?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry Поделиться Next Entry
Страна телескопов. Радиотелескопы РАТАН-600 и РТФ-32.
ilyabim


Продолжаю рассказ о новогодней поездке в "страну телескопов", начатый в посте про БТА (крупнейший в Евразии оптический телескоп с диаметром главного монолитного зеркала 6 м). На этот раз речь пойдет о двух его родственниках — радиотелескопах РАТАН-600 и РТФ-32. Первый занесен в Книгу Рекордов Гиннеса, а второй входит в единственный постоянно действующий в России радиоинтерферометрический комплекс "Квазар". Кстати, сейчас комплекс "Квазар" играет важную роль в работе системы ГЛОНАСС. Давайте обо всем подробнее и доступнее, по возможности!



Чем радиотелескоп отличается от оптического и зачем он нужен?

Земная атмосфера прозрачна не для всех видов электромагнитного излучения, приходящего из космоса. В ней есть только два широких "окна прозрачности". Центр одного из них приходится на оптическую область, в которой лежит максимум излучения Солнца. Именно к нему в результате эволюции адаптировался человеческий глаз, который воспринимает световые волны с длиной от 350 до 700 нанометров. Однако радужная полоска видимого света открывает нам лишь малую часть секретов Вселенной. Во второй половине XX века астрономия стала поистине всеволновой. Достижения техники позволили астрономам вести наблюдения в новых диапазонах спектра. С коротковолновой стороны от видимого света лежат ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны. По другую сторону располагаются инфракрасный, субмиллиметровый и радиодиапазон. Для каждого из этих диапазонов есть астрономические объекты, которые именно в нем проявляют себя наиболее рельефно, хотя в оптическом излучении они, может быть, и не представляют собой ничего выдающегося, так что астрономы до недавнего времени их просто не замечали.

Один из наиболее интересных и информативных диапазонов спектра для астрономии — радиоволны. Излучение, которое регистрирует наземная радиоастрономия, проходит через второе и гораздо более широкое окно прозрачности земной атмосферы: в диапазоне длин волн от 1 мм до 30 м. Таким образом, радиотелескоп расширяет "окно" через которое мы смотрим по Вселенную.




01. Первый радиотелескоп был построен в 1937 году радиолюбителем Гроутом Ребером, заинтересовавшимся экспериментами Карла Янского (1931 г.), так что радиоастрономия еще довольно молодой раздел астрономии :)

Радиоастрономическая обсерватория "Зеленчукская" около одноименной станицы в республике Карачаево-Черкесия тоже молодая — основана в 2001 году. Основной инструмент обсерватории — радиотелескоп РТФ-32, используется в национальных и международных астрономических наблюдениях.




02. Конструкции антенн радиотелескопов отличаются большим разнообразием, что обусловлено очень широким диапазоном длин волн, используемых в радиоастрономии (от 0,1 мм до 1000 м). Антенны радиотелескопов, принимающих миллиметровые, сантиметровые, дециметровые и метровые волны, чаще всего представляют собой параболические отражатели, подобные зеркалам обычных оптических рефлекторов, поэтому часто так и называются — "зеркало".
Таков и наш радиотелескоп РТФ-32 с диаметром параболического зеркала 32 метра. Конструкция обеспечивает поворот по азимуту (по рельсовому кольцевому пути на 270 градусов в обе стороны) и высоте (с помощью зубчатого венца). Таким образом, как и телескоп БТА он установлен на альт-азимутальной монтировке и являются полноповоротным — это преимущество позволяет наводиться на объект и вести его.




03. В фокусе главного отражателя установлен контррефлектор — вторичное зеркало меньшего размера (в нашем случае гиперболоид диаметром 4 метра) отражающий то, что собрало большое зеркало на облучатель — устройство, собирающее радиоизлучение. Облучатель передаёт принятую энергию на вход радиометра, после усиления и детектирования, аналоговый сигнал с выхода радиометра преобразуется в цифровой и записывается на жёсткий диск и дальше передается ученым для анализа. У РТФ-32 радиометры охлаждаются криогенной установкой до температуры 20К (-253°С) для уменьшения уровня шумов и повышения чувствительности. Вторичное зеркало смонтировано на подвеске, позволяющей перемещать его по трем осям и оперативно переходить с одной волны на другу. На фото можно заметить что у нашего радиотелескопа три рупорных облучателя для разных длин волн (под золотистыми крышками в центре).




04. Ажурность конструкции, удерживающей главное зеркало обусловлена высокими требованиями по устойчивости к деформации главного зеркала. Суммарные искажения формы основного зеркала телескопа не превышают 0,3 мм при вращении и действии ветра до 15 м/сек. Еще раз, представьте вращающееся и поднимающиеся верх 32-метровое параболическое зеркало из металла при ветре в 55 км/ч и всего треть миллиметра деформации!




05. Для тех, кто любит цифры и таблички:
РТФ-32 — полноповоротный прецизионный радиотелескоп с диаметром главного зеркала D = 32 м и фокусным расстоянием F = 11,4 м; рабочий диапазон длин волн от 1,35 до 21 см; антенная система - модифицированная схема Кассегрена. Поворот по азимуту ±270°, поворот по углу места 5°-95°. Конструктивно-механическая часть нашего героя изготовлена в АО "ТЯЖМАШ" в 1999 году. Общий вес конструкции 660 тонн при габаритах 35х35х40 ветров.




06. Радиоастрономическая обсерватория "Зеленчукская" один из трех наблюдательных пунктов РСДБ-сети "Квазар-КВО", состоящей из новых радиотелескопов РТФ-32: два других находятся в поселке Светлое (Ленинградская область) и в урочище Бадары (Республика Бурятия). Все три обсерватории связаны каналами связи в единую систему. Метод РСДБ (радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами) позволяет объединять наблюдения, совершаемые несколькими телескопами, и тем самым имитировать телескоп, размеры которого равны максимальному расстоянию между исходными телескопами. Угловое разрешение РСДБ в десятки тысяч раз превышает разрешающую силу лучших оптических инструментов. Посмотрите на схему (на ней еще Симеизская обсерватория в Крыму добавлена):




07. На территории обсерватории совсем недавно (весной 2015) появился новый телескоп РТ-13 с диаметром зеркала 13 метров, на фоне своего большого 32-метрового старшего брата он выглядит как малыш. Однако, скорость его наведения на космические объекты в 12 раз выше (12 градусов в секунду, против 1 у РТФ-32). На новом аппарате установлено современное радиоприемное оборудование, позволяющее регистрировать три частотных диапазона. Основное предназначение телескопа — повышение точности определения координат с помощью отечественной навигационной системы ГЛОНАСС. Телескоп создан в рекордные сроки - два года и три месяца. По мнению научного сообщества, этот новый инструмент - одно из самых значительных достижений российской астрономии за последние 30 лет.
Также для определения дальности и угловых координат спутников ГЛОНАСС в мае 2011 года в обсерватории был установлен лазерный дальномер "Сажень-ТМ".




08. Радиоинтерферометрический комплекс "Квазар" является в настоящее время базовой системой фундаментального координатно-временного обеспечения России. Нас провели в лабораторию, где установлена система частотно-временной синхронизации, состоящая из водородных стандартов времени и частоты с (погрешность 3х10-15), хранящих размеры единицы времени (1 с) и частоты (1 Гц). За стеклом справа видно супер-точное мировое время. Конечно, мы все сверили и синхронизировали часы, конечно же вручную, внеся ужасную по местным меркам погрешность :) Кстати, оба водородных стандарта частоты отечественного производства, а основное ПО работает под Unix. Но, один компьютеры с Виндой вы все же заметили - без нее никуда! :)

Говоря официальным языком, комплекс "Квазар-КВО" единственная в России и одна из двух в мире постоянно действующих РСДБ-сетей. Основное назначение такого комплекса обсерваторий проведение радиоинтерферометрических наблюдений внегалактических радиоисточников (квазаров, отсюда и название) по геодезическим программам и обработка полученных наблюдений для получения информации о параметрах вращения Земли, координатах пунктов наблюдения, координатах небесного полюса и координатах квазаров. Это единственный в России комплекс, позволяющий обеспечить независимость Российской Федерации от данных Международных служб (IERS, IVS, IGS, ILRS, IAU) при определении параметров вращения Земли, а также обеспечить этими данными гражданских и военных потребителей, в частности национальную навигационную спутниковую систему ГЛОНАСС.



На этом экскурсию к радиотелескопу РТФ-32 завершим, не углубляясь в дальнейшие технические и радиоастрономические детали. Мне кажется, неподготовленных читателей я уже перегрузил непонятными словами :) Если вас такие детали заинтересовали, можно почитать информацию в Википедии, или вот тут все оборудование Зенечукской обсерватории расписано подробно :)


09. Вернемся опять на площадку к БТА. С горы хорошо видно долину с расположившимися в ней героями сегодняшнего поста. Радиотелескопы предпочтительно располагать далеко от главных населённых пунктов, чтобы максимально уменьшить электромагнитные помехи от вещательных радиостанций, телевидения, радаров и др. излучающих устройств. Размещение радиообсерватории в долине или низине ещё лучше защищает её от влияния техногенных электромагнитных шумов, ведь даже старые автомобили с карбюраторами создают ощутимые помехи.




10. Конечно мои 400 мм объектива на телескоп не тянут, но разглядеть два радиотелескопа вдали смогут! В 4,5 километрах севернее тарелки РТФ-32 видим кольцо РАТАН-600, крупнейшего в своём роде радиотелескопа в мире. РАТАН расшифровывается как Радиоастрономический телескоп Академии наук (России). Цифра 600 - это округленный диаметр его антенны в метрах, состоящей из 895 отражателей, установленных по кругу.

Работа в сантиметровом диапазоне волн требует зеркального телескопа. Размеры зеркала определяются исходя из необходимой разрешающей способности. При использовании традиционного параболического зеркала для получения высокой разрешающей способности требуется телескоп диаметром порядка сотен метров и более. Стоимость такого зеркала оказывается очень высокой из-за большого числа поддерживающих конструкций. Для снижения стоимости необходимо расположить зеркало рядом с землёй и по-возможности сделать конструкцию не очень высокой. Это приводит к идее зеркала набранного из вертикальных полосок выстроенных вдоль некоторой кривой на поверхности земли. Такая идея использования антенн переменного профиля для радиоастрономии была предложена профессором Семёном Эммануиловичем Хайкиным и д. ф.-м. н. Наумом Львовичем Кайдановским. Она была реализована сначала на Большом Пулковском радиотелескопе под Санкт-Петербургом, где она показала свою высокую эффективность. Удачный опыт эксплуатации позволил перейти к сооружению более крупного радиотелескопа РАТАН-600 который был впервые использован в июле 1974 года.




11. Итак, входим в РАТАН-600 с экскурсией. Изнутри с уровня земли невозможно охватить взглядом всю конструкцию, но монументальность все равно видна и она поражает: недаром он занесен в Книгу Рекордов Гинесса!

А сейчас позанудствуем! :)

Для науки основными преимуществами телескопа является многочастотность (диапазон от 0,6 до 35 ГГц) и большое безаберрационное поле (что позволяет измерять почти мгновенно радиоспектры космических источников в широком диапазоне частот), высокая разрешающая способность и высокая чувствительность по яркостной температуре (которые позволяют проводить исследования протяженных структур, таких как флуктуации микроволнового фонового излучения на малых угловых масштабах, недостижимых даже на специализированных космических аппаратах и наземных инструментах).

Телескоп состоит из двух основных отражателей:

1. Круговой отражатель (справа и вдоль всего снимка).
Это наиболее крупная часть радиотелескопа, она состоит из 895 прямоугольных отражающих элементов размером 11,4 на 2 метра, расположенных по кругу с диаметром 576 метров. Они могут перемещаться по трём степеням свободы. Круговой отражатель разделён на 4 независимых сектора, названных по частям света: север, юг, запад, восток. Общая площадь 12'000м². Отражающие элементы каждого сектора выставляются по параболе, образуя отражающую и фокусирующую полосу антенны. В фокусе такой полосы располагается специальный облучатель.

2. Плоский отражатель (слева).
Плоский отражатель состоит из 124 плоских элементов высотой 8,5 метра и общей длинной 400 метров. Элементы могут вращаться относительно горизонтальной оси, расположенной вблизи уровня земли. Для проведения некоторых измерений отражатель может быть убран совмещением его поверхности с плоскостью земли. Отражатель используется как перископическое зеркало. При работе поток радиоизлучения, попавший на плоский отражатель, направляется в сторону южного сектора кругового отражателя. Отразившись от кругового отражателя, радиоволна фокусируется на облучателе, который устанавливается на кольцевых рельсах. Установкой облучателя в заданную позицию и перестройкой зеркала можно направлять радиотелескоп в заданную точку неба. Также возможен режим слежения за источником, при этом облучатель непрерывно движется, а также перестраивается зеркало.




12. Вид на плоский отражатель с обратной стороны. Видны механизмы, приводящие пластины в движение.




13. На радиотелескопе имеется пять приёмных кабин-облучателей, установленных на железнодорожных платформах с радиоприемной аппаратурой и наблюдателями. Одни напоминают бронепоезд, другие инопланетные корабли. На фото мы видим две такие кабины. По задумке, платформы могут перемещаться по одному из 12 радиальных путей, что обеспечивает набор фиксированных азимутов с шагом 30°. Перестановка облучателей между путями должна была осуществляется с помощью центрального поворотного круга (в центре фото)... Так было задумано, но потом от этого отказались (и так хватает) и поворотный круг не используется, а часть рельсов демонтирована.




14. В конце 1985 года установлен дополнительный конический отражатель-облучатель. Основу составляет коническое вторичное зеркало, под которым расположен облучатель. Он позволяет принимать излучение со всего кругового отражателя, при этом реализуется максимальная разрешающая способность радиотелескопа. Однако в таком режиме можно наблюдать только радиоисточники, направление на которые отклоняется от зенита не более ±5 градусов. Этот облучатель чаще всего фигурирует на иллюстрациях, связанных с телескопом, наверное из-за своего инопланетного вида :)




15. А еще с верхней площадки этого облучателя хорошо снимать общий радиотелескопа. Ну и вообще радует, что есть возможность полазать :) На РТФ-32 такой возможности не было.

Кстати, был курьез, приведший к образованию устойчивой местной "городской легенды". Когда проводились первые наблюдения на РАТАНе, во избежание помех от автотранспорта останавливалось движение по станице Зеленчукской вблизи РАТАНа. Закрытость телескопа и отсутствие достаточной информации об этом близком к станице и впечатляющем своими размерами сооружении породило разнообразные мифы среди местного населения - о том, что РАТАН якобы "облучает". Возможно, этому слуху способствовало еще и названием "облучатели" - хотя на самом деле они абсолютно ничего не излучают, а лишь принимают сигнал.




16. Кабина №1 на позиции, через несколько минут начнутся наблюдения, а пока нас приглашают зайти внутрь этого "бронепоезда".




14. Наш экскурсовод и рабочее место наблюдателя.

Какие же задачи ставятся перед РАТАНом?
- обнаружение большого числа космических источников радиоизлучения, отождествление их с космическими объектами;
- изучение радиоизлучения звезд;
- изучение квазаров и радиогалактик;
- исследование тел солнечной системы;
- исследования областей повышенного радиоизлучения на Солнце, их строения, магнитных полей;
- обнаружения искусственных сигналов внеземного происхождения (SETI);
- исследования реликтового излучения.

Телескоп исследует астрономические объекты во всем диапазоне расстояний во Вселенной: от самых близких – Солнца, солнечного ветра, планет и их спутников в Солнечной системе и до самых далеких звездных систем – радиогалактик, квазаров и космического микроволнового фона. На радиотелескопе выполняется свыше 20 научных программ как отечественных, так и иностранных заявителей.
По проекту "Генетический код Вселенной" на РАТАН-600 исследуются все компоненты фонового излучения на всех угловых масштабах. Ежедневные наблюдения Солнца на радиотелескопе дают уникальную, дополняемую другими инструментами, информацию о свойствах солнечной плазмы в диапазоне высот от хромосферы до нижней короны, то есть тех областей атмосферы Солнца, где зарождаются мощные солнечные вспышки. Эта информация позволяет прогнозировать вспышки солнечной активности, влияющие на самочувствие людей и на работу энергосистем на планете. В настоящее время архив наблюдательных данных РАТАН-600 содержит более полумиллиона записей радиообъектов.




15. А так выглядят радиометры, измерительная и фиксирующая аппаратура. Что-то осталось со времен первых наблюдений, а что-то уже заменено на современное оборудование. Одно можно сказать - радиотелескоп живет и развивается, являясь еще и опытной площадкой для инженеров.




16. На этом завершилась наша экскурсия на РАТАН-600: радиотелескоп загружен наблюдениями и отвлекать работающих там людей нельзя.

Итак, РАТАН-600 до сих пор является крупнейшим в мире рефлекторным зеркалом и основным радиотелескопом России, работающим в центральном "окне прозрачности" земной атмосферы в диапазоне длин волн 1-50 см. Ни один другой радиотелескоп в мире не имеет подобного частотного перекрытия с возможностью проведения одновременных наблюдений на всех частотах. Благодаря ему и БТА по соседству астрономы всего мира знают названия станицы Зеленчукской и Карачаево-Черкесской республики.





17. Сфотографировался на вершине "НЛО", на память :)




P.S. Надеюсь, я вас не сильно утомил техническими деталями?


  • 1
работают же люди.. галактики изучают... а мы тут фигней страдаем.. эх...

Там, там свой мир и люди особенные со своей философией.

Спасибо! А ты снега нынче не снимал? :)

  • 1