Компьютерра - Журнал Компьютерра №725

Управление пространственным положением центрального луча диаграммы направленности антенной решетки осуществляется путем введения предварительно рассчитанных фазовых сдвигов (задержек) в сигнальные линии элементов решетки - вибраторов. В результате суммирования сигналов с разными фазами возникает ситуация, при которой на выход поступает с наибольшей амплитудой сигнал, пришедший с направления главного лепестка сформированной диаграммы направленности. Сигналы, приходящие с других направлений, в большей или меньшей степени ослабляются. Надо сказать, что любая антенная решетка всегда имеет кроме главного еще и так называемые боковые лепестки диаграммы направленности, вдоль векторов которых антенна принимает приходящие сигналы и которые в данном случае являются помеховыми. Борьба с боковыми лепестками - задача чрезвычайно сложная и далеко не тривиальная.

Практически наведение телескопа - отработанная и вполне рутинная процедура. Наблюдателю-астрофизику, разумеется, известны небесные координаты того объекта, который он собирается отнаблюдать в отведенное ему по графику время. По этим координатам персональный компьютер в обсерватории вычисляет управляющие слова-сигналы, которые в коде Грея выдаются в блоки коммутации линий задержек. Совокупность задержек (матрица сдвигов фаз), как я уже говорил, определяет текущее положение в пространстве центрального "луча" диаграммы. Наблюдательный эксперимент часто планируется таким образом, чтобы дискретная перестройка диаграммы направленности сочеталась с непрерывным сканированием луча за счет вращения Земли.

Что происходит, когда объект наблюдения пойман? Как происходит процесс наблюдения?

ЭВРИКА!..

Многолетние, многочисленные и всесторонние исследования антенных решеток (АР) долгое время не давали возможности удовлетворить всем противоречивым требованиям, предъявляемым к ним. Необходимое решение было получено Боэрлингером (Boerlinger). Он предложил размещать элементы АР на многозаходной спирали, координаты элементов которой описываются следующими простыми соотношениями:

радиус-вектор n-го элемента

rn = d√N/π,

где d - параметр, примерно равный среднему расстоянию между соседними элементами, полярный угол n -го элемента

θn = 2πτn,

где τ = (1√5)/2 - так называемое "золотое сечение".

- Процесс наблюдения на радиотелескопе - это, как правило, запись приходящего сигнала. Своего рода, "заготовка сырья". В первые годы эксплуатации телескопа сигнал принимался одновременно на несколько десятков приемников, настройка которых охватывала определенный участок рабочего спектра частот (диапазон УТР-2 составляет 8–35 МГц); детектированный сигнал в виде отсчетов на графиках сохранялся для последующей обработки на ЭВМ в вычислительном центре. Сегодня все значительно упростилось - прогресс цифровой техники!

Цифровые регистраторы и применяемые сегодня цифровые сигнальные процессоры (DSP) обладают таким быстродействием, которое позволяет в реальном времени анализировать сигнал в полосе до 100 МГц при числе эквивалентных каналов до 105. Временное и частотное разрешение при этом - менее 1 мкс и 1 кГц соответственно. А объем информации, который позволяют в реальном времени записать имеющиеся сегодня накопители, таков, что, в принципе, можно писать прямо исходный широкополосный сигнал (так называемая технология прямой регистрации - WFR), а уже потом, без всяких проблем, в офлайне, подвергать его всем необходимым видам цифровой обработки - фильтрации, вычислению спектральной структуры, корреляций и т. п.

Важной характеристикой телескопа, конечно, является разрешающая способность. Какие объекты Вселенной можно рассматривать при помощи УТР-2?

- Давайте определимся с термином "рассматривать". Звезды, пульсары и другие звездоподобные объекты при наблюдении в любой инструмент выглядят точками. Их поверхность или диск увидеть невозможно, однако принять и зафиксировать их излучение в радиодиапазоне наблюдения УТР, разумеется, может. И здесь удается обнаруживать и регистрировать большое число довольно экзотических явлений: например, импульсное, а в некоторых случаях - континуальное декаметровое излучение пульсаров, в том числе отдельные импульсы (вплоть до так называемых гигантских импульсов), обусловленные не до конца еще понятыми процессами во внешней магнитосфере пульсаров.

Удалось, в частности, обнаружить новые источники излучения, ненаблюдаемые на высоких частотах из-за больших значений их спектральных индексов.

Совсем другое дело - большие, протяженные объекты: галактики, остатки взрывов сверхновых звезд, галактические гало, облака межзвездной пыли и ионизированного газа… Здесь в ряде случаев можно строить так называемые карты интенсивности - своего рода "изображение" объекта в радиодиапазоне электромагнитных волн.

Кстати говоря, огромное количество объектов, которыми активно интересуются сегодня астрофизики, не требуют сверхвысоких параметров углового разрешения радиотелескопа. Что это за объекты? Например, ближайшая к нам звезда - наше Солнце. Наблюдение Солнца в радиодиапазоне позволило обнаружить неизвестные ранее тонкие частотно-временные структуры и виды спорадического радиоизлучения: так называемые всплески II, III и IV типов, дрейфующие пары, спайки, S-, V-, J-всплески, дающие новую информацию о солнечной короне и процессах в ней. Очень много интересного удалось узнать, наблюдая радиоизлучение Юпитера…

Построение карты нетеплового фонового радиоизлучения нашей Галактики в диапазоне 10–25 МГц с наивысшей для декаметрового диапазона чувствительностью и разрешающей способностью позволило прояснить динамику эволюции галактических структур, в том числе впервые "увидеть" гигантскую внешнюю структуру соседней галактики (туманность Андромеды) и нескольких далеких скоплений галактик - так называемое гало, абсолютно недоступное другим видам наблюдений, кроме низкочастотных радиоастрономических.

Интереснейшее явление, которое было обнаружено и активно исследуется при помощи УТР-2, - низкочастотные радиорекомбинационные линии (РРЛ) поглощения атомов углерода в межзвездной среде. Зафиксировано существование в глубоком космосе атомов углерода в рекордно высоких состояниях, вплоть до значений главных квантовых чисел порядка 1000 (что соответствует Боровскому диаметру атома порядка 0,1 мм!).

Если бы наблюдатель находился в облаке с таким веществом, он бы смог с легкостью различить отдельные атомы, как различаем мы толщину страниц в книге или журнале (также примерно 0,1 мм). На возникающий вопрос о максимальном количестве уровней в атоме углерода теоретические работы дают верхнюю оценку для главного квантового числа (номера орбиты) порядка 1600 (физический размер ~ 0.3 мм).