Физика 11 класс "Радиоастрономия"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Радиоастрономия

Физика 11 класс

Учитель физики И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Радиоволны

Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 миллионов километров до 0,1 миллиметра .

Радиоволны

• Радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре, в линиях передачи, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.
• Радиоволны распространяются в свободном пространстве со скоростью света.
• Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты.
• Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в множестве других приложений.

Радиоастрономия

• Радиоастрономия – раздел астрономии, изучающий космические объекты с помощью исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн.
• Объектами излучения являются практически все космические тела и их комплексы (от тел Солнечной системы до Метагалактики), а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство (межпланетная среда, межзвездные газ и пыль, магнитные поля, космические лучи, реликтовое излучение).
• Метод исследования заключается в регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.

Радиоастрономия

Радиоастрономия привела к значительному развитию астрономии, особенно с открытием нескольких новых классов объектов, включая пульсары, квазары и радиогалактики. Она позволяет увидеть то, что невозможно обнаружить с помощью оптической астрономии. Такие объекты представляют собой самые далекие и мощные физические явления во Вселенной.

• Многие космические тела излучают радиоволны, достигающие Земли: это, в частности, внешние слои Солнца и атмосфер планет, облака межзвездного газа.
• Радиоизлучением сопровождаются такие явления, как взаимодействие турбулентных потоков газа и ударные волны в межзвездной среде, быстрое вращение нейтронных звезд с сильным магнитным полем, «взрывные» процессы в ядрах галактик и квазаров, солнечные вспышки и др.
• Приходящие к Земле радиосигналы естественных объектов имеют характер шумов. Эти сигналы принимаются и усиливаются с помощью специальной электронной техники, а затем регистрируются в аналоговом или цифровом виде.

История радиоастрономии

• Ещё в конце XIX века учёные предполагали, что радиоволны, отличающиеся от видимого света только частотой, также должны излучаться небесными телами, в частности Солнцем.
• Радиоастрономия как наука берёт своё начало с экспериментов Карла Янского, проведённых в 1931 году. Занимаясь исследованием грозовых помех в дальней радиосвязи с помощью созданной им прямоугольной радиоантенны, Янский обнаружил постоянный фон радиопомех неизвестного происхождения. Исследуя это явление Янский выяснил, что источником пойманного сигнала является центральная часть нашей Галактики..
• В декабре 1932 года Янский сообщает об открытии радиоизлучения космического происхождения, что было надёжно установлено в течение следующих нескольких лет.
• Первым был обнаружен самый сильный радиоисточник непрерывного излучения — в центре Млечного Пути.

Первая запись радиоизлучения

Млечного Пути

Точная копия радиотелескопа Карла Янского

История радиоастрономии

Для исследования направления прихода грозовых помех Янский построил вертикально поляризованную однонаправленную антенну типа полотна Брюса. Размеры конструкции составляли 30,5 метров в длину и 3,7 метров в высоту. Работа проводилась на волне 14,6 метров (20,5 МГц). Антенна соединялась с чувствительным приёмником, на выходе которого стоял самописец с большой постоянной времени.

История радиоастрономии

В 1937 году Гроут Ребер, вдохновлённый открытием Янского, построил первый параболический радиотелескоп диаметром 9,5 м. Первые радиокарты небосвода были получены Ребером, и опубликованы в 1944 году. На картах отчётливо видны центральные области Млечного Пути и яркие радиоисточники в созвездии Стрельца, Лебедя A, Кассиопеи A, Большого Пса и Кормы.

Точная копия радиотелескопа

Гроута Ребера

Первая карта небосвода

Первый радиотелескоп поворотной параболической конструкции (именно эта конструкция обеспечивает приемлемую чувствительность, достаточно острую диаграмму направленности и легкость ориентации в различных направлениях), построенный в 1937 году американским энтузиастом-радиолюбителем Гроутом Ребером. Диаметр его параболической антенны составлял порядка 9,5 м.

История радиоастрономии

После Второй мировой войны произошли существенные технологические улучшения в области радиоастрономии учеными в Европе, Австралии и США. Расцвет радиоастрономии привел к освоению миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, позволяющих достичь значительно больших разрешений.

Инструменты радиоастрономии

• Радиотелескопы – инструменты для приёма собственного радиоизлучения космических объектов и исследования их дислокации, пространственной структуры, интенсивности излучения, спектра и поляризации.

Создание радиотелескопов было первым этапом выхода астрономии за узкие границы видимого спектра.

Радиотелескопы

• В простейшем виде радиотелескоп состоит из антенны, приемника и регистрирующего устройства.
• Радиотелескоп может только принимать сигналы из космоса, а радиолокатор может излучать мощный сигнал и принимать отраженное от космического объекта эхо.
• Некоторые известные радиотелескопы являются также радиолокаторами, например 305-метровый телескоп в Аресибо. Обсерватория Ареси́бо — астрономическая обсерватория в Пуэрто-Рико, в 15 км от города Аресибо, на высоте 497 м над уровнем моря.

Радиотелескопы

• Наземные радиотелескопы используют имеющееся в земной атмосфере «окно прозрачности» для радиоволн с длиной волны от 1 мм до 30 м. В отличие от оптических телескопов, которые крайне чувствительны к состоянию атмосферы, и требуют, чтобы телескоп работал в сухой высокогорной малонаселенной местности, на работу радиотелескопов атмосфера влияния не оказывает. Это значительно упрощает задачу выбора места установки астрономического радиоинструмента.

Радиотелескопы

• Миллиметровое и субмиллиметровое излучение открывает окно в загадочную холодную Вселенную, но эти сигналы из космоса почти целиком поглощаются водяным паром в атмосфере Земли. Поэтому телескопы, работающие в этой области астрономии, должны устанавливаться на большой высоте над уровнем моря в местах с низкой влажностью воздуха. Именно таким местом является плато Чахнантор (в пустыне Атакама на севере Чили) на высоте 5000 метров, где расположена одна из самых высокогорных радиоастрономических обсерваторий на Земле.

Радиотелескопы

• ALMA — сверхсовременный инструмент для изучения самых холодных объектов во Вселенной. Они излучают на волнах длиной около миллиметра, между инфракрасным светом и радиоволнами, поэтому такое излучение называется миллиметровым и субмиллиметровым. ALMA состоит из 66 высокоточных антенн, расставленных на расстояния до 16 километров друг от друга. Это крупнейший из существующих глобальных наземных астрономических проектов .

• Реликтовое излучение было впервые обнаружено с помощью радиотелескопов.

РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, космическое электромагнитное излучение, приходящее на Землю со всех сторон неба примерно с одинаковой интенсивностью и имеющее спектр, характерный для излучения абсолютно черного тела при температуре около 3 К (–270° С). При такой температуре основная доля излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

Антенна, с помощью которой открыли реликтовое излучение.

Инструменты радиоастрономии Радиоинтерферометры

• Радиоинтерферометр  — инструмент для радиоастрономических наблюдений с высоким угловым разрешением, который состоит, как минимум, из двух антенн, разнесённых на расстоянии и связанных между собой кабельной линией связи.
• Радиоинтерферометры используются для измерения тонких угловых деталей в радиоизлучении неба. С их помощью получают особо точные координаты и угловые размеры астрономических объектов, а также радиоизображения небесных тел с высоким разрешением.

Радиоинтерферометр ВСРТ

Радиоинтерферометры

Повышение точности в радиодиапазоне достигается увеличением размеров телескопа. В настоящее время наибольший полноповоротный радиотелескоп имеет диаметр антенны 150 метров. Наибольший телескоп с неподвижной тарелкой имеет диаметр 300 метров (регулировка направления обзора такого прибора возможна только в ограниченном диапазоне углов за счет перемещения приемника).

• Дальнейшее увеличение разрешения радиотелескопов может достигаться не за счет  увеличения размеров конструкций, а за счет объединения сигналов от нескольких расположенных на каком-то удалении друг от друга антенн.
• Такие объединения телескопов получили название многоантенных радиоинтерферометров.
• Самая известная подобная система - «Very Large Array» - функционирует с 1980 года в США и включает 27 антенн диаметром 25 метров , способных удаляться друг от друга на расстояние до 21 км.

• На плато Св. Августина, к западу от Сокорро (шт. Нью-Мексико) сооружен радиоинтерферометр VLA (Very Large Array, очень большая решетка) Национальной радиоастрономической обсерватории США. Это система из 27 параболических полноповоротных антенн диаметром по 25 м, имеющая три плеча по 22,4 км, расположенных в виде буквы Y. Предельно большими для наземной радиоастрономии стали межконтинентальные интерферометры, отдельные антенны которых расположены в разных странах и даже на разных континентах.

Радиотелескопы в космосе

• Космический радиотелескоп «Радиоастрон» запущен на околоземную орбиту на аппарате «Спектр-Р»в 2011 году. Этот телескоп работает в совокупности с наземными антеннами, находящимися в разных странах, что обеспечивает длину интрферометрической базы порядка 300 тысяч километров. Этот комплекс обеспечивает разрешение в несколько угловых микросекунд.

Радиоизлучение Солнца

Зарегистрировано радиоизлучение Солнца с длиной волны от нескольких миллиметров до 30 м. Особенно сильно излучение в метровом диапазоне; оно рождается в верхних слоях атмосферы Солнца, в его короне, где температура порядка 1 млн. К. Коротковолновое излучение Солнца относительно слабо; оно выходит из хромосферы, расположенной над видимой поверхностью Солнца – фотосферой.

Достижения радиоастрономии

• Объектами изучения радиоастрономии сегодня являются практически все космические тела и их комплексы, а также вещество и поля, заполняющие космическое пространство.
• Лучшие радио - интерферометрические приборы оказались способны в подробностях рассмотреть наиболее мощные источники сигналов во вселенной — ядра галактик и квазары. С помощью радиотелескопов было дано еще одно подтверждение гипотезе существования сверхмассивных черных дыр внутри ядер галактик.

Достижения радиоастрономии

• Одним из важнейших достижений радиоастрономии стало открытие активных процессов в ядрах галактик. Радионаблюдения указывали на это еще в 1950-е годы, но окончательное подтверждение появилось в 1962, когда с помощью 5-метрового оптического телескопа обсерватории Маунт-Паломар (США) были независимо обнаружены бурные процессы в ядре галактики М 82.

Достижения радиоастрономии

• Другим важнейшим открытием радиоастрономии считаются квазары – очень далекие и активные внегалактические объекты. Вначале они казались рядовыми точечными источниками. Затем некоторые из них были отождествлены со слабыми звездами (отсюда название «квазар» – квазизвездный радиоисточник). Доплеровское смещение линий в их оптических спектрах указывает на то, что квазары удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света и, в соответствии с законом Хаббла, расстояния до них составляют миллиарды световых лет. Находясь на таких гигантских расстояниях, они заметны лишь потому, что излучают с огромной мощностью – порядка 1041 Вт. Это значительно больше мощности излучения целой галактики, хотя размер области генерации энергии у квазаров существенно меньше размера галактик и порой не превосходит размера Солнечной системы. Загадка квазаров до сих пор не раскрыта.

Достижения радиоастрономии

• Радиоастрономия подарила мировому научному сообществу важные знания о самых далеких галактиках и потенциально угрожающих Земле астероидах, о сверхмассивных черных дырах и слияниях галактик.
• Благодаря современным радиообсерваториям можно смотреть не только в прошлое, изучая свет, идущий к нам миллиарды лет, но и делать прогнозы на как ближайшее, так и на весьма отдаленное будущее.

Спасибо за внимание!