2.2. Радиоинтерферометры

Радиоинтерферометр - установка для наблюдений за космическими объектами с высоким угловым разрешением, которая состоит из двух или более антенн, удаленных друг от друга на некоторое расстояние и связанных между собой кабельной линией связи.

Посредством радиоинтерферометрии достигаются угловые разрешения порядка тысячной доли секунды, в то время как одиночные радиотелескопы могут дать результат в 17 секунд. Такая разница в результатах вызвана тем, что апертурой в радиоинтерферометрах выступает расстояние между удаленными антеннами, а не диаметр самой антенны.

Принцип работы радиоинтерферометра основан на том, что фронт ЭМ волны, идущей от удаленного источника можно считать плоской.

Рис.5 Изображение геометрии простейшего радиоинтерферометра

(2.1)

Где - разность хода лучей,

D– расстояние между антенами(апертура),

- угол между направлением прихода лучей и нормальню к линии, на которой расположены антенны.

При

(2. 2)

волны, пришедшие на обе антенны, суммируются в фазе.

В противофазе волны первый раз окажутся при

(2. 3)

и

(2. 4)

Таким образом, получается многолепестковая диаграмма направленности, ширина главного лепестка которой при

<<D. (2. 5)

Равна

, (2. 6)

где D-расстояние междукрайними антеннами.

При большем количестве периодически расположенных антенн ширина главного максимума будет определяться отношением (2.6), а расстояние до боковых максимумов

, (2. 7)

где S-расстояние между соседними антеннами

То есть с увеличением количества антенн боковые максимумы будут отдаляться от главного.Как правило, антенны интерферометра делают направленными, понижая уровень боковых лепестков диаграммы направленности интерферометра за счёт ДН отдельных антенн.Потери в выскокочастотном кабеле и связанное с ним ослабление сигналов ограничивают базы(расстояние между антеннами, апертура) радиоинтерферометра. Поэтому принятые сигналы сначала усиливаются, преобразовываются в низких частоты и лишь после этого передаются по кабелю. При этом, чтобы не потерять когерентности сигналов и контролировать электрическую длину путей их распространения, передаются вспомогательные сигналы.

Длина базы таких радиоинтерферометров может составлять десятки км, а угловое разрешение - десятые доли секунды дуги. Однако дальнейшее увеличение базы сопряжено с трудностями передачи сигналов без потери когерентности, сложностью контроля электрических длин каналов передачи сигналов и компенсации больших запаздываний сигналов.

В Приложении №1 будет приведены несколько фотографии радиоинтерферометров и получаемые с них изображения.

2.3 Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой(рдсб)

В 1965 году тройкой советских ученых Л.И. Матвеенко, Н.С. Кардашевым, Г.Б. Шоломицким было предложено независимо регистрировать данные на каждой антенне интерферометра, а потом совместно их обрабатывать, как бы имитируя явление интерференции на компьютере. Это позволяет разносить антенны на сколь угодно большие расстояния. Поэтому метод получил название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) и успешно используется с начала 1970-х годов. Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет 12,2 тыс. км, а разрешение на волне порядка 3 мм достигает 0,00008’’ — на три порядка выше, чем у крупных оптических телескопов.

Две крупнейшие РДСБ-сети расположены в Европе(European VLBI Network) и Америке(Very Long Baseline Array).

В составе European VLBI Network в данный момент работает 20 радиотелескопов(включая российские), угловое разрешение может составлять от 5 до 0.15мкс. Диапазон принимаемого радиоизлучения: от 0.7см до 90см.

European VLBI Network работает три раза в год, сессиями по нескольку недель.

Very Long Baseline Array (VLBA) состоит из десяти радиотелескопов, контролируемых удалённо из центра управления, расположенного в Сокорро, Нью-Мексико.. Сооружение VLBA началось в феврале 1986, и закончилось в мае 1993. Первое наблюдение с использованием всех десяти антенн было проведено 29 мая 1993. Радиотелескопы в этой системе могут работать с частотами от 300МГц до 86ГГц

С помощью радиоинтерферометров с угловым разрешением в тысячные доли секундыученые смогли просканировать самые внутренние области наиболее мощных радиоисточников Вселенной - радиогалактик и квазаров, которые излучают в радиодиапазоне в десятки миллионов раз интенсивнее, чем обычные галактики. Ученым удалось увидеть, как из ядер галактик и квазаров выбрасываются облака плазмы, а также измерить скорости их движения, которые оказались близкими к скорости света. Много интересного было открыто и в нашей Галактике. В окрестностях молодых звезд найдены источники мазерного радиоизлучения (мазер — аналог оптического лазера, но в радиодиапазоне) в спектральных линиях молекул воды, гидроксила (OH) и метанола (CH3OH). По космическим масштабам источники очень малы - меньше Солнечной системы. Отдельные яркие пятнышки на радиокартах, полученных интерферометрами, могут быть зародышами планет.

Такие мазеры найдены и в других галактиках. Изменение положений мазерных пятен за несколько лет, наблюдавшееся в соседней галактике M33 в созвездии Треугольника, впервые позволило непосредственно оценить скорость ее вращения и перемещение по небу. Измеренные смещения ничтожны, их скорость во многие тысячи раз меньше видимой для земного наблюдателя скорости улитки, ползущейпо поверхности Марса. Такой эксперимент пока находится далеко за пределами возможностей оптической астрономии: заметить собственные движения отдельных объектов на межгалактических расстояниях ей просто не под силу. Наконец, интерферометрические наблюдения дали новое подтверждение существования сверхмассивных черных дыр. Вокруг ядра активной галактики NGC 4258 были обнаружены сгустки вещества, которые движутся по орбитам радиусом не более трех световых лет, при этом их скорости достигают тысячи километров в секунду. Это означает, что масса центрального тела - не менее миллиарда масс Солнца, и оно не может быть не чем иным, как черной дырой.

Целый ряд интересных результатов получен методом РСДБ при наблюдениях в Солнечной системе. Начать хотя бы с самой точной на сегодня количественной проверки общей теории относительности. Интерферометр измерил отклонение радиоволн в поле тяготения Солнца с точностью до сотой доли процента. Это на два порядка точнее, чем позволяют оптические наблюдения. Глобальные радиоинтерферометры также применяются для слежения за движением космических аппаратов, изучающих другие планеты. Первый раз такой эксперимент был проведен в 1985-м, когда советские аппараты «Вега-1» и «-2» сбросили в атмосферу Венеры аэростаты. Наблюдения подтвердили быструю циркуляцию атмосферы планеты со скоростью около 70 м/с, то есть один оборот вокруг планеты за 6 суток. Это удивительный факт, который еще ожидает своего объяснения.

Метод РДСБ пригоден не только для изучения космоса, но и для исследования земной поверхности. Метод РДСБ может определить и местоположение самих телескопов с точностью до миллиметров, что позволяет определить вариации вращения Земли и подвижки земной коры. Благодаря этому методуточно регистрируются периодические смещения станций друг относительно друга, вызванные деформациями земной коры, причем удется измерить и прогибы, возникающие из-за изменения атмосферного давления и веса воды в океане и грунтовых вод.