Сообщество астрономов-любителей "Урания" (uraniya) wrote,
Сообщество астрономов-любителей "Урания"
uraniya

Categories:

Любительская радиоастрономия

Или что делать астрономам в дождь

Автор: Шакуров Александр, _zanuda.livejournal.com

С незапамятных и бесписьменных времен люди смотрели в небо и думали о том, что они видят. Так родилась астрономия. Успехи науки и техники Нового времени вооружили глаза астрономов телескопами, позволили обнаружить невидимые глазом УФ и ИК лучи, а к концу XIX века показали, что свет – частный случай электромагнитной волны. В XX веке огромное практическое, в первую очередь военное, значение радиосвязи и радиолокации привело к бурному прогрессу в этих областях, в том числе – к созданию антенн и приемников, способных обнаружить естественные внеземные источники радиоволн.

Пионеры радиоастрономии
В 1932 году радиоинженер из Bell Telephone Labs Карл Янский, исследуя различные источники помех КВ радиосвязи, выделил новый их тип – шипение, похожее на шумы аппаратуры, но с интенсивностью, зависящей от времени суток.

Поворотная остронаправленная антенна и несколько месяцев наблюдений позволили ему связать источник помех с Млечным путем и конкретно ядром нашей галактики. Однако непосредственной практической ценности его работа не имела, а Великая Депрессия ещё не кончилась, и потому ему пришлось переключиться на другие задачи.

image001


Однако статьи Янского привлекли внимание другого радиоинженера и радиолюбителя – Грота Ребера. В 1937 году он начал эксперименты, построив у себя во дворе параболическую антенну диаметром 9.5 м (32’) и помещая в её фокус различные приемники. Потерпев неудачу на сантиметровых (3.3 Ггц) и дециметровых (910 Мгц) волнах он в 1939 году сумел обнаружить излучение метрового диапазона (160 Мгц).

image003

Статью о своих наблюдениях Ребер послал в Астрофизический журнал. В 1940 году она была опубликована и привлекла внимание Я.Х. Оорта (того самого, Яна Хендрика, в чью честь названо облако Оорта).

Оорт сразу оценил большие перспективы нового метода исследования. Вторая Мировая война помешала сразу же развернуть работы в этом направлении, но по её окончании профессиональные ученые занялись радиоастрономией всерьез.

Немного теории
Радиоволны – частный случай электромагнитных волн, имеющие длину от 1 мм до многих километров. На рисунке ниже по оси X нарисован спектр от самых коротких (γ-лучи) до радиоволн. Видимый свет обозначен серой полосой. Сверху помечены названия диапазонов и методы их изучения (с погрешностями перевода – пионеры ИК и УФ астрономии действительно пользовались ракетами, чтобы поднять свои приборы за пределы атмосферы хотя бы на несколько минут, но сейчас основную работу выполняют космические обсерватории).

Шкалы слева и справа описывают поглощение в атмосфере, линия показывает на левой шкале поглощение атмосферой от самых верхних слоев до уровня моря, на правой – высоту полупоглощения, то есть высоту, на которой излучение ослабляется атмосферой вдвое.

image005

Внизу подписаны длины волн в метра и ангстремах и частоты в ГГц, а также диапазоны основных источников. Опять-таки с погрешностями перевода. «Вращение электронов» означает магнитотормозное излучение, «вращение и колебание молекул» означает квантовые переходы между вращательными и колебательными уровнями молекул, а «движение электронов» - квантовые переходы в электронных оболочках атомов.

С научной точки зрения в радиодиапазоне мы можем получить информацию о тех объектах, которые в оптическом диапазоне не видны потому что холодны или прозрачны. Например, о межзвездном газе (пресловутая линия водорода 1.4 ГГц, линия гидроксила и им подобные). Кроме того радиоволны свободно проходят сквозь облака пыли и позволяют исследовать то, что в оптический телескоп просто не видно.

Технически радиоволны не подвержены влиянию облачности и осадков – размеры капель воды и частиц льда, большие по сравнению с длиной световой волны, пренебрежимо малы по сравнению с радиоволнами. То же относится и к рэлеевским неоднородностям атмосферы. Образно выражаясь, для радиоастронома небо на Земле такое же черное, как на Луне. Кроме того, успехи современной электроники и вычислительной техники позволяют применять изощренные методы обработки сигналов, например, интегрировать их за большой интервал времени, повышая отношение сигнал/шум, или вычислять корреляцию сигналов от разнесенных в пространстве приемников, повышая угловое разрешение.

Из достоинств радиоастрономии вытекают её недостатки, главным из которых для любителей будет, пожалуй, отсутствие наглядности. «Сырой» сигнал – шипение в наушниках или дрожь линии графика, нуждающиеся в дальнейшей многоступенчатой обработке. Астрофотография гораздо нагляднее – там хоть сразу видно двумерное изображение…

Так как длины радиоволн на много порядков больше, чем у видимого света, радиотелескопы с высокой разрешающей способностью обречены иметь огромные размеры. Так, например, антенны радиотелескопов в Медвежьих озёрах и под Калязиным имеют зеркала 64 метра диаметром, радиотелескоп в Аресибо (неподвижный) – 300 метров, радиоинтерферометры имеют антенны, разнесённые у некоторых инструментов на десятки километров.

Ещё одна ложка дёгтя – множество связных и вещательных радиопередатчиков, создающих помехи радиоприему, и паразитного электромагнитного излучения.

Что доступно любителям-радиоастрономам?
Успехи радиоастрономии к настоящему моменту поражают воображение и вызывают черную зависть. Поэтому здесь я перечислю лишь наиболее легкие для наблюдения объекты. Их можно классифицировать как:
Естественные:
Излучающие:
- Солнце
- Юпитер
- Дальний космос (Крабовидная туманность и т.п. )
Отражающие:
- Метеоры
- Луна
Искусственные: ИСЗ

Чтобы немного ослабить зависть к профессионалам, добавлю, что массовое производство бытовой электроники сделало доступными высокочувствительные, а нередко и широкополосные радиоприемники на различные диапазоны:
- КВ приемники (3-30 Мгц, радиолюбительские и вещательные)
- УКВ приемники (свыше 30 Мгц, радиолюбительские и вещательные)
- Телевизионные приемники (50-2000 МГц) как в составе телевизоров и запчастей к ним, так и в виде ТВ-тюнеров к компьютерам
- Спутниковое телевидение – ресиверы (950-2000 ГГц)
- Спутниковое телевидение – конвертеры (11.7-12.75 ГГц)

Солнце
Звезда по имени Солнце – пожалуй, самый яркий источник радиоизлучения на нашем небе. Наблюдать можно как собственное радиоизлучение Солнца, так и вызываемые солнечным ветром эффекты в ионосфере Земли.
Собственное радиоизлучение Солнца и простейший солнечный радиотелескоп.
Собственное радиоизлучение Солнца обусловлено:
- тепловым излучением плазмы солнечной короны (относительно постоянная составляющая),
- неоднородностями плазмы (солнечная активность, особенно солнечные пятна и связанные с ними облака горячей плазмы в короне),
- выбросами заряженных частиц (электронов) и их (электронов) магнитотормозным излучением.

К сожалению для любителей, вариации солнечного радиоизлучения обычно малы по интенсивности относительно постоянной составляющей, а пространственно – относительно диска Солнца. Однако сам факт регистрации солнечного радиоизлучения сквозь облачность имеет просветительскую ценность. Простейший солнечный радиотелескоп, пригодный для этого, можно собрать с бюджетом порядка двух тысяч рублей [16,17]:
- Параболическая антенна для спутникового ТВ («тарелка») диаметром 90 см с подвесом – 1000 руб.
- Конвертер для спутникового ТВ – 300 руб.
- SatFinder (индикатор сигнала на выходе конвертера) – 500 руб.

Закрепляем параболу так, чтобы можно было ее двигать и по азимуту и по углу возвышения, в фокусе закрепляем конвертер, к выходу конвертера подключаем индикатор сигнала и ищем солнышко. Когда оно окажется в главном лепестке диаграммы направленности антенны, стрелка индикатора уйдет вправо. Если закрепить антенну на штативе и направить ее западнее Солнца, можно наблюдать, как стрелка отклоняется вправо, когда светило входит в главный лепесток диаграммы направленности антенны, и возвращается к нулю, когда оно выходит оттуда. Для 90-см антенны с шириной диаграммы направленности порядка 2° весь процесс займет порядка 8 минут.

Ионосфера Земли и ее изучение
Ионосфера Земли – слой атмосферы на высотах от 50 км и до самого конца (300-500 км – граница космоса), где она (атмосфера) ионизирована солнечным излучением настолько сильно, что становится плазмой. Не такой плотной, как солнечная, но все же отражающей радиоволны, длинные (свыше 1 км) и средние (1 км-100 м) всегда, короткие (100-10 м) – в зависимости от её (ионосферы) состояния. Благодаря своему огромному влиянию на радиосвязь ионосфера изучается давно (с начала XX века) и тщательно. Однако поскольку это изучение прикладное и междисциплинарное, я буду рассказывать кратко.

Распространение коротких волн
Тема необъятная, как сама ионосфера. Собственно, именно его (распространения) изменчивость и придает смысл такому хобби, как радиолюбительство. В одном и том же месте с одной и той же аппаратурой в зависимости от времени суток, времени года и расположения пятен на Солнце можно услышать радиостанции, работающие за сотни, тысячи и даже десятки тысяч километров – на противоположной стороне Земли. А можно – только шипение и треск.

Занятие как раз для дождливого вечера – растянуть антенну, забраться в палатку и греть уши, сканируя эфир и записывая частоты и позывные услышанных радиостанций.

Внезапные ионосферные возмущения
Внезапные ионосферные возмущения (sudden ionospheric disturbances) – вызванные вспышками на Солнце, конкретно их рентгеновским и УФ излучением, кратковременные увеличения плотности плазмы и изменения структуры (появление относительно низкорасположенного слоя D). Проявляется это в увеличении затухания (ослаблении) сигнала от радиостанций) и усилении атмосферных помех.

Наиболее доступный способ изучения этих возмущений – мониторинг сверхнизкочастотных (VLF) радиостанций. Вообще-то эти станции предназначены для связи с подводными лодками, но их можно принимать и далеко от моря. Про наши не скажу, а американские работают на частоте 24 кГц и имеют мощность в сотни киловатт.

Приемник на такую частоту прост и доступен для сборки радиолюбителем. Фактически это узкополосный усилитель низких частот. Антенна – рамочная многовитковая. На выходе должен получиться сигнал частоты с медленно меняющейся амплитудой[6].
На рисунках ниже показаны реальные графики в день спокойного солнца, с двумя вспышками класса M (средние) и с одной вспышкой класса X (сильная).

image007

image009

image011

ИСЗ
Следующими в порядке убывания мощности и затруднения приёма идут искусственные спутники Земли. Из-за вышеописанного свойства ионосферы отражать и поглощать короткие волны, все они работают на частотах от 30 МГц и выше (длина волны от 10 м до 1 см). Самые легкие для приема спутники, которые специально для этого лёгкого приема и разрабатывались: радиолюбительские и метеоспутники, передающие карту облачности (NOAA-15 и ему подобные).

Вышеупомянутые метеоспутники работают в так называемом двухметровом диапазоне (конкретно 137.5, 137.62, 137.4 МГц), летают на высоте 800-850 км на солнечно синхронной орбите (над терминатором) и имеют мощность передатчика до 10 Вт. На практике это означает, что когда спутник близко (высота над горизонтом выше 35), его сигнал можно принять даже на портативную радиостанцию со штатной антенной – «резинкой». Хотя, разумеется, со специальной антенной (например, спиральной, описанной в [20], или турникетной) результаты будут лучше. Сигнал со спутника на слух похож на передачу факса (каковой он по сути и является) и может быть декодирован на компьютере. На выходе должна получиться мелкомасштабная спутниковая фотография облачности. Чтобы предсказать пролёт спутника, можно использовать программы вроде Orbitron-а [21].

Десятиваттный передатчик радиолюбительского диапазона (145 МГц) стоит на МКС. Но она одна и летает низко, поэтому слышно её хоть и хорошо, но редко и недолго (раз в двое-трое суток на десять минут). На МКС стоит радиомаяк и иногда космонавты общаются с радиолюбителями голосом.

Существует ещё несколько десятков радиолюбительских спутников, у которых радиопередатчики послабее, но зато на все радиолюбительские диапазоны выше 10 метров. Их также можно принимать на портативные радиостанции, если вместо штатной антенны подключить направленную.

Юпитер
Радиоизлучение Юпитера лежит в широкой полосе частот от нескольких килогерц до 40 МГц и даже выше. По современным воззрениям оно обусловлено в основном синхротронным (магнитотормозным) излучением электронов солнечного ветра в его (Юпитера) магнитосфере. Однако изучение излучения продолжается и возможны новые открытия.

Для наземных наблюдателей наиболее удобен диапазон 18-28 Мгц. (Ниже велико влияние ионосферы). На этих частотах работают распространенные радиовещательные и связные КВ-приёмники. Принять радиоизлучение Юпитера можно даже на простой диполь. Если его повесить на высоте λ/8 над проводящей поверхностью, диаграмма направленности сожмется и её максимум будет направлен в зенит. Однако для достижения наилучших результатов желательны направленные КВ-антенны, которые можно поворачивать и поднимать в соответствии с движением планеты по небу. Проблема в том, что размеры этих антенн будут довольно велики (например, на 20 МГц длина диполя составит примерно 7.5 метра).

Источники дальнего космоса
Мощность сигнала спутникового телевидения, пересчитанная в Янские (10-26 Вт/м2*Гц) составляет десятки тысяч (для старых спутников) и выше. Самые яркие естественные источники достигают двух тысяч Янских (Кассиопея А). Следовательно, их можно “вытянуть” обработкой сигнала. Как это выглядит на практике, можно почитать по ссылке [5]. Автор статьи собрал радиоинтерферометр чувствительностью не хуже 250 Янских из спутниковых антенн диаметром 1.2 метра.

Интерферометрия – метод повышения углового разрешения изучением интерференции электромагнитных волн, отраженных от удаленных друг от друга зеркал. В радиодиапазоне благодаря возможности передачи радиоволн по кабелям и волноводам построить интерферометр проще, чем в оптическом.

Выглядеть результаты наблюдений будут примерно так:

image013

Радионаблюдение метеоров
Иллюстрации взяты с сайта белорусского астронома-любителя Ивана Сергея, за что ему огромная благодарность.

Радиотехническими методами можно наблюдать за метеорами в облачность и днем. Кроме того, это одна из немногих областей, где любители могут получить результаты, ценные для профессионалов. Наиболее доступный метод – регистрация метеоров методом прямого рассеяния. Метод основан на том, что сгоревший в атмосфере метеор оставляет по своей траектории облако плазмы. (Иногда, кстати, свечение этой плазмы можно видеть даже невооруженным глазом). Плазма отражает радиоволны метрового диапазона.

Если мы поместим приемник достаточно далеко (300 км и дальше от передатчика), то ни прямая, ни поверхностная волны от передатчика до приемника не дойдут. Принять можно будет только сигнал, отраженный от метеорного следа.

image015

Выглядеть это будет для телевизора как появление на секунду-полторы изображения, для УКВ радиовещания – звука. На экране радиоспектроскопа это будет выглядеть примерно так:

image017

Сигналы от метеоров легко отличить от естественных помех, их выделение из сигнала с выхода радиоприемника автоматизировано. Если проводить такие наблюдения непрерывно многие дни, можно собрать статистику и построить по ней колограмму:

image019

На ней по горизонтали отложено время суток, по вертикали дата, и чем больше часовое число (то есть количество метеоров, зарегистрированных за час), тем ближе к красному концу спектра цвет области.

Список полезных ссылок и литературы
1. Уилсон, Рольфс, Хэттемейстер. Инструменты и методы радиоастрономии. М.: Физматлит, 2013. - ISBN 978-5-9221-1453-6
2. Краус. Радиоастрономия. М. Сов.радио. 1973.
3. http://www.nrao.edu/pr/2012/jansky/ - страница о Карле Янском
4. http://www.nrao.edu/archives/Reber/reber.shtml - страница о Гроте Ребере
5. http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?page=100 - Александр Плаха (Украина, Донецк) рассказывает о своем радиоинтерферометре из ТВ тюнеров
6. http://radio-astronomy.org
7. http://www.radiosky.com/
8. http://www.radio-sky.ru/ – гнездо отечественных радиоастрономов с картой их расположения
9. http://astroivan.dakulich.delta-zet.com – сайт белорусского астронома Ивана Сергея, занимающегося, в частности, радионаблюдениями метеоров.
10. http://www.nkfu.com/karl-jansky-resimleri/ - ещё одна страница о Карле Янском.
11. http://www.prao.ru – радиоастрономическая обсерватория в Пущино
12. http://lfvn.astronomer.ru/radio/bearlakes/new_freq/index.htm – радиоастрономическая обсерватория на территории ЦКС в Медвежьих озёрах (под Щёлково).
13. http://www.asc.rssi.ru/Kalyazin/ - Калязинская радиоастрономическая обсерватория
14. http://asc-lebedev.ru – астрокосмический центр при институте им. Лебедева
15. http://www.rtl-sdr.com/rtl-sdr-for-budget-radio-astronomy/
16. http://www.aoc.nrao.edu/epo/teachers/ittybitty/procedure.html
17. http://www.mikebrownsplanets.com/2013/06/summer-project-build-radio-telescope-at.html
18. http://qrz.ru/solar/ - радиолюбительский сайт, страница о солнечной активности
19. http://www.forum.belastro.net/viewforum.php?f=3 – форум сайта белорусских радиолюбителей, посвященный радиоастрономии.
20. http://www.radioscanner.ru/info/article177/ - статья об изготовлении антенны для приема сигнала метеоспутников
21. http://www.stoff.pl – сайт программы Orbitron

Tags: радиоастрономия, статьи
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments