ReferatasRADIOASTRONOMIJA
Rozalimas2002
Radioastronomijos ištakos ir raidaAstronomijos šaka, nagrinėjanti kosminių kūnų išspinduliuotas arba atspindėtas radijo bangas, vadinama radioastronomija. Radioastronomija – seniausia naujosios astronomijos šaka. Pirmasis pusšimtis jos egzistavimo metų buvo labai produktyvus. Radioastronomija, parodė, kad dangus sėte nusėtas radijo bangų generatoriais, kurie yra arba taškiniai objektai, arba užima didžiulius plotus dangaus sferoje bei tūrius erdvėje. Radioastronomija atrado tokius egzotiškus objektus kaip kvazarai, pulsarai bei radiogalaktikos, aptiko neutralaus vandenilio 21 cm ilgio bangos spinduliavimą. Pagaliu radijo bangų diapazone buvo rastas reliktinis spinduliavimas, susijęs su Visatos gimimu Didžiojo Sprogimo metu. Visa tai gerokai pakeitė supratimą apie mūsų supantį pasaulį. Pirmasis tos šakos entuziastas ir pradininkas buvo Karlas Janskis. Jis 1929m pasigamino 30metrų ilgio įrenginį – anteną, iš medinių strypų ir metalinių vamzdelių.specialiu žiedinių bėgiu antena galėjo sukiotis horizonto atžvilgiu ant keturių “Fordo” firmos automobilio ratų. Visa tai buvo įrengta plačiame lygiame dirvone. Šalia stovinčiame namelyje imtuvo sustiprintas radijo bangas registravo savirašis ant slenkančios popieriaus juostos. 1931 m nagrinėjant viena iš juostų nustatė tris trukdymų šaltinius. Pirmiausia tai buvo vietinės audros, po to sekė tolimi atmosferos elektros išlydžiai, o galiausia – kažkoks labai silpnas ūžesys, vos išsiskiriantis iš imtuvo ūžesių fono. K. Jasinskis į tai atkreipė dėmesį ir ėmė labiau stebėti, tada ir buvo pastebėta kad ūžesiai kasdien sustiprėja skirtingu laiku – keturiom min. anksčiau negu praeitą dieną. Be to, šių ūžesių kryptis horizonto atžvilgiu taip pat kasdien keitėsi. Įtaręs, kad šie ūžesiai sklinda iš kosmoso, K. Janskis ėmė kruopščiai tirti jų slidimo kryptį. Paaiškėjo, jog ūžesiai sustiprėja tada, kai antena “žiūri” į Paukščių Taką. Vadinasi, radijo bangos generuoja ne tik žemiškas radijo stotys! 1932 m pabaigoje K. Jaskis jau galėjo nurodyti vietas danguje, iš kur sklinda stipriausios radijo bangos: tai buvo Galaktikos centro kryptis (Šaulio žvaigždyne) ir jei priešinga Galaktikos anticentro kryptis (Orijono – Dvynių žvaigždynų sandūra). Beje, pirmuosius stebėjimus K. Janskis atliko ramios Saulės metais. Todėl jam nepavyko užregistruoti radijo bangų, sklindančių iš Saulės. Iš to K. Janskis padarė teisingą įšvadą, kad žvaigždės nėra svarbūs radijo šaltiniai.
Jau 1932m ėmė pasakoti apie kosminių radijo bangų atradimą. Jis pabrėžė, kad švilpiantys, šnypščiantys kosmoso garsai skiriasi nuo audrų sukeltų triukšmų ir labiau primena ūžesius, kuriuos sukelia šiluminis elektonų judėjimas. Tuo jis iš dalies buvo teisus: jo užfiksuotos radijo bangos buvo nešiluminės kilmės, tačiau tarpžvaigždinė medžiaga skleidžia ir šiluminį radijo spinduliavimą. Tuo jo tyrinėjimai ir baigėsi nes negavo reikamos paramos. Jis mirė taip ir nesulaukęs radioastronomijos triumfo, tačiau jis įėjo į istoriją kaip pradininkas ir jo garbei atminti radijo įaltinių galingumas matuojamas janskiais.Jo pasekėjas buvo G. Reberis, kuris su užsidegimu išstudijavo K. Janskio straipsnius pats ėmėsi darbo. 1941m pradėjo didžiulį darbą – sistemingą dangaus apžvalgą radijo bangų diapazone. Jo sudaryti radijo dangolapiai aiškiai rodė radijo spinuliavimo koncentraciją Paukščių Take. Taip pat pavyko aptikti galingiausią kosminių radijo bangų šaltinį Šaulio žvaigždyne. Visą dešimtmetį jis buvo vienintelis radioastronomas, jis pats kūrė ir konstravo aparatūrą, tyrė dangų, dirbo prie rezultatų.Radioastronomija gerokai pasistūmėjo į priekį karo metais, nes tai buvo vienas iš būdų apsisaugoti nuo raketų antpuolių, buvo sukurtos sistemos kaip raketų nešamus sprogmenis sunaikinti ore ar keisti jų trajektoriją.1942 m užfiksuoti iki tol negirdėti signalai, bet tai nebuvo raketos. Buvo nuspręsta kad tai ilgai stebėtos Saulės dėmės radijo signalai, nors radijo specialistai tuo ir abejojo. Po to vyko ilgos studijos kurių metu ir susiformavo trys pirmosios radiostronomų grupės (dvi anglų ir viena australų). Anglai su australais ėmėsi analizuoti Saulės radijo triukšmų prigimtį ir ilgainiui sukūrė specialią radiointerferencinę sistemą atskiroms Saulės dėmėms tirti. Antroji anglų grupė gaudė radijo aidus nuo jonizacijos centrų, kuriuos Žemės atmosferoje sukelia kosminių spindulių srautai. Vėliau visos trys grupės apsijungė ir pradėjo tirti tarškinius kosminių radijo bangų šaltinius.Karo metais ištobulėjusi elektronika ir radiotechnika pamažu perėjo radioastronomų žinion, pradėjo kurtis radijo observatorijos, plėtojamos naujos teorijos.Radioastronomų technikaPagrindinis ir svarbiausias radioastronomų prietaisas yra radioteleskopas. Pats pavadinimas sako, kad šis prietaisas turi ir tradicinio optinio teleskopo ir radijo imtuvo požymių: jis renka ir fokusuoja ateinančias iš kosmoso radijo bangas, jas sustiprina, registruoja, vėliau jos jos yra analizuojamos. Radijo bangas renka ir fokusuoja metalinės antenos, panašios į milžiniškus optinių teleskopų veidrodžius. Joms keliami griežti reikalavimai. Žemiškos radijo stotys skleidžia radijo bhangas palyginti siauruose spektro ruožuose.Tuo tarpu kosminiai kūnai spinduliuoja praktiškai visame radijo bangų diapazone. Pavyzdžiui, Saulė skleidžia milimetrines, centimetrines, decimetrines,metrines ir dar ilgesnes radijo bangas. Įvairių ilgių bangomis spinduliuojamas nevienodas energijos kiekis, t. y. egzistuoja tam tikras duotam kūnui būdingas energijos pasiskirstymas radijo bangų diapazone. Norint sužinoti šį pasiskirstymą, t. y. energetines šaltinio savybes, reikia matuoti jo spinduliavimą įvairių ilgių bangomis. Šių matavimų visuma leidžia spręsti apie fizikines šio kūno cfhrekteristikas ir procesus, generuojančius šias bangas.Vienas didžiausių sunkumų radijoastronomijoje yra tai, kad radijo bangų šaltiniai dažniausiai nematomi. Vadinasi, radioteleskopo antena turi būti kryptinga,pajėgi rasti ne tik kryptį, iš kur sklindaradijo signalas, bet ir apčiuopti konkretų tašką, kur slypi jo šaltinis. Šiuolaikinę radioastronominę anteną sudaro atskirų antenų, vadinamų pusbanginiais dipoliais,sistema. Toks dipolis – tai metalinis strypas, kurio ilgis lygus pusei priimamos bangos ilgio. Taigi antenos elementas visada yra skirtas tam tikro ilgio bangoms. Kartais vietoj stypų naudojamos spiralės. Tokių elementų sistema išdėstoma plokščiame paviršiuje taip, kad bendrame antenos išėjime visų dipolių suminis signalas būtų stipriausiais. Po to šis signalas papildomai stiprinamas ir registruojamas. Tokia antena iš krintančių bangų pluošto “išpjauna” tam tikro ilgio ir vienodod fazės bangas. Ji vadinama sinfazine.
Be simfazinių antenų radijoastronomijoje naudojamos metalinės parabolinės antenos. Panašiai kaip ir optinis teleskopas, parabolinė radijo antena nesufokusuoja elektromagnetinių bangų į vieną idialų tašką, o priklausomai nuo antenos skersmens bei priimamos bangos ilgio pateikia didesnę ar mažesnę vaizdo dėmę. Tokio reiškinio priežastis – bangų difrakcija. Dėmės matmenys mažėja didėjant antenos plotui ir trumpėjant registruojamos bangos ilgiui. Kadangi radijo bangos šimtus tūkstančių ir net milijonus kartų ilgesnės už šviesos bangas, šios dėmės radijoteleskopų židiniuose būna iš tiesų didžiulės. Tai ir riboja radijoteleskopų skiriamąją gebą. Nekeičiant bangos ilgio, vienintelis būdas skiriamajai gebai padidinti yra antenos skersmens didinimas. Be to, antenos skiriamoji geba glaudžiai siejasi su jos kryptingumu. Jeigu radijos šaltinis patenka ant antenos ašies, t.y. ant statmenos jos paviršiui linijos tęsinio, imtuvas registruos didžiausią įmanomą galingumą. Tačiua jei kryptis į šaltinį sudaro kampą su antenos ašimi, bus registruojamas silpnesnis signalas. Dvigubas kampas tarp antenos ašies ir krypties į šaltinį, iš kurios ateinantis signalas yra dvigubai silpnesnis už maksimalų, vadinamas antenos kryptingumu.10metrų skersmens antenai, dirbančiai 1 metro ilgio banga, kryptingumas lygus 6º, o 10 cm banga – 36’. Šoninius kryptingumo lapelius sukelia difrakcija, analogiška difrakciniams žiedams aplink taškinį šaltinį optinio teleskopo židinyje. Pirmųjų radioteleskopų skiriamoji geba buvo menka, tačiau, nepaisant to, buvo atrasta daugybė radijo bangų šaltinių. Tiesa, visi jie užėmė danguje gana didelius plotus. Radioteleskopų skiriamoji geba buvo didinama remiantis bangų interferencijos reiškiniu. Tegul dvi vienodos antenos stovi už kelių kilometrų viena nuo kitos. Energija iš abiejų antenų kabelių patenka į bendrą imtuvą. Tačiau į abi antenas krintančių bangų fazės yra skirtingos ir kinta Žemei sukantis aplink ašį. Kitaip tariant, keičiasi kampas α bei su juo susijęs bangų eigos skirtumas b=2d cos α . kai fazių skirtumas lygus 0˚, abiejų antenų fiksuojami signalai sumuojasi, o kai fazių skirtumas lygus 180˚, -vienas kitą slopina. Tokiu principu veikiantis įrenginys vadinamas – radiointerferometru.Atskiri radioteleskopai statomi per tūkstančius kilometrų vienas nuo kito, dažnai net skirtinguose žemynuose. Tai savotiški moksliniai tiltai tarp žemynų ir valstybių. Labai toli vienas nuo kitos įrengtos antenos vienu metu registruoja bangas, sklindančias iš vieno ir to paties šaltinio, o rezultatai kartu su sinhroniškai einančių laikrodžių parodymais užrašomi į magnetines juostas. Vėliau abi juostos analizuoja ir lygina kompiuteriai. Pagrindinis tokios sudėtingos ir labai brangiai kainuojančios sistemos rezultatas – aukšta skiriamoji geba, kartais pralenkianti net didžiausia optinių teleskopų skiriamąją gebą. Taip atsirado galimybė tirti detalias net tų radijo šaltinių, kurie neseniai atrodė esą taškiniai. Radioteleskopais tiria radiogalaktikas, tarpžvaigždinę medžiagą, sudarinėja dangolapius įvairių ilgių bangų diapozonuose. Radijo šaltiniai nematomi, jų negalima nufotografuoti ar užfiksuoti kitais tradicinės optinės astronomijos metodais. Dangolapiai yra vienintelis būdas fiksuoti radijo šaltinių koordinates, sekti spindukliavimo galios kitimus. Įvairių bangų ilgių diapozonuose sudaryti dangolapiai kartu yra savotiškas energetinis dangaus balansas, dangaus kūnuose vykstančių procesų atspindys. Pirmąjį dangolapį radijo bangų diapazone sudarė G. Reberis.Radijoastronomija yra pasyvus mokslas. Ji tik klauso kosmoso garsų, registruoja kosminių objektų šnabždesį ir jį analizuoja. Radioteleskopai – labai jautrūs prietaisai. Tačiau jiems kliudo tokie aktyvūs radijo bangų naudotojai kaip radijo ir televizijos stotys, kosminiai aparatai, net be perstojo zujantys automobiliai. Radijo astronomams taip pat trukdo dienos šviesos lempos, aukštos įtampos perdavimo linijos, radijo mėgėjai, radijolokacinės sistemos. Juk silpniausias radijo siųstuvas yra milijonus kartų stipresnis už galingiauią kosminį radijo šaltinį. Tokie trukdymai neatpažystamai iškraipo silpną kosmoso šnabždesį, niekais paversdami radijoastronomų triūsą.Elektromagnetines bangas spinduluoja visi įkaitę kūnai. Toks spinduliavimas vadimas šiluminiu.Jį aprašo absoliučiai juodo kūno spinduliavimo dėsniai, bylojantys, kad, kylant kūno temperatūrai, spinduliuojamos energijos maksimumas persikelia į vis trumpesnes bangas. Vadinasi, radijo bangų galima tikėtis tik iš palyginti šaltų kūnų.Tai gali būti tarpžvaigždinėje erdvėje paplitusios dujos ir dulkės. Netoliese esančių karštų žvaigždžių ultravioletinis spinduliavimas jonizuoja dujas. Atsiradę laisvi elektronai susidūrinėja su protonais ir įvairiais jonais ir, atiduodami jiems dalį savo kinetinės energijos, sužadina jų švytėjimą. Vykstant tokiems procesams, nusistovi tam tikra tarpžvaigždinės terpės temperatūra, kuriai esant skleidžiamos šiluminės kilmės radijo bangos. Karštas žvaigždes supančios jonizuoto vandenilio sritys vadinamos H II, arba Striomgreno zonomis. Čia lakstantys laisvi elektronai gali turėti bet kokias energijas, gali sugerti arba išspinduliuoti bet kokios energijos kvantus, taigi H II zonos spinduliuoja ištisinį spektrą.1950 metais J. Šklovskis sukūrė teoriją apie nešiluminės kilmės radijo bangu atsiradimą. Jo teorijos esmė gana paprasta: greitos elektringos dalelės, patekusios į stiprius magnetinius laukus, priverčiamos spiralėmis vyniotis aplink šių laukų jėgų linijas. Dalelės stabdomos, dalis jų kinetinės energijos išspinduliuojama elektromagnetinėmis bangomis, tarp jų ir radijo bangomis. Pirmą kartą toks reiškinys buvo pastebėtas elektronų greitintuve tuoj po Antrojo pasaulinio karo ir pavadintas sinchrotroniniu. J. Šklovskis teoriškai įrodė, kad šis mechanizmas turi veikti ir kosmoso sąlygomis. Vėliau specialūs radioastronomų stebėjimai patvirtino jo spėliojimus. Minėtasis šiluminis ir sinchrotroninis mechanizmai siejasi su dviem kraštinėmis žvaigždžių evoliucijos stadijomis: šiluminis radijo spinduliavimas sklinda iš žvaigždžių susidarymo rajonų, o sinchrotroninis – nuo savo gyvenimą baigiančių žvaigždžių, t. y. supernovų sprogimų vietų, neutroninių žvaigždžių ir t. t.