Το πρώτο ραδιοτηλεσκόπιο στον κόσμο κατασκευάστηκε το 1937 από τον ασυρματιστή και ερασιτέχνη αστρονόμο Γκρότε Ρέμπερ (Grote Reber). Το ραδιοτηλεσκόπιο κατασκευάστηκε στην πίσω αυλή του σπιτιού του στο Wheaton του Illinois στο Σικάγο. Δημιούργησε το τηλεσκόπιο με δικά του έξοδα, ενώ εργαζόταν σε μια ραδιοφωνική εταιρεία στο Σικάγο. Μετά το δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο εξελίχθηκε με γοργό ρυθμό.
Η ραδιοακτινοβολία μπορεί να δημιουργεί εικόνες με τη βοήθεια του ραντάρ, τέτοια όργανα υπάρχουν σε δορυφόρους που θέτονται σε τροχιά γύρω από τη γη.
Με εκπομπές ραδιοκυμάτων προς την επιφάνεια της γης, καταγράφονται τα ανακλώμενα κύματα, μπορούν να καταγράψουν λεπτομερή εικόνες από την επιφάνεια της γης.
Το ραδιοτηλεσκόπιο ακούει τις εκπομπές του σύμπαντος
Οι γαλαξίες και τα άστρα εκπέμπουν ακτινοβολία σε πολλές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Από τις ακτίνες Χ μέχρι τα ραδιοκύματα. Μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας αυτής, απορροφάτε από την ατμόσφαιρα και δεν φτάνει στη γη, καθιστώντας αδύνατη την παρατήρηση των ουράνιων σωμάτων από επίγεια όργανα.
Εκτός του ορατού φωτός που καταγράφουν τα οπτικά τηλεσκόπια. Τα ραδιοτηλεσκόπια συλλαμβάνουν ακτινοβολία με μήκη κύματος μεταξύ 30 m (30 MHz) και 1 cm (300 GHz) από την περιοχή των 20 cm (1,5GHz) και άνω.
Ανισορροπίες της ιονόσφαιρας προκαλούν παραμορφώσεις των σημάτων ανάλογη με το τρεμόσβησμα που γίνεται αντιληπτό στο ορατό φως.
Η ιονόσφαιρα απορροφά τα ραδιοκύματα ανάλογα με το μήκος κύματος, μη επιτρέποντας τη διέλευση συχνοτήτων άνω των 10m.
Ανάλογη συμπεριφορά έχει και η ατμόσφαιρα σε μήκη κύματος κάτω του 1cm επιτρέποντας την παρατήρηση σε ελάχιστες στενές περιοχές συχνοτήτων. Ευνοϊκή για παρατήρηση είναι η περιοχή μεταξύ 1 και 20cm όπου οι ατμοσφαιρικές παρεμβολές είναι ελάχιστες.
Το σήμα υφίσταται επεξεργασία και έτσι η ωφέλιμη ανάλυση και η ποιότητα της εικόνας περιορίζεται από το μέγεθος του οργάνου.
Αρχές λειτουργίας του Ραδιοτηλεσκόπιου
Όλα τα ραδιοτηλεσκόπια περιλαμβάνουν μία μεγάλων διαστάσεων παραβολική κεραία και έναν ευαίσθητο δεκτή ραδιοφωνικών κυμάτων.
Το πόσο δυνατό είναι το ραδιοτηλεσκόπιο, εξαρτάται από την επιφάνεια της κεραίας και από την ευαισθησία του δέκτη. Το εύρος ζώνης του δέκτη είναι ένας βασικός παράγοντας για την παρατήρηση ευρέως φάσματος εκπομπών. λόγω των τεράστιων αποστάσεων. Οι ουράνιες εκπομπές είναι εξαιρετικά ασθένειες.
Αυτός είναι και ο λόγος πού τα ραδιοτηλεσκόπια είναι εξοπλισμένα με μεγάλων διαστάσεων κάτοπτρα και έχουν εξαιρετικά ευαίσθητους δεκτές.
Ο συνηθέστερος τύπος ράδιο τηλεσκοπίου δεν διαφέρει κατά πολύ από το δίσκο των δορυφορικών τηλεοπτικών δεκτών. Ο παραβολικός ανακλαστήρας εστιάζει την ακτινοβολία σε έναν μικρών διαστάσεων δεκτή, που συνήθως είναι ένας απλός κυματοδηγός.
Αυτός μεταφέρει το σήμα σε κρυογονικά ψυχόμενους ενισχυτές με υψηλό λόγο σήματος προς θόρυβο εξασφαλίζοντας την μέγιστη ευαισθησία.
Υπάρχουν ραδιοτηλεσκόπια πιο εξελιγμένα που φέρουν ένα δευτερεύων κάτοπτρο κοντά στην εστία το οποίο εκτρέπει τα σήματα στη βάση του οργάνου εκεί όπου βρίσκεται ο δέκτης.
Με τη διάταξη αυτή παρακάμπτονται οι περιορισμοί χώρου και βάρους της κεντρικής εστίας διευκολύνοντας κατά πολύ στη συντήρηση του δέκτη. Ενώ με τη χρήση δύο ανακλαστήρων προσφέρει μεγαλύτερη βελτίωση στην απόδοση της κεραίας.
Πιο παλιά ο δευτερεύων ανακλαστήρας η ο δέκτης στηρίζονταν στο πρωτεύον κάτοπτρο με τη βοήθεια μιας συμμετρικής δομής από τρεις ή τέσσερις δοκούς. Με τη διάταξη αυτή μέρος των εισερχόμενων ραδιοκυμάτων δεν έφταναν και δεν μπορούσαν να αναληφθούν, ενώ οι ανακλάσεις από τις δοκούς αποτελούσαν μία ακόμα πηγή παρεμβολών.
Σε μετέπειτα κατασκευές ο δευτερεύων ανακλαστήρας ή η κεραία τοποθετείται έκκεντρα ώστε να μην παρεμποδίζει την εισερχόμενη ακτινοβολία.
Ραδιοτηλεσκόπια στον ισημερινό της Γης
Κάποια από τα ραδιοτηλεσκόπια είναι προσανατολισμένα στον ισημερινό με τον ένα άξονα παράλληλο με τον άξονα περιστροφής της Γης. Για να μπορεί να παρακολουθήσει μόνο ένα συγκεκριμένο σημείο στον ουρανό. Αρκεί το όργανο να στρέφεται γύρω από έναν μόνο άξονα. Ένας υπολογιστής αναλαμβάνει να διατηρεί σταθερό τον προσανατολισμό του ανακλαστήρα.
Πολλές φορές μία ουράνια ακτινοβολία έχει ένταση εκατομμύρια φορές ασθενέστερη από το θόρυβο που παράγει ο εξοπλισμός. Για αυτό απαιτείται πολύωρη παρακολούθηση και μεγάλη επεξεργασία του σήματος.
Αποκλίσεις και ευαισθησία
Η ευαισθησία που έχει ένα ραδιοτηλεσκόπιο μπορεί να περιοριστεί από τη δράση του ανέμου. Όπως και η θερμική συστολή και διαστολή μπορούν να το στρέψουν προς διάφορες πλευρές του ουρανού και να αποκλίνει του συγκεκριμένου στόχου.
Οι αποκλίσεις είναι σημαντικές όταν έχουν διαστάσεις ανώτερης της τάξης του 5% του μήκους κύματος λειτουργίας του οργάνου. Πιο εύκολα επιτυγχάνεται μεγαλύτερη ακρίβεια σε μικρών διαστάσεων δομές.
Ραδιοτηλεσκόπια που προορίζονται για την περιοχή των mm σπάνια έχουν διαστάσεις μερικών μέτρων ενώ αυτά που παρατηρούν την τάξη των cm υπερβαίνουν τα 100 m.
Η δύναμη της βαρύτητας στο παρελθόν αντιμετωπιζόταν με την άκαμπτη κατασκευή του οργάνου καθιστώντας το δυσκίνητο και πολύ δαπανηρό. Σήμερα ακολουθείτε μία πιο αποτελεσματική μέθοδο η αποδοχή κάποιου βαθμού παραμόρφωσης.
Ενώ η διατομή και το βάρος κάθε τμήματος του ανακλαστήρα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να παραμορφώνεται πάντα προς ένα νέο παραβολοειδές με ελαφρώς διαφορετική εστία, αρκεί η μετατόπιση του δευτερεύοντος ανακλαστήρα στη νέα εστία για να διατηρηθεί η απόδοση του οργάνου.
Καταγραφή εκπομπών ευρέως φάσματος
Το ραδιοτηλεσκόπιο χρησιμοποιείται στην καταγραφή εκπομπών ευρέως φάσματος. Όπως και φασματογραφικών παρατηρήσεων, λόγω των γραμμών εκπομπής και απορρόφησης που προέρχεται από μόρια και άτομα. Καταγράφοντας ταυτόχρονα ένα σημαντικό μέρος του φάσματος με τη διαίρεση του σήματος, σε χιλιάδες διαύλους συχνοτήτων που μπορούν να καλύπτουν δεκάδες ή εκατοντάδες MHz.
Ο απλούστερος τύπος φασματοσκοπίου ραδιοκυμάτων περιλαμβάνει συστοιχίες φίλτρων που συντονίζονται σε μεμονωμένες συχνότητες και κατευθύνουν τα σήματα σε ανιχνευτές.
Εναλλακτικά το σήμα μπορεί να εγγραφεί απευθείας ως ευρέως φάσματος, να μετατραπεί σε ψηφιακή μορφή και να υποστεί επεξεργασία. Με τη βοήθεια των μαθηματικών όπως με τον μετασχηματισμό Fourier.
Για να επιτευχθεί ικανοποιητική ανάλυση από μία ασθενή πυγή στην Γη πολλές φορές χρειάζεται να αθροίζεται το σήμα πολλές ώρες ώστε να επιτευχθεί ικανοποιητικός διαχωρισμός από το θόρυβο υπόβαθρου.
Ακόμα και τα ισχυρότερα και πιο σύγχρονα ραδιοτηλεσκόπια στα βραχύτερα μήκη κύματος επιτυγχάνουν ανάλυση ελάχιστα ανώτερη του ενός λεπτού του τόξου συγκρίσιμη με αυτή του γυμνού οφθαλμού στο ορατό φως.
Μεγάλες διαστάσεις καλύτερη απόδοση
Για να μπορούν τα ραδιοτηλεσκόπια να πετυχαίνουν καλύτερη απόδοση, διαρκώς μεγεθύνονται σε διαστάσεις.
Αν και υπάρχουν πολλά ραδιοτηλεσκόπια τεραστίων διαστάσεων ένα από αυτά είναι του Arecibo 300 m διάμετρο επιβάλλεται ακόμα μεγαλύτερα.
Μία λύση είναι η μέθοδος της συμβολομετρίας που επιτρέπει το συνδυασμό πολλών μεμονωμένων ραδιοτηλεσκοπίων τα οποία λειτουργούν συντονισμένα ως ενιαίο όργανο διαμέτρου πολλών.
Το σήμα από μία δυσδιάκριτη πηγή φτάνει στα μεμονωμένα ραδιοτηλεσκόπια. Άλλοτε σύμφωνο και άλλοτε με διάφορα φάσης. Λόγω της κίνησης της γης ως προς την πηγή. Έτσι προάγεται το φαινόμενο της συμβολής όπως και στην οπτική συμβολομετρία.
Στις μέρες μας υπάρχουν πολλές τέτοιες διατάξεις που καταλαμβάνουν επιφάνειες εκατοντάδων χιλιομέτρων. Συντονίζονται με τη βοήθεια οπτικών ινών, οι ζεύξεις μικροκυμάτων με ακρίβεια εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου έχοντας τη δυνατότητα να αποτυπώνουν μία υψηλής ανάλυσης απεικόνιση του ουρανού.
Λίγες ώρες εγγράφων σε μία μαγνητοταινία μπορεί να περιλαμβάνει μέχρι και ένα τρισεκατομμύριο bit. Που ισοδυναμεί με μία μεσαίου μεγέθους βιβλιοθήκη.
Για να μπορέσουν να επιτύχουν καλύτερα αποτελέσματα γίνονται προσπάθειες να εγκατασταθούν διαστημικά ραδιοτηλεσκόπια που θα επιτύχουν πολύ καλύτερα αποτελέσματα ξεπερνώντας τους περιορισμούς της ατμόσφαιρας. Φαίνεται όμως να αντιμετωπίζουν σημαντικά προβλήματα καθώς ραδιοτηλεσκόπια έφεραν τα διαστημόπλοια Voyager 1 και 2 που εκτοξεύτηκαν το 1977 με αποστολή να μελετήσουν τους αέριους γίγαντες του ηλιακού συστήματος τον Κρόνο και τον Δία.
Το διαστημόπλοιο Wind κατέγραψε τις εκπομπές στην περιοχή 1 – 13 MHz επιτρέποντας τη μελέτη της μαγνητόσφαιρας της Γης του κρουστικού κύματος του ηλιακού ανέμου στον πλανήτη μας και του μεσοπλανητικού χώρου.
Τα σκάφη αυτά δεν έφεραν ανακλαστήρες αλλά απλές διπολικές κεραίες με μήκος στην πρώτη περίπτωση 10 m ενώ στην πιο πρόσφατη 100 m.
Το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο στον κόσμο
Το Square Kilometer Array (SKA) είναι ένα νέο ραδιοτηλεσκόπιο, το οποίο βρίσκεται σήμερα στη φάση μελέτης σχεδιασμού. Θα έχει ευαισθησία 100 φορές μεγαλύτερη από τα πιο ευαίσθητα ραδιοτηλεσκόπια της σημερινής γενιάς και ικανότητα ανίχνευσης του ουρανού μέχρι και 1 εκατομμύριο φορές ταχύτερα.
Μια συστοιχία από δεκάδες ραδιοτηλεσκόπια τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο σε μια έκταση ίση με 200 γήπεδα ποδοσφαίρου.
Σε αυτό θα είναι συνδεδεμένοι περίπου 100 σταθμοί παρατήρησης. Από αυτούς οι 25 θα βρίσκονται συγκεντρωμένοι σε έναν πυρήνα διαμέτρου 5 χιλιομέτρων, άλλοι 25 σε ένα μεγαλύτερο κύκλο 50 χιλιομέτρων και οι υπόλοιποι 50 σε μια μεγάλη περιοχή ακτίνας 3.000 χιλιομέτρων.
Το ραδιοτηλεσκόπιο θα επιτρέψει στους επιστήμονες να εντοπίσουν και να μελετήσουν δισεκατομμύρια γαλαξίες αλλά και να ελέγξουν την ακρίβεια των θεωριών του Αϊνστάιν.
Προβλέπεται να βρίσκεται εν μέρει στη Νότια Αφρική και εν μέρει στην Αυστραλία. Την όλη προσπάθεια οργανώνει και συντονίζει μια επιτροπή η οποία αποτελείται από έξι επιστήμονες από την Ευρώπη έξι από τις ΗΠΑ και έξι από τον υπόλοιπο κόσμο. Σύμφωνα με ένα χρονοδιάγραμμα που δημοσιεύτηκε, θα αρχίσει να πραγματοποιεί τις πρώτες επιστημονικές του μετρήσεις το 2024.
Σχετικά Άρθρα
Ατομικό ρολόι καισίου : Πώς λειτουργούν τα ατομικά ρολόγια
Στροφορμή : Πώς λειτουργεί το γυροσκόπιο;
