Радиоастрономия и ее возможности

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО По ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный экономический университет»

ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Екатеринбург

2009

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

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.

Цель контрольной работы – подробнее познакомиться с радиоастрономией как наукой открывшей новый способ познания окружающего мира.

Для написания настоящей контрольной использовались материалы, почерпнутые из разных источников (энциклопедии, тематические сайты), все они объединены увлечением авторов астрономией и их тягой к познанию окружающего.

Многие объекты Вселенной, включая Солнце, планеты, туманности, галактики, а, в особенности, такие необычные объекты, как, например, пульсары и квазары, излучают радиоволны, которые можно принимать с помощью современной аппаратуры. Измерением и анализом радиоизлучения космических источников занимается специальный раздел астрономии – радиоастрономия.

Радиоволны, как и видимый  свет, представляют собой электромагнитные колебания, но длина волны у них неизмеримо больше, чем у световых волн.  
Радиоастрономы обычно работают в диапазоне длин волн от нескольких миллиметров до 15-20 м. Более длинноволновое и более коротковолновое излучение не пропускает земная атмосфера, и для его приёма необходимо выносить аппаратуру в космос.

От изобретения радио  до открытия космического радиоизлучения прошло несколько десятилетий. Причина  в том, что радиоизлучение космических  объектов исключительно слабое, поэтому для его исследования необходимы очень чувствительные приборы и огромные приёмные антенны – радиотелескопы.

1 Рождение новой науки

Впервые космическое радиоизлучение обнаружил в 1932 г. американский инженер Карл Янский. Он исследовал радиопомехи, мешавшие работе трансатлантического беспроводного телефона. Для этих целей была построена большая однонаправленная антенна: специальная металлическая рама, закреплённая на поворотном устройстве – карусели. Размеры конструкции составляли 30,5 м в длину и 3,7 м в высоту. Антенну можно было сориентировать в нужном направлении и изучать приходящее радиоизлучение. Работа велась на волне 14,6 м.

Янский быстро выяснил, что треск и щелчки в наушниках, мешавшие связи, были вызваны ближними и дальними грозовыми разрядами. Но кроме этих помех он уловил постоянное негромкое шипение, которое усиливалось и ослабевало с периодом 23 ч 56 мин. Это время равно звёздным суткам – периоду обращения Земли вокруг собственной оси. Направленность антенны Янского была довольно низкой, он мог определять положение источника радиоизлучения с точностью лишь около 30°. Тем не менее, Янский установил, что «паразитное» радиоизлучение приходит из космоса – от Млечного Пути, причём наибольшая интенсивность его наблюдается в направлении центра нашей Галактики. Результаты своих исследований Янский опубликовал в статье «Электрические помехи внеземного происхождения».

Рисунок 1 – Карл Янский рядом с антенной, с помощью которой он открыл космическое радиоизлучение.

Открытие Янского не сразу было замечено астрономами. Только в 1939 г. другой американский радиоинженер, Гроут Ребер, построивший на собственные средства антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м, снова зарегистрировал радиоизлучение Млечного Пути на волне 1,87 м. В течение пяти лет Ребер проводил систематические измерения и в 1942 г. издал первую радиокарту всего северного неба. На ней кроме обнаруженного Янским мощного радиоисточника в центре Галактики отмечено ещё несколько более слабых источников. Они находятся в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Большого Пса, Кормы и Единорога.

В отличие от Янского, который поместил статью в техническом журнале Ребер направил свою работу в ведущее астрономическое издание – «Астрофизический журнал» («Astrophysical Journal»). Статья Ребера привлекла, наконец, внимание астрономов и радиофизиков, и сразу после окончания Второй мировой войны новая наука – радиоастрономия – стала быстро развиваться. Уже к концу 50-х гг. стало ясно, что радиоастрономы открыли новую, невидимую Вселенную.

2 Развитие технических средств

Астрономы и инженеры поняли, что для измерения космического радиоизлучения нужны радиотелескопы гораздо больших размеров, чем антенны Янского и Ребера. Уже в 1947 г. в Великобритании, в университете города Манчестера, был построен неподвижный параболический радиотелескоп диаметром 66 м.  
В 1950 г. с его помощью удалось зафиксировать слабое радиоизлучение от туманности в созвездии Андромеды, которая является соседней с нами спиральной галактикой. В 1957 г. вблизи Манчестера, в местечке Джодрелл-Бэнк, сооружён поворачивающийся 76-метровый радиотелескоп. В 1961 г. вступил в строй  
64-метровый радиотелескоп в Парксе (Австралия), а в 1962 г. – 92-метровый меридианный радиотелескоп на обсерватории Грин-Бэнк в США.

Увеличение размеров радиотелескопов повысило их чувствительность, а также привело к улучшению углового разрешения (оно характеризует угловые размеры самых мелких наблюдаемых деталей). Разрешение тем выше, чем меньше отношение длины волны к диаметру телескопа. Таким образом, благодаря большому диаметру радиоантенны можно получить более «резкое» изображение радиоисточника на данной длине волны. Увеличение диаметра имеет три важных следствия: два хороших и одно плохое. Во-первых, самое важное – пропорционально диаметру возрастает угловое разрешение. Во-вторых, растет чувствительность, причем гораздо быстрее, пропорционально площади зеркала, то есть квадрату диаметра. И, в-третьих, еще быстрее увеличивается стоимость, которая в случае зеркального телескопа (как оптического, так и радио) примерно пропорциональна кубу диаметра его главного зеркала. Главные трудности связаны с деформациями зеркала под действием силы тяжести. Чтобы зеркало телескопа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать одной десятой от длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной несколько метров или дециметров. Но на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Из-за деформаций конструкции под собственным весом и ветровых нагрузок практически невозможно создать полноповоротный параболический телескоп диаметром более 150 м. Крупнейшая неподвижная тарелка диаметром 305 м построена в обсерватории Аресибо, Пуэрто-Рико. Но в целом эпоха гигантомании в строительстве радиотелескопов подошла к концу. В Мексике на горе Сьерра-Негра, на высоте 4 600 метров, завершается строительство  
50-метровой антенны для работы в диапазоне миллиметровых волн. Возможно, это последняя большая одиночная антенна, создающаяся в мире.

Рисунок 2 – Гигантский радиотелескоп в чаше кратера Аресибо

Уже в 50-е гг. для достижения более высокого углового разрешения астрономы стали использовать радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, соединённых электрическими связями. Самая известная система такого типа – «Очень большая решетка» (Very Large Array, VLA) – построена в 1980 году в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Ее 27 параболических антенн каждая диаметром 25 м и весом 209 тонн перемещаются по трем радиальным рельсовым путям и могут удаляться от центра интерферометра на расстояние до 21 км. Сегодня действуют и другие системы: Вестерборк в Голландии (14 антенн диаметром 25 м), ATCA в Австралии (6 антенн по 22 м), MERLIN в Великобритании. В последнюю систему наряду с 6 другими инструментами, разбросанными по всей стране, входит и знаменитый 76-метровый телескоп. В России (в Бурятии) создан Сибирский солнечный  
радиоинтерферометр – специальная система антенн для оперативного изучения Солнца в радиодиапазоне.

В 1965 году советские ученые Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашев,  
Г.Б. Шоломицкий предложили независимо регистрировать данные на каждой антенне интерферометра, а потом совместно их обрабатывать, как бы имитируя явление интерференции на компьютере. Это позволяет разносить антенны на сколь угодно большие расстояния. Поэтому метод получил название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) и успешно используется с начала  
1970-х годов. Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет 12,2 тыс. км, а разрешение на волне порядка 3 мм достигает 0,00008’’ – на три порядка выше, чем у крупных оптических телескопов. Существенно улучшить этот результат на Земле вряд ли удастся, поскольку размер базы ограничивается диаметром нашей планеты.

В настоящее время  систематические наблюдения ведутся несколькими сетями межконтинентальных радиоинтерферометров. В США создана система, включающая в себя 10 радиотелескопов в среднем диаметром 25 м, расположенных в континентальной части страны, на Гавайских и Виргинских островах.  
В Европе для РСДБ-экспериментов регулярно объединяют 100-метровый Боннский телескоп и 32-метровый в Медичине (Италия), интерферометры MERLIN, Вестерборк и другие инструменты. Эта система называется EVN. Имеется также глобальная Международная сеть радиотелескопов для астрометрии и геодезии IVS. А недавно в России начала действовать собственная интерферометрическая сеть «Квазар» из трех 32-метровых антенн, расположенных в Ленинградской области, на Северном Кавказе и в Бурятии. Важно отметить, что телескопы не закреплены жестко за РСДБ-сетями. Они могут использоваться автономно или переключаться между сетями.

3 Новые открытия в астрономии

Благодаря изучению космического радиоизлучения были открыты квазары, пульсары, межзвёздные мазеры, реликтовое радиоизлучение, обнаружены взрывы звёзд, столкновения целых звёздных систем – галактик.

Радиоинтерферометры с  угловым разрешением в тысячные доли секунды дуги «заглянули» в  самые внутренние области наиболее мощных «радиомаяков» Вселенной – радиогалактик и квазаров, которые излучают в радиодиапазоне в десятки миллионов раз интенсивнее, чем обычные галактики. Удалось «увидеть», как из ядер галактик и квазаров выбрасываются облака плазмы, измерить скорости их движения, которые оказались близкими к скорости света. Много интересного было открыто и в нашей Галактике. В окрестностях молодых звезд найдены источники мазерного радиоизлучения (мазер – аналог оптического лазера, но в радиодиапазоне) в спектральных линиях молекул воды, гидроксила (OH) и метанола (CH3OH). По космическим масштабам источники очень малы – меньше Солнечной системы. Отдельные яркие пятнышки на радиокартах, полученных интерферометрами, могут быть зародышами планет.

Рисунок 3 – Изображение галактики M87 в радиодиапазоне

Такие мазеры найдены  и в других галактиках. Изменение положений мазерных пятен за несколько лет, наблюдавшееся в соседней галактике M33 в созвездии Треугольника, впервые позволило непосредственно оценить скорость ее вращения и перемещение по небу. Измеренные смещения ничтожны, их скорость во многие тысячи раз меньше видимой для земного наблюдателя скорости улитки, ползущей по поверхности Марса. Такой эксперимент пока находится далеко за пределами возможностей оптической астрономии: заметить собственные движения отдельных объектов на межгалактических расстояниях ей просто не под силу. Наконец, интерферометрические наблюдения дали новое подтверждение существования сверхмассивных черных дыр. Вокруг ядра активной галактики NGC 4258 были обнаружены сгустки вещества, которые движутся по орбитам радиусом не более трех световых лет, при этом их скорости достигают тысячи километров в секунду. Это означает, что масса центрального тела – не менее миллиарда масс Солнца, и оно не может быть не чем иным, как черной дырой.

Целый ряд интересных результатов получен методом РСДБ при наблюдениях в Солнечной системе. Начать хотя бы с самой точной на сегодня количественной проверки общей теории относительности. Интерферометр измерил отклонение радиоволн в поле тяготения Солнца с точностью до сотой доли процента. Это на два порядка точнее, чем позволяют оптические наблюдения. Глобальные радиоинтерферометры также применяются для слежения за движением космических аппаратов, изучающих другие планеты. Первый раз такой эксперимент был проведен в 1985-м, когда советские аппараты «Вега-1» и «-2» сбросили в атмосферу Венеры аэростаты. Наблюдения подтвердили быструю циркуляцию атмосферы планеты со скоростью около 70 м/с, то есть один оборот вокруг планеты за 6 суток. Это удивительный факт, который еще ожидает своего объяснения.

4 Возможности современной радиоастрономии

В 2004 году радиоинтерферометр, состоящий из 18 радиотелескопов на разных континентах наблюдал посадку аппарата «Гюйгенс» на спутник Сатурна Титан. С расстояния в 1,2 млрд. км велось слежение за тем, как движется аппарат в атмосфере Титана с точностью до десятка километров! Не слишком широко известно о том, что во время посадки «Гюйгенса» была потеряна практически половина научной информации. Зонд ретранслировал данные через станцию «Кассини», которая доставила его к Сатурну. Для надежности предусматривалось два дублирующихся канала передачи данных. Однако незадолго до посадки было принято решение передавать по ним разную информацию. Но в самый ответственный момент из-за пока еще не выясненного сбоя один из приемников на «Кассини» не включился, и половина снимков пропала. А вместе с ними пропали и данные о скорости ветра в атмосфере Титана, которые передавались как раз по отключившемуся каналу. К счастью, спуск «Гюйгенса» наблюдал с Земли глобальный радиоинтерферометр. Это, по-видимому, позволит спасти пропавшие данные о динамике атмосферы Титана. Результаты этого эксперимента еще обрабатываются в Европейском объединенном радиоинтерферометрическом институте, и, кстати, занимаются этим наши соотечественники Леонид Гурвиц и Сергей Погребенко.

5 «Земное» применение

У метода радиоинтерферометрии есть и чисто практические «земные» применения – не зря, например, в Санкт-Петербурге этой темой занимается Институт прикладной астрономии РАН. Наблюдения по технологии РСДБ позволяют не только определять координаты радиоисточников с точностью до десятитысячной доли секунды дуги, но и измерять положения самих радиотелескопов на Земле с точностью лучше одного миллиметра. Это, в свою очередь, дает возможность с высочайшей точностью отслеживать вариации вращения Земли и подвижки земной коры. Например, именно с использованием РСДБ было экспериментально подтверждено движение континентов. На сегодня регистрация таких движений уже стала рутинным делом. Интерферометрические наблюдения далеких радиогалактик прочно вошли в арсенал геофизики наряду с сейсмическим зондированием Земли. Благодаря им надежно регистрируются периодические смещения станций друг относительно друга, вызванные деформациями земной коры. Причем отмечаются не только давно уже измеренные твердотельные приливы (впервые зарегистрированные методом РСДБ), но и прогибы, возникающие под воздействием изменений атмосферного давления, веса воды в океане и веса  
грунтовых вод.

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.

Европейская система  апертурного синтеза LOFAR будет работать на гораздо более длинных волнах – от 1,2 до 10 м. Она войдет в строй в течение трех ближайших лет. Это очень интересный проект: чтобы снизить стоимость, в нем используются простейшие неподвижные антенны – пирамиды из металлических стержней высотой около 1,5 м с усилителем сигнала. Зато таких антенн в системе будет 25 тысяч. Их объединят в группы, которые разместят по всей территории Голландии вдоль лучей «изогнутой пятиконечной звезды» диаметром около  
350 км. Каждая антенна будет принимать сигналы со всего видимого неба, но их совместная компьютерная обработка позволит выделять те, что пришли с интересующих ученых направлений. При этом чисто вычислительным путем формируется диаграмма направленности интерферометра, ширина которой на самой короткой волне составит 1 секунду дуги. Работа системы потребует огромного объема вычислений, но для сегодняшних компьютеров это вполне посильная задача. Для ее решения в прошлом году в Голландии был установлен самый мощный в Европе суперкомпьютер IBM Blue Gene/L с 12 288 процессорами. Более того, при соответствующей обработки сигналов (требующей еще больших компьютерных мощностей) LOFAR сможет одновременно наблюдать за несколькими и даже за многими объектами!

Но самый амбициозный  проект близкого будущего – SKA (Square Kilometer Array – Система «Квадратный километр»). Суммарная площадь его антенн составит около 1 км², а стоимость инструмента оценивается в миллиард долларов. Проект SKA находится пока на раннем этапе разработки. Основной обсуждаемый вариант конструкции – тысячи антенн диаметром несколько метров, работающих в диапазоне от 3 мм до 5 м. Причем половину из них панируется установить на участке диаметром 5 км, а остальные разнести на значительные расстояния.

Возможности увеличения базы наземных интерферометров практически  исчерпаны. Будущее – это запуск антенн интерферометра в космос, где нет ограничений, связанных с размерами нашей планеты. Такой эксперимент уже  
проводился. В феврале 1997 года был запущен японский спутник HALCA, который проработал до ноября 2003 года и завершил первый этап в развитии международного проекта VSOP (VLBI Space Observatory Programme – Программа космической обсерватории РСДБ). Спутник нес антенну в виде зонтика диаметром 
8 м и работал на эллиптической околоземной орбите, которая обеспечивала базу, равную трем диаметрам Земли. Были получены изображения многих внегалактических радиоисточников с разрешением в тысячные доли секунды дуги. Следующий этап эксперимента по космической интерферометрии, VSOP-2, планируется начать в 2011–2012 годах. Еще один инструмент такого типа создается в рамках проекта «Радиоастрон» Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН совместно с учеными других стран. Спутник «Радиоастрон» будет иметь параболическое зеркало диаметром 10 м. Во время запуска оно будет в сложенном состоянии, а после выхода на орбиту развернется. «Радиоастрон» будет снабжен приемниками для нескольких длин волн – от 1,2 до 92 см. 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 интерферометра на самой короткой волне удастся получить изображения радиоисточников и измерять 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время  радиоастрономия находится на переднем фронте астрофизических исследований. Обладая самыми чувствительными приёмниками излучения, она изучает наиболее далёкие и загадочные объекты Вселенной. Однако достижения радиоастрономии присутствуют и в повседневной жизни каждого человека. Сегодня можно смело утверждать, что современное развитие техники обязано, во многом, «космическим технологиям». Мобилизировав лучшие умы человечества, обращенные в космос, радиоастрономия способствовала развитию целого пласта технологий, нашедших свое применение «не только в космосе, но и на земле».

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Интернет энциклопедия «Астрономия XXI века» http://astroweb.ru

3. Интернет энциклопедия http://ru.wikipedia.org

4. Материалы сайта http://galspace.spb.ru

5. Материалы сайта http://www.eltech.ru