Разрешение рукавов галактики Млечный Путь с помощью любительского радиотелескопа RT-RTL

Сквозь пыль Галактики пройдет,

По Доплеру все рукава найдет.

Так кто же может столько дел?

Антенна вместе с RTL! 

 За достижениями микроэлектроники не успеваешь следить. Еще пять лет назад, разрабатывая любительский радиотелескоп - интерферометр RTI-1 (http://www.astronomy.ru/forum/index.php/topic,88024.0.html http://www.radio-sky.ru/forums/index.php?showtopic=14&st=0) на базе модулей приемников спутникового телевидения, удивлялся их компактности и полной готовности к использованию в домашних условиях без всяких настроек. Необходимо было только все собрать «до кучи» и написать софт для обработки и отображения принятых сигналов. Но, уже тогда на рынке были вседиапазонные приемники в виде флешек, так называемые донглы. Их продавали как приемники для HDTV. Цена в районе 20 у.е. Особо приятно, что у них оказалась уникальная способность работать с известными программами анализаторами спектра - HDSDR и SDRSharp. Но, что еще больше меня поразило, так это полоса обзора в 3Мгц и диапазон 50-2000Мгц. И все это за смешные деньги! Для сравнения другие приемники с полосой обзора в 3Мгц с гораздо меньшим диапазоном, использующие ту же SDR технологию стоили от 300 у.е. 

 Так вот, такой донгл + антенна и антенный усилитель, дали мне возможность заглянуть сквозь пыль нашей Галактики. А эффект Доплера позволил разглядеть каждый рукав в отдельности и сделать расчеты по объему, скорости и направлении движения нейтрального водорода HI в этих рукавах. С оптическим телескопом, такое просто недостижимо. 

 Таким образом, появился на свет очередной любительский радиотелескоп – RT-RTL. 

 Он состоит всего из четырех частей: 

  1. Донг Realtek RTL2832U & Elonics E4000-Based USB DVB-T Receiver. 
  2. МШУ на 1420Мгц , шум 0.2 дБ. 
  3. Антенна, сетчатая парабола диаметром 3.7м. 
  4. Программа спектр-анализатор для SDR радио, поддерживающая донгл. 

 Радиоисточником для «первого света» RT-RTL был выбран нейтральный водород (HI), ближайшие плотные облака которого находятся в нашей Галактике. Задача была не просто увидеть радиоизлучение HI на частоте 1420Мгц, но и получить профиль этого излучения в наблюдаемой точке Млечного пути. Для первого наблюдения было выбрано созвездие Лебедя, район Денеба. Ниже, на Рис 1, белым кружком выделена площадка, на которую была направлена антенна. На Рис 2, виден профиль радиоизлучения нейтрального водорода, полученный из программы HDSDR. На Рис 3, тот же профиль полученный программой SDRSharp. 

Рис 1. Направление главного лепестка луча антенны 

Рис 2. Профиль излучения нейтрального водорода в программе HDSDR

Рис 3. Профиль излучения нейтрального водорода в программе SDRSharp 

 На спектрах видны три основные частоты, каждая из которых соответствует своей лучевой скорости и своему спиральному рукаву Галактики. 

 Так же, из трех частот, видна только одна частота, максимально близкая к лини излучения НI - 1420,405Мгц. Т.е. лучевая скорость скопления газа в этой области близка к 0, и мы наблюдаем наш родной рукав Ориона, в котором находится наша Солнечная система. 

 Теперь попробуем разобраться, почему мы наблюдаем именно такие профили, в линии HI, а не сплошной спектр, к которому мы привыкли у Солнца, радиогалактик и сверхновых. 

 Водород в космическом пространстве находится в ионизированном HII или нейтральном состоянии HI. Ионизированный водород HII, излучает сплошным спектром. Это вид излучения может быть тепловым или синхротронным, но в любом случае он излучает сплошным спектром. В нейтральном или атомарном состоянии атом водород может излучить квант энергии во время сверхтонкого расщепления свой структуры. Это происходит потому, что у атома водорода оказываются возможными две ориентации: спин ядра параллелен или антипараллелен полному моменту электрона. Это соответствует двум энергетическим уровням, и переход между ними дает излучение с длиной волны 21 см (1421 Мгц), т. е. в радио области. Радиоизлучение нейтрального водорода HI, отличается от радиоизлучения областей Н II тем, что оно сосредоточено в линии. 

 Радио линия HI излучает как радиостанция, в определенном узком интервале длин волн, на частоте 1420,405 Мгц. 

 Ниже приведен рисунок из Википедии, показывающий процесс смены спина электрона с излучением кванта энергии. 

Рис 4. Схема процесса смены спина электрона с излучением кванта энергии 

 Кстати цитата из той же Вики: " Такой самопроизвольный переход в каждом отдельном атоме происходит крайне редко — в среднем один раз за 11 миллионов лет. Однако в масштабах галактик мощность излучения нейтрального водорода становится заметной (например, мощность излучения всего нейтрального водорода нашей Галактики в десятки раз больше светимости Солнца), что делает это излучение крайне важным для радиоастрономии". 

 Итак, с механизмом радиоизлучения в линии HI мы разобрались. Теперь попробуем понять, почему наблюдается не один, а несколько максимумов в районе 1420,405 Мгц и, что полезного нам может это дать. 

 Наша Галактика является спиральной. Вследствие ее дифференциального вращения, т.е. разных угловых скоростей точек расположенных на разных расстояниях от ее центра, рукава имеют вид закрученный спиралей. Эффект диф. вращения связан с тем, что Галактика не является сплошным твердым телом, а наполнена газом, звездами взвешенными в гравитационном поле и доселе не известными нам “темной материей” и “темной энергией”. Все эти элементы во взаимодействии и дают нам диф. вращение. Отсюда напрашивается вывод, что все точки расположенные на разных расстояниях от центра нашей Галактики имеют относительно друг друга тоже разные угловые скорости, причем согласно закона о диф. вращении, чем дальше расстояние точки от центра Галактики, тем меньше ее угловая скорость. Мы это можем наблюдать, как закручивание Галактики в спираль. 

 Ниже, изображение нашей Галактики, полученное путем синтеза радиооптических данных. На нем четко видны рукава и место Солнечной системы в рукаве Ориона. 

Рис 5. Изображение нашей Галактики, полученное путем синтеза радиооптических данных 

 На основе этого изображения схематично изобразим спиральные рукава, т.к в них больше всего водорода излучающего в линии HI. 

Рис 6. Схематичное изображение спиральных рукавов нашей Галактики 

 С помощью полученной схемы расположения спиральных рукавов, покажем почему возникает эффект Доплера при наблюдении радиолинии водорода. Направление луча нашей антенны (красная линия) пересекает сразу три рукава галактики, в точках 0,1 и 2. В этих точках, зелеными стрелками по касательной к рукавам, показаны векторы угловых скоростей в каждой из трех точек V0, Vперс и Vлеб. Эти точки принадлежат разным рукавам галактики и расположены на разных расстояниях от ее центра, поэтому в следствии диф. вращения угловые скорости этих точек разные. Но, нас интересуют, только те скорости, которые лежат на луче нашей антенны, т.е. проекции угловых скоростей - V0, V1и V2, показаны черным пунктиром. Получается, что излучающий водород, находится на луче антенны в трех разных областях, скорости которых разные по отношению к направлению антенны. В результате возникает эффект Доплера, который можно оценить по формуле: 

df = f0 v /c, 

df – смещение частоты, 

f0 – частота линии водорода HI (1420 МГц), 

v – лучевая скорость относительно наблюдателя, 

c – скорость света. 

 Из этой же формулы можно поучить лучевые скорости для явно выраженных спектральных составляющих линии HI полученных на радиотелескопе RT-RTL. 

 Практическая ценность изучения радиолинии водорода HI заключается в следующем. Кратко, из Физической энциклопедии: ” Интенсивность радиолинии водорода 21 см содержит непосредственно информацию о числе атомов нейтрального водорода на луче, а частота и профиль линии позволяют определить по эффекту Доплера лучевые скорости водорода. В соответствии с моделью дифференциального вращения Галактики эти данные дают возможность определить расстояние до излучающих объектов, т. е. найти распределение нейтрального водорода. Исследования радиолинии водорода 21 см позволили установить, что нейтральный водород в Галактике в основном заключён в очень тонком (220 пк!) и ровном слое около её плоскости. Лишь на периферии на расстояниях, превышающих 10-12 кпк от центра Галактики, слой водорода размывается до 1000 пк по толщине и отклоняется от галактической плоскости. Внутри рукавов нейтральный водород распределён неравномерно. В них выделяются вытянутые вдоль плоскости Галактики комплексы облаков с характерными размерами 200X50 пк. 

 Излучение радиолинии водорода 21 см наблюдалось также от большого числа других галактик, что позволило установить отношение массы нейтрального водорода к общей массе галактики в зависимости от её типа. Доля нейтрального водорода увеличивается при переходе от галактик типа Sа к неправильным, достигая для последних десятков процентов. Минимальное количество нейтрального водорода найдено у эллиптических галактик; для подавляющего большинства из них доля нейтрального водорода по массе составляет ~0,1%. Для ряда ближайших галактик по радиолинии водорода 21 см получены распределения нейтрального водорода в них и кривые вращения. Ценные данные получены также по красному смещению радиолинии водорода 21 см. Линия зарегистрирована более чем от 100 галактик, изменение частоты линии соответствует удалению галактик с различными скоростями (до ~104 км/с) при хорошей корреляции с красным смещением оптических линий. Линия водорода, обнаруженная в спектре удалённого внегалактического источника - квазара ЗС 286, оказалась смещённой с частоты 1420,4 МГц до 839,4 Мгц, что соответствует красному смещению г = 0,692. Полученные данные существенно способствовали развитию теории расширения Вселенной. 

 Обнаруженная в межзвёздной среде и ставшая эффективным средством исследования космического пространства радиолинии водорода 21 см нашла также важное земное применение. На её основе разработаны т. н. активные квантовые стандарты частоты”. 

 В связи с простотой изготовления RT-RTL, его может изготовить любой любитель радиоастрономии. Для этого нужно: 

1. Купить донгл, например здесь http://www.ebay.com/itm/Realtek-RTL2832U-Elonics-E4000-Based-USB-DVB-T-Receiver-Ships-From-USA-FAST-/150808426646?ssPageName=ADME:L:OC:US:3160 

2. Скачать и установить ПО, HDSDR или SDRSharp, http://www.hdsdr.de/ , http://sdrsharp.com/ 

3. Подобрать антенну в зависимости от конкретных задач и частоты наблюдения радиоисточников. 

 Более детально об антеннах, задачах и частотах наблюдений можно прочесть на http://www.radio-sky.ru/ 

 В заключение рассказа, привожу фото донгла и любительского радиотелескопа RT-RTL. 

Рис 7. Dongle Realtek RTL2832U & Elonics E4000-Based USB DVB-T Receiver 

Рис 8. Аппаратно-программная часть любительского радиотелескопа RT-RTL 

Рис 9. Антенная система любительского радиотелескопа RT-RTL.



SMF 2.0.4 | SMF © 2011, Simple Machines
SMFAds for Free Forums
TinyPortal © 2005-2012

Вернуться назад