономии прием космического радиоизлучения производился при помощи самых разнообразных антенн. Под многие из них были приспособлены радиолокационные и коммуникационные устройства. В 50-е годы радиоастрономы работали главным образом на метровых волнах. Тогда применялись антенны, подходящие для этого диапазона - дипольные, спиральные. Были разработаны и специальные антенны для радиоастрономии, иногда довольно причудливой формы: параболические цилиндры в Пущино (Россия) и Ути (Индия), двух зеркальные телескопы в Огайо (США) и Нансэ (Франция), целые поля диполей напоминающих всем нам знакомые телевизионные антенны. Один из крупнейших дипольных телескопов - хорошо известный УТР-2 вблизи Харькова.

    В СССР были созданы антенны переменного профиля, которые состоят из многих независимых элементов, образующих единую отражающую поверхность. Перемещая элементы по согласованной программе, можно направлять луч зрения радиотелескопа на разные участки неба. Первая такая антенна – Большой Пулковский радиотелескоп размером 120 м. По этой же схеме построен РАТАН-600 на Северном Кавказе.
    Однако практика показала, что наиболее удобным в работе оказался полноповоротный параболический рефлектор – аналог оптических телескопов-рефлекторов. Полноповоротные антенны имеют большие преимущества перед неподвижными: их можно направлять в любую точку неба, а также осуществлять с их помощью слежение за радиоисточником – «копить» сигнал, как говорят радиоастрономы, что позволяет повысить чувствительность телескопа и выделить на фоне всевозможных шумов гораздо более слабые космические радиосигналы. Первый телескоп с параболической антенной, созданный специально для целей радиоастрономии, соорудил еще Ребер. Можно сказать, что он тем самым предвосхитил последующее развитие техники в этом направлении. Параболические радиотелескопы начала 1950-х гг. имели, как правило, небольшие антенны. Первый крупный полноповоротный параболоид диаметром 76 м был построен в Англии (в обсерватории Джодрелл Бэнк в 1957 г).
    Рабочий диапазон рефлекторной антенны определяется качеством ее отражающей поверхности. Чтобы зеркало телескопа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать одной десятой длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной в несколько метров или дециметров. Но на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Изготовить большое зеркало с такой поверхностью – серьезная техническая проблема. Здесь стоит отметить, что одна из первых в мире антенн, способная работать в миллиметровом диапазоне (до 8 мм), была построена в 1958 г, в СССР, в Пущино Московской области. Это телескоп РТ-222 с диаметром зеркала 22 м. Второй такой же РТ-22 был установлен спустя несколько лет в Крыму, в Симеизе. В числе других крупных антенн – построенные для целей космической связи 70-метровый параболоид в Евпатории (Крым), 64-метровые рефлекторы в Медвежьих Озерах под Москвой, в Кализине и в Уссурийске. В настоящее время они также работают по радиоастрономическим программам.

VLT
Веохнее изображение: Антенны системы апертур-ного синтеза VLA (Socorro, New Mexico, USA), состоящий из 27 антенн диаметром 25 м. Максимальная длинна базы 35 км позволяет получить угловое разрешение 0,04'' на волне h = 1,3 см. Нижнее изображение: радиотелескоп Ареибо, Пуэрто-Рико.
Аресибо
ВСЕСТОРОННИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

    В те же годы крупные параболические антенны строились и в других странах: 64 м (Паркс, Австралия), 92 м (Грин Бэнк, США), 100 м (Эффельсберг, Германия). Самый большой радиотелескоп-рефлектор диаметром 300 м был построен в Аресибо, Пуэрто-Рико. Правда, этот телескоп имеет не параболическое, а сферическое зеркало, и он неподвижен: его диаграмма направленности смотрит в зенит, хотя смещением рупора, собирающего радиоволны, ее можно немного отклонять.
    Большие радиоастрономические антенны – очень дорогостоящие устройства, сложные в постройке, наладке и эксплуатации. Стоимость зеркального телескопа (как оптического, так и радио) прямо пропорциональна кубу диаметра его главного зеркала. При создании полноповоротных антенн главные препятствия возникают из-за деформаций рефлектора под действием силы тяжести. Практически невозможно создать полноповоротный параболический телескоп диаметром более 150 метров. Такой инструмент окажется неработоспособным. При наклоне его под разными углами к горизонту отражающая поверхность будет менять форму под влиянием собственного веса конструкции; когда она отклонится от параболы, телескоп перестанет фокусировать радиоволны должным образом.
    С 1970-х гг. радиоастрономы пошли по другому пути. Гораздо легче добиться высокого углового разрешения, используя интерферометры, состоящие из нескольких илы нескольких десятков небольших антенн диаметром не более 25 м. Если проводить наблюдения за одним и тем же радиоисточником, используя одновременно две антенны, отстоящие друг от друга на расстояние L, и специальным образом обрабатывать поступающие с этих антенн сигналы, то эта система оказывается по угловому разрешению эквивалентной радиотелескопу с диаметром D = L. Такая система называется радиоинтерферометром, а расстояние между антеннами – его базой. Интерферометр может иметь базу в десятки, сотни и даже тысячи километров, радиотелескопы могут находиться на разных континентах, и угловое разрешение будет в тысячи раз выше, чем у отдельной антенны. Правда, столь высокое разрешение достигается лишь в направлениях, перпендикулярных базе интерферометра: на прямой, проходящей через антенны, оно по-прежнему определяется их размерами. Но если вместо двух антенн использовать несколько, расположенных на достаточно большой площади и не лежащих на одной прямой – тогда, объединяя принятые ими сигналы, высокое угловое разрешение можно получить по всем направлениям.
    За последнее десятилетие построено несколько крупных многоантенных интерферометров. Их называют еще системами апертурного синтеза - они позволяют как бы «синтезировать» входное отверстие (апертуру) радиотелескопа очень больших размеров. В некоторых системах антенны могут перемещаться в пределах определенной площади. Наблюдения за источником проводится последовательно при разных взаимных положениях антенн. Сигналы обрабатываются на компьютерах. Система по угловому разрешению соответствует радиотелескопу, охватывающему площадь, на которой размещены антенны. С помощью многоантенных интерферометров можно получать «синтезированные» карты радиоисточников с высоким разрешением, например, на сантиметровых волнах - с разрешением лучше 1’’, что уже не уступает показателям оптической астрономии.
    В настоящее время работают многоантенные интерферометры VLA (Very Large Array, Нью-Мексико, США), Вестерборк (Голландия), ANTF (Наррабрай, Австралия); В Великобритании функционирует система MERLIN, включающая в себя знаменитый 76-меторовый телескоп. В России, в Бурятии, построен Сибирский солнечный радиотелескоп – специальная система антенн для оперативного картографирования радиоизлучения Солнца.
    С начала 1970-х гг. успешно ведется работа по созданию систем радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Рекордная длина базы L, достигнутая в экспериментах – около 6000 км, а разрешение на волне h=1,35 см (линия молекулы воды) l = 0,0004’’. Это почти предел для радиотелескопов, расположенных на земной поверхности, так как база не может превышать диаметра Земли (12,7 тыс. км). В настоящее время на регулярной основе функционирует несколько РСДБ-сетей. В США создана система VLBA, включающая в себя 10 радиотелескопов со средним диаметром 25 м, расположенных на североамериканском континенте, Гавайских и Виргинских остовах.
    В европейских странах работает система EVN, регулярно объединяющая для РСДБ - экспериментов такие радиотелескопы, как 100-метровый Боннский, 32-метровый в Медичине (Италия), интерферометры MERLIN и Вестерборк. Создана РСДБ-сеть и в Украине. Она включает в себя четыре гигантских антенны - уже упомянутых УТР-2 под Харьковом и телескопы такого же типа под Одессой, Полтавой и Львовом. Украинская система пока не имеет в мире конкурентов, ведь она работает на очень длинных (десятиметровых) волнах, а именно в этом диапазоне наиболее характерно проявляют себя многие космические радиоисточники – квазары, радиогалактики и туманности.

Радиотелескопы недавнего прошлого и настоящего времени на Земле (2006 год)
 
Радиотелескоп цилиндр - Ути Индия Радиотелескоп РАТАН-600 Россия Радиотелескоп РТ-22, Симеиз, Крым
Парабочический цилиндр в Ути, Индия
Радиотелескоп РАТАН-600, Россия
Радиотелескоп РТ-22, Симеиз, Крым
Радиотелескоп антенна в Калязине - Россия Радиотелескоп антенна в Парксе Австралия Радиотелескоп GBT, Грин Бэнк
Радиотелескоп антенна в Калязине
Радиотелескоп антенна в Парксе
Радиотелескоп GBT, Грин Бэнк
Радиотелескоп Аресибо Пуэрто-Рико 64-м антенна в Калязине 64-м антенны в Медвежьих Озерах
Радиотелескоп Аресибо Пуэрто-Рико
64-м антенна в Калязине
64-м антенны в Медвежьих Озерах
 
Примечание к перечню телескопов: GBT - самый большой в мире телескоп с подвижным зеркалом. Он расположен в Грин Бэнк, Вирджиния. GBT увидел "первый свет" в августе 2000 г. Его высота достигает 148 м - это выше, чем статуя Свободы. Диаметр зеркала - 110 м, общий вес - 7,3 тысяч тонн. При таких огромных размерах, точность его наведения равна одной угловой секунде (под таким углом виден человеческий волос с расстояния в 2 м). Поверхность зеркала состоит из 2004 металлических панелей общей площадью 8000 кв м. Рабочий диапазон длин волн - от 3 мм до 3 м.
 
Радиотелескопы недавнего прошлого и настоящего времени на Земле (2006 год)

    В полную силу заработала российская сеть «Квазар». В настоящее время в ней участвуют три параболических антенны диаметром 32 м каждая: в Светлом (Ленинградская область), Зеленчукской (Карачаево-Черкессия, рядом с телескопом РАТАН-600) и Бадарах (Бурятия, рядом с Сибирским солнечным радиотелескопом). В планах сети «Квазар» - не только картографировать небесные объекты, но и выполнять земные задачи: по наблюдениям квазаров определять точное время, а по изменениям длин волн баз между антеннами пытаться определить скорости дрейфа континентов. Эти скорости не превышает нескольких сантиметров в год. Однако если продолжать наблюдения в течение ряда лет, то даже такие ничтожные смещения антенн относительно друг друга можно почувствовать. Первые обнадеживающие результаты на сети «Квазар» уже получены. Здесь наука о небе смыкается с наукой о Земле - геодинамикой.

Радиотелескопы будущего времени

    Можно сказать, что времена «гигантомании» в радиотелескопостроении заканчиваются. Если раньше радиоастрономы связывали основные надежды на улучшение углового разрешения с постройкой все более крупных одиночных антенн, то к настоящему времени предел в этом достигнут. Вероятно, последняя из стоящихся больших антенн – 50-метровый телескоп миллиметровых волн, который будет стоять в Мексике, на вершине Сьерра Негра высотой 4600 метров.
    Ясен дальнейший путь развития экспериментальной радиоастрономии – создание все более совершенных систем апертурного синтеза. Кратко расскажем о некоторых, наиболее интересных проектах. На высокогорном плато Атакама (Чили) на высоте 5000 м начато строительство системы из 64 антенн миллиметрового диапазона ALMA (Atacama Large Millimeter Array). Это совместный проект ученых ряда стран Европы (прежде всего Германии) и Америки. Система будет состоять из 12-метровых антенн с максимальной длинной базы 14 км. Ее рабочий диапазон – от 10 до 0,3 мм. Высокогорное положение ALMA в сочетании с исключительно сухим климатом существенно уменьшает поглощение радиоволн атмосферным водяным паром и позволяет наблюдать на субмиллиметровых волнах, недоступных на меньших высотах над уровнем моря. Строительство будет закончено к 2011 году.
    На гораздо более длинных метровых волнах (от 1,2 до 10 м) будет работать голландская система апертурного синтеза LOFAR. Для уменьшения стоимости системы будут применены простейшие антенны без движущихся механических частей – пирамиды из медных стержней с усилителем сигнала на вершине. Всего таких антенн будет установлено 25 тысяч. Они будут объединяться в группы (кластеры), а кластеры, в свою очередь, будут располагаться по всей территории Голландии вдоль пяти изогнутых лучей, напоминающих в плане морскую звезду диаметром 350 км. Каждая из антенн принимает сигналы со всего неба, но компьютерная обработка позволит выделить интересующие ученых направления и чисто вычислительным путем сформировать в них диаграмму направленности системы. При этом максимальное угловое разрешение на самой короткой волне составит 3,5’’. Работа системы потребует огромного объема вычислений, но на современном уровне развития компьютерной техники такая задача вполне решаема. Планируется завершить создание системы LORAF в течение 3 лет.
    Наиболее амбициозный проект ближайшего будущего – SKA (Square Kilometer Array, система апертурного синтеза в 1 квадратный километр). Система будет состоять из множества (десятков или сотен) отдельных антенн общей площадью в 1 кв. км. Проект SKA пока находится в стадии разработки. Предложено около десятка различных вариантов. Решение о размещении SKA будет принято в 2006 году. Рассматриваются варианты: Аргентина, Австралия, Китай и Южная Африка. Антенны, составляющие систему (вероятнее всего, небольшого размера, порядка нескольких метров), будут работать в диапазоне волн от 5 м до 3 мм. Базы интерферометров достигнут 1-3 тыс. км. Китай предлагает построить SKA всего из восьми неподвижных зеркал диаметром 500 м каждое (типа уже существующего в Аресибо). Не исключено, что будет построено несколько систем SKA в разных странах и по разным схемам.
    Наконец, стоит упомянуть проект телескопа 1hT (1-hectare Telescope) для обзора неба в диапазоне от 3 до 10 см. Для постройки 1hT выбрано место в Северной Калифорнии (США). Радиотелескоп будет состоять из 350 6-меторых параболических антенн, расположенных в пределах круга диаметром 1 км. К концу 2005 г. построены 42 антенны, а ввод в строй всех элементов системы намечен на июнь 2008 г. Телескоп 1hT интересен тем, что это первый инструмент, предназначенный исключительно для поиска радиосигналов внеземных цивилизаций. Предполагается, что с помощью системы удастся охватить звездные системы на расстояниях до 1000 световых лет от Солнца.
    Возможности увеличения базы наземных интерферометров почти исчерпаны. Будущее – это запуск антенн интерферометров в космос, где не будет ограничений, связанных с размерами нашей планеты. Уже проводились эксперименты с космическими радиоинтерферометрами, одна из антенн которых размещалась на Земле, а другая – на спутнике или орбитальной станции. Крупнейший инструмент такого рода создается сейчас по российско-американскому проекту «Радиоастрон». Проект разрабатывается Астрокосмическим центром Физического института имени Лебедева (АКЦ ФИАН) Российской академии наук совместно с учеными других стран. Спутник «Радиоастрон» будет иметь параболическое зеркало диаметром 10 м. Во время запуска зеркало будет в сложенном состоянии, а после выхода на орбиту развернется, как зонтик. «Радиоастрон» будет снабжен несколькими приемниками, работающими на длинах волн от 1,35 до 92 см. Управление спутником предполагается проводить со станции слежения в Евпатории и Медвежьих Озерах. В качестве наземных антенн космического интерферометра будут использоваться радиотелескопы в Пущино (Россия), Канберре (Австралия) и Грин Бэнк (США). Орбита спутника будет очень вытянутой, с апогеем 350 тыс. км. С такой базой на самой короткой волне 1,35 см удастся получить изображения радиоисточников и измерить их координаты с точностью до 8 миллионных долей секунды дуги. Это даст возможность заглянуть в ближайшие окрестности ядер радиогалактик и черных дыр, в глубины областей образования молодых звезд в Галактике. Для оптической астрономии это пока не доступно.

Некоторые крупнейшие радиотелескопы настоящего времени на Земле (2006 год)
 
Расположение телескопа
Тип антенны телескопа
Размер антенны
Мин. рабочая длина волны
 
  Эффельсберг, Германия
Параболический рефлектор
100 м
7 мм
  Джодрелл Бэнк, Англия
Параболический рефлектор
76 м
1,3 см
  Евпатория, Украина
Параболический рефлектор
70 м
1 см
  Калязин, Россия
Параболический рефлектор
64 м
1 см
  Паркс, Австралия
Параболический рефлектор
64 м
7 мм
  Нобеяма, Япония
Параболический рефлектор
45 м
1 мм
  Медичина, Италия
Параболический рефлектор
32 м
1,3 см
  Светлое, Россия
Параболический рефлектор
32 м
5 мм
  Гранада, Испания
Параболический рефлектор
30 м
1 мм
  Аресибо, Пуэрто-Рико
Сферический рефлектор
300 м
10 см
  Зеленчукская, Россия,
  РАТАН-600
Антенна переменного профиля
588 м
3 мм
  Франция
Двухзеркльный
2х40 м х 300 м
11 см
  Пущино, Россия,
  ДКР-1000
Крест из 2 параболических цилиндров
2х1000 м х 40 м
2,5 м
  Харьков, Украина,
  УТР-2
Система дипольных
антенн, "Т"
1860 м х 50 м, 900 м х 50 м
12 м
  Ути, Индия
Параболический цилиндр
500 м х 30 м
91 см
  Медичина, Италия,
  "Северный крест"
"Т" из 2 параболических цилиндров
2х500 м х 30 м
70 см
 
Расположение телескопа
Тип антенны телескопа
Размер антенны
Мин. рабочая длина волны
 
Некоторые крупнейшие радиотелескопы настоящего времени на Земле (2006 год)

Радиотелескопы будущего (и настоящего) времени в космосе и на Земле (2006 год)
 
Радиотелескопы системы SKA Радиотелескоп 'Радиоастрон', Россия Радиотелескоп 'Радиоастрон', Россия
Радиотелескопы системы SKA
Радиотелескоп 'Радиоастрон'
Радиотелескоп 'Радиоастрон'
 
Радиотелескопы будущего (и настоящего) времени в космосе и на Земле (2006 год)

Некоторые крупнейшие системы апертурного синтеза на нашей Земле (2006 год)
 
Название, местоположение
Размеры антенн
Число антенн
Мин. рабочая длина волны
 
  VLA, Нью Мексико, США
25 м
27
1,3 см
  Вестерборк, Нидерланды
25 м
14
6 см
  Кембридж, Великобритания
10 м
8
2 см
  MERLIN, Великобритания
76 и 25 м
6
1,3 см
  Пуне, Индия
45 м
30
21 см
  Наррабрай, Австралия
25 м
6
1,3 см
  Плато Бюр, Франция
15 м
4
1 мм
  Нобеяма, Япония
10 м
6
1 мм
  Бадары, Россия
2,5 м
256
5,2 см
 
Название, местоположение
Размеры антенн
Число антенн
Мин. рабочая длина волны
 
Некоторые крупнейшие системы апертурного синтеза на нашей Земле (2006 год)


    Миссия «Радиоастрон» не ограничивается решением чисто астрономических проблем. Измеренные высокоточные координаты многих дискретных радиоисточников послужат основой для прецизионной системы координат, крайне необходимой для наземной и космической навигации. Наконец, точные измерения орбиты спутника, получаемые в ходе экспериментов, дадут возможность построить новую модель гравитационного поля Земли. Еще один космический проект российских ученых – «Миллиметрон», - интерферометр, работающий в области миллиметровых и субмиллиметровых волн. Рассматриваются разные варианты проекта. Один из них – интерферометр Космос-Земля, другой – интерферометр Космос-Космос с участием двух телескопов, размещенных на космических аппаратах. Антенны могут быть выведены либо на околоземную орбиту с апогеем 300 тыс. км, либо на гелиоцентрическую орбиту, в так называемую точку Лагранжа 1,2 системы Солнце-Земля, которая находится на расстоянии 1,5 млн. км от Земли в противосолнечном направлении.

    Космические аппараты могут находиться в этой точке длительное время при минимальных коррекция траектории. Если будет реализован этот вариант, то при базе в полтора миллиона километров на субмиллиметровых волнах (порядка 0,35 мм) интерферометр Космос-Земля даст угловое разрешение до 45 миллиардных долей секунды дуги, то есть в 250 раз выше, чем у «Радиоастрона». Это обеспечит получение уникальной информации о структуре Вселенной, о строении и эволюции галактик, их ядер, звезд и планетных систем, а также об органических соединениях в космосе, объектах со сверхсильными гравитационными и электромагнитными полями.

http://artplaza.ru/
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru