Дослідження космічного випромінювання із Землі
Методи дослідження космічного радіовипромінювання
| Керівник ____________ проф. Афанасьєв Н.Т. Студент гр. 01221-ДБ _________________ Чудаєв С.О. Робота захищена з оцінкою______________ «_____» ______________ 2014 р. Протокол №________________ Нормоконтролер ________________Конецька О.В. |
Реферат
Методи дослідження космічного радіовипромінювання. Робота носить реферативний характері і визначає розвиток прийому радіовипромінювання з космосу. Метою роботи є опис розвитку методів отримання космічного радіовипромінювання. Ціль я вважаю досягнутою. Робота може використовуватись як література, метою якої буде привернення уваги до цієї галузі фізики.
1.Супутні визначення. 5
1.1 Об'єкти в космосі, що випромінюють у радіодіапазоні. 5
1.2 Мета вивчення космічних радіохвиль. 5
1.4Діаграма спрямованості. 6
2. Дослідження космічного випромінювання із Землі. 8
2.1 Радіотелескопія. 8
2.2. Радіоінтерферометри.. 11
2.3 Радіоінтерферометрія з наддовгою базою (РДСБ). 14
3.Проект 'Радіоастрон'. 17
3.1. Характеристики радіотелескопа. 18
Список використаних джерел. 21
Додаток. Фотографії радіоінтерфероматра VLA та фотографія зображень, що отримуються з них 22
Вступ
Історія радіоастрономії починається в 1931 році, коли Карлом Янковським під час його досліджень грозових перешкод було отримано 'шипіння невідомого походження, яке складно відрізнити від шипіння самої апаратури'./2/
Пізніше, їм було висунуто гіпотеза у тому, що джерелом цих перешкод є центр нашої галактики, що опосередковано підтвердилося тим, що максимум інтенсивності цих перешкод було виявлено моментнапрямки антени на центр Чумацького Шляху.
Метою моєї роботи було описати розвиток радіоастрономії, починаючи від простих радіотелескопів і до радіоінтерферометрів з антенами в космосі.
Ця робота актуальна тим, що цей вид дослідження Всесвіту сам по собі дуже перспективний, адже радіодіапазон надає можливості досліджувати такі джерела, які не видно в інших довжинах хвиль (наприклад, в оптичному діапазоні) при поточних технологіях. До того ж, робота може залучити молодих спеціалістів до цієї галузі фізики.
Супутні визначення
Об'єкти в космосі, що випромінюють у радіодіапазоні
Космічні об'єкти, що випромінюють у радіодіапазоні, називаються астрономічними радіоджерелами.
До них відносяться всі об'єкти Сонячної Системи (планети, супутники, малі тіла, міжпланетне середовище, Сонце), інші зірки (пульсари, білі карлики, нові та наднові і так далі), міжзоряне середовище (міжзоряний газ та міжзоряний пил), галактики, включаючи центр нашої галактики та квазари, а також реліктове випромінювання.
Мета вивчення космічних радіохвиль
На мою думку, головна мета вивчення радіовипромінювання космічних об'єктів-це вивчення процесів, що відбуваються в цих об'єктах або самих об'єктів, з метою з'ясування природи походження даного об'єкта. Через вивчення кожного з елементів вчені можуть скласти цілісну картину процесів, що відбуваються у Всесвіті і, відповідно, мати більше інформації для доказу однієї з теорії (або навіть висунути новий) походження всього Всесвіту.
Іоносфера
Як відомо, іоносфера пропускає далеко не весь спектр випромінювання космічних об'єктів.
Іоносфера - верхня (60км-150км) частина атмосфери землі, що складається з суміші газів (вв основному, азоту і кисню) і плазми з приблизно рівною кількістю електронів та протонів.
Іоносфера пропускає, і якщо висловиться точніше, слабко поглинає випромінювання лише кількох типов./1/
Пропускання деяких довжин хвиль через земну іоносферу
Як видно з Таблиці 1іоносфера пропускає не всі довжини радіохвиль (деякі довжини іоносфера відбиває, а деякі поглинає), що і створює проблему для вивчення більшості довжин радіохвиль із Землі, у надзвичайній складності прийняти ці довжини з земних станції.
1.4Діаграма спрямованості
Діаграма спрямованості-графічне уявлення залежності коефіцієнта посилення антени від обраного напряму.
Дослідження ДН невеликих антен проводять у безеховых камерах(кімнатах, де немає відображення стін). Для антен, що не поміщаються в камеру, виготовляють їх зменшені моделі і зменшують довжину випромінювання в стільки ж разів, скільки була зменшена масштаб антени.
Для побудови діаграми спрямованості вибирається яскраве точкове джерело на небі (часто Сонце). Далі проводиться серія спостережень під різними кутами, що дозволяє побудувати розподіл інтенсивності залежно від напрямку, тобто потрібну діаграму спрямованості.
Рис.1 Зображення діаграми спрямованості
Дослідження космічного випромінювання з поверхні Землі
Радіотелескопія
Радіотелескоп – інструмент для прийому власного радіовипромінювання небесних об'єктів та дослідження їх характеристик, таких як: координати, просторова структура, інтенсивність випромінювання, спектр та поляризація.
Найпростіший радіотелескоп складається з двох основних компонентів: антени та радіометра, який отримує та посилює прийнятий зантени сигнал і передає його на реєструючий самописець.
Рис.2 Напрямок головної пелюстки діаграми спрямованості
Отже, щоб виміряти випромінювання протяжного джерела, потрібно проміряти джерело у кожній його точці.
Кутова роздільна здатність: 1' (одна кутова хвилина, близько 0,02°) відповідає площадці розміром 29 см, яка розрізняється з відстані в 1 км або одній друкованій точці тексту на відстані 1 м.
Зважаючи на дифракцію радіохвиль на апертурі телескопа, вимір напряму на точкове джерело відбувається з деякою помилкою, яка визначається діаграмою спрямованості антени і накладає фундаментальне обмеження на роздільну здатність інструменту
(2.1)
Де – довжина хвилі
D – довжина апертури телескопа
Висока роздільна здатність телескопа дозволяє розрізняти дрібніші об'єкти. Наприклад, телескоп із низькою роздільною здатністю бачитиме двою зірку як точкове джерело. Як видно з формули 2.1, збільшення роздільної здатності радіотелескопа можливе шляхом зменшення довжини хвилі або збільшенням довжини апертури. Відповідно, якщо ми хочемо вивчити довгохвильове випромінювання, то довжину хвилі ми зменшувати не може і нам доведеться збільшувати довжину апертури. Також збільшення довжини апертури збільшує ще одну важливу характеристику чутливості телескопа, що дозволяє радіотелескопу виявляти більш слабкі джерела радіовипромінювання.
, (2.2)
де P-потужність власних шумів радіотелескопа,
S -ефективна площа (збирає поверхню) антени,
- Смуга частот,
t – час накопичення сигналів.
Для підвищення чутливості радіотелескопів збільшують їх збираючу поверхню і застосовують малошумливі приймачі та підсилювачі на основімазерів, параметричних підсилювачів.
Але за збільшенням довжини апертури стоїть одна проблема, а саме складність обслуговування та ненадійність таких великих антен, через деформації конструкції під власною вагою та вітрових навантажень практично неможливо створити повноповоротний параболічний (найпоширеніший тип радіотелескопів) телескоп діаметром понад 150 м. Найбільша на сьогодні повноповоротна антена має розміри 100x110 метрів і знаходиться в США (Дзеркало розміром 100х110 м було побудовано після того, як в 1988 р під власною вагою обрушилася 90 м повноповоротна антена).
Однак, антену можна зробити нерухомою, а напрямок головної пелюстки діаграми спрямованості змінювати за допомогою пересувних опромінювачів.
Рис.3 Схематичне зображення антени з опромінювачем
Найбільший неповоротний радіотелескоп розташований у Пуерто-Ріко, і він виглядає ось так.
Рис.4 Обсерваторія Аресібо
Над сферичною чашею на тросах висить конструкція 800 т. По периметру дзеркало оточене металевою сіткою, яка захищає телескоп від техногенного радіовипромінювання. Діаметр антени складає 305 метрів. Антена розташована в природній низині з метою зниження техногенних перешкод./3/
Недоліком даного телескопа є неможливість його спрямування на кут менше 20 градусів по відношенню до зеніту.
Це межа можливостей збільшення довжини апертури для одиночного радіотелескопа, і тому вченими 1950р. було висунуто ідею збільшення апертури шляхом об'єднання радіотелескопів у мережу.
Радіоінтерферометри
Радіоінтерферометр - установка для спостережень за космічними об'єктами з високою кутовою роздільною здатністю, яка складається з двох або більшеантен, віддалених один від одного на деяку відстань і пов'язаних між собою кабельною лінією зв'язку.
За допомогою радіоінтерферометрії досягаються кутові дозволи близько тисячної частки секунди, тоді як одиночні радіотелескопи можуть дати результат 17 секунд. Така різниця в результатах викликана тим, що апертурою радіоінтерферометрах виступає відстань між віддаленими антенами, а не діаметр самої антени.
Принцип роботи радіоінтерферометра заснований на тому, що фронт ЕМ хвилі, що йде від віддаленого джерела, можна вважати плоскою.
Рис.5 Зображення геометрії найпростішого радіоінтерферометра
(2.1)
Де - різниця ходу променів,
D-відстань між антенами (апертура),
- кут між напрямком приходу променів та нормальню до лінії, на якій розташовані антени.
(2. 2)
хвилі, що прийшли на обидві антени, підсумовуються у фазі.
У протифазі хвилі вперше виявляться при
(2. 3)
(2. 4)
Таким чином, виходить багатопелюсткова діаграма спрямованості, ширина головної пелюстки якої при