Введение

Радиотелескоп — это специализированная антенна и радиоприемник, используемые для обнаружения радиоволн от астрономических радиоисточников в небе. Радиотелескопы являются основным инструментом наблюдения, используемым в радиоастрономии, которая изучает радиочастотную часть электромагнитного спектра, испускаемого астрономическими объектами, подобно тому, как оптические телескопы являются основным инструментом наблюдения, используемым в традиционной оптической астрономии, изучающей световую часть спектра, приходящую от астрономических объектов. В отличие от оптических телескопов, радиотелескопы можно использовать как днем, так и ночью. Поскольку астрономические радиоисточники, такие как планеты, звезды, туманности и галактики, находятся на очень большом расстоянии, радиоволны, приходящие от них, чрезвычайно слабы, поэтому радиотелескопам требуются очень большие антенны для сбора достаточного количества радиоэнергии для их изучения и чрезвычайно чувствительное приемное оборудование. Радиотелескопы обычно представляют собой большие параболические ("тарельчатые") антенны, аналогичные тем, которые используются для отслеживания и связи со спутниками и космическими зондами. Они могут использоваться по отдельности или объединяться в электронные массивы. Радиообсерватории предпочтительно располагаются вдали от крупных населенных пунктов, чтобы избежать электромагнитных помех (ЭМИ) от радио, телевидения, радаров, автомобилей и других электронных устройств, созданных человеком. Радиоволны из космоса впервые были обнаружены инженером Карлом Гуте Янски в 1932 году в Bell Telephone Laboratories в Холмделе, штат Нью-Джерси, с помощью антенны, построенной для изучения шума радиоприемников. Первым радиотелескопом, построенным специально для этих целей, была 9-метровая параболическая антенна, созданная радиолюбителем Гротом Ребером на заднем дворе своего дома в Уитоне, штат Иллинойс, в 1937 году. Его обследование неба часто считается началом радиоастрономии.

Ранние радиотелескопы

Первая радиоантенна, используемая для идентификации астрономического радиоисточника, была построена Карлом Гуте Янски, инженером Bell Telephone Laboratories, в 1932 году. Янски было поручено выявлять источники помех, которые могли бы влиять на работу радиотелефонной связи. Антенна Янски представляла собой массив диполей и отражателей, предназначенных для приема коротковолновых радиосигналов на частоте 20,5 МГц (длина волны около 14,6 метров). Она была установлена на поворотном столе, позволявшем ей вращаться в любом направлении, за что и получила название «Карусель Янски». Диаметр антенны составлял приблизительно 30 метров, а высота – 6 метров. Вращая антенну, можно было точно определить направление на источник радиопомех. В небольшой будке рядом с антенной находилась аналоговая система записи на бумагу с помощью пера. После нескольких месяцев записи сигналов со всех направлений Янски в итоге классифицировал их на три типа помех: близкие грозы, дальние грозы и слабый, постоянный шипящий звук, превышающий уровень шума, источник которого был неизвестен. В конечном итоге Янски установил, что этот «слабый шип» повторяется с периодом 23 часа 56 минут. Этот период соответствует длине астрономических суток, времени, необходимому любому «неподвижному» объекту на небесной сфере, чтобы вернуться в ту же точку на небе. Таким образом, Янски предположил, что шипящий звук исходит из-за пределов Солнечной системы, и, сравнив свои наблюдения с оптическими астрономическими картами, пришел к выводу, что излучение исходит от галактики Млечный Путь и наиболее интенсивно в направлении центра галактики, в созвездии Стрельца. Грот Ребер, радиолюбитель, был одним из пионеров радиоастрономии. В 1937 году он построил первый параболический радиотелескоп в своем дворе в Уитоне, штат Иллинойс. Он повторил новаторскую работу Янски, идентифицировав Млечный Путь как первый внеземной радиоисточник, и провел первое обследование неба на очень высоких радиочастотах, обнаружив другие радиоисточники. Быстрое развитие радиолокации во время Второй мировой войны создало технологии, которые после войны были применены в радиоастрономии, и радиоастрономия стала самостоятельной отраслью астрономии, университеты и научно-исследовательские институты начали строить крупные радиотелескопы.

Типы

Диапазон частот в электромагнитном спектре, составляющий радиоспектр, чрезвычайно широк. Следовательно, типы антенн, используемых в качестве радиотелескопов, значительно различаются по конструкции, размеру и конфигурации. На длинах волн от 30 метров до 3 метров (10–100 МГц) они обычно представляют собой либо направленные антенные решетки, подобные "ТВ-антеннам", либо большие неподвижные отражатели с перемещаемыми фокусами. Поскольку длины волн, наблюдаемые с помощью этих типов антенн, настолько велики, поверхности "отражателей" могут быть изготовлены из грубой проволочной сетки, например, из сетки-рабицы. На более коротких длинах волн преобладают параболические антенны-тарелки. Угловое разрешение антенны-тарелки определяется отношением диаметра тарелки к длине волны принимаемого радиоизлучения. Это определяет размер тарелки, необходимый радиотелескопу для получения полезного разрешения. Радиотелескопы, работающие на длинах волн от 3 метров до 30 см (100 МГц до 1 ГГц), обычно имеют диаметр более 100 метров. Телескопы, работающие на длинах волн менее 30 см (выше 1 ГГц), имеют диаметр от 3 до 90 метров.

Большие тарелки

Крупнейшим в мире радиотелескопом с заполненной апертурой (то есть с полным блюдом) является пятисотметровый сферический телескоп с апертурой (FAST), завершенный в 2016 году Китаем. Блюдо площадью, сопоставимой с 30 футбольными полями, встроено в естественную карстовую депрессию в ландшафте провинции Гуйчжоу и не может перемещаться; питающая антенна находится в кабине, подвешенной над блюдом на тросах. Активное блюдо состоит из 4450 подвижных панелей, управляемых компьютером. Изменяя форму блюда и перемещая кабину питания по тросам, телескоп можно наводить на любую область неба в пределах 40° от зенита. Хотя диаметр блюда составляет 500 метров, в любой момент времени только круговая область диаметром 300 метров освещается питающей антенной, поэтому фактическая эффективная апертура составляет 300 метров. Строительство началось в 2007 году и было завершено в июле 2016 года, а телескоп начал функционировать 25 сентября 2016 года. Вторым по величине телескопом в мире с заполненной апертурой был радиотелескоп Аресибо, расположенный в Аресибо, Пуэрто-Рико, однако он обрушился 1 декабря 2020 года. Аресибо был одним из немногих радиотелескопов в мире, способных также активно (то есть передавать) радиолокационные изображения околоземных объектов (см. Радарная астрономия); большинство других телескопов используют пассивное обнаружение, то есть только прием. Аресибо был еще одним стационарным телескопом, подобным FAST. Блюдо Аресибо было встроено в естественную депрессию в ландшафте, и антенной можно было управлять в пределах угла около 20° от зенита путем перемещения подвешенной питающей антенны, что позволяло использовать участок диаметром 270 метров для каждого отдельного наблюдения. Самый большой отдельный радиотелескоп любого типа – РАТАН-600, расположенный недалеко от Нижнего Архиза, Россия, который состоит из круга длиной 576 метров из прямоугольных радиорефлекторов, каждый из которых может быть направлен в сторону центрального конического приемника. Вышеупомянутые стационарные блюда не являются полностью "управляемыми"; они могут быть нацелены только на точки в области неба вблизи зенита и не могут принимать сигналы от источников, расположенных вблизи горизонта. Самый большой полностью управляемый радиотелескоп – 100-метровый телескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии, США, построенный в 2000 году. Самый большой полностью управляемый радиотелескоп в Европе – 100-метровый радиотелескоп Эффельсберг возле Бонна, Германия, который управляется Институтом радиоастрономии Макса Планка и в течение 30 лет был крупнейшим в мире полностью управляемым телескопом, пока не была построена антенна Грин-Бэнк. Третьим по величине полностью управляемым радиотелескопом является 76-метровый телескоп Ловелл в обсерватории Джодрелл-Бэнк в Чешире, Англия, завершенный в 1957 году. Четвертый по величине полностью управляемый радиотелескоп – это шесть 70-метровых антенн: три российских РТ-70 и три в сети NASA Deep Space Network. Планируемый радиотелескоп Qitai диаметром 300 метров, как ожидается, станет крупнейшим в мире полностью управляемым радиотелескопом с единым блюдом после завершения строительства в 2023 году. Более типичный радиотелескоп имеет единую антенну диаметром около 25 метров. Десятки радиотелескопов примерно такого размера используются в радиообсерваториях по всему миру.

Радиотелескопы в космосе

С 1965 года человечество запустило три радиотелескопа, размещенных в космосе. Первый из них, КРТ-10, был пристыкован к орбитальной станции «Салют-6» в 1979 году. В 1997 году Япония запустила второй – HALCA. Последний, «Спектр-Р», был запущен Россией в 2011 году.

Радиоинтерферометрия

Одно из самых заметных достижений произошло в 1946 году с введением техники, называемой астрономической интерферометрией, которая заключается в объединении сигналов от нескольких антенн для имитации большей антенны и достижения более высокого разрешения. Астрономические радиоинтерферометры обычно состоят из массивов параболических антенн (например, телескоп One Mile), массивов одномерных антенн (например, синтезирующий телескоп обсерватории Молонгло) или двухмерных массивов всенаправленных диполей (например, пульсарный массив Тони Хьюиша). Все телескопы в массиве широко разнесены и обычно соединены коаксиальным кабелем, волноводом, оптическим волокном или другим типом линии передачи. Недавние достижения в стабильности электронных генераторов также позволяют проводить интерферометрию путем независимой записи сигналов на различных антеннах с последующей корреляцией записей в центральном вычислительном комплексе. Этот процесс известен как интерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI). Интерферометрия увеличивает общий принимаемый сигнал, но ее основная цель – значительно повысить разрешение посредством процесса, называемого синтезом апертуры. Эта техника основана на суперпозиции (интерференции) сигнальных волн от разных телескопов, в соответствии с принципом, согласно которому волны, совпадающие по фазе, усиливают друг друга, а волны с противоположными фазами – гасят. Это создает комбинированный телескоп, эквивалентный по разрешению (но не по чувствительности) одиночной антенне, диаметр которой равен наибольшему расстоянию между антеннами в массиве. Для получения изображения высокого качества требуется большое количество различных расстояний между телескопами. Проекция расстояния между любыми двумя телескопами, видимая из радиоисточника, называется базовой линией. Например, в Very Large Array (VLA) возле Сокорро, штат Нью-Мексико, имеется 27 телескопов с 351 независимой базовой линией одновременно, что обеспечивает разрешение 0,2 угловой секунды на длине волны 3 см. Группа Мартина Райла в Кембридже получила Нобелевскую премию за интерферометрию и синтез апертуры. Интерферометр Ллойда также был разработан независимо в 1946 году группой Джозефа Пауси в Университете Сиднея. В начале 1950-х годов Кембриджский интерферометр составил карту радио неба, создав знаменитые обзоры радиоисточников 2C и 3C. Примером крупного физически связанного радиотелескопа является Гигантский метроволновый радиотелескоп, расположенный в Пуне, Индия. Самый большой массив, низкочастотный массив (LOFAR), завершенный в 2012 году, расположен в Западной Европе и состоит из около 81 000 небольших антенн в 48 станциях, распределенных на площади в несколько сотен километров в диаметре и работающих в диапазоне длин волн от 1,25 до 30 м. Системы VLBI, использующие постобработку данных, были построены с антеннами, разнесенными на тысячи миль. Радиоинтерферометры также использовались для получения детальных изображений анизотропии и поляризации космического микроволнового фона, например, интерферометром CBI в 2004 году. Крупнейший в мире физически связанный телескоп, Square Kilometre Array (SKA), планируется ввести в эксплуатацию в 2025 году.

Астрономические наблюдения

Многие астрономические объекты наблюдаются не только в видимом свете, но и излучают радиоволны. Помимо наблюдения за такими энергичными объектами, как пульсары и квазары, радиотелескопы способны создавать изображения большинства астрономических объектов, таких как галактики, туманности и даже радиоизлучение планет.