Кіріспе

Радиоастрономия – радиожиіліктерде аспан денелерін зерттейтін астрономияның бір саласы. Астрономиялық объектіден радиотолқындардың алғашқы тіркелуі 1933 жылы болды, сол кезде Белл телефон зертханасының қызметкері Карл Янски Күн Жолынан келетін сәулелену туралы хабарлады. Келесі бақылаулар радиоэмиссияның әртүрлі көздерін анықтады. Олар жұлдыздар мен галактикаларды, сондай-ақ радиогалактикалар, квазарлар, пульсарлар және мазерлер сияқты жаңа объектілер кластарын қамтиды. Ұлы жарылыс теориясының куәсі саналатын ғарыштық микротолқынды фондық сәулелену радиоастрономия арқылы ашылды. Радиоастрономия радиотелескоптар деп аталатын үлкен радиоантенналарды пайдалана отырып жүзеге асырылады, олар жеке немесе радиоинтерферометрия және апертура синтезі техникаларын қолданатын бірнеше байланысты телескоптармен қолданылады. Интерферометрияны қолдану радиоастрономияға жоғары бұрыштық ажыратымдылыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді, себебі интерферометрдің ажыратымдылығы оның компоненттерінің мөлшеріне емес, олардың арасындағы қашықтыққа байланысты. Радиоастрономия радар астрономиясынан өзгеше, өйткені біріншісі пассивті бақылау (тек қабылдау), ал екіншісі белсенді (тарату және қабылдау) болып табылады.

Тарих

1930 жылдары Янски Сүт Жолының байқалуын тіркегенге дейін физиктер радио толқындарын астрономиялық көздерден байқауға болатынын болжаған. 1860 жылдары Джеймс Клерк Максвеллдің теңдеулері электромагниттік сәулеленудің электр және магнетизммен байланысты екенін, кез келген толқын ұзындығында болуға мүмкіндігін көрсетті. Күннен радиоэмиссияны анықтауға бірнеше әрекеттер жасалды, соның ішінде 1896 жылы неміс астрофизиктері Йоханнес Вильсинг пен Юлиус Шейнердің тәжірибесі және 1897 мен 1900 жылдар аралығында Оливер Лодж орнатқан сантиметрлік толқын сәулелену аппараты. Бұл әрекеттер аспаптардың техникалық шектеулеріне байланысты ешқандай эмиссияны анықтауға мүмкіндік бермеді. 1902 жылы радио толқындарын қайтаратын ионосфераның ашылуы физиктерді осы қабаттың кез келген астрономиялық радиосигналды ғарышқа кері қайтаратыны, оларды анықтау мүмкін емес ететіні деген тұжырымға әкелді. Карл Янски 1930 жылдардың басында алғашқы астрономиялық радио көзін кездейсоқ түрде ашты. Bell Telephone Laboratories-де жаңадан жұмысқа алынған радиоинженер ретінде оған қысқа толқынды трансатлантикалық дауыс беруге кедергі келтіретін статикалық шуды зерттеу міндеті жүктелді. Үлкен бағытталған антеннаны пайдаланып, Янски өзінің қағаз бен қаламмен жазған аналогты жүйесі белгісіз көзден келетін тұрақты қайталамалы сигналды немесе «сыбырды» тіркеп тұрғанын байқады. Сигнал шамамен 24 сағат сайын ең жоғары деңгейге жеткендіктен, Янски алдымен бұл кедергінің көзі оның бағытталған антеннасының көрісінен өтетін Күн болуы мүмкін деп күдіктенді. Алайда, одан әрі талдаулар осы көздің Күннің тәуліктік 24 сағаттық циклына дәл сәйкес келмейтінін, керісінше 23 сағат 56 минуттық циклмен қайталанатынын көрсетті. Янски бұл қызықты құбылысты өзінің досы, астрофизик Альберт Мелвин Скелетпен талқылады, ол сигналдың ең жоғары деңгейлері арасындағы байқалған уақыттың сидерикалық күннің ұзындығына тең екенін атап өтті; Жердің айналуы кезінде антеннаның алдынан өтетін «тұрақты» астрономиялық нысандардың, мысалы жұлдыздың өтуіне кеткен уақыт. Өзінің бақылауларын оптикалық астрономиялық карталармен салыстыра отырып, Янски сәулелену көзі оның антеннасы Сарышаян шоқжұлдызындағы Сүт Жолының ең тығыз бөлігіне бағытталған кезде ең жоғары деңгейге жететініне көз жеткізді. Янски өзінің ашылуын 1933 жылдың сәуір айында Вашингтонда өткен жиналыста жариялады, осылайша радиоастрономия саласы дүниеге келді. 1933 жылдың қазан айында оның ашылуы «Радио инженерлері институтының мәліметтерінде» «Көрнекі түрде ерден тыс шығу тегі бар электрлік бұзылыстар» деген мақаласында жарияланды. Янски Күннің (сонымен қатар басқа жұлдыздардың) үлкен радио шуын шығармайтынын ескере отырып, осы ерекше радио кедергісі галактикадағы жұлдызаралық газ бен шаңнан, әсіресе «жүктелген бөлшектердің жылулық қозғалысынан» пайда болуы мүмкін деген қорытындыға келді. (Янскидің аспандағы ең жарқын радио көздерінің бірі 1950 жылдары Сарышаян А деп аталды және кейіннен күшті магнит өрісіндегі электрондар шығарады деп болжанды. Қазіргі пікір бойынша бұл галактика ортасындағы, қазір Сарышаян А* деп аталатын нүктедегі үлкен қара тесіктің айналасында орбитада жүретін иондар. Астрологтар Сарышаян А жұлдызындағы бөлшектердің иондалғанын көрсетеді.) 1935 жылдан кейін Янски Сүт Жолының радио толқындарын егжей-тегжейлі зерттеуді қалады, бірақ Bell Labs оны басқа жобаға ауыстырды, сондықтан ол астрономия саласында одан әрі жұмыс істемеді. Оның радиоастрономия саласындағы ізашарлық еңбегі оның есімімен ағым тығыздығының негізгі бірлігіне (Янски, Jy) ат қою арқылы танылды. Грот Ребер Янскидің жұмысына сүйеніп, 1937 жылы өзінің ауласында диаметрі 9 метрлік параболалық радиотелескопты құрды. Ол Янскидің бақылауларын қайталап, радиожиілікте аспанды зерттеуді бастады. 1942 жылдың 27 ақпанында британдық армияның зерттеу офицері Джеймс Стэнли Хей Күннен шығатын радио толқындарын алғаш рет анықтады. Сол жылы Джордж Кларк Саутворт, Янски сияқты Bell Labs-те, Күннен келетін радио толқындарды анықтады. Екі зерттеуші де радарды қоршап тұрған соғыс уақытындағы қауіпсіздікке байланысты болды, сондықтан Ребер, ол осы шектеулерге ұшырамағандықтан, 1944 жылғы нәтижелерін бірінші жариялады. Бірнеше адам өз бетінше күн радио толқындарын ашты, соның ішінде Даниядағы Э. Шотт және Норфолк аралында жұмыс істейтін Элизабет Александр. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде ионосфералық зерттеулер жүргізілген Кейбридж университетінде Дж. А. Ратклифф және телекоммуникациялар ғылыми-зерттеу институтының соғыс кезінде радарға қатысты зерттеулер жүргізген басқа мүшелері университетте радиофизикалық топ құрды, онда Күннен шығатын радио толқындары байқалып, зерттелді. Бұл алғашқы зерттеулер тез арада басқа астрономиялық радио көздерін байқауға және анықталған эмиссияның бұрыштық көзін оқшаулау үшін интерферометриялық әдістерді дамытуға көшті. Мартин Райл және Антоні Хьюиш Кавендиш Астрофизикалық тобында Жердің айналу апертуралық синтезінің әдісін жасады. Кейбридждегі радиоастрономия тобы 1950 жылдары Кейбриджге жақын Маллард радиоастрономия обсерваториясын құруға көшті. 1960 жылдардың соңы мен 1970 жылдардың басында компьютерлер (мысалы, Titan) есептеуге көп күш жұмсалатын Фурье түрлендіруін кері қайтаруға қабілетті болғанда, олар «бір шақырымдық» және кейін «5 шақырымдық» тиімді апертураны жасау үшін апертуралық синтезді пайдаланды, сәйкесінше «бір шақырымдық» және Райл телескоптарын пайдаланды. Олар Кембридж интерферометрін радио аспанын картографиялау үшін пайдаланды, радио көздерінің екінші (2C) және үшінші (3C) Кембридж каталогтарын жасады.

Техникалар

Радиоастрономдар радиоспектрдегі объектілерді бақылау үшін әртүрлі техникаларды пайдаланады. Аспаптар энергиялы радио көзіне оның шығарылуын талдау үшін бағытталуы мүмкін. Аспанның бір аймағын егжей-тегжейлі "бейнелеу" үшін бірнеше қабаттасқан сканерлеулер тіркеліп, мозаикалық бейнеге біріктіріледі. Қолданылатын аспаптың түрі сигналдың күшіне және қажетті егжей-тегжейлілік деңгейіне байланысты. Жер бетінен жасалатын бақылаулар атмосферадан өте алатын толқын ұзындықтарымен шектеледі. Төмен жиіліктерде немесе ұзын толқын ұзындықтарында ионосфера таралуды шектейді, ол өзінің плазмалық жиілігінен төмен жиілікті толқындарды қайтарады. Су буы жоғары жиіліктерде радиоастрономияға кедергі келтіреді, сондықтан су буының көру сызығындағы мөлшерін азайту үшін өте биік және құрғақ жерлерде миллиметрлік толқын ұзындығында байқаулар жүргізетін радио обсерваториялар салынды. Соңында, Жердегі тарату құрылғылары радиожиілікті кедергілер тудыруы мүмкін. Осы себепті көптеген радио обсерваториялар шалғай орналасқан жерлерде салынған.

Радиотелескоптар

Радиотелескоптардың сигнал/шу қатынасы төмен сигналдарды қабылдау үшін өте үлкен болуы керек. Сонымен қатар, бұрыштық ажыратымдылық байқалатын электромагниттік сәулеленудің толқын ұзындығына пропорционал "объективтің" диаметрінің функциясы болғандықтан, радиотелескоптар оптикалық телескоптарға қарағанда әлдеқайда үлкен болуы тиіс. Мысалы, 1 метр диаметрлі оптикалық телескоптың диаметрі байқалатын жарықтың толқын ұзындығынан екі миллион есе артық, бұл оған шамамен 0,3 доға секундтық ажыратымдылықты береді, ал радиотелескоптың "антеннасы" одан бірнеше есе үлкен болса да, байқалатын толқын ұзындығына байланысты толық айдың көлемімен (30 доға минуты) тең нысанды ғана ажырата алады.

Радиоинтерферометрия

Жоғары ажыратымдылыққа бір радиотелескоппен қол жеткізудегі қиындық радиоинтерферометрияның пайда болуына әкелді, оны 1946 жылы британдық радиоастроном Мартин Райл және австралиялық инженер, радиофизик және радиоастроном Джозеф Лейд Пауси мен Руби Пэйн Скотт әзірледі. Радиоинтерферометрді астрономиялық бақылау үшін алғаш рет Пайн Скотт, Пауси және Линдси МакКреди 1946 жылғы 26 қаңтарда Австралияның Сидней қаласының жанында 200 МГц жиілігінде бір түрлендірілген радиолокациялық антеннаны (жанама тізім) пайдаланып жүзеге асырды. Бұл топ теңіз жартасының интерферометрі принципін қолданды, онда антенна (бұрынғы Екінші дүниежүзілік соғыс радарі) Күннің тікелей сәулеленуінен және теңізден шағылысқан сәулеленуден туындаған интерференциямен бірге күннің шығуын бақылады. Шамамен 200 метрлік бұл базалық сызық бойынша авторлар жарылыс фазасындағы күн сәулесі күн дискісінен әлдеқайда кіші екенін және үлкен күн дақ тобымен байланысты аймақтан шыққандығын анықтады. Австралиялық топ 1947 жылы жарық көрген мақаласында апертура синтезінің принциптерін баяндады. Теңіз жартасының интерферометрін Австралия, Иран және Ұлыбританиядағы көптеген топтар Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде қолданды, олар келіп жатқан ұшақтардан интерференциялық жолақтарды (тікелей радиолокациялық сигнал және теңізден шағылысқан сигнал) байқады. Райл мен Вонбергтің Кембридж тобы 1946 жылдың шілде айының ортасында алғаш рет Күнді 175 МГц жиілігінде екі радиоантеннадан тұратын Микельсон интерферометрімен бақылады. Олар радио сәулеленуінің мөлшері 10 доға минутынан кем екенін көрсетті, сондай-ақ I типті жарылыстардағы дөңгелек поляризацияны анықтады. Шамамен сол уақытта тағы екі топ дөңгелек поляризацияны анықтады (Австралиядағы Дэвид Мартин және Ұлыбританиядағы Джеймс Стэнли Хеймен бірге Эдвард Апплтон). Қазіргі заманғы радиоинтерферометрлер коаксиалдық кабель, толқын жетек, оптикалық талшық немесе басқа тарату желісі арқылы байланысқан, бірдей нысанды бақылайтын қашықта орналасқан радиотелескоптардан тұрады. Бұл жиналған сигналдың жалпы мөлшерін ғана емес, сонымен қатар ажыратымдылықты едәуір арттыруға мүмкіндік беретін апертура синтезі деп аталатын процесте де қолданылады. Бұл техника әртүрлі телескоптардан келетін сигналдық толқындарды біріктіру арқылы жұмыс істейді, осылайша бір фазадағы толқындар бір-бірін күшейтеді, ал қарама-қарсы фазадағы толқындар бір-бірін жояды. Бұл массивтегі ең қашықтағы антенналардың арақашықтығына тең біріктірілген телескопты құрайды. Жоғары сапалы кескінді алу үшін әртүрлі телескоптар арасындағы әртүрлі аралықтардың көп болуы қажет (радио көзінен қарағандағы екі телескоп арасындағы проекцияланған аралық "базалық сызық" деп аталады) – жақсы сапалы кескінді алу үшін мүмкіндігінше көп базалық сызықтар қажет. Мысалы, Өте үлкен массивте 27 телескоп бар, олар бір уақытта 351 тәуелсіз базалық сызықты қамтамасыз етеді.

Базалық желісі өте ұзақ интерферометрия

1970-ші жылдардан бастап радиотелескоп қабылдағыштарының тұрақтылығын жақсарту, әлемнің кез келген жеріндегі (тіпті Жер орбитасындағы) телескоптарды өте ұзақ базалық интерферометрия жүргізу үшін біріктіруге мүмкіндік берді. Антенналарды физикалық түрде қосудың орнына, әр антеннада алынған деректер, әдетте жергілікті атомдық сағаттан алынған уақыт туралы ақпаратпен жұптастырылады, содан кейін магниттік таспаға немесе қатты дискіге кейінірек талдау үшін сақталады. Кейін осы деректер басқа антенналардан ұқсас жазылған деректермен салыстырылып, нәтижедегі кескінді шығару үшін корреляцияланады. Осы әдіс арқылы Жердің өзінің мөлшерімен тең синтезделген антенна жасау мүмкін. Телескоптар арасындағы үлкен қашықтықтар өте жоғары бұрыштық ажыратымдылыққа қол жеткізуге мүмкіндік береді, бұл астрономияның басқа кез келген саласынан әлдеқайда жоғары. Ең жоғары жиіліктерде синтезделген сәулелер 1 миллисекундтан кем болуы мүмкін. Бүгінде жұмыс істейтін VLBI массивтері – Өте ұзақ базалық массив (Солтүстік Америкада орналасқан телескоптармен) және Еуропалық VLBI желісі (Еуропа, Қытай, Оңтүстік Африка және Пуэрто-Рикодағы телескоптар). Әр массив әдетте жеке жұмыс істейді, бірақ кейбір жобалар бірлесіп байқалып, сезімталдықты арттырады. Бұл "Global VLBI" деп аталады. Сонымен қатар, Австралия мен Жаңа Зеландияда жұмыс істейтін LBA (Long Baseline Array) деп аталатын VLBI желілері, сондай-ақ Жапония, Қытай және Оңтүстік Кореяда бірлесіп Шығыс Азия VLBI желісін (EAVN) құрайтын массивтер бар. VLBI-ның пайда болған сәтінен бастап, әр телескопта жазылған деректерді кейінірек корреляциялау үшін біріктірудің жалғыз жолы қатты тасымалдағыштарға деректерді жазу болатын. Алайда, бүгінде әлемдік жоғары өткізу қабілеті бар желілердің болуы VLBI-ді нақты уақытта жүргізуге мүмкіндік береді. Бұл техника (e VLBI деп аталады) бастапқыда Жапонияда дамыды, ал кейінірек Австралияда және Еуропада EVN (Еуропалық VLBI желісі) тарапынан қабылданып, жыл сайынғы ғылыми e VLBI жобаларының саны артуда.

Халықаралық реттеу

Радиоастрономиялық қызмет (сонымен қатар: радиоастрономиялық радиобайланыс қызметі) Халықаралық телекоммуникация одағының (ITU) Радио ережелерінің (RR) 1.58-бабына сәйкес "радиоастрономияны қолдануға байланысты радиобайланыс қызметі" деп анықталады. Осы радиобайланыс қызметінің нысаны – астрономиялық немесе аспан денелерінен таратылатын радио толқындарды қабылдау.