Презентация "Радиоастрономия"

1.Введение

В современном мире очень важное значение имеет наука радиоастрономия. Радиоастрономия - это наука изучающая космические объекты путём 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 а и поля, заполняющие космическое пространство.

Радиоастрономия занимается двумя основными проблемами. Во-первых, с помощью специальных антенн ученые-радиоастрономы ловят различные волны, посылаемые объектами из космоса. Это могут быть тепловые волны, то есть волны, которые излучает раскаленное  тело, с той же, что и радиоволны, частотой. Но еще ученым удается обнаружить звуковые помехи, или «космическую статику», которая не имеет теплового происхождения.

Во-вторых, радиоастрономы посылают сигналы на такие космические объекты, как метеориты и Луна, и, изучая отраженные от них сигналы, узнают много нового о небесных телах. По такому же принципу работают радиолокационные установки.

2.Наука-радиоастрономия

2.1.Зарождение радиоастрономии

В одной из армейских лабораторий  в декабре 1931года сотрудник Карл Янский изучает атмосферные помехи. Нормальный ход радиопередачи на волне 14,7 м нарушен шумами, интенсивность которых не остается постоянной.Но загадка быстро находит свое решение. Странный период в точности равен продолжительности звездных суток в единицах солнечного времени. Через каждые 23 часа 56 минут по обычным часам, отсчитывающим солнечное время, земной шар совершает полный оборот вокруг своей оси, и все звезды снова возвращаются в первоначальное положение относительно горизонта любого пункта Земли. Отсюда Янский делает естественный вывод: досадные помехи имеют космическое происхождение. Какая-то таинственная космическая «радиостанция» раз в сутки занимает такое положение на небе, что ее радиопередача достигает наибольшей интенсивности.

Янский пытается отыскать объект, вызывающий радиопомехи. Несмотря на совершенство радиоаппаратуры, виновник найден. Радиоволны исходят из созвездия Стрельца, того самого, в направлении которого находится ядро нашей звездной системы — Галактики. Так родилась радиоастрономия — одна из наиболее увлекательных отраслей современной астрономии.

Первые пятнадцать лет радиоастрономия почти не развивалась. Многим было еще не ясно, принесут ли такие методы какую-нибудь существенную пользу астрономии. Разразившаяся вторая мировая война привела к стремительному росту радиотехники. Радиолокаторы были приняты на вооружении всех армий. Их совершенствовали, всячески стремились повысить чувствительность, вовсе не предполагая, конечно, использовать радиолокаторы для исследования небесных тел. Советские ученые академики Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси теоретически обосновали возможность радиолокации Луны еще в 1943 году.  Радиоастрономия использует сейчас самые чувствительные приемные устройства и самые большие антенные системы. Радиотелескопы проникли в такие глубины космоса, которые пока остаются не досягаемыми для обычных оптических телескопов. Радиоастрономия стала неотъемлемой частью современного естествознания. Перед человечеством раскрылся радио-космос — картина Вселенной в радиоволнах.

Каждая наука изучает определенные явления природы, используя свои методы и средства. Для радиоастрономии объектом изучения служит весь необъятный космос, все бесчисленное множество небесных тел.

Мы живем в мире волн. Любое тело, будь то книга, ваше тело или звезда, излучает энергию в форме электромагнитных волн. Человеческий глаз чувствителен далеко не ко всем из них. Лишь ничтожная доля электромагнитных волн, попадая на сетчатку глаза, вызывает ощущение света. Но и этой доли оказывается достаточно, чтобы наполнить земной шар сиянием солнечного света и гаммой всевозможных красок. Быть может, наша ограниченность в восприятии электромагнитных волн есть благодетельная забота о нас самой природы. Ведь если бы человек воспринимал все излучения, существующие в природе, не был ли бы он подавлен их бесконечным многообразием?

Как бы там ни было, но человеческому глазу доступны лишь те электромагнитные волны, длина которых заключена в пределах от 400 до 760 миллимикрон. Разлагая трехгранной стеклянной призмой, белый луч на составные части, мы получаем спектр — радужную полоску, в которой представлены все цвета, доступные глазу.

Хорошо известно, что по обе стороны видимого спектра располагаются области невидимых излучений. Таковы ультрафиолетовые лучи с длиной волны меньше 400 миллимикрон. Они обнаруживают свое существование по-разному. В жаркий солнечный день некоторые из них вызывают загар на нашей коже. Те же лучи сильно воздействуют на эмульсию обычных фотопластинок, оставляя на ней хорошо видимые следы. К ультрафиолетовым лучам примыкают рентгеновы лучи, широко применяемые в медицине. Наиболее коротковолновые из известных излучений, так называемые гамма-лучи, выделяются при радиоактивном распаде. Их энергия весьма велика и они очень опасны — мощное гамма-излучение может породить мучительные явление лучевой болезни.

За красной границей видимого спектра лежит область невидимых инфракрасных лучей. Некоторые из них, с длиной волны значительно меньшей одного сантиметра, способны заметно нагреть наше тело, и потому их иногда называют тепловыми лучами. Когда вы подносите руку к раскаленному утюгу и на каком-то расстоянии чувствуете его тепло, в этот момент ваша рука подвергается именно этих инфракрасных, «тепловых» лучей.

За инфракрасными лучами следуют радиоволны. Их длины измеряются миллиметрами, сантиметрами, дециметрами и метрами.

Все перечисленные излучения являются электромагнитными волнами. 

2.2.Прозрачность атмосферы

Трудно поверить, что воздух почти не прозрачен, что до наших глаз доходит лишь ничтожная доля всех излучений, существующих в природе.

 Прозрачность земной атмосферы для электромагнитных волн различных длин. Гладкая горизонтальная часть кривой, совпадающая с горизонтальной осью графика, отмечает те излучения, для которых земная атмосфера совершенно не прозрачна. Два «горба» кривой — один узкий, другой широкий — соответствуют двум «окнам прозрачности» в земной атмосфере.

Левое из них лежит в основном в области видимых лучей — от ультрафиолетовых до инфракрасных. К сожалению, атмосфера Земли совершенно не прозрачна для лучей. Между тем в далеких ультрафиолетовых областях спектра расположены спектральные линии многих химических элементов. Мы их не видим, и поэтому наши сведения о химическом составе небесных тел далеко не полны. Последнее время астрономы пытаются вырваться за границы воздушной оболочки Земли и увидеть космос, в «чистом виде». И это им удается. Высотные ракеты и воздушные шары выносят спектрографы и другие приборы в верхние, весьма разряженные слои атмосферы, и там автоматически фотографируют спектр Солнца.

Начато изучение этим способом и других астрономических объектов.

Другой край «оптического окна» атмосферы упирается в область спектра с длиной волны около микрона. Инфракрасные лучи с большей длиной волны сильно поглощаются   главным образом водяными парами земной атмосферы. Много тысячелетий астрономы изучали Вселенную только через одно узкое «оптическое окно» атмосферы. Они не подозревали, что есть еще одно «окно», гораздо более широкое. Оно лежит в области радиоволн.

«Радио-окно» гораздо шире «оптического окна». Если же иметь дело с числами, а не с их логарифмами, то ширина «радио-окна» (около 30 м) получится почти в десять миллионов раз больше ширины «оптического окна». Таким образом, «оптическое окно» скорее следует считать чрезвычайно узкой щелью, и можно только удивляться, что, исследуя Вселенную через такую «щель», мы знаем о ней очень многое.

 Если излучение небесного тела по длине волны подходит для «радио-окна», оно практически беспрепятственно достигает земной поверхности, и задача астрономов состоит в том, чтобы уловить и исследовать каким-то способом это излучение. Для этого и созданы радиотелескопы.

2.3.Радиотелескопы и рефлекторы.

Вспомним, как устроен телескоп-рефлектор. Лучи, посылаемые небесным телом, попадают на вогнутое параболическое зеркало и, отражаясь от его поверхности, собирается в фокусе рефлектора. Здесь получается изображение небесного тела, которое рассматривается через сильную лупу — окуляр телескопа. Маленькое второе зеркало, отражающее лучи в сторону окуляра, имеет чисто конструктивное, а не принципиальное значение.

 Роль главного зеркала здесь достаточно ясна. Оно создает изображение небесного тела, и это изображение будет наилучшим в том случае, когда небесное тело находится на продолжении оптической оси телескопа. Телескоп в таком случае направлен прямо на наблюдаемый объект.

Приемником излучения в телескопе-рефлекторе служит человеческий глаз или фотопластинка.

 Итак, в телескопе-рефлекторе есть собиратель излучения — параболическое зеркало и приемник излучения — глаз наблюдателя или фотопластинка.

 По такой же схеме устроен, и простейший радиотелескоп. В нем космические радиоволны собирает металлическое зеркало, иногда сплошное, а иногда решетчатое. Форма зеркала радиотелескопа параболическая, а приемником служит радиоприемник. Зеркало концентрирует радиоволны на маленькой дипольной антенне, облучая ее. Вот почему эта антенна в радиотелескопах получила название облучателя. Радиоволны, как и всякое излучение, несут в себе некоторую энергию. Поэтому, падая на облучатель, они возбуждают электрический ток. Радиоволны с невообразимой скоростью «набегают» на облучатель. Поэтому в облучателе возникают быстро переменные токи.

От облучателя к радиоприемнику электрические токи передаются по волноводам — специальным проводникам имеющим, форму полых трубок.

 Электрические токи поступили в радиоприемник. Можно было бы, пожалуй, подключив к приемнику репродуктор, послушать «голоса звезд». Но так обычно не делают. Голоса небесных тел лишены всякой музыкальности — не чарующие «небесные мелодии», а режущее наш слух шипение и свист послышались   бы из репродуктора.

Астрономы поступают иначе. К приемнику радиотелескопа они присоединяют специальный самопишущий прибор, который регистрирует поток радиоволн определенной длины.

 Есть между радиотелескопами и рефлекторами большие различия, столь большие, что забывать о них нельзя. Прежде всего, размеры собирателей излучений — зеркал. Самый большой из существующих в нашей стране телескопов-рефлекторов 6-метровый инструмент Специальной астрофизической обсерватории. Зеркала радиотелескопов значительно больше. У рядовых из них они измеряются метрами, а один из самых больших подвижных действующих радиотелескопов имеет зеркало поперечником 76 м. До последнего времени крупнейшим радиотелескопом был телескоп в Аресибо (Пуэрто-Рико). Неподвижное зеркало этого телескопа имеет диаметр 300 м и вмонтировано в кратер одного бездействующих вулканов. Этот инструмент может работать и как радиолокатор, причем радиосигналы от него могут быть уловлены (на уровне земной радиотехники) в пределах всей нашей Галактики.

В той же Специальной астрофизической обсерватории АН СССР находится 600-метровый радиотелескоп. В отличие от радиотелескопа в Пуэрто-Рико, главная часть нашего радиотелескопа представляет собой не сплошное металлическое вогнутое зеркало, а кольцо диаметром 600 м, состоящее из 895 подвижных алюминиевых отражателей, каждый из которых имеет размеры 27,5 м. Этот крупнейший в мире радиотелескоп рассчитан на прием радиоволн с длиной волны от 8 мм до 30 см.

 Замечательно, что радиотелескопы можно устанавливать в любом пункте страны. Ведь они совсем не зависят от капризов погоды или прозрачности атмосферы. С помощью радиотелескопов можно исследовать Вселенную хоть в проливной дождь!

2.4.Борьба с помехами

Нелегко создать сплошное металлическое зеркало с поперечником в несколько десятков метров, да еще установить так, чтобы, перемещая зеркало с удивительной плавностью, его можно было нацелить на любой участок неба. Каждое такое творение рук человеческих есть истинное чудо современной техники.

 Иногда зеркало радиотелескопа,  делают очень большим, но неподвижным. При высокой чувствительности подобный телескоп ограничен в своих возможностях — он всегда направлен на одну и ту же точку неба.

 Впрочем, и неподвижный телескоп все-таки движется, ведь он находится на поверхности Земли, а земной шар непрерывно и равномерно вращается вокруг своей воображаемой оси. Поэтому в поле зрения неподвижного радиотелескопа постоянно появляются все новые и новые небесные тела.  Радиоприемники, присоединенные к антенне радиотелескопа, очень чувствительны. Если, , к ним просто подключить проводник, то тепловое движение электронов вызывает на концах проводника беспорядочно меняющиеся напряжения, пропорциональные температуре проводника. В приемнике эти процессы приобретут характер «шумов».

Шумы, порожденные аппаратурой, как бы маскируются под космическое излучение. Они похожи друг на друга и усиливаются в приемнике одновременно. Этим обстоятельством ограничивается чувствительность современных радиотелескопов. Однако с помощью большого усложнения аппаратуры удается зарегистрировать сигналы в сто раз более слабые, чем шумы аппаратуры.

Рост техники радиоастрономии происходит очень бурно, и с каждым годом радиотелескопы становятся все более и более чувствительными.

 Впрочем, уже сейчас чувствительность радиотелескопов вызывает удивление. Если сравнить энергию излучения, воспринимаемую самыми лучшими из современных радиотелескопов, с энергией видимого света, посылаемого звездами, то окажется, что радиотелескопы в тысячи раз чувствительны гигантских телескопов-рефлекторов. Среди всевозможных приемников электромагнитных волн радиотелескопы не имеют себе равных.

2.5.Радиоэхо в астрономии

До сих пор речь шла о пассивном изучении космиче­ских радиоволн. Они улавливаются радиотелескопами, и задача астронома заключается лишь в том, чтобы наилучшим образом расшифровать эти сигналы, полу­чить с их помощью как можно больше сведений о не­бесных телах. При этом исследователь никак не вме­шивается в ход изучаемого им явления — он лишь пассивно наблюдает. Та отрасль радиоастрономии, с которой мы теперь кратко познакомимся.Ее называют радиолокационной астрономией.

 Слово «локация» означает определение местополо­жения какого-нибудь предмета. Если, например, для этого используется звук, то говорят о звуковой лока­ции. Ею, как известно, широко пользуются современ­ные мореплаватели. Особое устройство, называемое эхолотом, посылает в направлении ко дну океана ко­роткие, но мощные неслышимые ультразвуки. Отра­зившись от дна, они возвращаются, и эхолот фикси­рует время, затраченное звуком на путешествие до дна и обратно. Зная скорость распространения звука в воде, легко подсчитать глубину океана.

Когда говорят о «радиолокации», то под этим словом подразумевают определение местоположения предмета с помощью радиоволн. Радиолокационная астрономия — еще совсем молодая отрасль науки. Систематически радиолокационные наблюдения небесных тел начались всего пятьдесят лет назад. И  все же достигнутые успехи весьма значительны. Очень интересны и дальнейшие перспективы этого активного метода изучения небесных тел. «Активного» потому, что здесь человек сам направляет в космос созданные им искусственные радиоволны и, наблюдая их отражения, может затем по собственному желанию видоизменить эксперимент. Образно говоря, в радиолокационной астрономии человек «дотрагивается» до небесных тел созданным им радиолучем,  а не пассивно наблюдает их излучение.

2.6.Радиолокация Луны

Еще в 1928 году, когда большинство радиолюбителей пользовались примитивными детекторными приемни­ками, советские ученые Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси рассматривали вопрос о посылке ра­диосигнала на Луну и приеме па Земле радиоэха.  В годы второй мировой войны Л. И. Мандель­штам и Н. Д. Папалекси снова вернулись к занимав­шей их идее. Теперь настали другие времена. Радио­локация прочно вошла в практику военной жизни, и радиолокаторы уверенно нащупывали невидимые цели.Советские ученые на основе новых данных подсчи­тали, какова должна быть мощность радиолокатора и другие его качества, чтобы с его помощью можно было осуществить радиолокацию Луны. Чтобы определить расстояние до Луны, приходилось наблюдать ее положение среди звезд од­новременно из двух достаточно удаленных друг от друга обсерваторий. Трудности, однако, оказались огромными. Расчеты показали, что при прочих равных условиях мощность отраженного сигнала убывает обратно пропорциональ­но четвертой степени расстояния до цели. Получалось, что лунный радиолокатор должен обладать примерно в тысячу раз большей чувствительностью, чем обыч­ная радиолокационная станция береговой обороны, обнаруживавшая в те годы самолет неприятеля с рас­стояния в двести километров. В начале 1946 года почти одновременно, но с раз­личными установками, венгерские и американские радиофизики осуществили радиолокацию Луны. На Луну посылались мощные импульсы радиоволн длиной 2,7 м. Каждый импульс имел продолжитель­ность 0,25 секунды, причем пауза между импульсами составляла 4 секунды. Антенна радиолокатора была еще весьма несовершенна: она могла поворачиваться только вокруг вертикальной оси. Поэтому исследова­ния велись лишь при восходе или заходе Луны, когда последняя находилась вблизи горизонта.Путь до Луны и обратно радиоволны совершили всего за 2,6 сек, что, впрочем, при их невообразимо большой скорости не должно вызывать удивления. Точность этого первого радиоизмерения из-за несовер­шенства аппаратуры была еще очень низка, но все же совпадение с известными ранее данными было весьма хорошее.Большие возможности радиолокации обнаружи­лись при наблюдении так называемой либрации Луны. Под этим термином астрономы понимают своеобраз­ные «покачивания» лунного шара, вызванные отчасти геометрическими причинами (условиями видимости), отчасти причинами физического характера. Благодаря либрации земной наблюдатель видит не половину, а около 60% лунного шара. Значит, либрация позволя­ет нам иногда «заглядывать» за край видимого лун­ного диска и наблюдать пограничные районы обрат­ной стороны Луны.

 Если бы Луна не «покачивалась» относительно земного наблюдения, радиоспектры посланного и отраженного импульса были бы совершенно одинаковыми. На самом же деле разница, хотя и небольшая, все же есть. Радиоволна, отразившаяся от того края Луны, который приближается к земному наблюдателю, по принципу Доплера будет иметь несколько большую частоту и, следовательно, меньшую длину, чем радиоволна, посланная на Луну. Для другого удаляющегося края Луны должен наблюдаться противоположный эффект. В результате «радиолиния» в радиоспектре отраженного импульса будет более широкой, растянутой, чем «радиолиния» посланного импульса. По величине расширения можно вычислить скорость удаления краев Луны.

2.7.Наблюдение метеоров

Звездная ночь. В невообразимой дали тихо сияют ты­сячи солнц. И вдруг как будто одна из звезд сорва­лась и полетела, оставляя на небе узенькую светящуюся полоску. Все явление обычно занимает доли секунды, реже несколько секунд.Так выглядят «падающие звезды. Когда по небу пролетает «падающая звезда», это означает, что в земную атмосферу из безвоздушного мирового пространства вторглась крохотная твердая частичка весом в граммы или даже доли грамма — метеорное тело. Двигаясь со скоростью десятки километров в секунду, сильно сжимает перед собой воздух. Он ярко светится, образуя спереди метеорного тела так называемую «воздушную подушку». Ее мы и видим как «падающую звезду». Поединок твердой частички космического вещества и земной атмосферы всегда имеет один исход. Примерно на высоте 80 – 100 км метеорные тела полностью разрушаются, и остающаяся после них мельчайшая метеорная пыль медленно оседает на Землю. Так как яркость метеоров сравнима с видимой яркостью звезд, то до последнего времени «падающие звезды» наблюдались только по ночам, на темном фоне звездного неба. Радиоастрономия значительно расширила возможность изучения этих интересных явлений. Когда метеорное тело стремительно прорезает земную атмосферу, то, сталкиваясь с молекулами и атомами воздуха, оно частично ионизует их, то есть «вышибает» из них некоторые электроны. В результате за метеорным телом образуется длинный цилиндрический слой из ионизованных газов. Его размеры весьма внушительны — при поперечнике в несколько метров длина этой ионизованной «трубы» достигает десятков километров. Вследствие диффузии (рассеивания газов) «труба» постепенно расширяется и, в конце концов, разрушаемая ветрами и другими причинами, как бы растворяется в атмосфере. Возможности радиотехники в этой области исключительно велики. Радиолокаторы могут быстро определить расстояние до метеора, скорость метеорного тела, его торможение в атмосфере и, наконец, положение радианта, то есть той точки неба, откуда, как нам кажется, вылетел метеор. Опыты показали, что наилучшие результаты получаются, если радиолокация метеоров ведется на волнах длиной около 5 м.Систематические радиолокационные наблюдения метеоров начались с 1946 года. В ночь с 9 на 10 октября этого года Земля должна была пересечь орбиту кометы Джакобини — Циннера. Когда такое же событие происходило в 1933 году, на небе наблюдался интенсивный «звездный дождь». Сотни метеоров бороздили во всех направлениях звездное небо. В этот день земной шар встретился с метеорным потоком — огромным роем метеорных тел, своеобразных «осколков» кометного ядра, несущихся вокруг Солнца по орбите породившей их кометы. Астрономы договорились называть метеорные потоки по тому созвездию, из которого, как нам кажется, вылетают соответствующие им метеоры. Так как метеорный дождь, связанный с кометой Джакобини — Циннера, имеет радиант в созвездии Дракона, то порожденный ею метеорный поток получил название  Драконит.

С тех пор радиолокационные наблюдения метеоров прочно вошли в практику работы многих обсерваторий. Ни туман, ни дождь, ни ослепительное дневное сияние Солнца не могут помешать радиолокаторам «нащупывать» невидимые «падающие звезды». Они уверенно фиксируют как спорадические метеоры, то есть те метеоры, которые не связаны с каким-нибудь определенным метеорным потоком, таки и невидимые «звездные дожди».              

3.Заключение

А с чего все-таки началась радиоастрономия!? А   началось все с того, что американский радиоинженер Карл Янский в декабре 1931 г. Обнаружил какие-то странные радиошумы, мешавшие передаче на волне 14,7 м. Выяснилось, что источником радиопомех было радиоизлучение Млечного Пути.Радиоастрономия позволила исследовать радиоизлучение отдельных космических тел, а также изучить спиральное строение Галактики. Кроме того, радиоастрономы зафиксировали поразительно малые потоки энергии.