Кстати говоря, "многолучевость" позволяет эффективно бороться с влиянием атмосферы - когда из-за ионосферных флуктуаций видимое положение наблюдаемого объекта уходит с оси одного из лучей, оно может быть поймано соседним лучом и т. д.
Расскажите немного о том, как практически осуществляется наведение телескопа на объект исследования. Как прицелить обычный телескоп - более или менее понятно, движущиеся чаши радиотелескопов наверняка все видели в телепередачах, но ведь УТР всегда неподвижен…
- Ну, строго говоря, он не неподвижен. Земля вращается, а вместе с ней - и антенна телескопа. Тем самым, можно естественным путем осуществлять непрерывное сканирование некоторой области. Это удобно, поскольку система управления нашего телескопа реализует дискретное изменение положения лучей диаграммы направленности (так уж она сконструирована).
Управление пространственным положением центрального луча диаграммы направленности антенной решетки осуществляется путем введения предварительно рассчитанных фазовых сдвигов (задержек) в сигнальные линии элементов решетки - вибраторов. В результате суммирования сигналов с разными фазами возникает ситуация, при которой на выход поступает с наибольшей амплитудой сигнал, пришедший с направления главного лепестка сформированной диаграммы направленности. Сигналы, приходящие с других направлений, в большей или меньшей степени ослабляются. Надо сказать, что любая антенная решетка всегда имеет кроме главного еще и так называемые боковые лепестки диаграммы направленности, вдоль векторов которых антенна принимает приходящие сигналы и которые в данном случае являются помеховыми. Борьба с боковыми лепестками - задача чрезвычайно сложная и далеко не тривиальная.
Практически наведение телескопа - отработанная и вполне рутинная процедура. Наблюдателю-астрофизику, разумеется, известны небесные координаты того объекта, который он собирается отнаблюдать в отведенное ему по графику время. По этим координатам персональный компьютер в обсерватории вычисляет управляющие слова-сигналы, которые в коде Грея выдаются в блоки коммутации линий задержек. Совокупность задержек (матрица сдвигов фаз), как я уже говорил, определяет текущее положение в пространстве центрального "луча" диаграммы. Наблюдательный эксперимент часто планируется таким образом, чтобы дискретная перестройка диаграммы направленности сочеталась с непрерывным сканированием луча за счет вращения Земли.
Что происходит, когда объект наблюдения пойман? Как происходит процесс наблюдения?
ЭВРИКА!..
Многолетние, многочисленные и всесторонние исследования антенных решеток (АР) долгое время не давали возможности удовлетворить всем противоречивым требованиям, предъявляемым к ним. Необходимое решение было получено Боэрлингером (Boerlinger). Он предложил размещать элементы АР на многозаходной спирали, координаты элементов которой описываются следующими простыми соотношениями:
радиус-вектор n-го элемента
rn = d√N/π,
где d - параметр, примерно равный среднему расстоянию между соседними элементами, полярный угол n-го элемента
θn = 2πτn,
где τ = (1√5)/2 - так называемое "золотое сечение".
- Процесс наблюдения на радиотелескопе - это, как правило, запись приходящего сигнала. Своего рода, "заготовка сырья". В первые годы эксплуатации телескопа сигнал принимался одновременно на несколько десятков приемников, настройка которых охватывала определенный участок рабочего спектра частот (диапазон УТР-2 составляет 8–35 МГц); детектированный сигнал в виде отсчетов на графиках сохранялся для последующей обработки на ЭВМ в вычислительном центре. Сегодня все значительно упростилось - прогресс цифровой техники!
Цифровые регистраторы и применяемые сегодня цифровые сигнальные процессоры (DSP) обладают таким быстродействием, которое позволяет в реальном времени анализировать сигнал в полосе до 100 МГц при числе эквивалентных каналов до 105. Временное и частотное разрешение при этом - менее 1 мкс и 1 кГц соответственно. А объем информации, который позволяют в реальном времени записать имеющиеся сегодня накопители, таков, что, в принципе, можно писать прямо исходный широкополосный сигнал (так называемая технология прямой регистрации - WFR), а уже потом, без всяких проблем, в офлайне, подвергать его всем необходимым видам цифровой обработки - фильтрации, вычислению спектральной структуры, корреляций и т. п.
Важной характеристикой телескопа, конечно, является разрешающая способность. Какие объекты Вселенной можно рассматривать при помощи УТР-2?
- Давайте определимся с термином "рассматривать". Звезды, пульсары и другие звездоподобные объекты при наблюдении в любой инструмент выглядят точками. Их поверхность или диск увидеть невозможно, однако принять и зафиксировать их излучение в радиодиапазоне наблюдения УТР, разумеется, может. И здесь удается обнаруживать и регистрировать большое число довольно экзотических явлений: например, импульсное, а в некоторых случаях - континуальное декаметровое излучение пульсаров, в том числе отдельные импульсы (вплоть до так называемых гигантских импульсов), обусловленные не до конца еще понятыми процессами во внешней магнитосфере пульсаров.
Удалось, в частности, обнаружить новые источники излучения, ненаблюдаемые на высоких частотах из-за больших значений их спектральных индексов.
Совсем другое дело - большие, протяженные объекты: галактики, остатки взрывов сверхновых звезд, галактические гало, облака межзвездной пыли и ионизированного газа… Здесь в ряде случаев можно строить так называемые карты интенсивности - своего рода "изображение" объекта в радиодиапазоне электромагнитных волн.
Кстати говоря, огромное количество объектов, которыми активно интересуются сегодня астрофизики, не требуют сверхвысоких параметров углового разрешения радиотелескопа. Что это за объекты? Например, ближайшая к нам звезда - наше Солнце. Наблюдение Солнца в радиодиапазоне позволило обнаружить неизвестные ранее тонкие частотно-временные структуры и виды спорадического радиоизлучения: так называемые всплески II, III и IV типов, дрейфующие пары, спайки, S-, V-, J-всплески, дающие новую информацию о солнечной короне и процессах в ней. Очень много интересного удалось узнать, наблюдая радиоизлучение Юпитера…
Построение карты нетеплового фонового радиоизлучения нашей Галактики в диапазоне 10–25 МГц с наивысшей для декаметрового диапазона чувствительностью и разрешающей способностью позволило прояснить динамику эволюции галактических структур, в том числе впервые "увидеть" гигантскую внешнюю структуру соседней галактики (туманность Андромеды) и нескольких далеких скоплений галактик - так называемое гало, абсолютно недоступное другим видам наблюдений, кроме низкочастотных радиоастрономических.
Интереснейшее явление, которое было обнаружено и активно исследуется при помощи УТР-2, - низкочастотные радиорекомбинационные линии (РРЛ) поглощения атомов углерода в межзвездной среде. Зафиксировано существование в глубоком космосе атомов углерода в рекордно высоких состояниях, вплоть до значений главных квантовых чисел порядка 1000 (что соответствует Боровскому диаметру атома порядка 0,1 мм!).
Если бы наблюдатель находился в облаке с таким веществом, он бы смог с легкостью различить отдельные атомы, как различаем мы толщину страниц в книге или журнале (также примерно 0,1 мм). На возникающий вопрос о максимальном количестве уровней в атоме углерода теоретические работы дают верхнюю оценку для главного квантового числа (номера орбиты) порядка 1600 (физический размер ~ 0.3 мм).
Вместе с тем исследования таких экзотических объектов сталкиваются с трудностями, связанными в первую очередь с большим уровнем помех и малой интенсивностью исследуемого сигнала, поэтому наблюдения, связанные с обнаружением РРЛ при помощи радиотелескопа декаметрового диапазона (каким является УТР-2), длятся от нескольких десятков до сотен часов.
Толковый словарик
Антенное поле - в данном контексте это действительно поле - участок земли, специально выделенный для размещения антенны телескопа УТР-2, выполненной по принципу антенной решетки.
Антенная решетка - так называется совокупность элементов-антенн (или вибраторов, которые могут быть как излучающие, так и работающие на прием сигнала), входящих в единую систему антенны радиотелескопа и расположенных в регулярном порядке. Обычно элементы антенных решеток располагаются в узлах прямоугольной сетки (так называемая "классическая решетка", но последние исследования показали, что более сложное пространственное расположение элементов антенной решетки позволяет достичь существенно лучших характеристик радиотелескопа.
