Radiotelescopen

Een radiotelescoop is een gespecialiseerde antenne en radio-ontvanger die gebruikt wordt om radiogolven van astronomische radiobronnen aan de hemel te detecteren.Radiotelescopen zijn het belangrijkste observatie-instrument in de radioastronomie, die het radiofrequente deel van het elektromagnetische spectrum bestudeert, net zoals optische telescopen gebruikt worden om waarnemingen te doen in het zichtbare deel van het spectrum in de traditionele optische astronomie. In tegenstelling tot optische telescopen kunnen radiotelescopen zowel overdag als 's nachts gebruikt worden.

TERUG

Radiogolven uit de ruimte werden voor het eerst gedetecteerd door ingenieur Karl Guthe Jansky in 1932 bij Bell Telephone Laboratories in Holmdel, New Jersey, met behulp van een antenne die gebouwd was om ruis van radio-ontvangers te bestuderen. De eerste speciaal gebouwde radiotelescoop was een parabolische schotel van 9 meter, gebouwd door radioamateur Grote Reber in zijn achtertuin in Wheaton, Illinois in 1937. Het hemelonderzoek dat hij uitvoerde wordt vaak beschouwd als het begin van de radioastronomie ...

Omschrijving

Omdat astronomische radiobronnen zoals planeten, sterren, nevels en sterrenstelsels zich op grote afstand bevinden, zijn de radiogolven die ervan uitgaan extreem zwak. Daarom hebben radiotelescopen zeer grote antennes nodig om voldoende radio-energie op te vangen voor onderzoek, en uiterst gevoelige ontvangstapparatuur.

Radiotelescopen zijn doorgaans grote parabolische ("schotel") antennes, vergelijkbaar met die welke worden gebruikt voor het volgen van en communiceren met satellieten en ruimtevaartuigen. Ze kunnen afzonderlijk worden gebruikt of elektronisch met elkaar worden verbonden in een array. Radio-observatoria worden bij voorkeur ver van grote bevolkingscentra geplaatst om elektromagnetische interferentie (EMI) van radio, televisie, radar, motorvoertuigen en andere door de mens gemaakte elektronische apparaten te vermijden.

Vroege radiotelescopen

De eerste radioantenne die werd gebruikt om een astronomische radiobron te identificeren, werd in 1932 gebouwd door Karl Guthe Jansky (foto), een ingenieur bij Bell Telephone Laboratories. Jansky kreeg de opdracht om bronnen van statische ruis te identificeren die de radiotelefonie konden verstoren. Jansky's antenne was een opstelling van dipolen en reflectoren, ontworpen om kortegolf radiosignalen te ontvangen op een frequentie van 20,5 MHz (golflengte ongeveer 14,6 meter). De antenne was gemonteerd op een draaiplateau waardoor hij in elke richting kon roteren, wat hem de bijnaam "Jansky's draaimolen" opleverde. Hij had een diameter van ongeveer 30 meter en was 6 meter hoog. Door de antenne te draaien, kon de richting van de ontvangen storende radiobron (statische ruis) nauwkeurig worden bepaald. In een klein schuurtje naast de antenne bevond zich een analoog registratiesysteem met pen en papier. Na enkele maanden signalen uit alle richtingen te hebben geregistreerd, categoriseerde Jansky ze uiteindelijk in drie soorten ruis: onweersbuien in de buurt, onweersbuien in de verte en een zwak, constant gesis boven de schotruis, waarvan de oorsprong onbekend was. Jansky stelde uiteindelijk vast dat het "zwakke gesis" zich herhaalde met een cyclus van 23 uur en 56 minuten.

Vroege radiotelescopen

Deze periode is de lengte van een astronomische siderische dag, de tijd die een "vast" object op de hemelbol nodig heeft om terug te keren naar dezelfde positie aan de hemel. Jansky vermoedde daarom dat het gesis van buiten het zonnestelsel afkomstig was. Door zijn waarnemingen te vergelijken met optische astronomische kaarten, concludeerde Jansky dat de straling afkomstig was van de Melkweg en het sterkst was in de richting van het centrum van het sterrenstelsel, in het sterrenbeeld Boogschutter.

Grote Reber, een amateurradio-operator, was een van de pioniers van wat later bekend zou worden als radioastronomie. Hij bouwde in 1937 de eerste parabolische radiotelescoop met een diameter van 9 meter in zijn achtertuin in Wheaton, Illinois. Hij herhaalde Jansky's baanbrekende werk door de Melkweg te identificeren als de eerste radiobron buiten de aarde, en hij voerde vervolgens de eerste hemelmeting uit op zeer hoge radiofrequenties, waarbij hij andere radiobronnen ontdekte. De snelle ontwikkeling van radar tijdens de Tweede Wereldoorlog leverde technologie op die na de oorlog werd toegepast in de radioastronomie. Radioastronomie werd zo een tak van de astronomie, waarbij universiteiten en onderzoeksinstellingen grote radiotelescopen bouwden.

Types

Het frequentiebereik van het elektromagnetische spectrum, waaruit het radiospectrum bestaat, is zeer groot. Daardoor variëren de typen antennes die als radiotelescoop worden gebruikt sterk in ontwerp, grootte en configuratie. Bij golflengten van 30 meter tot 3 meter (10–100 MHz) zijn het over het algemeen ofwel directionele antenne-arrays, vergelijkbaar met "tv-antennes", ofwel grote stationaire reflectoren met beweegbare brandpunten. Omdat de golflengten die met dit type antennes worden waargenomen zo lang zijn, kunnen de "reflector"-oppervlakken worden gemaakt van grof gaas, zoals kippengaas. Bij kortere golflengten domineren parabolische schotelantennes. De hoekresolutie van een schotelantenne wordt bepaald door de verhouding tussen de diameter van de schotel en de golflengte van de waargenomen radiogolven. Dit bepaalt de grootte van de schotel die een radiotelescoop nodig heeft voor een bruikbare resolutie. Radiotelescopen die werken bij golflengten van 3 meter tot 30 cm (100 MHz tot 1 GHz) hebben meestal een diameter van ruim 100 meter. Telescopen die werken op golflengten korter dan 30 cm (boven 1 GHz) variëren in grootte van 3 tot 90 meter in diameter.

Frequenties

Het toenemende gebruik van radiofrequenties voor communicatie maakt astronomische waarnemingen steeds moeilijker (zie Open spectrum). Onderhandelingen om de frequentietoewijzing te verdedigen voor de delen van het spectrum die het meest geschikt zijn voor het waarnemen van het heelal, worden gecoördineerd in het Wetenschappelijk Comité voor Frequentietoewijzingen voor Radioastronomie en Ruimtevaartwetenschap. Enkele van de meest opvallende frequentiebanden die door radiotelescopen worden gebruikt, zijn :

- Elke frequentie in de National Radio Quiet Zone van de VS
- Kanaal 37: 608 tot 614 MHz
- De "waterstoflijn", ook bekend als de "21 centimeterlijn": 1420,40575177 MHz, gebruikt door vele radiotelescopen, waaronder The Big Ear bij de ontdekking van het Wow!-signaal
- 1406 MHz en 430 MHz
- The Waterhole: 1420 tot 1666 MHz
- Het Arecibo Observatorium had verschillende ontvangers die samen het hele bereik van 1–10 GHz bestreken.

De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe bracht de kosmische microgolfachtergrondstraling in kaart in 5 verschillende frequentiebanden, gecentreerd op 23 GHz, 33 GHz, 41 GHz, 61 GHz en 94 GHz.

Grote schotels

De grootste radiotelescoop ter wereld met een volledig gevulde opening (d.w.z. een schotelantenne) is de Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope (FAST), die in 2016 door China werd voltooid. De schotel met een diameter van 500 meter en een oppervlakte zo groot als 30 voetbalvelden is ingebouwd in een natuurlijke karstdepressie in het landschap van de provincie Guizhou en kan niet worden verplaatst; de voedingsantenne bevindt zich in een cabine die aan kabels boven de schotel hangt. De actieve schotel bestaat uit 4450 beweegbare panelen die door een computer worden bestuurd. Door de vorm van de schotel te veranderen en de voedingscabine aan de kabels te verplaatsen, kan de telescoop worden gericht op elk gebied aan de hemel tot 40° van het zenit. Hoewel de schotel een diameter van 500 meter heeft, wordt slechts een cirkelvormig gebied van 300 meter op de schotel op een gegeven moment door de voedingsantenne verlicht, waardoor de werkelijke effectieve opening 300 meter bedraagt. De bouw begon in 2007 en werd voltooid in juli 2016 en de telescoop werd operationeel op 25 september 2016.

Grote schotels

De Arecibo-radiotelescoop in Arecibo, Puerto Rico, was de op één na grootste telescoop met een volledig gevulde opening ter wereld, maar stortte op 1 december 2020 catastrofaal in. Arecibo was een van de weinige radiotelescopen ter wereld die ook in staat was tot actieve (d.w.z. zendende) radarbeeldvorming van objecten in de buurt van de aarde (zie: radarastronomie); de meeste andere telescopen maken gebruik van passieve detectie, d.w.z. alleen ontvangst. Arecibo was, net als FAST, een stationaire schoteltelescoop. De schotel van Arecibo, met een diameter van 305 meter, was ingebouwd in een natuurlijke depressie in het landschap. De antenne kon binnen een hoek van ongeveer 20° ten opzichte van het zenit worden gericht door de hangende voedingsantenne te bewegen, waardoor een gedeelte van de schotel met een diameter van 270 meter kon worden gebruikt voor elke individuele waarneming.

De grootste individuele radiotelescoop ter wereld is de RATAN-600, gelegen nabij Nizhny Arkhyz in Rusland. Deze bestaat uit een cirkel van rechthoekige radioreflectoren met een diameter van 576 meter, die elk gericht kunnen worden op een centrale kegelvormige ontvanger.

Grote schotels

De bovengenoemde stationaire schotels zijn niet volledig "stuurbaar"; ze kunnen alleen gericht worden op punten in een gebied van de hemel nabij het zenit en kunnen geen signalen ontvangen van bronnen nabij de horizon. De grootste volledig stuurbare schotelradiotelescoop is de 100 meter grote Green Bank Telescope in West Virginia, Verenigde Staten, gebouwd in 2000. De grootste volledig stuurbare radiotelescoop in Europa is de Effelsberg 100-meter radiotelescoop nabij Bonn, Duitsland, beheerd door het Max Planck Instituut voor Radioastronomie, die ook 30 jaar lang de grootste volledig stuurbare telescoop ter wereld was, totdat de Green Bank-antenne werd gebouwd. De op twee na grootste volledig stuurbare radiotelescoop is de 76 meter grote Lovell Telescope in het Jodrell Bank Observatory in Cheshire, Engeland, voltooid in 1957. De op vier na grootste volledig stuurbare radiotelescopen zijn zes 70-meter schotels: drie Russische RT-70's en drie in het NASA Deep Space Network. De geplande Qitai-radiotelescoop, met een diameter van 110 meter, zal naar verwachting 's werelds grootste volledig beweegbare radiotelescoop met één schotelantenne worden wanneer deze in 2028 voltooid is. Een meer gangbare radiotelescoop heeft een enkele antenne met een diameter van ongeveer 25 meter. Tientallen radiotelescopen van deze omvang zijn in gebruik bij radio-observatoria over de hele wereld.

Radiointerferometrie

Een van de meest opmerkelijke ontwikkelingen vond plaats in 1946 met de introductie van de techniek die astronomische interferometrie wordt genoemd. Dit houdt in dat de signalen van meerdere antennes worden gecombineerd, zodat ze een grotere antenne simuleren, om zo een hogere resolutie te bereiken. Astronomische radio-interferometers bestaan meestal uit arrays van parabolische schotels, arrays van eendimensionale antennes of tweedimensionale arrays van omnidirectionele dipolen. Alle telescopen in de array staan ver uit elkaar en zijn meestal met elkaar verbonden via coaxkabel, golfgeleider, glasvezel of een ander type transmissielijn. Recente verbeteringen in de stabiliteit van elektronische oscillatoren maken het nu ook mogelijk om interferometrie uit te voeren door de signalen van de verschillende antennes onafhankelijk van elkaar te registreren en deze registraties vervolgens te correleren in een centrale verwerkingsfaciliteit. Dit proces staat bekend als Very Long Baseline Interferometry (VLBI). Interferometrie vergroot weliswaar het totale opgevangen signaal, maar het primaire doel ervan is om de resolutie aanzienlijk te verhogen door middel van een proces dat apertuursynthese wordt genoemd. Deze techniek werkt door de signaalgolven van de verschillende telescopen te superponeren (interfereren) volgens het principe dat golven met dezelfde fase elkaar versterken, terwijl twee golven met tegengestelde fasen elkaar opheffen. Dit creëert een gecombineerde telescoop die qua resolutie gelijkwaardig is aan een enkele antenne waarvan de diameter gelijk is aan de afstand tussen de antennes die het verst van elkaar verwijderd zijn in de opstelling.

Radiointerferometrie

Een beeld van hoge kwaliteit vereist een groot aantal verschillende afstanden tussen telescopen. De geprojecteerde afstand tussen twee telescopen, gezien vanaf de radiobron, wordt een basislijn genoemd. De Very Large Array (VLA) bij Socorro, New Mexico, heeft bijvoorbeeld 27 telescopen met 351 onafhankelijke basislijnen tegelijk, waarmee een resolutie van 0,2 boogseconden wordt bereikt bij golflengten van 3 cm. De groep van Martin Ryle in Cambridge ontving een Nobelprijs voor interferometrie en apertuursynthese. De Lloyd-spiegelinterferometer werd in 1946 ook onafhankelijk ontwikkeld door de groep van Joseph Pawsey aan de Universiteit van Sydney. Begin jaren vijftig bracht de Cambridge Interferometer de radiohemel in kaart om de beroemde 2C- en 3C-onderzoeken naar radiobronnen te produceren. Een voorbeeld van een grote, fysiek verbonden radiotelescooparray is de Giant Metrewave Radio Telescope (foto), gelegen in Pune, India. De grootste array, de Low-Frequency Array (LOFAR), die in 2012 werd voltooid, bevindt zich in West-Europa en bestaat uit ongeveer 81.000 kleine antennes in 48 stations, verspreid over een gebied met een diameter van enkele honderden kilometers. De array werkt op golflengten tussen 1,25 en 30 meter. VLBI-systemen die gebruikmaken van nabewerking na de waarneming zijn gebouwd met antennes die duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn. Radio-interferometers zijn ook gebruikt om gedetailleerde beelden te verkrijgen van de anisotropieën en de polarisatie van de kosmische microgolf-achtergrondstraling, zoals de CBI-interferometer in 2004.

Radio astronomie

Radioastronomie is een deelgebied van de astronomie dat hemellichamen bestudeert met behulp van radiogolven. Het begon in 1933, toen Karl Jansky van Bell Telephone Laboratories melding maakte van straling afkomstig van de Melkweg. Latere waarnemingen hebben een aantal verschillende bronnen van radio-emissie geïdentificeerd. Deze omvatten sterren en sterrenstelsels, maar ook geheel nieuwe objectklassen, zoals radiogalaxieën, quasars, pulsars en masers. De ontdekking van de kosmische microgolfachtergrondstraling, die wordt beschouwd als bewijs voor de oerknaltheorie, werd gedaan door middel van radioastronomie.

Radioastronomie wordt uitgevoerd met behulp van grote radioantennes, radiotelescopen genaamd, die afzonderlijk of in combinatie met meerdere gekoppelde telescopen worden gebruikt met behulp van technieken zoals radio-interferometrie en apertuursynthese. Het gebruik van interferometrie maakt een hoge hoekresolutie mogelijk in de radioastronomie, omdat het oplossend vermogen van een interferometer wordt bepaald door de afstand tussen de componenten, en niet door de grootte ervan.

Technieken

Radioastronomen gebruiken verschillende technieken om objecten in het radiospectrum te observeren. Instrumenten kunnen eenvoudigweg op een energierijke radiobron worden gericht om de emissie ervan te analyseren. Om een gebied aan de hemel gedetailleerder in beeld te brengen, kunnen meerdere overlappende scans worden opgenomen en samengevoegd tot een mozaïekbeeld. Het type instrument dat wordt gebruikt, hangt af van de sterkte van het signaal en de hoeveelheid detail die nodig is.

Waarnemingen vanaf het aardoppervlak zijn beperkt tot golflengten die door de atmosfeer kunnen dringen. Bij lage frequenties of lange golflengten wordt de transmissie beperkt door de ionosfeer, die golven met frequenties lager dan de karakteristieke plasmafrequentie reflecteert. Tot nu toe zijn radio-observaties gedaan bij frequenties zo laag als 15 MHz. Waterdamp verstoort radioastronomie bij hogere frequenties, wat heeft geleid tot de bouw van radio-observatoria die waarnemingen uitvoeren op millimetergolflengten op zeer hoge en droge locaties om de hoeveelheid waterdamp in de zichtlijn te minimaliseren. Ten slotte kunnen zendapparatuur op aarde radiofrequentie-interferentie veroorzaken. Daarom worden veel radio-observatoria op afgelegen locaties gebouwd.

Doelgebieden

Radioastronomie heeft geleid tot een aanzienlijke toename van de astronomische kennis, met name door de ontdekking van verschillende nieuwe objectklassen, waaronder pulsars, quasars en radiogalaxieën. Dit komt doordat radioastronomie ons in staat stelt dingen te zien die niet waarneembaar zijn in de optische astronomie. Zulke objecten vertegenwoordigen enkele van de meest extreme en energierijke fysische processen in het universum.

De kosmische microgolfachtergrondstraling werd ook voor het eerst gedetecteerd met behulp van radiotelescopen. Radio-telescopen zijn echter ook gebruikt om objecten veel dichter bij huis te onderzoeken, waaronder waarnemingen van de zon en zonneactiviteit, en radarkartering van de planeten.

Andere bronnen zijn onder andere : Zon, Jupiter, galactisch centrum, pulsars, botsende sterrenstelsels, supernova restaten (foto), achtergrondstraling, enz ...