Классификация радиотелескопов

Радиотелескоп состояит из антенной системы и высокочувствительного приемного устройства. Существуют самые разнообразные типы антенных систем, которые отличаются друг от друга по конструкции, принципу действия и по назначению. На рисунке дана классификация радиотелесокопов по принципу заполненной и незаполненной апертур.

Радиотелескопы

Из всего многообразия типы антенных систем можно выделить два класса радиотелескопов - рефлекторы и рефракторы.

 

Обычно рефлекторы представляют собой металлические зеркала, в большинстве случаев параболической формы, которые сводят пучок падающих параллельных лучей в точку - фокус. В этой точке располагается облучатель (или вторичное зеркало), принимающий сфокусированное излучение и передающий его на вход приемного устройства. Такой тип антенн используют главным образом при измерениях, производимых на миллиметровых, сантиметровых и дециметровых радиоволнах. На более длинных волнах - метровых и декаметровых, как правило, применяют другой тип антенн - рефракторы, синфазные антенны, состоящие из многих вибраторов, похожих на используемые для приема телевизионных сигналов. Отдельные вибраторы соединяются друг с другом с помощью системы кабелей таким образом, чтобы сигналы на входе радиометра, приходящие из заданного направления, были в фазе и складывались.

Обычно параболические зеркала имеют две оси, вокруг которых происходит механическое вращение. В некоторых инструментах осуществлена так называемая экваториальная монтировка, являющаяся до последнего времени традиционной для оптических телескопов,- когда одна из осей направлена на полюс Мира, т. е. точку на небе, где расположена Полярная звезда, а другая перпендикулярна ей. Такая монтировка удобна тем, что сопровождение телескопом наблюдаемых объектов осуществляется с помощью часового механизма. Этот механизм обеспечивает вращение инструмента с угловой частотой, равной угловой частоте вращения Земли вокруг своей оси.

 

В отличие от рефлекторных антенн, которые обычно являются подвижными и наводятся на исследуемый объект механически, рефракторные антенны, как правило, неподвижны, и ориентация луча такого инструмента осуществляется электрически. В некоторых обсерваториях есть радиотелескопы, использующие как механическое, так и электрическое управление лучом. У современных антенн одиночных радиотелескопов сравнительно небольшая разрешающая способность, определяемая как отношение длины волны к характерному размеру антенны. Даже на самых коротких волнах она сравнима с разрешающей способностью человеческого глаза, которая, как известно, составляет примерно угловую минуту. Однако даже для получения такого относительно небольшого разрешения приходится строить большие антенные сооружения массой во много сотен тонн, стоящие больших денег. Известно, что разрешающая способность параболического зеркала, работающего на данной длине волны, возрастает пропорционально величине его диаметра, стоимость же такого зеркала, как показывает опыт, увеличивается пропорционально кубу его диаметра. Стоимость этих инструментов высока не только потому, что велики их габариты, но и вследствие необходимости тщательной обработки металлических поверхностей рефлекторов. Для нормальной работы рефлектора антенны радиотелескопа необходимо, чтобы форма его поверхности не отличалась от заданной, например параболической, более чем на одну десятую или даже на одну шестнадцатую длины волны. Так, у радиотелескопа диаметром 100 м, который предназначен для работы на волнах начиная с сантиметра, допустимая ошибка формы не должна превышать миллиметра при любом рабочем положении этого инструмента относительно вертикали.

 

Если необходимо повысить разрешающую способность радиотелескопов, приходится переходить от одиночных инструментов к системам, состоящим из элементов, определенным образом расположенных в пространстве на большом расстоянии друг от друга. В таком случае говорят о радиотелескопах с незаполненной апертурой. Разрешающая способность этих инструментов огромна - она намного превышает таковую для оптических телескопов. Работающие в настоящее время так называемые радиоинтерферометры со сверхдлинной базой могут на радиоволнах сантиметрового диапазона обеспечить разрешение в тысячные или даже несколько десятитысячных долей угловой секунды. Для того чтобы уяснить, что представляет собой такое разрешение, отметим, что оно достаточно, чтобы различить голову и хвост лошади, если бы ее удалось поместить на Луне и она могла бы излучать сантиметровые радиоволны.

 

Наряду с достаточной разрешающей способностью радиотелескопы должны обладать высокой чувствительностью. Чувствительность радиотелескопа определяется соотношением полезного сигнала и шумов, принимаемых этим инструментом. Оказывается, что отношение сигнала к шуму прямо пропорционально площади антенн, корню квадратному из ширины полосы пропускания принимаемого сигнала и времени его накопления в приемной аппаратуре и обратно пропорционально температуре шумов всей системы. Поэтому при прочих равных условиях для повышения чувствительности необходимо при максимально возможной площади антенн добиваться минимальной шумовой температуры всей системы радиотелескопа. На радиоволнах от декаметровых до длинноволновых дециметровых шумы системы практически определяются внешними факторами - шумовой температурой неба, а на более коротких - внутренними шумами системы, которые удается резко уменьшить, используя охлаждаемые до низких температур параметрические усилители и квантовые парамагнитные усилители - мазеры. В настоящее время плотности потоков энергии, излучаемые космическими телами, которые могут быть приняты радиотелескопами, работающими на сантиметровых волнах, достигают нескольких миллиянских. На декаметровых волнах чувствительность радиотелескопов достигает нескольких янских.

 

Сейчас в мире работает множество радиотелескопов. Нередко они похожи друг на друга и отличаются только конструкцией и размерами. Ниже приведены фото наиболее характерных инструментов.

 

К антеннам с заполненной апертурой относятся радиотелескопы, разрешающая способность которых полностью определяется ее эффективной площадью. В основном это антенны рефлекторного типа: параболоиды вращения, сферические чаши, антенна типа Крауса. Рефракторные антенны такого типа используются в основном на метровых волнах.

 

Пытаясь построить инструменты, у которых разрешающая способность практически не зависела бы от эффективной площади, радиоастрономы предложили располагать собирающие поверхности телескопов в пространстве по различным схемам, в результате чего появились системы синтеза - параллельного в виде крестообразных и кольцевых радиотелескопов и последовательного в виде интерферометров с переменной базой, использующих вращение Земли, антенны азимутального апертурного синтеза (антенна переменного профиля - АПП), очень большой антенной решетки (VLA) и др.

 
Яндекс цитирования