Very Large Array

[TenMon]

 

Uvod





Od 1976. godine u Sjedinjenim Američkim Državama, u državi Novi Meksiko, počela je sa radom naučna stanica za astronomska posmatranja. Dvadeset sedam antena prečnika od 25 metara leže na postoljima i šinama u obliku velikog slova Y.




Impresivno, zar ne? Kao iz nekog SF filma. Ne kažem slučajno, jer se u nekoliko čuvenih filmova i pojavljuje ovo gigantsko jato antena: Druga odiseja: 2010, Kontakt, Oni dolaze, Dan nezavisnosti. Zbog čega? Kao što dobro znamo, ovo je mesto gde se "čitaju" radio-poruke iz svemira. Ukoliko vanzemaljci raspolažu komunikativnim sistemima koji se baziraju na radio frekvenciji, možda nešto i uspemo da "čujemo".


Radio interferometrija

Antene mogu da se pomeraju duž šina, i tako menjaju ukupnu konfiguraciju, pa najveća udaljenost između dve antene može dostići 36 kilometara (konfiguracija A), a najmanja 600 metara (konfiguracija D). Postoje i druge mogućnosti, kao što su B (10 km), C (3.6 km) i još neke "hibridne" kombinacije, pa tako istraživač prilikom slanja predloga za korišćenje VLA bira koja mu najviše odgovara. Rezolucija koja može da se dobije je jednostavno:

L / D

Ovde je L talasna dužina zračenja koje dolazi iz svemira, a D maksimalna udaljenost između antena. U astronomiji se ova udaljenost (kao i druge udaljenosti između dve antene) naziva baseline vector (vektor bazne linije). Možda se pitate zašto vektor i zašto uopšte praviti ovoliko antena na jednom mestu?

Rezolucija koju vidite gore sadrži D kao rastojanje između antena. Ako je ono 36 kilometara, to je kao da koristimo jednu antenu prečnika 36 kilometara! Očigledno, rezolucija postaje izvanredna, i teži onoj koju imamo u optičkoj astronomiji (a koju u ranom periodu radio astronomije nije bilo moguće dobiti). Tako na primer A konfiguracija (36 km) i frekvencija 43 GHz (maksimalna na VLA) daju rezoluciju od 0.04 arc sec.

Naučnici koji koriste ovakve instrumente definišu koordinatni sistem koji čini X, Y, Z sličan ekvatorskim koordinatama (Z u pravcu sev.nebeskog pola, X u pravcu H=0 i Dec=0, Y u pravcu H=-6 h Dec=0), ali takođe i u, v, w (merene u talasnim dužinama) koji su vezani za površinu antena. Tako na primer, kada je antena uperena ka nekom nebeskom telu, taj pravac je kolinearan sa w, dok su u i v usmereni ka istoku i severu (negde na nebeskoj sferi), respektivno. Vektor bazne linije B=(u,v,w) gotovo nikad ne leži u toj ravni, tj. ravan površine Zemlje i uv ravan se u opštem slučaju (kada antene nisu usmerene ka zenitu) ne poklapaju. Komponenta w, merena u jedinicama talasne dužine, u suštini predstavlja razliku koju elektromagnetno zračenje prevali do antene A u odnosu na antenu B, C, itd. Ako je s vektor koji od antene vodi ka nekoj tački u polju posmatranog (netačkastog) objekta, B mereno u talasnim dužinama, imamo

B s = uv + lm + wn

Ako je s(0) vektor u pravcu centra objekta, onda

B s(0) = w


(Slika prikazuje VLBI, gde se koriste atomski časovnici jer antene nisu povezane zbog ogromnih udaljenosti pa se signal snima i kasnije koreliše, ali crtež osim časovnika odgovara šemi u VLA)

Podrazumevamo da se zračenje prostire kao talasni front, što je opravdano s obzirom na udaljenosti odakle dolazi. Znači, ako je "ekstra" put do antene B celobrojni umnožak talasne dužine, imamo maksimum:

B sin(t) = n L

Pošto se Zemlja obrće rotacija antena koje su fiksirane na površini podrazumeva postepeni prolazak kroz maksimume i minimume, određen ugaonom brzinom Zemlje. Radio prijemnici beleže snagu, tj. signal koji potiče od napona. Dobija se ovako nešto



pri čemu maksimum odgovara maksimumu sjaja nebeskog tela. U tom smislu ovo "distance" znači rastojanje na ravni koja je tangentna ravan na nebeskoj sferi. U toj ravni se pojavljuje treći set koordinata koje koriste radio astronomi: l, m, n. Funkcija koja određuje ovo "talasanje" signala je naziva fringe pattern.



Mape

Crtanje radio mape je, kao što je i nekada davno bilo crtanje mape Zemlje, veoma složen proces. U kontrolnim prostorijama VLA, gde se nalazi nekoliko monitora, vidi se sve samo ne posmatrani objekat! Signal stiže u vidu brojeva, kao matriks koji ume da čita samo iskusno oko. Pošto kretanjem Zemlje prolazimo kroz frindže ("šiške" mi zvuči još gluplje) podešavanjem specijalnog vremenskog zaostatka (time delay) na anteni u kojoj "prednjače" EM talasi one mogu da se "ugase". Tada stupaju na scenu složeni kompleksni korelatori (complex correlators) koji već u svom apstraktnom nazivu govore da se meri jedna apstraktna veličina pod nazivom "vidljivost" (visibility, V). (Čuvajte se da ne bude lost in translation između "visibility" i "seeing", koji je u vezi sa atmosferskim efektima!) Ovu funkciju prvi je definisao još genijalni eksperimentator Majkelson, ali se moderna verzija pojavila negde 50ih i 60ih godina.

Vidljivost je funkcija oblika

V = r(c) - i r(s) = |V|cos(f) + i |V|sin(f) = exp (i f)

gde je r(c) kosinusni, a r(s) sinusni deo signala (response) u jedinicama W. Ceo izraz za kompleksnu vidljivost je relativno komplikovan pa ću ga preskočiti, a najvažnija stvar u celoj priči je

kompleksna vidljivost V(u,v) (complex visibility) < --> Furijeov transform <--> fluks zračenja I(l,m) (spectral power density, brightness)

oba u jedinicama W/m^2/Hz ili Jy (janski). (Eliminisane su koordinate w i n kako bi se dobio 2D Furijeov transf.)

Drugim rečima, radio interferometri mere kompleksnu vidljivost čiji Furijeov transform u specijalnim hardverskim uređajima ili digitalnim računarima daje traženi fluks zračenja. Konačno, fluks se može izraziti kako u obliku spektra tako i u obliku mape, često u boji da se istaknu razlika u intenzitetu. Evo primera (spiralna galaksija NGC 3718 na 1.49 GHz, VLA):





Nastaviće se...

[stameni]

Zanimljivo

Na žalost, još uvek sam umoran posle Letnje škole (uuu, bilo je izvanredno!), ali -- što kažu u onom crtanom filmu -- "izgleda da je dobro napisano"

Lepo od tebe što si tekst posvetio forumu: da sam ja ovo napisao, valjda bi ga okačili na AM... Ali, kada "stvar" kompletiraš...?

[Marcony]

36km???
Jesi li siguran?

Pitam posto mi deluje bas mnogo 

[Sasa]

Pa naravno da je za kačenje u AM

[TenMon]

36km???
Jesi li siguran?

Pitam posto mi deluje bas mnogo  

Da, 36 km. Vidi na primer: http://www.nrao.edu/archives/Timeline/VLA-D_lo.shtml

Hm, što se "kompletiranja" tiče, ovih dana nemam mnogo vremena...   Ako želite da kačite na AM, onda ću još malo doterati.. izbalansirati tekst da bude konstantne jasnoće..

[Predrag]

Odlično je!
Upravu si da možda treba još:

izbalansirati tekst da bude konstantne jasnoće..

Mada i ne mora.
Još ako ima i nastavka...

[TenMon]

Hvala, biće nastavak. Ustvari, odlučio sam ovako: da napišem jedan relativno ozbiljan poduži tekst o radio interferometriji sa VLA kao primerom. I to bi onda moglo na AM, ako se slažete?

[Ljubo]

Može, naravno. Imaš blagoslov nas forumaša.

[TenMon]

OK, s obzirom da sam u frci (iako se uglavnom bavim upravo ovom temom) trebaće mi vremena. Dajem sebi rok do Nove godine da bude kompletirano.  Ali dodavaću u nastavcima. Ovo gore nije prvi deo, nego reklama.

[Predrag]

Naravno da se slažemo. Ajde čekamo...

[Yagodinac]

Odličan tekst i odlična tema. Nemamo svi vremena da pročitamo gomilu knjiga o radio astronomiji a ne bi bilo loše to pročitati onako skraćeno. Kao tvoj članak, konkretno.
I ono što je interesantno, u Srbiji se niko ne bavi radio astronomijom a na zapadu neki radio amateri su se odavno prekvalifikovali u astronome  . Čita sam ponešto o tome i ne deluje da je neki bauk napraviti - pod uslovom da si već radio-amater. Ljudi uzmu tanjir od 1m (satelitska) i šibaju...

[TenMon]

Pa da. Inženjeri su bili prvi radio astronomi.  Kod nas se ne bave iz prostog razloga što nemamo para da napravimo radio teleskop. Možemo naravno nešto da sklopimo ali u ovom trenutku ništa konkurentno. Bez nekoliko stotina hiljada eura teško je napraviti moderan teleskop ove vrste. Da ne govorimo o interferometrima. Ako se neko doseti prečice, neka se javi.

[Danijel]

...u Srbiji se niko ne bavi radio astronomijom ...

Eh, zaboravio si Neleta, bez njega nikada ne bih mogao napraviti ovako zanimljiv članak ;-)

Ima ga i tu na Astronomskom Magazinu isto, neda mi se sada tražiti... Mislim da je premalo takvih tekstova i svaki članak u tom pravcu je za pohvalu, pomoći će da se radio astronomija malo više popularizira među ljudima!

[TenMon]

Jupiter na radio talasima izgleda kao gušter viđen očima predatora u tom članku. 

[Danijel]

Pa kad onaj koji ga je snimao nikada nije čuo za Photoshop