Введение
Радиоастрономия — это раздел астрономии, изучающий небесные объекты в радиодиапазоне. Первое обнаружение радиоволн от астрономического объекта произошло в 1933 году, когда Карл Янски из Bell Telephone Laboratories сообщил об излучении, приходящем от Млечного Пути. Последующие наблюдения выявили множество различных источников радиоизлучения, включая звезды и галактики, а также совершенно новые классы объектов, такие как радиогалактики, квазары, пульсары и мазеры. Открытие космического микроволнового фонового излучения, рассматриваемого как свидетельство теории Большого взрыва, было сделано с помощью радиоастрономии. Радиоастрономические исследования проводятся с использованием больших радиоантенн, называемых радиотелескопами, которые могут использоваться как самостоятельно, так и в составе сети, применяя методы радиоинтерферометрии и синтеза апертуры. Использование интерферометрии позволяет достичь высокого углового разрешения, поскольку разрешающая способность интерферометра определяется расстоянием между его элементами, а не их размером. Радиоастрономия отличается от радиолокационной астрономии тем, что первая является пассивным методом наблюдения (то есть только приемом сигналов), а вторая – активным (передачей и приемом).
Radio astronomy is a subfield of astronomy that studies celestial objects at radio frequencies. The first detection of radio waves from an astronomical object was in 1933, when Karl Jansky at Bell Telephone Laboratories reported radiation coming from the Milky Way. Subsequent observations have identified a number of different sources of radio emission. These include stars and galaxies, as well as entirely new classes of objects, such as radio galaxies, quasars, pulsars, and masers. The discovery of the cosmic microwave background radiation, regarded as evidence for the Big Bang theory, was made through radio astronomy. Radio astronomy is conducted using large radio antennas referred to as radio telescopes, that are either used singularly, or with multiple linked telescopes utilizing the techniques of radio interferometry and aperture synthesis. The use of interferometry allows radio astronomy to achieve high angular resolution, as the resolving power of an interferometer is set by the distance between its components, rather than the size of its components. Radio astronomy differs from radar astronomy in that the former is a passive observation (i. e., receiving only) and the latter an active one (transmitting and receiving).
История
До того, как Янски наблюдал Млечный Путь в 1930-х годах, физики предполагали, что радиоволны могут быть зарегистрированы от астрономических источников. В 1860-х годах уравнения Джеймса Клерка Максвелла показали, что электромагнитное излучение связано с электричеством и магнетизмом и может существовать на любой длине волны. Было предпринято несколько попыток обнаружить радиоизлучение от Солнца, включая эксперимент немецких астрофизиков Йоханнеса Вильсинга и Юлиуса Шейнера в 1896 году и аппарат для излучения сантиметровых волн, установленный Оливером Лоджем между 1897 и 1900 годами. Эти попытки не увенчались успехом из-за технических ограничений приборов. Открытие радиоотражающей ионосферы в 1902 году привело физиков к выводу, что этот слой будет отражать любое астрономическое радиоизлучение обратно в космос, делая его необнаружимым. Карл Янски случайно обнаружил первый астрономический радиоисточник в начале 1930-х годов. Будучи недавно принятым на работу радиоинженером в Bell Telephone Laboratories, ему было поручено исследовать помехи, которые могли бы мешать коротковолновой трансатлантической телефонной связи. Используя большую направленную антенну, Янски заметил, что его аналоговая система записи с помощью пера и бумаги постоянно фиксировала устойчивый повторяющийся сигнал или "шипение" неизвестного происхождения. Поскольку сигнал достигал максимума примерно каждые 24 часа, Янски сначала предположил, что источником помех является Солнце, пересекающее поле зрения его направленной антенны. Однако дальнейший анализ показал, что источник не следует точно за 24-часовым дневным циклом Солнца, а повторяется с циклом в 23 часа и 56 минут. Янски обсудил это загадочное явление со своим другом, астрофизиком Альбертом Мелвином Скеллетом, который указал на то, что наблюдаемое время между пиками сигнала точно соответствует длине звездного дня – времени, необходимому для прохождения "неподвижных" астрономических объектов, таких как звезда, перед антенной при каждом вращении Земли. Сравнивая свои наблюдения с оптическими астрономическими картами, Янски в конечном итоге пришел к выводу, что источник излучения достигает максимума, когда его антенна направлена на самую плотную часть Млечного Пути в созвездии Стрельца. Янски объявил о своем открытии на встрече в Вашингтоне, округ Колумбия, в апреле 1933 года, и родилась новая область астрономии – радиоастрономия. В октябре 1933 года его открытие было опубликовано в журнальной статье под названием "Электрические помехи, предположительно внеземного происхождения" в трудах Института радиоинженеров. Янски заключил, что поскольку Солнце (и, следовательно, другие звезды) не являются сильными излучателями радиошума, эти странные радиопомехи, вероятно, генерируются межзвездным газом и пылью в галактике, в частности, "тепловым возбуждением заряженных частиц". (Пиковый радиоисточник Янски, один из самых ярких на небе, был обозначен как Стрелец A в 1950-х годах, и позже было предположено, что он испускается электронами в сильном магнитном поле. Современные представления склоняются к тому, что это ионы, вращающиеся вокруг массивной черной дыры в центре галактики в точке, теперь обозначенной как Стрелец A*. Звездочка указывает на то, что частицы в Стрельце A ионизированы.) После 1935 года Янски хотел более подробно изучить радиоволны от Млечного Пути, но Bell Labs перевели его на другой проект, поэтому он больше не занимался астрономией. Его новаторские усилия в области радиоастрономии были отмечены тем, что фундаментальная единица плотности потока, джански (Jy), была названа в его честь. Грот Ребер, вдохновленный работой Янски, построил параболический радиотелескоп диаметром 9 м у себя во дворе в 1937 году. Он начал с повторения наблюдений Янски, а затем провел первое радиоастрономическое обследование неба. 27 февраля 1942 года Джеймс Стэнли Хей, офицер британской армии, впервые зарегистрировал радиоволны, испускаемые Солнцем. Позже в том же году Джордж Кларк Саутворт, работавший в Bell Labs, как и Янски, также обнаружил радиоволны от Солнца. Оба исследователя были связаны ограничениями по безопасности, связанными с разработкой радаров во время войны, поэтому Ребер, который не был связан этими ограничениями, опубликовал свои результаты 1944 года первым. Несколько других исследователей независимо открыли солнечные радиоволны, в том числе Э. Шотт в Дании и Элизабет Александр, работавшая на острове Норфолк. В Кембриджском университете, где во время Второй мировой войны проводились исследования ионосферы, Дж. А. Ратклифф вместе с другими членами Telecommunications Research Establishment, занимавшегося разработкой радаров во время войны, создал группу радифизики при университете, где наблюдались и изучались радиоволновые излучения от Солнца. Эти ранние исследования вскоре расширились до наблюдения других небесных радиоисточников, и были разработаны методы интерферометрии для определения углового источника обнаруженных излучений. Мартин Райл и Энтони Хьюиш из Cavendish Astrophysics Group разработали метод синтеза апертуры вращения Земли. Радиоастрономическая группа в Кембридже впоследствии основала Mullard Radio Astronomy Observatory недалеко от Кембриджа в 1950-х годах. В конце 1960-х и начале 1970-х годов, когда компьютеры (такие как Titan) стали способны обрабатывать сложные преобразования Фурье, необходимые для вычислений, они использовали синтез апертуры для создания эффективной апертуры "одна миля", а затем "5 км", используя телескопы One Mile и Ryle соответственно. Они использовали Кембриджский интерферометр для составления карты радио неба, создав Второй (2C) и Третий (3C) Кембриджские каталоги радиоисточников.
Техника
Радиоастрономы используют различные методы для наблюдения объектов в радиодиапазоне. Приборы могут быть просто нацелены на мощный радиоисточник для анализа его излучения. Для получения более детального изображения участка неба можно записать несколько перекрывающихся сканирований и собрать их в мозаичное изображение. Тип используемого прибора зависит от силы сигнала и требуемой детализации. Наблюдения с поверхности Земли ограничены длинами волн, способными проходить через атмосферу. На низких частотах или больших длинах волн передача ограничена ионосферой, которая отражает волны с частотами ниже её собственной плазменной частоты. Водяной пар создает помехи в радиоастрономии на более высоких частотах, что привело к строительству радиообсерваторий, проводящих наблюдения на миллиметровых длинах волн в высокогорных и сухих местах, чтобы минимизировать содержание водяного пара в направлении наблюдения. Наконец, передающие устройства на Земле могут создавать радиочастотные помехи. Поэтому многие радиообсерватории строят в удалённых районах.
Радиотелескопы
Радиотелескопы могут быть чрезвычайно большими, чтобы принимать сигналы с низким отношением сигнал/шум. Кроме того, поскольку угловое разрешение является функцией диаметра "объектива", пропорциональной длине волны наблюдаемого электромагнитного излучения, радиотелескопы должны быть значительно больше по сравнению с оптическими телескопами. Например, оптический телескоп диаметром 1 метр в два миллиона раз превышает длину волны наблюдаемого света, что обеспечивает разрешение около 0,3 угловой секунды, в то время как радиотелескоп, "тарелка" которого во много раз больше, в зависимости от наблюдаемой длины волны, может разрешить объект размером с полную луну (30 угловых минут).
Радиоинтерферометрия
Трудности в достижении высокого разрешения с помощью отдельных радиотелескопов привели к развитию радиоинтерферометрии, разработанной британским радиоастрономом Мартином Райлом и австралийским инженером, радиофизиком и радиоастрономом Джозефом Лейдом Пауси и Руби Пейном Скоттом в 1946 году. Первое использование радиоинтерферометра для астрономического наблюдения было осуществлено Пейном Скоттом, Пауси и Линдси МакКреди 26 января 1946 года с использованием одной переоборудованной радиолокационной антенны (антенной широкого луча) на частоте 200 МГц вблизи Сиднея, Австралия. Эта группа использовала принцип интерферометра на морском утесе, в котором антенна (ранее радар времен Второй мировой войны) наблюдала Солнце на восходе, при этом интерференция возникала из-за прямого излучения Солнца и отраженного излучения от моря. С этой базовой линией почти 200 метров авторы установили, что солнечное излучение во время фазы всплеска было значительно меньше солнечного диска и исходило из области, связанной с крупной группой солнечных пятен. Австралийская группа изложила принципы синтеза апертуры в новаторской статье, опубликованной в 1947 году. Использование интерферометра на морском утесе было продемонстрировано многочисленными группами в Австралии, Иране и Великобритании во время Второй мировой войны, которые наблюдали интерференционные полосы (прямое отраженное излучение радара и отраженный сигнал от моря) от приближающихся самолетов. Кембриджская группа Райла и Вонберга впервые наблюдала Солнце на частоте 175 МГц в середине июля 1946 года с помощью интерферометра Майкельсона, состоящего из двух радиоантенн с расстояниями между ними от нескольких десятков метров до 240 метров. Они показали, что радиоизлучение имело размер менее 10 угловых минут и также обнаружили круговую поляризацию во всплесках типа I. Две другие группы также обнаружили круговую поляризацию примерно в то же время (Дэвид Мартин в Австралии и Эдвард Апплтон с Джеймсом Стэнли Хеем в Великобритании). Современные радиоинтерферометры состоят из широко разнесенных радиотелескопов, наблюдающих один и тот же объект, которые соединены между собой коаксиальным кабелем, волноводом, оптическим волокном или другим типом линии передачи. Это не только увеличивает общий собранный сигнал, но и может быть использовано в процессе, называемом синтезом апертуры, для значительного увеличения разрешения. Эта техника работает путем суперпозиции ("интерференции") сигнальных волн от различных телескопов на основе принципа, что волны, совпадающие по фазе, усиливают друг друга, а волны с противоположными фазами гасят друг друга. Это создает комбинированный телескоп, размер которого равен расстоянию между наиболее удаленными друг от друга антеннами в массиве. Для получения изображения высокого качества требуется большое количество различных расстояний между различными телескопами (проектируемое расстояние между любыми двумя телескопами, видимое с радиоисточника, называется "базовой линией") – чем больше различных базовых линий, тем выше качество изображения. Например, в Очень Большом Массиве 27 телескопов обеспечивают 351 независимую базовую линию одновременно.
Интерферометрия с очень длинной исходной линией
Начиная с 1970-х годов, улучшения в стабильности приемников радиотелескопов позволили объединять телескопы со всего мира (и даже на орбите Земли) для проведения радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. Вместо физического соединения антенн, данные, полученные на каждой антенне, сопоставляются с информацией о времени, обычно получаемой от локальных атомных часов, и затем сохраняются для последующего анализа на магнитной ленте или жестком диске. Позже эти данные коррелируются с данными, аналогичным образом записанными с других антенн, для получения итогового изображения. С помощью этого метода можно синтезировать антенну, эквивалентную по размеру Земле. Большие расстояния между телескопами обеспечивают достижение очень высокого углового разрешения, значительно превосходящего возможности других областей астрономии. На самых высоких частотах возможно формирование синтезированных лучей менее 1 миллисекунды дуги. Наиболее значимыми действующими комплексами РДЛБ являются Very Long Baseline Array (с телескопами, расположенными по всей Северной Америке) и Европейская сеть РДЛБ (телескопы в Европе, Китае, Южной Африке и Пуэрто-Рико). Каждый комплекс обычно работает независимо, но отдельные проекты иногда проводятся совместно, что повышает чувствительность. Это называется глобальной РДЛБ. Существуют также сети РДЛБ, работающие в Австралии и Новой Зеландии под названием LBA (Long Baseline Array), а также комплексы в Японии, Китае и Южной Корее, которые совместно работают, образуя Восточно-Азиатскую сеть РДЛБ (EAVN). С момента своего создания запись данных на физические носители была единственным способом объединить данные, полученные на каждом телескопе, для последующей корреляции. Однако современная доступность глобальных высокоскоростных сетей позволяет проводить РДЛБ в режиме реального времени. Эта техника (обозначаемая как e-РДЛБ) была впервые разработана в Японии, а в последнее время внедрена в Австралии и в Европе сетью EVN (Европейская сеть РДЛБ), которая ежегодно выполняет все большее количество научных проектов e-РДЛБ.
Международное регулирование
Радиоастрономическая служба (также: радиоастрономическая служба радиосвязи) определяется в соответствии со статьей 1.58 Радиорегламента Международного союза электросвязи (ITU) как "Радиокоммуникационная служба, связанная с использованием радиоастрономии". Объектом данной радиокоммуникационной службы является прием радиоволн, излучаемых астрономическими или небесными объектами.