Радіоастрономія: основи, техніка та можливості

Радіоастрономія є мало відомою практикою серед любителів астрономії, проте вона є важливою галуззю астрофізики. Давайте розглянемо, що включає в себе ця дисципліна.

Що таке радіоастрономія

Радіоастрономія займається дослідженням радіохвиль у контексті астрономії. Більшість небесних тіл випромінюють електромагнітні хвилі через наявність заряджених частинок. Хвилі, які перебувають у видимому спектрі світла, можна спостерігати неозброєним оком або за допомогою CCD та CMOS камер. Інфрачервоне випромінювання також можна виявити лише за допомогою камер, і саме воно допомогло виявити центр нашої галактики. Інші хвилі, що входять до радіочастотного діапазону, спостерігаються за допомогою антен.

Основна інформація про електромагнітні хвилі

• Частота визначає швидкість коливання хвилі, що пов'язана з довжиною хвилі.
• Амплітуда хвилі відповідає за її потужність.
• Радіоспектр є відображенням потужності сигналу на кожній з частот.
• Хвилі не можуть проходити через провідні матеріали.

Що можна спостерігати

Застосування радіоастрономії дуже широке, а інструменти — різноманітні. Найпростіше вивчати Сонце, для цього достатньо звичайної параболічної антени. Також постійно спостерігаються планети, такі як Юпітер та його пляма. Ці два небесні тіла можна спостерігати на радіоастрономічній станції в Нанке. Крім того, існує можливість слухати відображення наших радарів на метеорити, що входять у термосферу — це явище називається метеорним розсіюванням. Можна також спостерігати галактики, туманності, зірки, квазарів, пульсари, чорні діри та багато іншого.

Конкретним прикладом є випромінювання атома водню, відоме як лінія 21 см на частоті 1420 МГц (1,420 ГГц), яке можна використовувати для створення карти густини водню в нашому небі.

Як здійснюється спостереження

Антени та параболи

Як і в візуальній астрономії, радіохвилі відбиваються від дзеркала і направляються до приймача. Чим більше дзеркало, тим більша потужність захоплених хвиль. Дзеркало радіотелескопа насправді є поверхнею, що відбиває хвилі, зазвичай виготовленою з металу. Воно не обов'язково має бути суцільним, сітка може бути достатньою. Вона діє як клітка Фарадея, а розмір сітки вибирається залежно від частотного діапазону, який потрібно приймати. Чим вища частота, тим тоншими мають бути осередки сітки. Розмір антени також варіюється в залежності від частоти та чутливості, яку потрібно досягти. Наприклад, моя антена для метеорного розсіювання — YAGI на 143,05 МГц — має довжину 2,5 метри; для нижчої частоти вона була б більшою.

Сигнали передаються від антени до приймача через коаксіальний кабель, захищений від зовнішніх хвиль, щоб уникнути перешкод.

Існує безліч типів антен, які відрізняються за конструкцією та матеріалами. Їхнє розташування також важливе, оскільки магнітне поле впливає на їх роботу. Найбільша антена у світі знаходиться у радіотелескопі Аресібо:

А ось радіотелескоп у Нанке, розташований у Центральній Франції:

Приймачі та обробка сигналів

Професійні радіотелескопи

Більшість професійних радіотелескопів змішують отриманий сигнал із сигналом нижчої частоти для спрощення його дослідження. Це необхідно, оскільки не існує електронних засобів, достатньо швидких для аналізу сигналів дуже високої частоти. Знижуючи частоту до більш доступної, можна використовувати менш енергозатратну та дешеву електроніку. Важливо зазначити, що мова йде про отримання даних, а не про їх обробку, тобто про перетворення сигналів у цифрові дані. Для цього використовується аналогово-цифровий перетворювач.

Після збору даних вони передаються до програми, яка обробляє їх та зберігає у зручному для перегляду форматі, наприклад, у вигляді зображень або графіків.

Аматорські радіотелескопи

Найпростіший спосіб для аматорів — використання USB-приймача. Останніми роками доступні RTLSDR за приблизно 30 євро, які є USB-ключами з входом для антени. Вони дуже зручні для спостереження за частотним діапазоном, проте їхня швидкість збору даних є значно нижчою, ніж у професійних системах. Моя система для метеорного розсіювання використовує RTLSDR, яка захоплює дані кожні 0,5 секунди, що є повільно в порівнянні з професійним обладнанням. Це також є майбутнім етапом розвитку моєї системи після отримання фінансування.

Що стосується обробки, то повільніший приймач генерує менше даних для обробки. У моєму випадку підійде комп'ютер з невеликою потужністю, наприклад, Raspberry, з оптимізованою програмою на C, щоб використовувати якомога менше ресурсів.

Заключні слова

Сподіваюся, що ця стаття про радіотелескопи та радіоастрономію спонукала вас заглибитися в більш спеціалізовані матеріали, щоб дізнатися більше про цю захоплюючу діяльність.

Для мене це найдоступніший спосіб наблизитися до серйозних застосувань і водночас насолодитися дослідженням як початківець. Вперед, до ваших антен!