Iz knijige Astronomija na svim talasima, prof. Miroslava Filipovća, uz njegovu ljubaznu dozvolu, objavljujemo poglavlje:

---

λrad = 1 mm – 30 m

RADIO-ASTRONOMIJA SA ZEMLJE I IZ SVEMIRA 

Istorijat

Karl Janski (Karl Jansky) je 1931. godine, radeći kao inžinjer u Bell laboratoriji, pokušavao da pronađe izvor šuma koji je ometao prekoatlantske telefonske linije. Radi rešavanja ovog problema, Janski konstruiše veliku antenu koja je mogla da se rotira i tako usmeri u bilo koju tačku na horizontu. Sem što je otkrio da sevanje munja izaziva pucketanje u njegovim slušalicama Janski je shvatio da, bez obzira u kom pravcu usmeri svoju antenu, čuje postojan šum koji je polako menjao svoj intenzitet u pravilnim periodima od 23 časa i 56 minuta.

Lako je prepoznao odakle potiče ova perioda. To je jedan siderički dan, vreme za koje Zemlja izvrši jednu rotaciju oko svoje ose u odnosu na „nepokretne“ zvezde. Iz saznanja da promena intenziteta šuma koji čuje ima siderički period, zaključio je da izvor šuma potiče van Zemlje. Daljim posmatranjem je otkrio da šum dostiže maksimalni intenzitet u trenutku kada je njegova antena usmerena ka centru galaksije.

Zbog njegovog pionirskog doprinosa radio-astronomiji, jedinica koja se koristi pri merenju primljene gustine radio-fluksa (zračenja) je dobila ime Janski (Jy), i ona iznosi:

1 Jy = 10–26 W m2 Hz-1

Nakon što je saznao za otkrića Janskog, radio-amater Grote Reber je prvi konstruisao „pravi“ radio-teleskop. Nažalost, otkriće Janskog je uticalo da se projekat u Belovim laboratorijama zaustavi, posle saznanja o pravom izvoru šuma. Reber je odlučio da sazna više o prirodi ovih radio-izvora, pa je sam sagradio veću i usmereniju antenu od one koju je koristio Janski. Njegova antena se sastojala od paraboličnog tanjira prečnika skoro 10 m, koja je fokusirala radio-talase u sklepani prijemnik koji je konstruisao sam Reber. Ovaj radio-teleskop je skoro identičan profesionalnim radio-teleskopima koji se danas koriste.

Uz potvrde da se jedan od najjačih izvora radio-zračenja nalazi u pravcu centra naše galaksije, Reber je svojim teleskopom mapirao i druge jake izvore radio-zračenja Mlečnog puta. Pored skepticizma koji su pokazivali drugi astronomi tog vremena prema Reberovom radu, njegova otkrića su na kraju ipak objavljena početkom 1940. godine.

UVOD

Radio-talasi su oblik elektromagnetnog zračenja na velikim talasnim dužinama. Vidljiva svetlost je oscilujući elektromagnetni signal (talas) sa talasnom dužinom reda jednog milionitog dela metra, dok radio-talasi imaju talasne dužine reda od nekoliko milimetara do nekoliko metara. Radio-teleskop sakuplja i usmerava radio-talase iz astronomskih izvora, a zatim se primljeni signal u električnom obliku prosleđuje na dalju obradu pomoću računara.

Postoji mnogo astrofizičkih procesa u kojima nastaje radio-zračenje. Tri najvažnija izvora radio-zračenja su termalno, „linijsko“ i sinhrotronsko zračenje.

Jednoantenski radio-teleskopi (single dish)

Kada se u optičkoj astronomiji svetlosni zraci sa posmatranog objekta fokusiraju u žiži teleskopa, mogu se dobiti veoma oštre slike ne tačkastih objekata. Jednoantenski radio-teleskopi nisu ni približno efikasni u detektovanju finih detalja posmatranih objekata, kao teleskopi u optičkoj astronomiji. „Zamrljanost“ slike koja se javlja i kod jako velikih jednoantenskih radio-teleskopa, nastaje zbog samih osnovnih principa rada svih vrsta teleskopa. Da bi se raspoznavali fini detalji objekta koje posmatra teleskop, prečnik površine koja prikuplja zračenje mora biti više puta veći od talasne dužine zračenja koje detektuje. Svetlosni talasi imaju talasne dužine reda milionitog dela metra, tako da su kolektorska ogledala u optičkim teleskopima, koja su reda veličine metra, dovoljno velika da mogu da razlože posmatrane objekte u jako fine detalje. Sa druge strane, talasne dužine radio-talasa su od stotog dela metra do nekoliko metara, pa i jako veliki radio-teleskopi prave „zamrljane“ slike. Da bi dostigli rezoluciju optičkih teleskopa, jednoantenski radio-teleskopi morali bi imati prečnike tanjira reda veličine nekoliko kilometara, što je praktično nemoguće izvesti.

Zbog činjenice da radio-talasi interaguju sa materijom različito od vidljive svetlosti, teleskopi i instrumenti koji se koriste u detekciji radiozračenja se prilično razlikuju od onih u optičkoj astronomiji. Radio-teleskopi se obično sastoje od velikih paraboličnih tanjira, koji reflektuju i fokusiraju signal u antenu i prijemnik koji je tako konstruisan da je osetljiv na određeni deo radio-spektra. Antena i prijemnik su slične konstrukcije kao oni koje koristimo za radio i TV prijemnike. To su jednostavno uređaji u kojima radiotalasi indukuju kretanje elektrona i samim tim stvaraju električnu struju, koja se dalje pojačava i na kraju beleži.

Jedna prednost rada sa ovako velikim talasnim dužinama je, da glatkoća paraboličnih površina kod radio-teleskopa ne mora da bude velika, pa je takve površine relativno lako konstruisati. Greška u odnosu na idealnu paraboličnu površ sme da se kreće u granicama λ/20 (ova granica važi i za optičke i za radio-teleskope), tako da npr. za radio-teleskop, koji radi na λ=21cm, greška može biti do 1cm, dok je za optičke teleskope granica oko 20 nm.

Sa druge strane, radio-teleskopi moraju da imaju jako velike dimenzije da bi dostigli prihvatljive rezolucije. Najveći jednoantenski radio-teleskop se nalazi u opservatoriji Aresibo u Porto Riku. On ima prečnik od 305 m. Tipični radio-izvor ima gustinu fluksa reda 1 Jy. Najveći jednoantenski, astronomski radio-teleskop na Južnoj Hemisferi je u Australiji – Parks (Parkes) radio-teleskop. Sagrađen je 1960-ih godina i sastoji se od impresivne 64-metarske pokretne antene, koja je ponovo ušla u veću upotrebu sa aktuelnim višezračnim projektom na Australijskom nacionalnom institutu (Australia Telescope National Facility – ATNF (www.atnf. csiro. au).

Parksov višezračni prijemnik na 21 cm je jedan od novijih instrumenata, koji je u sastavu Australijskog nacionalnog postrojenja (ATNF). Ovaj instrument se sastoji od 13-snopovskog hlađenog 21-centimetarskog sistema prijemnika, koji je postavljen u primarni fokus 64-metarskog Parks tanjira.

64m Parkes radio-teleskop.

Heksagonalni „grozd“ Feed, koji je dizajnirao Odsek za telekomunikacije i industrijsku fiziku (CSIRO Division of Telecommunications and Industrial Phisycs).

Sam prijemnik je sagrađen u saradnji sa: ATNF, the Universities of Melbourne, Sydney, Western Sydney and Cardiff, Mount Stromlo and Siding Spring Observatories i konačno, Jodrell Bank opservatorijom.

Ovaj prijemnik uglavnom se koristi za HIPASS (HI Parkes All-Sky Survey) i ZOA (Zone of Avoidance) posmatranja. Sada je dostupan i u “64 MHz modu” i “pulsar modu” za svakodnevno izučavanje drugih nebeskih pojava i objekata, kao što su u prvom redu pulsari. Novi 8/4 MHz usko spektralni dodatak, je takođe na raspolaganju za opšte korišćenje od 2005. godine.

Od jednoantenskih teleskopa, pored radio-teleskopa Parks, vredi još spomenuti i nemački Efelsberg (Effelsberg, 100 m), američki Grin Benk (Green Bank; 110×100 m) i engleski Džordal Benk (Jordell Bank; 76 m).

Efelsberg (100 metara), Grin Benk (110×100 m), Džordal Benk (76 m)

INTERFEROMETRI

Interferometrija je tehnika za dobijanje “oštrijih”, i time veoma često, kvalitetnijih radio-slika! Astronomi mogu elektronski da simuliraju efekat veoma velikog tanjira, koristeći signale sa mnogo manjih jednoantenskih radio- teleskopa. Tehnika koju koriste, naziva se interferometrija. Koristeći prednost velikih talasnih dužina radio-talasa, detektori mogu da mere i fazu i intenzitet primljenog zračenja. Ako jedan par jednoantenskih teleskopa, prostorno razmaknutih, posmatra mali izvor, signal kombinovan iz antena osciluje u vremenu. To se dešava zbog Zemljine rotacije, jer kako Zemlja rotira, relativne faze signala primljene od strane ovih antena variraju, onako kako variraju razdaljine od izvora do svake antene. To znači da će radio-talas u trenutku kada je u fazi, u obe antene biti „sabran“, a kada je u kontra fazi, biti „oduzet“. Interferometrija koristi konstruktivnu i destruktivnu interferometriju, da bi odredila fizičke i geometrijske karakteristike posmatranog objekta.

Razmak između antena interferometra određuje veličinu jasno vidljivog objekta. Ako izvor koji se posmatra na nebu, pokriva mnogo manji ugao nego što je odnos: posmatrana talasna dužina / dvostruko rastojanje između antena; tada signal kombinovan iz antena jako osciluje u vremenu. Gore pomenuti odnos se naziva rezolucija teleskopa. Kako rastojanje između antena raste, tako i rezolucija raste, tj. opada najmanji ugao na nebu koji antena može jasno da razdvoji. Za izvore čija je uglovna veličina mnogo veća nego rezolucija teleskopa, kombinovani izlaz iz antena slabo varira pa se samim tim i manje informacija dobija o objektu. Da bi proučavali veće astronomske strukture (objekte), astronomi koriste manje rezolucije tj. manja rastojanja između antena. Interferometar daje najbolje rezultate u posmatranju nekog objekta, ako je njegova rezolucijska veličina bliska uglovnoj veličini samog objekta. Koristeći ne samo dve, već više antena u interferometarskom sistemu, još više možemo poboljšati rad ovakvog radio-teleskopa.

Današnje nove generacije radio-teleskopa

Većina radio-izvora ima složen oblik i na velikim i na manjim strukturnim skalama. Bolje slike posmatranih izvora se mogu dobiti ako se pri posmatranju koristi više od dve antene istovremeno, a kako računari postaju sve moćniji, signal iz više antena se u njima može sve bolje elektronski kombinovati i obrađivati. Računari koji upravljaju ovim antenskim sistemima, moraju izuzetno precizno da koordiniraju kretanje svih antena. Svaka antena može biti kombinovana (uparena) sa bilo kojom drugom antenom u sistemu, tako da se maksimizira broj razmaka između antena. Ovo povećava broj mogućih skala veličine objekta sa kojih interferometar može dobiti informacije. Rotacija Zemlje u odnosu na izvor, menja daljine od objekta do svake antene pojedinačno. Interferometarska slika generisana od svakog para antena se dalje integriše u uređaju koji se naziva korelator.

Ovaj metod, koji se naziva aperturna sinteza, je princip na osnovu koga rade veliki radio-teleskopi, kao što su Australia Telescope Compact Array (ATCA), Very Large Array (VLA) ili Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Korišćenjem rotacije Zemlje i kombinovanjem velikog broja interferometarskih parova, dobijaju se detaljna posmatranja stabilnih radio-izvora.

ATCA je radio-teleskop koji se sastoji od šest 22-metarskih antena kojima upravlja Australia Telescope National Facility (ATNF), koji je deo CSIROa. Teleskop je lociran u Kalguri (Culgoora), oko 25 km zapadno od gradića Narabraj (Narrabri), u Novom Južnom Velsu (New South Wales), Australija.

VLA (Vrlo veliki niz) je verovatno najpoznatiji radio-interferometar. Nalazi se u Novom Meksiku, i sastavljen je od 27 antena postavljenih u simetrični Y oblik, koji je dug i do 36 km. Svaka antena je prečnika 25 m. One su elektronski kombinovane tako, da daju rezoluciju 36-kilometarske antene, sa osetljivošću koju bi imala antena prečnika 130 m. VLA je primer za tzv. connected-element interferometar, zato što svaka antena iz sistema šalje svoj signal direktno u glavni kompjuter u kome se signali iz svih antena obrađuju u realnom vremenu.

ATCA (Australijski teleskop zbijenog niza) levo, sa pet antena i VLA interferometar Y oblika. Još veća rezolucija je dobijena korišćenjem tehnike VLBI. U osnovi, VLBI je sistem od 10 identičnih antena raspoređenih preko celih Sjedinjenih Američkih Država od Havaja do Devičanskih Ostrva. U ovoj metodi antene su razdvojene stotinama pa i hiljadama kilometara, tako da nije bilo ni ekonomično ni praktično izvodljivo da se one fizički povežu međusobno. Zbog toga, realtime interferencija signala nije moguća, već se signali sa antena beleže na magnetnim trakama, a posle posmatranja šalju na računarsku obradu. VLBI je sposoban za rezolucije čak do reda veličine lučne milisekunde. Ova rezolucija je bolja za nekoliko redova veličine od najboljih rezolucija, koje postižu optički sistemi na Zemlji.

Ilustracija dole je dobijena kao deo novog VLBI eksperimenta sa južne hemisfere (Southern Hemisphere VLBI Eksperimenta-SHEVE), u laboratoriji Jet Propulsion. I ovaj projekat koristi VLBI niz, radi dobijanja mapa visoke rezolucije kvazara i aktivnih radio-galaksija lociranih na negativnim deklinacijama. Većina teleskopa koji se koriste, nalaze se u Australiji i razdvojeni su stotinama pa i hiljadama kilometara. Najduža baza, od Tidbinbile u jugoistočnoj Australiji do Hertbistoka (Hartebeesthoek) Južna Afrika, je duga skoro 10.000 km! Na ovoj bazi će biti dostignute rezolucije od čak 1–3 lučne milisekunde.

Objekat 0637-752 prikazan na slici na sledećoj strani je dobar primer tipične VLBI rezolucione strukture posmatranog kvazara. Ova specifična morfologija se naziva core-jet, jer predstavlja svetlo, kompaktno jezgro sa nešto difuzne, izdužene strukture (tzv. Jet – mlaz) koja izbija iz njega. Gore prikazani objekat je dug samo 20 lučnih milisekundi, a najmanji detalj na slici je veličine samo 1–2 milisekunde. Ovo je poboljšanje od čak 2 reda veličine u odnosu na najbolji optički teleskop koji posmatra sa Zemlje.

Konture vangalaktičkog radio-izvora 0637-752. Objekat ima svetlo jezgro i izduženi mlaz koji predstavlja jednu od najudaljenijih galaksija (oko 6 milijardi svetlosnih godina). Slika sa leve strane je napravljena sa VLBI, a dve desne slike su radio (konture), X-zračna (Chandra) (gore) i HST (dole). Slika obrađena u programima Karma, MIRIAD i AIPS

RADIO-ASTRONOMIJA IZ KOSMOSA

VSOP (VLBI Space Observatory Programe – Veliki svemirski interferometarski niz)

Slikoviti prikaz razvoja radioteleskopa od postanka (1940.) pa do budućeg SKA (2020.).

VSOP misiju vodi Institut za svemirske nauke i astronautiku (Institute of Space and Astronautical Science) u saradnji sa Japanskom nacionalnom astronomskom opservatorijom. Prvi VSOP satelit je uspešno lansiran 12. februara 1997. godine, na novoj ISAS M-V raketi,iz svemirskog centra Kagošima. Satelit, koji je posle uspešnog lansiranja preimenovan u HALCA, je postavio 8-metarski radio-teleskop u orbitu 27. i 28. februara 1997. HALCA je na eliptičnoj orbiti oko Zemlje, sa visinom apogeja od 21. 000 km i perigeja od 560 km, što omogućava posmatranje sa bazama do tri puta većim, od onih koje se mogu dostići na Zemlji. Posmatranja će se vršiti na 1,6 GHz (18 cm), 5 GHz (6 cm) i 22 GHz (1,3 cm).

Radio-Astron projekat

Radio-Astron je projekat, koji vodi Astronomski svemirski centar na fizičkom institutu Lebedev (Astro Space Center of the Lebedev Physical Institute) u Moskvi, koji će postaviti 10-metarski radio-teleskop u eliptičnu orbitu, tako da će ovaj teleskop vršiti VLBI posmatranja sa teleskopom koji se nalazi na Zemlji. Ovo je deo serije Spectrum, koja sadrži Spectrum X-Gamma i Spectrum-UV. Projekat je razvijen od strane Lavočkin asocijacije. Lansiranje je planirano još 1998., ali je i dalje na „stand-by”-u.

Milimetarska radio-astronomija

Sigurno najnovija grana radio-astronomije je milimetarski i sub-milimetarski deo. Tu je najbolji reprezent Džejms Klerk Maksvel (James Clerk Maxwell Telescope – JCMT), koji se nalazi na vrhu velikog havajskog ostrva po imenu Mauna Kea i tik uz druge optičke teleskope, kao sto je KECK. JCMT ima tanjir prečnika 15 m i do sada je uglavnom korišćen za posmatranja raznih vrsta molekularnih oblaka.

Trenutno ima nekoliko planova za gradnju novih milimetarskih instrumenata a najdalje se otišlo sa ALMA (The Atacama Large Millimeter Array) projektom.

Šta posmatrati radio-teleskopima?

Na ovo pitanje u suštini i nije lako dati 100% tačan odgovor! U osnovi, radio-teleskopima možemo detektovati dve vrste zračenja: termičko i ne termičko. To navodi na zaključak da skoro sve vrste nebeskih objekata možemo posmatrati radio-teleskopima – od planeta, pa sve do najudaljenijih galaksija i kvazara. Profesionalni astronom bi vam “kao iz puške” odgovorio, da sve ipak zavisi od osetljivosti instrumenta i naravno, udaljenosti od željenog objekta.

Ipak, da pobrojimo bar neke od radio-objekata koje možete detektovati sa sigurnošću ako uperite radio-teleskop ka njima:

1) Komete. Iskreno – jedva ih detektujemo i to u najboljem slučaju, “vidimo” ih na veoma visokim radio-frekvencijama (ispod 1cm) i najčešće u linijskom/emisionom delu.

2) Planete i Sunce. Bez većih problema videćemo i termički i ne termički deo. Sunce je jedan od prvih radio-izvora, a verovatno najlepša “radio” planeta je Jupiter.

3) Molekularni oblaci. Raznorazni tipovi molekularnih oblaka, od HII i HI regiona, preko raznoraznih podtipova složeno “akoholisanih” gasovitih oblaka međuzvezdane materije.

4) Zvezde. Od našeg Sunca, do raznoraznih podtipova zvezda kao što su beta Lyre i drugih kataklizmičkih zvezda.

5) Pulsari. Sa njima je i počeo ozbiljniji razvoj moderne radio-astronomije. Danas znamo, da pulsari postoje i u drugim obližnjim galaksijama a ima ih ukupno nekoliko hiljada. U bliskoj budućnosti očekuje se pronalazak još najmanje desetak hiljada novih, i to sve u našoj galaksiju.

6) Ostaci supernovih i planetarne magline. Sigurno “najlepši” objekti koji se mogu detektovati na radio (kontinuum) frekvencijama su ostaci supernovih. Kao što smo i naglasili u prethodnim poglavljima, ovi objekti su tipični ne termalni emiteri koje odlikuje izuzetno jako magnetno polje. Do sada ih je otkriveno više od 250 u našoj galaksiji i negde oko 150 u drugim galaksijama. Smatra se, da ima nekoliko podklasa a sve u zavisnosti od tipa zvezde koja je eksplodirala i same lokalne sredine u kojoj se eksplozija desila. Što se pak planetarnih maglina tiče, one se u radio-domenu vide tek sporadično i uglavnom emituju čisto termičko zračenje.

7) Galaksije i kvazari. Razne tipove uglavnom masivnijih galaksija relativno lako detektujemo u svim domenima radio-zračenja. Slična situacija je i sa kvazarima i zato su ovi objekti i najposmatraniji bas na radio-frekvencijama.

I dalje...

Budućnost radio-astronomije je sigurno u teleskopu – Kvadratno-kilometarski raspored (Square-Kilometre Array, SKA). To je sledeća generacija radio-teleskopa i internacionalni projekat u dizajniranju i izgradnji radioteleskopa, sa efektivnom površinom od jednog kvadratnog kilometra! Naučnu osnovu za SKA projekat je razvila grupa radio-astronoma a nekoliko država je već započelo istraživanja u vezi sa ovim projektom (Holandija, Australija, USA, Južnoafrička Republika i Kina). Očekuje se da će prvi prototipi ovog teleskopa, biti “u pogonu” već od kraja 2008. (LOFAR i xNTD/MIRA), a najverovatnije će ceo projekat SKA, biti podržan od radio-astronoma iz celog sveta – od Amerike preko Argentine, Evrope, Južne Afrike, Kine do Japana i Australije. Većina radio-astronoma danas smatra, da je idealno mesto za ovo novo čudo od teleskopa – Zapadna Australija. Razlozi su mnogobrojni, od mirnoće atmosfere do predivno bogatog južnog neba. SKA će zasigurno promeniti naša shvatanja o postanku raznoraznih objekata u ovom našem univerzumu, od nastajanja najstarijih galaksija do detaljnog proučavanja ostataka eksplozija supernovih zvezda.

Australijska vizija budućeg SKA teleskopa.

) je jedna od planiranih misija koja će se sastojati od jednog (ili dva) 25-metarska teleskopa u visoko eliptičnoj Zemljinoj orbiti. Teleskop(i) će posmatrati u konjukciji sa velikim brojem radio-teleskopa sa Zemlje, koristeći VLBI tehniku. Ovaj sistem će dostizati rezolucije od 10 lučnih mikrosekundi u posmatranju „najenergetskijih“ fenomena u univerzumu. (http://arise. jpl. nasa. gov/ )

Betelgeuse na 6 cm (4,3 GHz) – VLA. Zvezde supergiganti kao sto je Betelgez sa veoma ‘proširenom’ atmosferom su tipčni radio-emiteri. Važno je napomenuti da i danas 2007. veoma malo znamo ili razumemo o atmosferi ovih gigantskih zvezda. Ljubaznošću NRAO/AUI

Infracrvena astronomija
Poglavlje iz knjige

ASTRONOMIJA NA SVIM TALASIMA

O knjizi, o autoru....