Радио астрономија PDF Печати Е-пошта
Напишано од Александар Шулевски   
Петок, 17 Април 2009 17:11
     Една најопшта дефиниција за радио астрономијата би била дека таа е дел од астрономијата и се занимава со проучување на небесните тела преку зрачењето што тие го емитуваат во радио делот од електромагнетниот спектар. Основните инструменти кои се користат за собирање на зрачењето се нарекуваа радио телескопи. Природата на електромагнетното зрачење во радио дијапазонот е таква што како рефлектори за собирање и манипулација со брановите се користат метали соразлични конфигурации (обични антени, жици поставени така што да формираат диполи или параболични рефлектори) кои зависат во прв ред од брановата должина на зрачењето. Приемници се елекронски склопови или суперпроводни споеви. И додека во оптичкиот дијапазон набљудувањата по природа се интегрални, т.е. сликите се примарни, а за да добиеме спектри треба да се вложи поголем напор, радио набљудувањата се по природа квази спектрални, односно приемниците полесно се прават да бидат теснопојасни што ќе рече веќе се спектрометри, а потешко е да се направат широкопојасни, т.е. да набљудуваме во континуумот. Исто така, слики се добиваат само после подолга обработка на податоците, при што шумовите во приемникот се постојана напаст која што треба да се минимизира. И за радио набљудувањата важат истите закони како и за оптичката астрономија, па резолуцијата за дадена апертура се определува според познатиот израз:
 

 
     Бидејќи во изразот влегува и брановата должина на зрачењето, а таа во радио делот на спектарот е поголема од оптичкиот дел, соодветно за да се постигне иста резолуција во двата дијапазони значи дека радио телескопите мора да имаат многу поголеми апертури од оптичките телескопи. Но, истовремено точно поради поголемата бранова должина на радио брановите, и толеранциите при изработката на рефлектирачките површини се поголеми, па радио телескопите се релативно полесни за изработка. Ако одиме кон поголеми бранови должини, и сличноста помеѓу радио и оптичките телескопи се намалува; тие на доста големи бранови должини повќе наликуваат на домашните TV антени отколку на познатите “чинии” кои ги поврзуваме со радио астрономијата. Интересен е фактот и дека на пример рендгенските телескопи, или оние за прием на гама зрачење не наликуваат многу на своите оптички роднини. Ова ја потврдува старата мудрост дека постои алат за секоја работа. Една од основните карактеристики на радио телескопите е таканаречената карактеристика на насоченост. Таа е крива која најчесто се претставува во поларни координати и ја дава зависноста на осетливоста на антената во зависност од аголот кој го формира правецот до изворот на зрачење и оската на симетрија на антената.
 

Слика 1. Карактеристика на насоченост на антена. Означени се полната ширина на главната латица (BWFN) и половина од ширината (HPBW)
 
     На неа може да се забележи една главна “латица” и повеќе помали. Широчината на главната латица е зависи од конструкцијата на телескопот и од брановата должина на која се набљудува, и колку што е таа поширока, толку резолуцијата на инструментот е помала. Малите “латици” се последица на интерференцијата, а осетливоста е најголема на оската на симетрија на антената. Моќноста на примениот сигнал се детектира и запишува. Мерењето на моќноста може да се прави на различни начини. Сигналите статистички имаат природа на шум чија моќност се мери со споредување со стандарден генератор на шум, со нивно интегрирање со помош на полупроводни елементи (диоди, транзистори), или со чувствителни хетеродински приемници. Во поново време, развиени се многу софистицирани приемници, а сигналите се дигитализираат, компјутерски обработуваат при што се користат најсовремени атомски часовници како референци за земањето одбироци при дигитализацијата, а статистичките техники (корелација) најчесто се користат при обработката. Новите медиуми помагаат податоците полесно да се чуваат и пренесуваат како и анализираат по желба било кога и било каде.
 
Изработка на аматерски радио телескоп
 
     Сите ние во нашите домови веќе имаме радио телескопи за средни бранови. Тоа се нашите радио и TV приемници. Секогаш кога сме во подрачјата помеѓу каналите, и слушаме шум, или гледаме “снег” на екранот, тоа е галаксијата. Најголемиот дел е шум од приемникот, но сепак се слуша и универзумот. Ако сакаме да работиме во подрачјето на средните бранови, би работеле со диполни антени, но ќе опишеме конструкција на насочен параболичен рефлектор и скромен приемник. Рефлекторот се конструира од метал и пожерно е да биде со што е можно поголем дијаметар (идеално 2 – 4 метри), а самата површина може и од метална мрежа, ссамо треба да се внимава на големината на окцата на мрежата. Имено, тие треба да се помали од 1/4 од брановата должина на набљудуваното зрачење, во спротивно зрачењето ќе помине низ неа. Во фокусот на антената се поставува т.н. LNB (Low Noise Block) што во суштина претставува мешач кој произведува сигнал со пониска фреквенција кој можеме преку коаксијален кабел да го испратиме до приемникот. Преку истиот кабел испраќаме и напојување (еднонасочен сигнал) до мешачот. Сигналот стигнува до мешачот преку една метална инка (т.н. feedhorn). Инката дополнително го филтрира шумот. Инката и мешачот (кој содржи високофрквентни полупроводнички компоненти) се одбираат според фреквенцијата околу која што ќе набљудуваме. Можат и да се направат, но најчесто се купуваат готови. За наша цел може да искористиме и LNB за сателитска телевизија, но со пониска носечка фреквенција (под 10 GHz). Најдобро би било ако може да набавиме LNB и миксер за 1.4 GHz, која што е фреквенцијата на емитување на неутралниот водород, и во која најлесно може да ја “слушаме” галаксијата. Антената ја поставуваме така што да може да ротира по азимут и елевација. Може да искористиме и готова монтажа од постоечки сателитски систем зависно од големината на антената. Исто така, антената може да е и неподвижна, а небото да ги носи објектите во нејзиниот “зрак” (зрак на антената е само друго име за карактеристиката на насоченост англ. - beam). За почеток, за аматерски потреби може да се задоволиме со мерење на моќноста на добиениот сигнал. За таа цел, можеме да искористиме мерач за моќност кој се користи за да се насочат сателитските антени во правецот на сателитите. Тоа е ефтин широкопојасен интегрирачки мерач на моќност. Неговиот излез треба да е аналоген. Излезот може да го поврземе на A/D конвертер директно, или преку засилувач прикажан на слика 2.
 

Слика 2. Еднонасочен засилувач на излез од мерачот на моќност
 
     Засилувачот ќе ни дозволи да го менуваме засилувањето без да го менуваме засилувањето на самиот мерач што е пожелно (со помош на прекинувачите S2 и S3), а исто така може да го менуваме и времето на интеграција (мерење) со помош на преклопикот S1. Може да искористиме и звучна картичка од компјутер како A/D конвертер, или да го сепмлираме сигналот со наша апликација преку еден од компјутерските портови. На овој начин може да регистрираме како извори на радио зречење кои имаат максимум на зрачење во опсегот на фрквенции кои ги покрива антената со приемникот поминуваат низ нејзиниот зрак, и можеме да им ја измериме тоталната моќност. Таа ќе зависи од времето на интеграција (мерење), како и од засилувањето на системот. Ќе треба да извршиме и калибрација со познати радио извори ако сакаме да ја изразиме измерената моќност во физички единици. Следно што би можеле да направиме е да преминеме на “спектрален” приемник. Тој е посложен за изведба, бидејќи во суштина е високофреквентен систем, но може да се купи по нарачка. Тогаш, ако слушаме во L опсегот (околу 1GHz), би можеле и да направиме проста мапа на спиралната структура на галаксијата следејќи ја моќноста на зрачењето на неутралниот водород по небото (ваков систем може да се купи во целост од MIT – Massachusetts Institute of Technology во соединетите држави за околу 250 000 денари).
 
Перспективи на радио астрономијата во Европа
 
     Во светот постојат многу големи и познати радио опсерватории, како VLA во Соединетите држави или Аресибо во Порторико. Моментално, светот е насочен кон изградба на низи од радио телескопи кои се поврзани и работат како еден телескоп. Тие користат најсовремени приемници и веќе работат и во милиметарското подрачје на електромагнетниот спектар. Таква низа се гради во пустината Атакама во Јужна Америка (низата ALMA), а пример е и планираниот LOFAR проект во Европа.
 

Слика 3. Карактеристика на насоченост на многуелементен интерферометар. Должината на базата (растојанието помеѓу поединечните антени) е означено со S
 

Слика 4. Принцип на работа на двоелементен интерферометар
 
     За да биде конкурентна во глобални рамки, европската унија го започна проектот RadioNet кој како крајна цел го има поставено создавањето на мрежа за размена на податоци која ќе ги поврзе сите радио опсерватории во Европа, но и сите оние места кои што се важни за радио астрономијата, како на пример постројќи за производство на електронски конпоненти, и истражувачките центри (универзитетски или приватни). Создавањето на ваква мрежа опфаќа и стандардизирање на форматот во кој ќе се разменуваат податоците. Исто така, бидејќи се вклучуваат и различни постројки, тоа значи дека ќе бидат достапни стандардизирани податоци од цел радио спектар на било кој член на RadioNet. На овој начин, работата на истражувачите значително ќе се олесни и ќе стане поефикасна, а Европа ќе ја зголеми својата конкурентност во глобални рамки кога станува збор за истражувања од областа на радио астрономијата.
 

Слика 5. Westerbork радио телескопот (дел од RadioNet проектот)
 
Радио астрономијата во Македонија
 
     Каде е местото на Македонија во сево ова? Во нашето поблиско соседство не постои радио астрономска опсерваторија. Не постои и во нашата држава. Ако сакаме да се приклучиме кон овие најнови трендови во Европа, би требало да направиме анализа дали воопшто имаме потреба од тоа. Исто така, треба да се знае дека ако ги исклучиме најамбициозните проекти, една радио опсерваторија е споредбено поевтина за изградба од соодветна оптичка опсерваторија. Исто така, вреди да се размисли и поради тоа што би се креирала една нова научна област која досега не постио во Макединија. Ние веќе имаме институции кои се занимаваат со физиката и електрониката кои се потребни за остварување на овој проект, а исто така и производствени капацитети кои се занимаваат со производство на електронски компоненти. Потребни се стратегија и фондови за да се започне со изработка на приемници и антени прилагодени за оној вид на радио астрономија кои сме спремни да го развиваме. Се разбира, сето ова важи ако имаме истражувачи кои сакаат да се занимаваат со оваа наука. Во секој случај, ако имаме луѓе кои се заинтересирани, а немаме објекти за работа, секогаш можеме да ги користиме можностите на RadioNet, но најпрво мораме да станеме членка на EU, за да добиеме можност да се приклучиме на тој проект. По тоа прашање радио астрономијата во Македонија зависи од сите граѓани на оваа земја.
Последно освежено на Петок, 17 Април 2009 17:34