Радиоастрономия и ее возможности

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО По ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский государственный экономический университет»

ЦЕНТР ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине:	Концепции современного естествознания
На тему:	Радиоастрономия и ее возможности
Вариант №	32

 

 

Выполнена: студентом	Жихарев Игорь Анатольевич
	Ф.И.О.
	Этр-09-Ек
	группа
Проверена: преподавателем	Кожин Анатолий Витальевич
	Ф.И.О.
	профессор
	научная степень

 

 

 

 

Екатеринбург

2009

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Данная контрольная работа посвящена радиоастрономии – науке, которая, несмотря на свой юный возраст, навсегда изменила человеческое представление о Вселенной, изменила технический облик астрономии, превратив ее в высокотехнологическую, высокотехническую науку, мобилизующую все самые значительные достижения радиотехники, радиофизики и даже, можно сказать, технических областей физики в целом.

Цель контрольной работы – подробнее познакомиться с радиоастрономией как наукой открывшей новый способ познания окружающего мира.

Для написания настоящей контрольной использовались материалы, почерпнутые из разных источников (энциклопедии, тематические сайты), все они объединены увлечением авторов астрономией и их тягой к познанию окружающего.

Многие объекты Вселенной, включая Солнце, планеты, туманности, галактики, а, в особенности, такие необычные объекты, как, например, пульсары и квазары, излучают радиоволны, которые можно принимать с помощью современной аппаратуры. Измерением и анализом радиоизлучения космических источников занимается специальный раздел астрономии – радиоастрономия.

Радиоволны, как и видимый  свет, представляют собой электромагнитные колебания, но длина волны у них неизмеримо больше, чем у световых волн.  
Радиоастрономы обычно работают в диапазоне длин волн от нескольких миллиметров до 15-20 м. Более длинноволновое и более коротковолновое излучение не пропускает земная атмосфера, и для его приёма необходимо выносить аппаратуру в космос.

От изобретения радио  до открытия космического радиоизлучения прошло несколько десятилетий. Причина  в том, что радиоизлучение космических  объектов исключительно слабое, поэтому для его исследования необходимы очень чувствительные приборы и огромные приёмные антенны – радиотелескопы.

 

1 Рождение новой науки

 

Впервые космическое радиоизлучение обнаружил в 1932 г. американский инженер Карл Янский. Он исследовал радиопомехи, мешавшие работе трансатлантического беспроводного телефона. Для этих целей была построена большая однонаправленная антенна: специальная металлическая рама, закреплённая на поворотном устройстве – карусели. Размеры конструкции составляли 30,5 м в длину и 3,7 м в высоту. Антенну можно было сориентировать в нужном направлении и изучать приходящее радиоизлучение. Работа велась на волне 14,6 м.

Янский быстро выяснил, что треск и щелчки в наушниках, мешавшие связи, были вызваны ближними и дальними грозовыми разрядами. Но кроме этих помех он уловил постоянное негромкое шипение, которое усиливалось и ослабевало с периодом 23 ч 56 мин. Это время равно звёздным суткам – периоду обращения Земли вокруг собственной оси. Направленность антенны Янского была довольно низкой, он мог определять положение источника радиоизлучения с точностью лишь около 30°. Тем не менее, Янский установил, что «паразитное» радиоизлучение приходит из космоса – от Млечного Пути, причём наибольшая интенсивность его наблюдается в направлении центра нашей Галактики. Результаты своих исследований Янский опубликовал в статье «Электрические помехи внеземного происхождения».

Рисунок 1 – Карл Янский рядом с антенной, с помощью которой он открыл космическое радиоизлучение.

Открытие Янского не сразу было замечено астрономами. Только в 1939 г. другой американский радиоинженер, Гроут Ребер, построивший на собственные средства антенну с параболическим рефлектором диаметром 9,5 м, снова зарегистрировал радиоизлучение Млечного Пути на волне 1,87 м. В течение пяти лет Ребер проводил систематические измерения и в 1942 г. издал первую радиокарту всего северного неба. На ней кроме обнаруженного Янским мощного радиоисточника в центре Галактики отмечено ещё несколько более слабых источников. Они находятся в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Большого Пса, Кормы и Единорога.

В отличие от Янского, который поместил статью в техническом журнале Ребер направил свою работу в ведущее астрономическое издание – «Астрофизический журнал» («Astrophysical Journal»). Статья Ребера привлекла, наконец, внимание астрономов и радиофизиков, и сразу после окончания Второй мировой войны новая наука – радиоастрономия – стала быстро развиваться. Уже к концу 50-х гг. стало ясно, что радиоастрономы открыли новую, невидимую Вселенную.

2 Развитие технических средств

 

Астрономы и инженеры поняли, что для измерения космического радиоизлучения нужны радиотелескопы гораздо больших размеров, чем антенны Янского и Ребера. Уже в 1947 г. в Великобритании, в университете города Манчестера, был построен неподвижный параболический радиотелескоп диаметром 66 м.  
В 1950 г. с его помощью удалось зафиксировать слабое радиоизлучение от туманности в созвездии Андромеды, которая является соседней с нами спиральной галактикой. В 1957 г. вблизи Манчестера, в местечке Джодрелл-Бэнк, сооружён поворачивающийся 76-метровый радиотелескоп. В 1961 г. вступил в строй  
64-метровый радиотелескоп в Парксе (Австралия), а в 1962 г. – 92-метровый меридианный радиотелескоп на обсерватории Грин-Бэнк в США.

Увеличение размеров радиотелескопов повысило их чувствительность, а также привело к улучшению углового разрешения (оно характеризует угловые размеры самых мелких наблюдаемых деталей). Разрешение тем выше, чем меньше отношение длины волны к диаметру телескопа. Таким образом, благодаря большому диаметру радиоантенны можно получить более «резкое» изображение радиоисточника на данной длине волны. Увеличение диаметра имеет три важных следствия: два хороших и одно плохое. Во-первых, самое важное – пропорционально диаметру возрастает угловое разрешение. Во-вторых, растет чувствительность, причем гораздо быстрее, пропорционально площади зеркала, то есть квадрату диаметра. И, в-третьих, еще быстрее увеличивается стоимость, которая в случае зеркального телескопа (как оптического, так и радио) примерно пропорциональна кубу диаметра его главного зеркала. Главные трудности связаны с деформациями зеркала под действием силы тяжести. Чтобы зеркало телескопа четко фокусировало радиоволны, отклонения поверхности от идеальной параболической не должны превышать одной десятой от длины волны. Такая точность легко достигается для волн длиной несколько метров или дециметров. Но на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах требуемая точность составляет уже десятые доли миллиметра. Из-за деформаций конструкции под собственным весом и ветровых нагрузок практически невозможно создать полноповоротный параболический телескоп диаметром более 150 м. Крупнейшая неподвижная тарелка диаметром 305 м построена в обсерватории Аресибо, Пуэрто-Рико. Но в целом эпоха гигантомании в строительстве радиотелескопов подошла к концу. В Мексике на горе Сьерра-Негра, на высоте 4 600 метров, завершается строительство  
50-метровой антенны для работы в диапазоне миллиметровых волн. Возможно, это последняя большая одиночная антенна, создающаяся в мире.

Рисунок 2 – Гигантский радиотелескоп в чаше кратера Аресибо

Уже в 50-е гг. для достижения более высокого углового разрешения астрономы стали использовать радиоинтерферометры – системы из нескольких радиотелескопов, соединённых электрическими связями. Самая известная система такого типа – «Очень большая решетка» (Very Large Array, VLA) – построена в 1980 году в Национальной радиоастрономической обсерватории США. Ее 27 параболических антенн каждая диаметром 25 м и весом 209 тонн перемещаются по трем радиальным рельсовым путям и могут удаляться от центра интерферометра на расстояние до 21 км. Сегодня действуют и другие системы: Вестерборк в Голландии (14 антенн диаметром 25 м), ATCA в Австралии (6 антенн по 22 м), MERLIN в Великобритании. В последнюю систему наряду с 6 другими инструментами, разбросанными по всей стране, входит и знаменитый 76-метровый телескоп. В России (в Бурятии) создан Сибирский солнечный  
радиоинтерферометр – специальная система антенн для оперативного изучения Солнца в радиодиапазоне.

В 1965 году советские ученые Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашев,  
Г.Б. Шоломицкий предложили независимо регистрировать данные на каждой антенне интерферометра, а потом совместно их обрабатывать, как бы имитируя явление интерференции на компьютере. Это позволяет разносить антенны на сколь угодно большие расстояния. Поэтому метод получил название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) и успешно используется с начала  
1970-х годов. Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет 12,2 тыс. км, а разрешение на волне порядка 3 мм достигает 0,00008’’ – на три порядка выше, чем у крупных оптических телескопов. Существенно улучшить этот результат на Земле вряд ли удастся, поскольку размер базы ограничивается диаметром нашей планеты.

В настоящее время  систематические наблюдения ведутся несколькими сетями межконтинентальных радиоинтерферометров. В США создана система, включающая в себя 10 радиотелескопов в среднем диаметром 25 м, расположенных в континентальной части страны, на Гавайских и Виргинских островах.  
В Европе для РСДБ-экспериментов регулярно объединяют 100-метровый Боннский телескоп и 32-метровый в Медичине (Италия), интерферометры MERLIN, Вестерборк и другие инструменты. Эта система называется EVN. Имеется также глобальная Международная сеть радиотелескопов для астрометрии и геодезии IVS. А недавно в России начала действовать собственная интерферометрическая сеть «Квазар» из трех 32-метровых антенн, расположенных в Ленинградской области, на Северном Кавказе и в Бурятии. Важно отметить, что телескопы не закреплены жестко за РСДБ-сетями. Они могут использоваться автономно или переключаться между сетями.

3 Новые открытия в астрономии

 

Благодаря изучению космического радиоизлучения были открыты квазары, пульсары, межзвёздные мазеры, реликтовое радиоизлучение, обнаружены взрывы звёзд, столкновения целых звёздных систем – галактик.

Радиоинтерферометры с  угловым разрешением в тысячные доли секунды дуги «заглянули» в  самые внутренние области наиболее мощных «радиомаяков» Вселенной – радиогалактик и квазаров, которые излучают в радиодиапазоне в десятки миллионов раз интенсивнее, чем обычные галактики. Удалось «увидеть», как из ядер галактик и квазаров выбрасываются облака плазмы, измерить скорости их движения, которые оказались близкими к скорости света. Много интересного было открыто и в нашей Галактике. В окрестностях молодых звезд найдены источники мазерного радиоизлучения (мазер – аналог оптического лазера, но в радиодиапазоне) в спектральных линиях молекул воды, гидроксила (OH) и метанола (CH3OH). По космическим масштабам источники очень малы – меньше Солнечной системы. Отдельные яркие пятнышки на радиокартах, полученных интерферометрами, могут быть зародышами планет.

Рисунок 3 – Изображение галактики M87 в радиодиапазоне

Такие мазеры найдены  и в других галактиках. Изменение положений мазерных пятен за несколько лет, наблюдавшееся в соседней галактике M33 в созвездии Треугольника, впервые позволило непосредственно оценить скорость ее вращения и перемещение по небу. Измеренные смещения ничтожны, их скорость во многие тысячи раз меньше видимой для земного наблюдателя скорости улитки, ползущей по поверхности Марса. Такой эксперимент пока находится далеко за пределами возможностей оптической астрономии: заметить собственные движения отдельных объектов на межгалактических расстояниях ей просто не под силу. Наконец, интерферометрические наблюдения дали новое подтверждение существования сверхмассивных черных дыр. Вокруг ядра активной галактики NGC 4258 были обнаружены сгустки вещества, которые движутся по орбитам радиусом не более трех световых лет, при этом их скорости достигают тысячи километров в секунду. Это означает, что масса центрального тела – не менее миллиарда масс Солнца, и оно не может быть не чем иным, как черной дырой.

Целый ряд интересных результатов получен методом РСДБ при наблюдениях в Солнечной системе. Начать хотя бы с самой точной на сегодня количественной проверки общей теории относительности. Интерферометр измерил отклонение радиоволн в поле тяготения Солнца с точностью до сотой доли процента. Это на два порядка точнее, чем позволяют оптические наблюдения. Глобальные радиоинтерферометры также применяются для слежения за движением космических аппаратов, изучающих другие планеты. Первый раз такой эксперимент был проведен в 1985-м, когда советские аппараты «Вега-1» и «-2» сбросили в атмосферу Венеры аэростаты. Наблюдения подтвердили быструю циркуляцию атмосферы планеты со скоростью около 70 м/с, то есть один оборот вокруг планеты за 6 суток. Это удивительный факт, который еще ожидает своего объяснения.