Солнце — это просто. Часть первая: инструменты исследования

    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
    Поделиться публикацией

    Комментарии 46

      –10
      На обложке «Солнце» а внутри какие-то телескопы…
        +6
        До конца дочитайте :) Дальше будет про Солнце :) просто для понимания того, что будет далее. необходимо такое мини-введение про телескопы :)
          +5
          А вы только картинке смотрите?
          +2
          СПАСИБО!
            +4
            Благодарю, познавательно! А когда следующая статья? :)
              +3
              Постараюсь завтра написать :)
              +1
              Помнится солнечники-оптики жаловались, что маленький поток идет от солнца…
              При этом в соседней комнате люди плакались, что для наблюдений галактик им не хватает чувствительности аппаратуры… Вообще астрофизики странный народ (это я по себе говорю:-)) — для них теоретические расчеты с точностью по порядку величины вполне обычное дело… Впрочем к солнечникам это не относится, у них точность достаточно высокая.
                +2
                Ну в радиодиапазоне поток довольно-таки неплох :) Да и разрешения что пространственного, что временного, хватает пока :) Хотя нет предела совершенству, конечно же.
                  +2
                  ну в радиодиапазоне поток довольно-таки неплох :) Насчёт оптики тоже слышал, но изначально у нас условия получше, пооткрытее всё-таки радиодиапазон. Да-да, насчёт порядка — в точку :))
                    +2
                    сорри, как-то браузер переглючило
                    0
                    Астрофизики — более странные люди. Иногда и несколько порядков — хорошая точность.
                      0
                      Чтот я таких жестких проблем не упомню… Конечно кроме моделирования ранней жизни вселенной, там темный лес…
                        0
                        В новых областях всегда большие погрешности. Например, когда в начале определяли постоянную Хаббла. Или когда оценивали массу тёмного вещества. Или плотность Вселенной.
                          0
                          Вспомнился анекдот
                          У Рассела (а мож и не унего) спросили, насколько он уверен в своей теории. на что он ответил: я уверен в этом настолько, насколько уверен в том, кто мой отец, но не настолько, насколько уверен в том, кто моя мать.
                    +1
                    Можно ли немного больше текста, и ссылки может(?) на свякие вики и т.п…
                    Местами не понятные термины.
                      +2
                      Попробую в конце каждой статьи сделать мини-вики :) если что не поймёте — спрашивайте! С удовольствием отвечу.
                      +1
                      Почему Юпитер в радиодиапазоне не круглый?
                        +2
                        насколько я помню, это светится не сам Юпитер, а его кольца, самого Юпитера не видно из-за его сильно-меньшей видимости.
                          0
                          Гм, сам Юпитер вообще излучает в радиочастоте. Плюс есть синхротронное излучение. А форма, думаю, связана с формой магнитного поля.
                            +1
                            Специально сейчас позвонил знакомому, который занимается Солнечной системой и более, чем я знаком с этим. На данной картинке светятся и кольца, и сам Юпитер :) из-за этого и такая форма.
                              0
                              Круг в центре — это Юпитер. Две яркие точки — магнитные полюса. Пыль и обломки «светятся» больше в ИК-диапазоне.
                                0
                                Плюс в какой плоскости снималась картина? Это, в общем-то, весьма и весьма важно. В плоскости эклиптики?
                                  0
                                  Если снимать с Земли планеты или солнце, то снимок не может лежать в плоскости эклиптики, он будет ей перпендикулярен.
                                  Ну а если вы ошиблись в формулировке вопроса, то да, снимок делался из плоскости эклиптики.
                          0
                          В ГАО РАН есть весьма и весьма интересная идея вывести в точки либрации L4 и L5 два одинаковых аппарата. Тогда база будет sqrt(3) астрономических единиц + стереопроекция.

                          p.s. а почему Вы выделяете именно радиоастрономию? Тот же Аресибо изучает множество других объектов, проводит локацию и пр. Солнце можно наблюдать во всём спектре — отчего такая любовь к радиодиапазону?
                            0
                            Ну просто напросто радиодиапазон наиболее открыт на Земле (см вторую картинку), можно выбирать множество разных частот. Но мы, в принципе, используем не только радиодиапазон, также используются телескопы в ультрафиолете, которые находятся на орбите, однако на данный момент они не обладают достаточным разрешением и могут показать лишь Солнце целиком, а есть необходимость в изучении отдельных активных областей.
                              0
                              Как насчёт Стерео от НАСА? ИМХО, данные, которые мы получили / получим с него будут гораздо более интересными.

                              p.s. а на РАТАНе, по большей части, ведутся наблюдения удалённых объектов. Да и то не на всём телескопе.
                                0
                                К сожалению данные от Стерео закрытые вроде бы. Посмотреть бы характеристики этого интерферометра и картинки получаемые. Сложно пока сказать, насколько эти изображения будут лучше.
                                  0
                                  Очевидно, лучше (хотя лучше, чем что?). Если не брать в расчёт погрешности в симметрии, база увеличивается и увеличивается. Чем больше база, тем лучше стереопроекция. Аналогов я не знаю (уже работавших).
                            0
                            Спасибо, очень интересно, жду продолжения.
                              +1
                              Горжусь своим университетом :)
                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                  0
                                  Честно ничего не фотошопил :) Взял картинку из одного журнала астрономического :)
                                    0
                                    p.s. Вы бы это, в конце статье ссылки на официальные сайты телескопов и журналов дали. И польза была бы, и корректнее было бы.
                                  +2
                                  >Солнце — это просто.
                                  Собираем собственное солнце из подручных материалов! (С теплом и светом!)
                                    0
                                    … для этого вам понадобится 352 телескопа…
                                    0
                                    Где-то в 2005 был в Вентспилском радиоастраномическом центре, в 32-метровом радиотелескопе. Очень впечатлила меня станция, не представляю что бы я чувствовал, оказавшись вблизи многосотметрового. Астрономия великолепна!
                                      +1
                                      Сам был на Пулковской конференции и собственно в Пулковской обсерватории. Зрелище впечатляющее!
                                      +1
                                      Фото телескопа Arecibo — долго думал, где я его видел… потом вспомнил. Там, кажется, «Золотой глаз» снимался! Потрясающее сооружение.
                                        0
                                        Хоть про само солнце пока мало расказано, но все равно очень интересно. Жду продолжения.
                                          0
                                          Завтра будет :)
                                          0
                                          спасибо, интересная статья, всегда была интересна астрономия космос. Буду пока изучать ссылки и ждать новые статьи)
                                            0
                                            Чесно говоря удивлён что за прошедшее недоброе время что то осталось для астрономии.
                                            Жду продолжения.
                                              0
                                              Когда звание астроном еще подкреплено статьей, уважаю… А то бывают тут, некоторые в комментариях вундеркинды, на словах :)
                                                –1
                                                а почему бы не синхронизировать телескопы при помощи GPS? (я про 1PPS), решается проблемма длинны кабелей…

                                                и ещё, не совсем понятно мне… тоесть солнце транслирует сигналы к нам на разных частотах? или это мы транслируем и потом принимаем? Какова сила сигнала принимаймая нами в независимости от ответа на предыдущий ответ? и на каких частотах идёт иследование?

                                                вот :)
                                                Спасибо.
                                                  0
                                                  1. Понятно, что проблемы сейчас решаются такие с появлением высокопроизводительных компьютеров. Но GPS не выход, точности не хватит. Искажения слишком большие.
                                                  2. Никто не транслирует :) Солнце излучает в разных диапазонах. Про силу сигнала затрудняюсь ответить, если честно, как-то не задумывался, мне кажется это даже не столь это актуальным. Мы принимаем достаточно по мощности информации, чтобы проводить исследования. Исследования идёт на частотах радиоволн. Конкретно я занимаюсь исследованиями на 17 и 34ГГц (Нобеямский радиогелиограф позволяет принимать именно эти частоты)
                                                    0
                                                    ну да, излучает, а не транслирует, слово забыл на русском. хех
                                                    Спасибо.

                                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                                Самое читаемое