Наблюдение за ночным небом может показаться пассивным занятием. Но это не так. Мы постоянно подвергаемся воздействию невидимых сигналов — радиоволн, излучаемых звёздами, галактиками и объектами, которые слишком холодны или далеки, чтобы испускать видимый свет. Но их трудно поймать. Одна спутниковая антенна — это как попытка разглядеть знак в миле от вас, закрыв один глаз. Вы получаете размытое представление о том, что там находится, но упускаете детали. Чтобы решить эту проблему, астрономы разработали приём, который превращает множество независимых антенн в суперлинз размером с Землю.
Это радиоинтерферометр.
Хотя это звучит как сложный технический термин, концепция удивительно проста. Используйте две или более отдельных антенны. Направьте их на одну и ту же цель в космосе. Затем подключите их к одному приёмнику. Комбинируя сигналы, можно достичь разрешения, невозможного для одной антенны. Антенны не обязательно должны находиться рядом друг с другом. Они могут быть разбросаны по полям, континентам и даже находиться на орбите. Японский спутник VSOP, в сочетании с наземными телескопами, создаёт базис (расстояние между самыми удалёнными точками массива) до 33 000 километров. Это ближе к Луне, чем когда-либо бывали большинство людей.
Почему размер имеет значение в радиoaстрономии
Принцип работы радиоинтерферометра такой же, как у оптических интерферометров, используемых в оптической астрономии. Но есть одна проблема. Радиоволны намного длиннее световых волн. Радиоволны могут быть размером с автобус. Световые волны меньше песчинки. Поскольку длина волны значительно больше, инструмент необходимо масштабировать, чтобы соответствовать.
Здесь начинается интересная физика. Когда радиоволны от далёкой звезды достигают Земли, они не попадают во все антенны в один и тот же наносекундный момент. Волна сначала попадает в ближайшую антенну. Чтобы достичь следующей, ей требуется время, чтобы пройти через землю. Эта разница во времени создаёт фазовый сдвиг. Если просто сложить исходные сигналы, они могут погасить друг друга или создать шум.
Поэтому инженеры используют механизм переменной задержки. По сути, это высокоскоростной таймер, который задерживает сигнал от более близкой антенны, ожидая, пока радиоволна достигнет более далёкой антенны. Как только они «синхронизируются», система позволяет им интерферировать. Это тот же эффект интерференционной картины, который наблюдается при бросании двух камней в пруд. Волны пересекаются, образуя области высокого уровня (усиление) и плоские поверхности (подавление).
В некоторых конфигурациях антенны фиксированы. Вращение Земли изменяет их расстояние относительно источника сигнала, что приводит к попеременному усилению и подавлению сигнала. В других случаях антенны можно физически перемещать, чтобы изменить расстояние между ними. Расстояние, необходимое для интерференции, зависит от длины волны и диаметра источника. Если вы знаете длину волны и измеряете интерференционную картину, вы можете вычислить физический размер объекта, испускающего волны. Это способ измерить неизмеримое.
Король равнин: VLA
Если вы хотите узнать, как выглядят самые мощные радиоинтерферометры
