Radioteleskop: Frågor och svar

Radioteleskop är fantastiskt viktiga för vår förståelse av universum. Men hur tusan funkar de egentligen? Här kommer en fråga i taget, jag har några stycken på lager...

Fråga 1)
Parabolens storlek relaterar väl både till vilken våglängd som radioteleskopet är känsligast för, och hur svaga signalstyrka det kan uppfatta. Men parabolen är ju bara dum struktur som reflekterar radiovågorna till en mycket mindre mottagare vilket är där astronomerna verkligen mäter radioenergin.

Så vad händer med vågorna mellan reflektorn och mottagaren nära fokus? Minskar parabolen radiovåglängden? Arecibos (sfäriska) betongreflektor är ca 300 meter i diameter. Dess mottagare upphängd i fokus ser ut att vara bara några hundradelar så stor. Spelar det ingen roll för datakvaliten och känsligheten för olika våglängder hur liten själva radiomottagaren i (nära) fokus är?

Den sortens strålning man försöker fånga upp tar väl i princip ingen "plats" i rummet, varför en sensor kan göras mycket liten. Lite som att fiberoptiska kablar kan rymma enorma mängder ljussignaler som far kors och tvärs utan att de "krockar" med varandra.

Varför bygger de i så fall så stora reflektorer?

Antagligen för att reflektorns yta avgör hur mycket strålning man kan "fånga in" - lite som ett segel.

Ja, som sagt, det parabolen gör i är att fånga upp så mycket strålning som möjligt och fokusera den på den lilla detektorn i mitten, så att man får en så stark signal som möjligt. Parabolen påverkar inte våglängden och som vi skrev i din andra tråd har våglängden inte något att göra med hur "stor" vågen är rent fysiskt så därför kan själva detektorn vara liten. Vidare så nej, parabolens storlek avgör inte direkt vilka våglängder man är känslig för, eftersom allt den gör är att fokusera radiovågorna genom reflektion, något som inte alls involverar vilken våglängd. Indirekt spelar parabolen så klart en roll för vilka våglängder man kan studera beroende på vilken signalstyrka man kan nå, dess materiella egenskaper etc.

Radioantennen sitter i fokus på parabolen och är en kvartsvågsantenn, vilket bara är en liten ledande pinne med längden av 0.25 våglängder. Växelspänningen som alstras i den förstärks på plats av en lågbrusförstärkare, dessa kan vara nedkylda för att minska bruset ytterligare. Det är första förstärkarstegen som är de mest kritiska, får man in en massa radiobrus redan där kommer det att ytterligare förstärkas i de följande stegen längre fram.


Grejen med själva parabolen är

• Radiovågor som kommer in rakt framifrån reflekteras inne i parabolen och in till kvartvågsantennen vid fokus.
  
• Radiovågornas väg in till fokus är lika lång oavsett var i parabolen de reflekteras, detta är viktigt för annars kommer vågor med olika gånglängd att hamna ur fas och i värsta fall ta ut varandra.
  
• Själva parabolen funkar för ett brett frekvensspektrum men öppningsvinkeln blir smalare ju högre frekvensen är och ju större parabol du har. Däremot är kvartsvågsantennen som är placerad i fokus känsligast inom ett visst frekvensområde(1/4 våglängd).

Jämför med förstorningsglas när man bränner myror. Större förstorningsglas leder till mer myrbränninskapacitet!

Okej, våglängder mäts i meter och antenners storlekar är avgörande, men det har ändå ingenting med rumslig utbredning att göra. Jag ska försöka svälja det. Jag tänkte mig annars att synligt ljus kan fokuseras till en liten punkt därför att dess vågländ är mindre än 1 micrometer, och att det vore svårare med meterstora radiovågor. Men men men.

Men radiovågorna har ju några decimetrar eller metrar längre färdväg från galaxen de är riktade mot till parabolens centrum, än till dess ytterkant. Hur går det ihop med interferometrar där det är avgörande att fånga samtidiga radiovågor?

Fråga 2) (andras frågor är förstås välkomna också)
Vilken betydelse har riktiningen på interferometrars baslinjer?

Interferometrar ökar upplösningen (men inte förstärkningen, intensiteten).
Om man har två radioteleskop längs samma longitud som bildar en interferometer, en norr och en söder om ekvatorn, så kan man få enorm upplösning av himlen varteftersom Jorden roterar. Men upplösningen blir hög bara i en riktning, eller hur? "Pixlarna" på en sån radiokarta skulle väl bestå av många tunna långa linjer parallella med ekvatorn. "Pixlarnas" tunnhet av de tusentals kilometrarna mellan teleskopen, deras längd av de enskilda teleskopens ynka tiotals meter diameter i vinkelrätt riktning.

En optimal radiointerferometer i rymden skulle väl bestå av två paraboler på maximalt avstånd från varandra i var sin ände av en bom eller kabel (eller t.o.m. omloppsbana runt Solen) som roterar runt sin mittpunkt. Då borde man få högsta upplösning i alla riktningar om man lägger ihop signalerna över tid. På Jorden skulle man kunna bygga bara den yttre ringen av en gigantisk parabol, parabolens centrum är mindre värdefull.

Men de stora jordbaserade interferometrarna består av teleskop placerade i andra mönster, en del utan uppenbar symmetri. Vad handlar det om?

Nja, skillnaden på längdsträckorna blir faktiskt otroligt liten, bara om radiokällan skulle befinna sig väldigt nära parabolen kan man få en viss differensskillnad mellan sträckan radiokälla/parabolmitten och radiokälla/parabolytterkant. Men det gäller förstås att parabolen pekar exakt mot radiokällan, vid minsta lilla felvinkel blir det både fasfel(olika gånglängd för vågorna) och fokuseringserror som minskar radiosignalens styrka vid fokus. Exakt hur känsligt det blir med parabolinställningen har ju med öppningsvinkeln att göra, med en liten öppningsvinkel blir det svårare att ställa in parabolen i rätt vinkel mot radiokällan.
Öppningsvinkel(grader) = ca 75*radiovåglängd(meter) / paraboldiameter(meter)


Man kan använda en rätvinklig triangel som den här för att räkna på skillnaden i gångväg.
https://go.evuma.com/content/assignment_gfx/1358341858.png

Formeln för triangeln säger att sidorna X^2 + Y^2 = Z^2.
X= avstånd mellan radiokälla och parabolens mitt
Y= avståndet mellan parabolens mitt och ytterkant
Z= avstånd mellan radiokälla och parabolens ytterkant



Skillnaden i gångväg mellan parabolmitt/radiokälla och parabolytterkant/radiokälla blir då
Differens = √( X^2 + Y^2 ) - X
Med Arecibos 300 metersparabol blir avståndet Y=150 meter vilket ger följande

Avstånd till radiokälla = 10 mil
Differens = 11 cm, det är ca halva våglängden av SETIs använda 21 centimetervåg och är värsta scenariot, vågorna släcker ut varandra fullständigt om de möts uppe vid fokus på parabolen.

Avstånd till radiokälla = 100 mil
Differens = 1.1 cm

Avstånd till radiokälla = 1000 mil
Differens = 1.1 mm

Avstånd till radiokälla = 10000 mil
Differens = min miniräknare visar 0 vilket brukar betyda "försumbart"