Radio astronomija

Uvod

Radio astronomija obuhvata detekciju elektromagnetskih talasa i čestica na vrlo širokom spektru. Kao relevantno u nauci detektovanja i analize, uzima se validnim sve od ekstremno niskih frekvencija, pulsacija koje su niže od 1Hz, preko visokih frekvencija, mikrotalasa, sve do radioaktivnog zračenja i detekcije čestica.

Oblast se svodi na merenje. I često je, ukoliko se amaterski bavimo ovim hobijem, neophodno naoružati se osnovnim sredstvom koje vodi do uspeha - strpljenjem. Međutim, postoje izvori zračenja kao i detektori za njih, kod kojih je verovatnoća detekcije sto procentna, pa nam je čekanje na uspeh olakšano. Takvu konstrukciju navodimo u ovom tekstu. Nije u pitanju ništa novo, ali je svakako prilagođeno našim uslovima i može se lako sagraditi, ko ima minimum uslova za rad.

Detektor

Uređaj koji opisujemo omogućava detekciju zračenja iz kosmosa, koje dolazi iz njegovih možda i najinteresantnijih kutaka. Otud je čitava priča vrlo uzbudljiva. U pitanju je mionski detektor. Naravno, na početku treba reći, da se ustvari ne radi o detektoru zračenja, već detektoru čestica.

U pitanju je uređaj koji sadrži dva detektora zbog smanjenja verovatnoće greške. Naime, u pitanju je „detektor slučajnosti“ kako se još zove u nauci. Dva odvojena detektora se prate elektronski. Ukoliko je samo jedan od njih pobuđen, detekcije nema, jer u tom slučaju može da se desi da je u pitanju neko zemaljsko zračenje koje će nas navesti na pogrešan zaključak. Ukoliko je pobuđen drugi, takođe nema detekcije. Tek ukoliko su pobuđena oba istovremeno, detektor oglašava da je kroz njih prošao mion. Na taj način dobijamo vrlo pouzdanu verifikaciju da je u pitanju kosmičko zračenje mionskih čestica. Svaki prolazak čestice se može zabeležiti i njihov broj sabrati u toku jednog sata, dana ili kroz neki duži period. Ukoliko je takav uređaj u sadejstvu sa recimo radio teleskopom na kratkim talasima za praćenje Sunca, u toku eksplozija na Suncu, može se na primer pratiti i porast miona na našoj planeti.

Poreklo čestica

Zamislimo to ovako: nevidljiva vanzemaljski patuljak polazi na put sa udaljene Supernove prema Zemlji. Da bismo ga mogli upoznati, on zna da se mora pojaviti u nekom obliku koji mi možemo prepoznati. I ulaskom u našu atmosferu, nalazi način da nam se prikaže onako kako ga mi možemo percepirati, tj pretvara se u u malog zelenog astronauta koji proleće brzo pored naše aparature, tek toliko da nam se osmehne i nastavi put dalje. Reklo bi se da je ovaj mali astronaut stidljiv; i zaista je tako.

On je posledica interakcije kosmičkih čestica i naše atmosfere. Oni su rezultat sudaranja primarnih kosmičkih zraka sa našim zaštitnim omotačem i proizvode kišu čestica od kojih se samo neki pretvaraju u mione. Zbog atenuacije u atmosferi, oni jedini dosežu nivo površine zemlje i putuju dovoljno „primetno“ da ih možemo izmeriti ili izbrojati.

U pitanju su čestice vrlo visoke energije koje dolaze iz dubokog svemira i ulaze u našu atmosferu na visni od oko 30km. Poreklo im može biti sa različitih izvora koji su nam do sada poznati, kao što je naše Sunce, druge zvezde, interstelarni objekti kao crne rupe, ali većina nastaje kao produkt eksplozija Supernova.

Ilustrovani prikaz kosmičkog zračenja.

Većina energije miona je izgubljena kada uđu u našu atmosferu. Međutim, njihova energija omogućava im jonizaciju velikog broja atoma pre no što im energija oslabi. Kako imaju malu masu i putuju brzinom bliskoj brzini svetlosti, ne reaguju dovoljno efikasno sa ostalom materijom. Ovo ukratko znači da mogu prolaziti kroz materiju i to vrlo prodorno, pre no što izgube energiju. Prosečna dubina do koje idu jeste nešto preko 3km u našu planetu. Postoje slučajevi da mion prođe kroz Zemlju i nastavi svoj put kroz svemir. Oni i trenutno prolaze kroz sve što nas okružuje i u kiši miona, prolazi oko dve stotine njih na svakom kvadratnom metru u toku jedne sekunde.

Energija miona je 10²⁰eV (Elektron Volta), više nego što je ikada proizvedeno u bilo kom akceleratoru čestica na zemlji.

Priroda nastanka miona je vrlo kompleksna, pa ćemo pokušati da je objasnimo u par reči: visoko energetske čestice i anti čestice u gornjim slojevima atmosfere kao što su pozitivni i negativni pioni i kaoni, postepeno prelaze u mione i mion neutrino. Neenergetski pioni raspadaju se u parove visokoenergetskih fotona i postaju osnova za elektrone, pozitrone i gama zrake. Rezultujući fluks čestica na zemljinoj površini sastoji se uglavnom od miona i parova elektron/pozitron u odnosu od grubo 75% : 25% sa energijama koje prelaze 4GeV, putujući brzinom bliskoj brzini svetlosti.

Putnici kroz vreme

Mioni nastali interakcijom kosmičkog zračenja su svakodnevna potvrda Ajnštajnove specijalne teorije relativnosti. Mion ima izmeren prosečan život od 2,2 mikrosekunde. Za ovo vreme, on ne bi mogao da prevali ogromne udaljenosti do naše atmosfere, da nije vremenske dilatacije brzinom. Ono što detektujemo našim uređajem su pravi mali putnici kroz vreme.

Konstrukcija detektora

Uređaj se sastoji iz nekoliko segmenata. Prvi je niskonaponsko napajanje, koje napaja kompletan uređaj. Drugi deo je visokonaponsko napajanje, koje napaja elektronske cevi, treće je sam detektor sa indikatorima detekcije, a četvrto je brojač, koji beleži broj čestica i prikazuje ih na displeju.

Moguće je napraviti jednostavniju konstrukciju bez brojača, ali bi u tom slučaju morali vizuelno pratiti indikatorske LED diode, koje nam govore kada je mion detektovan. Takođe je moguće ugraditi zvučnu signalizaciju, koja bi se oglašavala kada mion prođe kroz uređaj, ali nakon testiranja smo utvrdili da je ovakav pristup zamarajuć posle nekog vremena. Primenili smo pristup sa indikatorskim LED diodama i brojačem.

Uređaj je tako načinjen da ga je moguće reprodukovati u domaćim uslovima i sa vrlo skromnim znanjima iz elektronike. Najkritičniji deo konstrukcije su Gajgerove cevi. Ove cevi se koriste u Gajgerovim brojačima i vrlo su skupe. Takođe, teško ih je pronaći na tržištu, što kod nas znači - potpuno nemoguće.

Međutim, postoji način da se one pronađu. Na tržištu su se kao polovni uređaji pojavili vojni radiološki detektori po vrlo povoljnoj ceni. Mi smo na primer, naše pronašli na vojnim otpadima i tako došli do više uređaja. Uzimajući u obzir cenu novih cevi, cena polovnog funkcionalnog radiološkog detektora je vrlo, vrlo povoljna.

Ostale komponente postoje na tržištu i lako ih je obezbediti. Mi smo projektovali štampane ploče za elemente, pošto je tako sve bilo mnogo organizovanije, ali nije neophodno ukoliko za to nemamo uslova.

Sama konstrukcija nije ništa posebno. Mi smo je samo prilagodili našim uslovima i parametrisali za ovu namenu. Nakon testova, možemo reći da uređaj radi savršeno. Može se napajati baterijom 12V i tako koristiti na nekom drugom mestu, ispod površine zemlje ili sl. U tu svrhu smo napravili mogućnost isključenja displeja, kako ne bi nepotrebno trošio struju. Potrošnja je oko 200mA sa uključenim LCD.

Ne sledećoj slici vidimo izgled uređaja. Štampane veze su postavljene na aluminijumsku ploču zbog stabilnosti. Kompletna konstrukcija je otvorena, jer nije neophodno oklapati je.

Ukratko ćemo objasniti aparat. Gore levo na slici, vidi se ploča niskonaponskog napajanja. Ono je izrađeno pomoću kola LM317 i sa ulaznim naponom od 12V, obezbeđuje napone od 9V i 2,4V. Desno od njega, vidimo ploču detektora, sa tri LED diode. Na njemu postoji stabilizator napona od 5V i jednostavna kola za kontrolu impulsa. Desno od njih, vidimo dve Gajgerove cevi, proizvođača Philips. Postavljene su jedna iznad druge, jer mioni uglavnom i dolaze odozgo, pa je ovo povoljno, uzimajući u obzir malu površinu samih cevi.

Dole levo, vidimo brojač miona. Napravljen sa tri LED segmenta i CMOS kolima, vrlo je jednostavna konstrukcija. Mi smo je napravili sa tri cifre, ali ih se po želji može dodati još. Na istoj toj ploči postoji preklopnik koji isključuje sam displej ili ga resetuje.

Desno od brojača, vidimo visokonaponsko napajanje za cevi. Ono je preuzeto sa jednog od radioloških detektora i u pitanju je klasično kaskadno podizanje napona. Podiže 2,4V na 500V i obezbeđuje stablan rad cevi.

Nakon završetka uređaja, sklop se testira radioaktivnim izvorom i spreman je za rad.

Opisan je dakle, vrlo kompaktan i vrlo stabilan radio teleskop, kao uvod u daleko kompleksnije uređaje koji se tiču radio detektovanja neba. Nadamo se da će se u arsenalu opreme koju poseduju astronomi, u budućnosti nalaziti sve veći broj ovakvih instrumenata.