Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών. Κοσμάς Γαζέας

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Κοσμάς Γαζέας

2 Παρατηρήσεις από τη Γη και από το διάστημα

3 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η ραδιοφωνική ακτινοβολία του Γαλαξία (στα 20.5 MHz) ανακαλύφθηκε τυχαία από τον Karl Guthe Jansky το 1931, καθώς δούλευε σαν μηχανικός στην εταιρεία Bell Telephone Laboratories. Ο Grote Reber έφτιαξε το πρώτο ραδιοτηλεσκόπιο το 1937 για να ανιχνεύσει την αμυδρή ραδιο-ακτινοβολία. Το 1938 ο Grote Reber χαρτογράφησε το Γαλαξία στα 160 MHz. Ο Karl Jansky και η κεραία του (1931) Το ραδιοτηλεσκόπιο του Grote Reber (1937)

4 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η ραδιοφωνική ακτινοβολία του Γαλαξία (στα 20.5 MHz) ανακαλύφθηκε τυχαία από τον Karl Guthe Jansky το 1931, καθώς δούλευε σαν μηχανικός στην εταιρεία Bell Telephone Laboratories. Ο Grote Reber έφτιαξε το πρώτο ραδιοτηλεσκόπιο το 1937 για να ανιχνεύσει την αμυδρή ραδιο-ακτινοβολία. Το 1938 ο Grote Reber χαρτογράφησε το Γαλαξία στα 160 MHz. Αντίγραφο της κεραίας του Karl Jansky Το ραδιοτηλεσκόπιο του Grote Reber (1937)

5

6 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η αστρονομική κοινότητα δεν έδειξε ενδιαφέρον στις πρώτες ανακαλύψεις των ραδιοφωνικών εκπομπών του σύμπαντος. Πολύ αμυδρό σήμα Πολύ χαμηλή διακριτική ικανότητα (ραδιοτηλεσκόπιο 30 m που παρατηρεί στα 21 cm έχει διακριτική ικανότητα 0.5 deg) Η πραγματική επανάσταση στη ραδιοαστρονομία ξεκίνησε μετά τη λήξη του 2 ου Παγκοσμίου Πολέμου. Πολύς ελεύθερος χρόνος για μελέτες Αρκετή συσσωρευμένη γνώση από το παρελθόν Διαθέσιμα εγκαταλελειμμένα ραδιοτηλεσκόπια Η σημαντική ιδιότητα των ραδιοφωνικών κυμάτων είναι ότι μπορούν να ταξιδέψουν στο σύμπαν με ελάχιστη απορρόφηση από τη μεσοαστρική ύλη, τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και της νύχτας.

7 Κεφάλαιο 2 Η συλλεκτική ικανότητα των ραδιοτηλεσκοπίων Η αρχή των ραδιοτηλεσκοπίων βασίζεται στην ανακλαστική ιδιότητα των ραδιοφωνικών κυμάτων. Τα ραδιοτηλεσκόπια είναι απλοί ανακλαστήρες. Η παραβολική επιφάνειά τους βοηθά στη συλλογή των αμυδρών σημάτων σε μικρή επιφάνεια (εστία). Η μονάδα μέτρησης της ραδιοφωνικής εκπομπής είναι το Jansky 1 Jy = W m 2 Hz Η διάμετρος των ραδιοτηλεσκοπίων είναι πολύ μεγάλη. Το πολύ αμυδρό σήμα χρειάζεται ενίσχυση Η πολύ χαμηλή διακριτική ικανότητα επιβάλει μεγάλη διάμετρο (2000 φορές μεγαλύτερη από τα οπτικά τηλεσκόπια)

8 Κεφάλαιο 2 Γενικά για τα ραδιοτηλεσκόπια Η επιστήμη της ραδιοαστρονομίας ασχολείται με τις ακτινοβολίες που έχουν μήκος κύματος από 1 mm έως μερικές δεκάδες μέτρα. Τα ραδιοτηλεσκόπια αποτελούνται από την κεραία, τον ενισχυτή και το σύστημα καταγραφής. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία των ραδιοκυμάτων μετατρέπεται σε ηλεκτρική και καταγράφεται ψηφιακά.

9 Κεφάλαιο 3 Κατηγορίες ραδιοτηλεσκοπίων 1) Απλής ανάκλασης (κύριας εστίας) Αξονικά Μη αξονικά 2) Διπλής ανάκλασης Cassegrain (αξονικά ή μη αξονικά) Gregorian (αξονικά ή μη αξονικά)

10 Parkes Observatory (Australia), 64 m

11

12 Ιδιάζουσες περιπτώσεις LOFAR (Germany) LOFAR (Netherlands)

13 Ιδιάζουσες περιπτώσεις Κυλινδρικά κάτοπτρα VHF (Norway)

14 Ιδιάζουσες περιπτώσεις Κεραία χοάνης, Holmdel Horn (NJ, USA) Greenbank, NRAO (WV, USA), 42 m

15 VLA (USA)

16

17 ALMA (Chile) Allen Telescope Array (USA) μη αξονικό, Gregorian Greenbank, NRAO (WV, USA), 100 m

18 Greenbank, NRAO (WV, USA), 100 m

19 Effelsberg (100 m) (Germany)

20 Arecibo (305 m) (Puerto Rico) 305 m

21 Arecibo (305 m) (Puerto Rico)

22 D

23

24

25

26

27

28 D

29 VLA (NM, USA) 27 ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 25 m

30 Κεφάλαιο 4 Ραδιοσυμβολομετρία H τεχνική προτάθηκε, κατασκευάστηκε και τελειοποιήθηκε από τον Sir Martin Ryle (βραβείο Nobel Φυσικής 1974) στο Cambridge, UK. Σήμερα ραδιοτηλεσκόπια σε όλον τον κόσμο συνδυάζονται με την τεχνική της ραδιοσυμβολομετρίας, επιτυγχάνοντας εξαιρετικά μεγάλη διακριτική ικανότητα. VLA (NM, USA) 27 ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 25 m

31 VLA (NM, USA) 27 ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 25 m

32 Ραδιοσυμβολομετρία Στο VLA (Very Large Array) η απόσταση των ραδιοτηλεσκοπίων αυξάνεται μέχρι και 21 km. Αυτό δίνει μια διακριτική ικανότητα 0.1 arcsec. To VLBΙ (Very Large Baseline Interferometer) συνδυάζει ραδιοτηλεσκόπια σε όλον τον κόσμο σε απόσταση 8000 km, επιτυγχάνοντας διακριτική ικανότητα της τάξης του 10-3 arcsec ή ακόμη και μερικών 10-6 arcsec. ΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟ Επίγεια μικρά οπτικά τηλεσκόπια (0.12 m) Επίγεια μεγάλα οπτικά τηλεσκόπια (Keck: 10 m) Διαστημικά οπτικά τηλεσκόπια (Hubble: 2.4 m) Ενιαία μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια (30 m) Μικρά ραδιοσυμβολόμετρα (~ 10 km) Μεγάλα ραδιοσυμβολόμετρα (~ 1000 km) Πολύ μεγάλα ραδιοσυμβολόμετρα (~ km) ΔΙΑΚΡΙΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ 1 arcsec θεωρητικά 0.01 arcsec (πρακτικά 0.1 arcsec) 0.05 arcsec (diffraction limited 21 1 cm 1444 arcsec 69 arcsec 4 arcsec 0.2 arcsec 0.04 arcsec arcsec (2 mas) arcsec arcsec (200 μas)

33 Κεφάλαιο 5 Σύγκριση οπτικών τηλεσκοπίων και ραδιοτηλεσκοπίων ΟΜΟΙΟΤΗΤΕΣ Τα ραδιοτηλεσκόπια και τα κατοπτρικά οπτικά τηλεσκόπια βασίζονται στην ανακλαστική ιδιότητα της ακτινοβολίας. Η παραβολική επιφάνεια βοηθά στη συλλογή των αμυδρών σημάτων σε μικρή επιφάνεια (εστία). ΔΙΑΦΟΡΕΣ Τα ραδιοτηλεσκόπια έχουν πολύ χαμηλότερη διακριτική ικανότητα από τα οπτικά τηλεσκόπια ίδιας διαμέτρου. Η διάμετρος των ραδιοτηλεσκοπίων είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των οπτικών τηλεσκοπίων. Τα ραδιοτηλεσκόπια είναι πολύ πιο εύκολα να κατασκευαστούν και δεν απαιτούν ιδιαίτερη λείανση της ανακλαστικής επιφάνειας. Μπορούν να παρατηρούν τόσο κατά τη διάρκεια της ημέρας όσο και της νύχτας, ανεξαρτήτως καιρού.

34 Κεφάλαιο 7 Χαρακτηριστικά ραδιοτηλεσκοπίων 1) Κατηγορία 2) Διάμετρος 3) Εστιακή απόσταση Απλής ή διπλής ανάκλασης, αξονικό ή μη D [m] F [m] 4) Εστιακός λόγος f = F D 5) Διακριτική ικανότητα 6) Μεγέθυνση 7) Στήριξη λ ω = D θ1 tan( ) 2 θ1 M = θ2 tan( ) θ2 2 (συνήθως αλταζιμουθιακά) [arcsec]

35 Κεφάλαιο 8 Μόνιμη εγκατάσταση οπτικών τηλεσκοπίων επιθυμητές τιμές τυπικές τιμές 1) Καιρικές συνθήκες (διαύγεια) 2) Υγρασία 3) Υψόμετρο 4) Ατμοσφαιρική διαταραχή (seeing) 5) Φωτορρύπανση 6) Θερμοκρασιακές μεταβολές 7) Άνεμοι μεγάλη μικρή μεγάλο μικρή μικρή μικρή μικρή νύχτες το χρόνο < 30% > 2000 m < 1 arcsec απόλυτα σκοτεινό < 1 C/hour < km/h Στην εγκατάσταση των ραδιοτηλεσκοπίων δεν υπάρχουν κλιματικοί περιορισμοί! 8) Παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, καυσίμων, νερού 9) Εύκολη πρόσβαση (δρόμος)

36 Τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια του 20 ου αι. Green Bank (100 m) (USA) Effelsberg (100 m) (Germany) Lovell (Jodrell Bank) (76 m) (UK)

37 Τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια του 20 ου αι. Arecibo (305 m) (Puerto Rico)

38 Τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια του 20 ου αι. RATAN-600 (576 m) (Russia)

39 Τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια του 20 ου αι. RATAN-600 (576 m) (Russia)

40 Τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια του 20 ου αι. RATAN-600 (576 m) (Russia)

41 Το υπό μελέτη ραδιοτηλεσκόπιο FAST, διαμέτρου 500 m (China)

42 Συγκριτικά μεγέθη ραδιοτηλεσκοπίων

43 Τεχνολογία ραδιοτηλεσκοπίων SKA (Australia, New Zeeland, South Africa)

44 Τεχνολογία ραδιοτηλεσκοπίων Τα 66 υπό κατασκευή ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 12 m του προγράμματος ALMA

45 Τα 66 υπό κατασκευή ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 12 m του προγράμματος ALMA

46 SKA (Australia, New Zeeland, South Africa) VLA (NM, USA) 27 ραδιοτηλεσκόπια διαμέτρου 25 m

47 Κεφάλαιο 8 Πολύ μικρά ραδιοφωνικά μήκη κύματος Η λείανση των κατόπτρων πρέπει να είναι καλή (γενικός κανόνας: λ/20) VIS/IR [nm] mm [μm] Radio [cm] Η επιφάνεια του ραδιοτηλεσκοπίου Greenbank, διαμέτρου 100 m

48 ARO, 12 m (AZ, USA) ALMA, 12 m (Chile) JCMT, 15 m (HI, USA) IRAM, 30 m (Spain)

49 Κεφάλαιο 9 Τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ραδιοαστρονομίας 1) Ανακάλυψη των pulsars 2) Ανακάλυψη των masers 3) Red shift doppler effect (velocities) 4) Μελέτη σπειροειδούς δομή Γαλαξία 5) Ακτινοβολία σύγχροτρον 6) Μελέτη περιοχών μοριακού υδρογόνου 7) Κοσμική ακτινοβολία μικροκυμάτων

50 Κεφάλαιο 10 Σύγκριση παρατηρήσεων σε ραδιοφωνικά και οπτικά μήκη κύματος Antennae galaxies M31 galaxy

51 Σύγκριση παρατηρήσεων σε ραδιοφωνικά και υπέρυθρα μήκη κύματος

52

53

54 ΓΕΝΙΚΗ ΑΣΤΡΟΝΟΜΙΑ Ι Ύλη του μαθήματος "Το Σύμπαν που αγάπησα-εισαγωγή στην Αστροφυσική" Μ. Δανέζη και Ε. Θεοδοσίου, Εκδόσεις Δίαυλος Ραδιοτηλεσκόπια Οι παραπάνω διαφάνειες αναπτύσσονται στο παραπάνω βιβλίο στις σελίδες