Кіріспе

Радиоастрономияда қолданылатын бағытталған радиоантенна. Радиотелескоп – аспандағы астрономиялық радио көздерінен радио толқындарды анықтауға арналған арнайы антенна және радио қабылдағыш. Радиотелескоптар – астрономиялық объектілерден шығатын электромагниттік спектрдің радиожиіліктік бөлігін зерттейтін радиоастрономияның негізгі бақылау құралы, дәл сол сияқты оптикалық телескоптар – астрономиялық объектілерден келетін спектрдің жарық толқыны бөлігін зерттейтін дәстүрлі оптикалық астрономияның негізгі бақылау құралы. Оптикалық телескоптардан өзгеше, радиотелескоптарды күндіз де, түнде де пайдалануға болады. Астрономиялық радио көздері, мысалы, планеталар, жұлдыздар, тұмандықтар және галактикалар өте қашықта болғандықтан, олардан келетін радио толқындар өте әлсіз, сондықтан радиотелескоптарға оларды зерттеу үшін жеткілікті радио энергиясын жинау үшін өте үлкен антенналар мен өте сезімтал қабылдау жабдықтары қажет. Радиотелескоптар көбінесе спутниктермен және ғарыш зондтарымен байланыс орнату және оларды бақылау үшін қолданылатын үлкен параболалық ("тарелка тәрізді") антенналар болып табылады. Оларды жеке немесе электрондық түрде біріктіріп, массивке қосуға болады. Радио обсерваториялар радио, теледидар, радар, автокөлік және басқа да адам жасаған электрондық құрылғылардан туындайтын электромагниттік кедергілерден (ЭМИ) аулақ болу үшін халық шоғырланған орталықтардан алыс орналасуы тиіс. Ғарыштан келетін радио толқындарын алғаш рет 1932 жылы Нью-Джерси штатының Холмдел қаласындағы Белл телефон зертханасында инженер Карл Гуте Янски радио қабылдағыштарының шуын зерттеу үшін салынған антенна арқылы анықтады. Алғашқы мақсатты радиотелескоп – 9 метрлік параболалық тарелка. Оны радио әуесқой Грот Ребер 1937 жылы Иллинойс штатының Уитон қаласындағы үйінің артқы ауласында жасады. Оның жүргізген аспан зерттеуі радиоастрономия саласының бастауы деп есептеледі.

Алғашқы радиотелескоптар

Астрономиялық радио көзін анықтау үшін пайдаланылған алғашқы радио антеннаны 1932 жылы Белл Телефон зертханасының инженері Карл Гуте Янски жасаған. Янскиге радиотелефон байланысына кедергі келтіретін статикалық шудың көздерін анықтау міндеті жүктелді. Янскидің антеннасы 20,5 МГц жиілікті қысқа толқынды радиосигналдарды қабылдауға арналған дипольдер мен рефлекторлардың массиві болды (толқын ұзындығы шамамен 14,6 метр). Ол кез келген бағытта айналуға мүмкіндік беретін айналмалы платформаға орнатылған, сондықтан оны «Янскидің айналмалы платформасы» деп атаған. Оның диаметрі шамамен 30 метр, биіктігі 6 метр болатын. Антеннаны айналдыру арқылы қабылданатын кедергі келтіретін радио көзінің (статикалық шудың) бағытын нақты анықтауға болады. Антеннаның жанындағы кішкентай сарайда аналогтық қаламмен қағазға жазатын тіркеу жүйесі орналасқан. Бірнеше ай бойы барлық бағыттардан сигналдарды жазғаннан кейін, Янски оларды үш түрге бөліп көрсетті: жақын маңдағы найзағайлар, алыстағы найзағайлар және белгісіз шығу тегі бар, атыс шуынан жоғары тұрақты әлсіз сызылу. Ақырында Янски «әлсіз сызылудың» 23 сағат 56 минуттық циклмен қайталанатынын анықтады. Бұл кезең – астрономиялық жұлдыздық тәуліктің ұзындығы, аспан сферасындағы кез келген «тұрақты» объектінің аспандағы сол орнына оралуына кеткен уақыт. Осылайша Янски сызылудың Күн жүйесінен тыс жерден пайда болғанын болжады және өзінің бақылауларын оптикалық астрономиялық карталармен салыстыра отырып, сәулеленудің Құс жолы галактикасынан келіп, галактика орталығының бағытында, Сақина шоқжұлдызында ең күшті екенін қорытындылады. Радио әуесқой операторы Грот Ребер радиоастрономия деп аталған ғылымның негізін қалаушылардың бірі болды. Ол 1937 жылы Иллинойс штатының Уитон қаласындағы ауласында диаметрі бар алғашқы параболалық «табақ» радиотелескопын жасады. Ол Янскидің пионерлік жұмысын қайталады, Құс жолын әлемнен тыс алғашқы радио көзі ретінде анықтады және өте жоғары радио жиіліктерде алғашқы аспан зерттеуін жүргізіп, басқа радио көздерін ашты. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радар технологиясының қарқынды дамуы соғыстан кейін радиоастрономияда қолданылған технологияны жасады, ал радиоастрономия астрономияның жеке саласы болды, университеттер мен ғылыми-зерттеу институттары ірі радиотелескоптар құрылысын жүзеге асырды.

Түрлері

Радиодиапазонды құрайтын электромагниттік спектрдегі жиіліктердің диапазоны өте кең. Сәйкесінше, радиотелескоптар ретінде қолданылатын антенналардың түрлері конструкциясы, мөлшері және конфигурациясы бойынша әртүрлі болады. 30 метрден 3 метрге дейінгі толқын ұзындығында (10–100 МГц) олар әдетте "телевизиялық антенналарға" ұқсас бағытталған антенналар жиынтығы немесе жылдам фокустық нүктелері бар үлкен тұрақты рефлекторлар болып табылады. Бұл типтегі антенналармен байқалатын толқын ұзындығы өте ұзын болғандықтан, "рефлектор" беттері тауық торы сияқты жалғасып жатқан сым торларынан жасалуы мүмкін. Ал қысқа толқын ұзындығында параболалық "табақша" антенналары басым. Табақша антеннаның бұрыштық ажыратымдылығы табақша диаметрінің байқалатын радио толқындардың толқын ұзындығына қатынасымен анықталады. Бұл радиотелескоптың пайдалы ажыратымдылыққа қажетті табақшаның мөлшерін анықтайды. 3 метрден 30 см-ге дейінгі толқын ұзындығында жұмыс істейтін радиотелескоптардың диаметрі әдетте 100 метрден асады. 30 см-ден қысқа толқын ұзындығында (1 ГГц-тен жоғары) жұмыс істейтін телескоптардың диаметрі 3-тен 90 метрге дейін өзгереді.

Үлкен ыдыстар

Әлемдегі ең үлкен толық беткейлі радиотелескоп – Қытайдың 2016 жылы аяқтаған 500 метрлік апертуралы сфералық телескопы (FAST). 30 футбол алаңына тең ауданы бар бұл табақ Гуйчжоу провинциясындағы табиғи карсттық ойысқа орналасқан және жылжымайды; антеннасы кабельдермен табақтың үстінде ілінген кабинада орналасқан. Телескоп 4450 жылжымалы панельден тұрады, олар компьютермен басқарылады. Табақтың пішінini өзгерту және антенналық кабинаны кабельдер арқылы жылжыту арқылы телескопты аспанның кез келген нүктесіне зениттен 40 градусқа дейін бағыттауға болады. Диаметрі 500 метр болғанымен, табақтың тек 300 метрлік дөңгелек бөлігі антеннамен жарықтандырылады, сондықтан нақты тиімді апертурасы 300 метрді құрайды. Құрылысы 2007 жылы басталды және 2016 жылдың шілдесінде аяқталды, ал телескоп 2016 жылдың 25 қыркүйегінде жұмыс істеуге кірісті. Әлемдегі екінші үлкен толық беткейлі телескоп – Аресибо радиотелескопы, ол Пуэрто-Рикодағы Аресибода орналасқан, бірақ 2020 жылдың 1 желтоқсанында күйреуге ұшырады. Аресибо әлемдегі сирек радиотелескоптардың бірі, ол Жерге жақын объектілерді белсенді (яғни, тарату арқылы) радарлық бейнелеуге қабілетті (қараңыз: радарлық астрономия); көптеген басқа телескоптар тек пассивті анықтауды қолданады, яғни қабылдау ғана. Аресибо FAST сияқты жылжымайтын табақ телескопы болды. Аресибоның табағы ландшафттағы табиғи ойысқа орналасқан, антеннасы зениттен шамамен 20 градусқа дейін бұрыла алатын, бұл кез келген жеке байқау үшін табақтың 270 метрлік диаметрлі бөлігін пайдалануға мүмкіндік берді. Кез келген түріндегі ең үлкен жеке радиотелескоп – Ресейдің Нижний Архыз қаласының жанында орналасқан RATAN 600, ол 576 метрлік тікбұрышты радиорефлекторлар шеңберінен тұрады, олардың әрқайсысы орталық конустық қабылдағышқа бағытталуы мүмкін. Жоғарыда аталған жылжымайтын табақтар толыққанды "бағыттала алмайды"; олар тек аспанның зенитке жақын аймағындағы нүктелерге бағыттала алады және көкжиекке жақын объектілерден сигнал қабылдай алмайды. Ең үлкен толыққанды бағытталатын табақ радиотелескопы – АҚШ-тың Батыс Вирджиния штатындағы 100 метрлік Грин-Бэнк телескопы, ол 2000 жылы салынған. Еуропадағы ең үлкен толыққанды бағытталатын радиотелескоп – Германияның Бонн қаласының жанында орналасқан Эффелсберг 100 м радиотелескопы, оны Макс Планк радиоастрономия институты басқарады. Грин-Бэнк антеннасы салынғанға дейін 30 жыл бойы ол әлемдегі ең үлкен толыққанды бағытталатын телескоп болды. Үшінші ең үлкен толыққанды бағытталатын радиотелескоп – Англияның Чешир графтығындағы Джодрелл Банк обсерваториясындағы 76 метрлік Ловелл телескопы, ол 1957 жылы аяқталды. Төртінші ең үлкен толыққанды бағытталатын радиотелескоптар – алты 70 метрлік табақ: үш ресейлік RT 70 және NASA Deep Space Network-тегі үш. Құрылысы жоспарланған Qitai радиотелескопының диаметрі 2,5 метрге жетеді. 2023 жылы аяқталғаннан кейін ол әлемдегі ең үлкен толыққанды бағытталатын бір табақты радиотелескоп болады деп күтілуде. Көбінесе радиотелескоптардың диаметрі шамамен 25 метр болатын бір антеннасы болады. Осындай өлшемдегі ондаған радиотелескоптар бүкіл әлемдегі радиообсерваторияларда жұмыс істейді.

Ғарышқа арналған радиотелескоптар

1965 жылдан бері адам баласы үш ғарыштағы радиотелескопты ұшырды. Біріншісі, КРТ 10, 1979 жылы «Салют-6» орбиталық ғарыш станциясына қосылды. 1997 жылы Жапония екінші «HALCA» радиотелескопын жіберді. Ал соңғысын Ресей 2011 жылы «Спектр-Р» деп атап ұшырды.

Радиоинтерферометрия

Ең маңызды жетістіктердің бірі 1946 жылы астрономиялық интерферометрия деп аталатын техниканың енгізілуімен болды, ол бірнеше антенналардан түсетін сигналдарды біріктіруді білдіреді, осы арқылы үлкен антеннаны имитациялап, жоғарырақ ажыратымдылыққа қол жеткізуге болады. Астрономиялық радиоинтерферометрлер әдетте параболалық тарекалардың массивтерінен (мысалы, One Mile телескопы), бір өлшемді антенналардың массивтерінен (мысалы, Молонгло обсерваториясының синтездік телескопы) немесе екі өлшемді бағытталмаған дипольдердің массивтерінен (мысалы, Тони Хьюиштің Пульсар массиві) тұрады. Массивтегі барлық телескоптар кеңістікте бөлінген және әдетте коаксиалды кабель, толқын жетек, оптикалық талшық немесе басқа да тарату желісі арқылы қосылады. Электрондық осцилляторлардың тұрақтылығындағы соңғы жетістіктер интерферометрияны әртүрлі антенналарда сигналдарды тәуелсіз жазу арқылы жүргізуге мүмкіндік береді, содан кейін жазбаларды кейбір орталық өңдеу орталығында корреляциялауға болады. Бұл процесс өте ұзақ базалық интерферометрия (VLBI) деп аталады. Интерферометрия жиналған сигналдың жалпы мөлшерін арттырады, бірақ оның басты мақсаты – апертура синтезі деп аталатын процесс арқылы ажыратымдылықты едәуір арттыру. Бұл техника әртүрлі телескоптардан келетін сигналдық толқындарды суперпозициялау (араластыру) арқылы жұмыс істейді, осылайша бір фазадағы толқындар бір-біріне қосылады, ал қарама-қарсы фазадағы екі толқын бір-бірін жояды. Бұл массивтегі ең алыс антенналардың арақашықтығына тең диаметрге ие болған бір антеннаға тең ажыратымдылыққа ие біріктірілген телескопты құрайды (сезімталдық жағынан емес). Жоғары сапалы кескін үшін телескоптар арасындағы әртүрлі аралықтардың көп болуы қажет. Кез келген екі телескоптың арасындағы, радио көзінен қарағандағы проекцияланған аралықты базалық сызық деп атайды. Мысалы, Нью-Мексико штатының Сокорро қаласының жанында орналасқан Өте үлкен массив (VLA) бір уақытта 351 тәуелсіз базалық сызыққа ие 27 телескоптан тұрады, бұл 3 см толқын ұзындығында 0,2 секундтық доғаның ажыратымдылығына жетеді. Мартин Райлдің Кембридждегі тобы интерферометрия және апертура синтезі үшін Нобель сыйлығын алды. Ллойдтың айнасы интерферометрі де 1946 жылы Сидней университетіндегі Джозеф Паузи тобымен тәуелсіз түрде жасалды. 1950 жылдардың басында Кембридж интерферометрі радио көздерін зерттеу үшін радио аспанын картаға түсіріп, 2C және 3C радио көздерінің әйгілі тізімін жасады. Физикалық түрде байланысты үлкен радиотелескоптар массивінің мысалы – Пунеде (Үлкен метротолқындық радиотелескоп) орналасқан. 2012 жылы аяқталған ең үлкен массив – төмен жиілікті массив (LOFAR) Батыс Еуропада орналасқан және диаметрі бірнеше жүз шақырымға созылатын 48 станциядағы шамамен 81 000 шағын антеннадан тұрады және 1,25 пен 30 м толқын ұзындығында жұмыс істейді. Байқаудан кейінгі өңдеуді пайдаланатын VLBI жүйелері мыңдаған шақырым аралықтағы антенналармен құрастырылған. Радиоинтерферометрлер 2004 жылы CBI интерферометрі сияқты Космикалық микротолқынды фонның анизотропиясы мен поляризациясының егжей-тегжейлі суреттерін алу үшін де қолданылған. Әлемдегі ең үлкен физикалық түрде байланысты телескоп – Квадратты километрлік массив (SKA) 2025 жылы жұмысын бастау жоспарлануда.

Астрономиялық бақылаулар

Көптеген астрономиялық нысандар көрінетін жарықта ғана емес, сонымен қатар радио толқындары түрінде сәуле шығарады. Пульсарлар мен квазарлар сияқты жоғары энергиялы нысандарды бақылаудан өзге, радиотелескоптар галактикалар, тұмандықтар және тіпті планеталардан шығатын радиосигналдарды да "көрсете алады".