Pull to refresh

Солнце — это просто. Часть первая: инструменты исследования

Popular science
Сначала представлюсь. Я студент 4 курса факультета вычислительной математики и кибернетики нижегородского государственного университета. С 10-ого класса начал увлекаться солнечной астрономией. В последствии данное увлечение привело меня в отдел солнечной радиоастрономии нижегородского научно-исследовательского радиофизического института. Хотелось бы познакомить читателей хабра с тем, что мы знаем о Солнце и с тем, как идут исследования. Планируется несколько частей, в них я постараюсь рассказать всё достаточно доступно и сделать это чтиво увлекательным.

image
Небо Земли в радиодиапазоне

image

Исследования проводятся в диапазоне радиочастот, поскольку ими очень хорошо «просматривается» Солнце с Земли, также использовался гамма-диапазон с приёмниками, находящимися на орбите Земли.


image
Изображение Юпитера в радиодиапазоне

Телескопы


Думаю, что большинство читателей хабра из школьного курса астрономии представляют себе устройство простого телескопа, однако кратко всё же остановимся на этом.

image

Радиотелескоп состоит из самой антенны и приёмника. Антенна фокусирует получаемые сигналы и передаёт их на приёмник, откуда они уже поступают на обработчик и в последствии сохраняются на жёсткий диск.

image

Радиотелескоп характеризуется диаграммой направленности, прямопропорционально зависящей от длины волны и обратнопропорционально от диаметра зеркала (для параболического телескопа). На изображении можно увидеть «боковые лепестки» диаграммы направленности — особенность, возникающая из-за дифракции, соответственно телескоп кроме своего основного направления, может получать излучение, идущее сбоку и даже сзади.

Крупнейшие радиотелескопы мира


1. Green Bank Telescope (GBT) — крупнейший в мире полноповоротный параболический радиотелескоп с размерами зеркала 100х110 метров. Находится в США.

image

2. Arecibo — крупнейший в мире параболический радиотелескоп, диаметр зеркала 306 метров, собирающая площадь — невообразимые 73 000 кв.м. Телескоп находится в естественной карстовой воронке в Пуэрто Рико. Обсерватория Аресибо является Национальным центром Астрономии и Ионосферы США.

image

3. Ратан-600 — российский телескоп, находящийся на Северном Кавказе на высоте почти 1км над уровнем моря. Состоит из 895 прямоугольных отражающих элементов размером 11,4 на 2 метра, расположенных по кругу с диаметром 576 метров.

imageimage
Фотография телескопа и схема, описывающая принцип его работы.

Новые методы исследования.


1. С появлением новых подходов к синтезу изображений (Фурье-преобразование) появилась возможность строить изображения Солнца с большим пространственным (~1'') и временным (1мс) разрешением.

2. На орбиту Земли выводятся спутники, позволяющие исследовать Солнце в гамма и ренгеновском излучении (TRACE, HESSI), а также получать карты магнитного поля на поверхности Солнца.

3. Появляются радиоинтерферометры (ССРТ, Nobeyama и пр.). На них я и остановлюсь подробнее.

Интерферометры


Вначале поговорим о принципах действия интерферометра.

Интерферометр представляет из себя несколько (от 2 до бесконечности) антенн, передающих данные в единых центр обработки. Действует по принципу интерференции. Интреферометр позволяет заменить одну антенну с большой апертурой, которая позволяет получить большое разрешение. Соответственно наращивание количеств антенн в интерфероментре приводит к повышению разрешения получаемой картинки. Основной проблемой создания интерферометров является синхронизация сигналов, полученных с разных антенн. В настоящее время проблема решается в основном прокладыванием одинаковой длины кабелей.

image

Угловое разрешение такого интерферометра будет равно отношению длины волны к длине базы (то есть к расстоянию между самими телескопами). Соответственно улучшить результаты возможно не только наращивая количество приёмников, но и увеличивая расстояние между ними. Однако тут остро встает вопрос синхронизации сигналов.

Ну и несколько интерферометров:

1. VLA (Very Large Array /Очень Большой Массив, Сверхбольшой массив) — интерферометр в форме буквы Y, состоящий из 27 антенн, каждая из которых имеет 25 метров в диаметре. Общая чувствительность аналогична обычному радиотелескопу с диаметром более 36 километров. В настоящее время используется в основном для исследований звёзд.

image

2. Сибирский солнечный радиотелескоп (ССРТ). Крестообразный интерферометр: линии антенн длиной 622,3 м в направлениях E–W и N–S, имеет 128 х 128 параболических антенных элементов, каждая из которых диаметром 2,5м. В настоящее время планируется перестройка и увеличение количества антенных элементов.

image

3. Нобеямский радиогелиограф. Данный интерферометр принимает излучение от Солнца на двух частотах: 17 ГГц и 34 ГГц, что соответствует длинам волн 17,6 мм и 8,8 мм. Он состоит из 84 антенн с диаметром 80 см каждая. Все антенны расположены с севера на юг и с запада на восток в Т-образной форме. Интерферометр обладает максимальной временной и пространственной разрешающей способностью на сегодняшний день: 10 мс, 5” (34 ГГц) и 10” (17 ГГц) соответственно. Измеряется интенсивность излучения на 17 и на 34 ГГц, а также поляризация излучения только на 17 ГГц. Это основной наш инструмент для исследования.

image

Перспективные проекты


1. ATA (Allen Telescope Array). Интерферометр состоит из 350 антенн, каждая из которых имеет 6,1м в диаметре. Частоты наблюдений 0.5 – 11.5 ГГц. На строительство необходимо около 40млн. долларов. В настоящее время есть немногим более 30млн. Основной инвестор — Пол Аллен, бывший партнёр Билла Гейтса, вложивший более 10млн. Планируется, что с помощью данного интерферометра можно будет наблюдать в несколько раз больше звёзд, чем сейчас

image

2. Радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ) — проект, в работе которого планируется использовать несколько телескопов, разнесённых по земному шару и синхронизированных между собой. Схема представлена ниже:

image

Также планируется с помощью радиотелескопа «Радиоастрон», выводимого на орбиту Земли, увеличить базу полученного интерферометра в несколько раз.

image

P.S. Данная статья имеет лишь небольшое отношение непосредственно к Солнцу, углублённый рассказ о нём планируется далее, собственно там же будет больше науки и чуть меньше обзорности.
P.P.S. Материалы для данной статьи взяты из открытых источников и с официальных сайтов.

Вики-справка по статье:
1. Диаграмма направленности — телесный угол, из которого телескоп может принимать данные
2. Радиогелиограф — радиотелескоп/радиоинтерфероментр, изучающий Солнце
3. Фурье-преобразование — Википедия
4. База — расстояние между антенными элементами в интерферометре

Книги по теме:
1. С.А. Каплан «Элементарная радиоастрономия»
2. Хей Дж. «Радиовселенная»


Тематические сайты:
1. ССРТ
2. Нобеямский радиогелиограф
3. ATA
Tags:
Hubs:
Total votes 100: ↑95 and ↓5 +90
Views 671
Comments Comments 46