beamer

(1)

Motivacija in reˇsitev Naˇctovanje in umerjanje radoteleskopa Izraˇcun ˇsumne temperature sistema Opazovanje Vodikove ˇcrte

Radijski teleskop za vodikovo ˇ crto

Tadeja Saje

17. februar 2017

(2)

Kazalo

1 Motivacija in reˇsitev

Razlike med opticnim in radijskim opazovanjem Sevanje ˇ crnega telesa

Sevanje vodikove ˇ crte

2 Naˇ ctovanje in umerjanje radoteleskopa Blokovni naˇ crt radioteleskopa Zarilec ˇ

Pasovno sito

Nizkoˇsumni ojaˇ cevalnik

3 Izraˇ cun ˇsumne temperature sistema

4 Opazovanje Vodikove ˇ crte

(3)

Razlike med opticnim in radijskim opazovanjem Sevanje ˇcrnega telesa

Sevanje vodikove ˇcrte

Motivacija in reˇsitev

izdelava radioteleskopa s ceneno elektroniko

reˇsitev: radioteleskop s ˇsumno temperaturo sistema 60K

Iz meritev je razvidno, da ima Rimska cesta ˇstevilne krake

spiralne oblike.

(4)

Razlike med optiˇ cnim in radijskim opazovanjem

v vesolju imamo ovire, ki absorbirajo doloˇ cena

elektromagnetna valovanja. Medzvezdni prah duˇsi vidno svetlobo, ne absorbira pa radijskih valov

Mehanizmi sevanja nebesnih virov in lastnosti spektrov so zelo razliˇ cni

Razmerje signal/motnja je nizko. Koristen signal zvezde je skrit v ˇsumu.

prepustnost Zemljskega ozraˇ cja je za razliˇ cne valovne dolˇ zine

(5)

Slabljenje zemljskega ozraˇ cja

Slabljenje ionosfere?

λ 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 1cm 1dm 1m 10m f 3PHz 300T 30T 3THz 300G 30G 3GHz 300M 30M

0% 50 % 1 0 0%

MIKROVALOVI RADIO

V ID N O O K N O T O P L O T N O I R

94GHz 0.5dB/km

H₂O 1.55μm

MOLEKULARNA ABSORPCIJA

OZRAČJA:

O₂ H₂O CO₂ O₃

itd...

>1000dB/km SIPANJE

400GHz ITU RR 9kHz Zenitna prepustnost ozračja

O₂ 60GHz 14dB/km

H₂O 22GHz 0.2dB/km

vodikova črta

(6)

Sevanje ˇ crnega telesa

Vodikove ˇ crte ne dobimo s sevanjem toplotnega izvora ampak je spontano sevanje na podroˇ cju mikrovalov

B _f = dP

dfdAd Ω (1)

Antena vidi predmete na razliˇ cnih temperaturah.

P N = ∆fk B T A (2)

Planckov zakon sevanja ˇ crnega telesa.

2hf ³ 1

(7)

Obˇ cutljivost teleskopa

Obˇ cutljivost pove, kakˇsno najmanjˇso moˇ c signala je teleskop zmoˇ zen razpoznati.

Signal P _S , ki ga merimo, je nakljuˇ cen signal

da bi razpoznali naˇs koristen signal v ˇsumu, moramo povpreˇ citi moˇ c

Kako ˇsibek signal lahko zaznamo, je odvisno od pasovne ˇsirine in od ˇ casa integracije (povpreˇ cenja) oziroma ˇ casa opazovanja

∆T T = 1

√

B τ = ∆P

P (4)

T = 60K , naredimo N = 3600 meritev:najmanjˇsi signal, ki

lahko zaznamo, je 1 K

(8)

Sevanje vodikove ˇ crte

Zaznati ga je mogoˇ ce na valovni dolˇ zini 21 cm.

Ko vodikov atom preskoˇ ci v niˇ zje energetsko stanje, se izseva foton na valovni dolˇ zini 21 cm. V laboratoriju so izmerili frekvenco 1.420405751786GHz

Zgodi se le vsakih 11.1 milijonov v povpreˇ cnemu vodikovemu

atomu.

(9)

Blokovni naˇcrt radioteleskopa ˇZarilec

Pasovno sito Nizkoˇsumni ojaˇcevalnik

Blokovni naˇ crt radioteleskopa

d=3m

h

f LN

A

10 m kabla

izravnalno sito

MMIC ojačevalnik Gali 52

pasovno sito

MMIC ojačevalnik Gali 5

delilnik signala spektralni analizator dvb-t ključek

motorji

krmilna enota

zvezdar.py

f=1.23m h=0.48m

(10)

Paraboliˇ cno zrcalo z ˇ zarilcem in rotatorjem

(11)

Lastnosti paraboliˇ cnega zrcala

f d = 0.4

Loˇ cljivost pomeni, katero podrobnost ˇse lahko razloˇ cimo in odvisna od valovne dolˇ zine in premera antene

prostorska loˇ cljivost α = 1.22 _D ^λ =5 stopinj

premer D=3m

(12)

Zarilec brez ovratnika ˇ VE4MA

(13)

Zarilec z ovratnikom ˇ VE4MA

(14)

Meritev smernega diagrama v E in H ravnini pri 1420 MHz

Sirina -3dB: 76.6 Odklon: 2.8 Smernost: 6.8 = 8.34 dBi

Linearno radialno merilo za jakost (amplituda)

Sat Oct 01 14:35:36 2016 VE4MA ravnina E 1420MHz

Linearno radialno merilo za jakost (amplituda)

Sat Oct 01 15:41:38 2016

VE4MA ravnina H 1420MHz

(15)

Merjenje smernega diagrama

(16)

Resonatorsko sito za 21 cm

Al cev

SMA-F

M3x15 M3X15 M3x15

SMA-F

Cev Ms/Cu 2Φ 2x

0.5 Al 44

40

60 35

55

38 17 45 45 17 38

10 10 200

(17)

Resonatorsko sito za 21 cm

(18)

Merjenje votlinskih pasovnih sit

(19)

Nizkoˇsumni ojaˇ cevalnik

(20)

Antena usmerjena v gozd

(21)

Antena usmerjena v hladno nebo

(22)

Izraˇ cun ˇsumne temperature sistema

Nam omejuje kakˇsna je obˇ cutljivost teleskopa

Decibel (okrajava dB) je enota brez dimenzije, s katero izraˇ zamo razmerje med spremenljivo koliˇ cino in fiksno referenco: X _dB = 10log 10 X

X

0

10 log T 2

T ₁ = 7dB T ₂ = T ₁ × 10

¹⁰⁷

Iz T ₂ = T ₁ × 10

¹⁰⁷

izraˇ cunamo neznano temperaturo T _S1 .

T _S1 + T _gozd = 5 · (T _nebo + T _S1 ) T _gozd ≈ 290 K

(23)

Izraˇcunana ˇsumna temperatura sevanja vodikovih atomov kot funkcija hitrosti v smeri Deneba Spekter vodikove ˇcrte v galaktiˇcni ravnini

Opazovanje v prihodnosti

Meritev frekvenˇ cnega spektra v smeri zvezde Deneb

(24)

Izraˇ cunana ˇsumna temperatura sevanja vodikovih atomov kot funkcija hitrosti v smeri Deneba

10 20 30 40 50 60 70 80

temperatura [K]

gostota atomov je 6.5494589184e+21 atomov na cm-2

Deneb

(25)

Meritev frekvenˇ cnega spektra v smeri zvezde Sadr

(26)

Meritev frekvenˇ cnega spektra v smeri zvezde Etapuppis

(27)

Spekter vodikove ˇ crte v galaktiˇ cni ravnini

(28)

Razlaga kaj lahko vidimo iz naˇse zemljepisne ˇsirine

(29)

Kroˇ zenje snovi znotraj Galaskije

(a) Izraˇ cunana in izmerjena hitrost snovi znotraj Galaksije

(b) Podobnost med tekaˇ ci po

kroˇ znici in kroˇ zenjem snovi znotraj

galaksij

(30)

opazovanje v prihodnosti

opazovanje pulzatorjev

opazovanje maserjev: OH ˇ crte

opazovanje vodikove ˇ crte zunaj naˇse Galaksije

postavitev interferometra

(31)

Inteferometer

V Δt=?

Δr=dkoh

B

A C

LNA

BPF BPF

F F LNA

LPF

t UDC UDC

tA tB

tC

zahod zenit

vzhod

počasen opazovalec

d>>dkoh

d/2 d/2

r

r1 r2

u₂(t) u₁(t)

Δr=-dkoh

točkasti nebesni vir

f0 f0

Θ

beamer

Radijski teleskop za vodikovo ˇ crto

Tadeja Saje

17. februar 2017

Kazalo

1 Motivacija in reˇsitev

Razlike med opticnim in radijskim opazovanjem Sevanje ˇ crnega telesa

Sevanje vodikove ˇ crte

2 Naˇ ctovanje in umerjanje radoteleskopa Blokovni naˇ crt radioteleskopa Zarilec ˇ

Pasovno sito

Nizkoˇsumni ojaˇ cevalnik

3 Izraˇ cun ˇsumne temperature sistema

4 Opazovanje Vodikove ˇ crte

Motivacija in reˇsitev

izdelava radioteleskopa s ceneno elektroniko

reˇsitev: radioteleskop s ˇsumno temperaturo sistema 60K

Iz meritev je razvidno, da ima Rimska cesta ˇstevilne krake

spiralne oblike.

Razlike med optiˇ cnim in radijskim opazovanjem

v vesolju imamo ovire, ki absorbirajo doloˇ cena

elektromagnetna valovanja. Medzvezdni prah duˇsi vidno svetlobo, ne absorbira pa radijskih valov

Mehanizmi sevanja nebesnih virov in lastnosti spektrov so zelo razliˇ cni

Razmerje signal/motnja je nizko. Koristen signal zvezde je skrit v ˇsumu.

prepustnost Zemljskega ozraˇ cja je za razliˇ cne valovne dolˇ zine

Slabljenje zemljskega ozraˇ cja

λ 100nm 1μm 10μm 100μm 1mm 1cm 1dm 1m 10m f 3PHz 300T 30T 3THz 300G 30G 3GHz 300M 30M

0% 50 % 1 0 0%

MIKROVALOVI RADIO

V ID N O O K N O T O P L O T N O I R

400GHz ITU RR 9kHz Zenitna prepustnost ozračja

Sevanje ˇ crnega telesa

Vodikove ˇ crte ne dobimo s sevanjem toplotnega izvora ampak je spontano sevanje na podroˇ cju mikrovalov

B f = dP

dfdAd Ω (1)

Antena vidi predmete na razliˇ cnih temperaturah.

P N = ∆fk B T A (2)

Planckov zakon sevanja ˇ crnega telesa.

2hf 3 1

Obˇ cutljivost teleskopa

Obˇ cutljivost pove, kakˇsno najmanjˇso moˇ c signala je teleskop zmoˇ zen razpoznati.

Signal P S , ki ga merimo, je nakljuˇ cen signal

da bi razpoznali naˇs koristen signal v ˇsumu, moramo povpreˇ citi moˇ c

Kako ˇsibek signal lahko zaznamo, je odvisno od pasovne ˇsirine in od ˇ casa integracije (povpreˇ cenja) oziroma ˇ casa opazovanja

∆T T = 1

√

B τ = ∆P

P (4)

T = 60K , naredimo N = 3600 meritev:najmanjˇsi signal, ki

lahko zaznamo, je 1 K

Sevanje vodikove ˇ crte

Zaznati ga je mogoˇ ce na valovni dolˇ zini 21 cm.

Ko vodikov atom preskoˇ ci v niˇ zje energetsko stanje, se izseva foton na valovni dolˇ zini 21 cm. V laboratoriju so izmerili frekvenco 1.420405751786GHz

Zgodi se le vsakih 11.1 milijonov v povpreˇ cnemu vodikovemu

atomu.

Blokovni naˇ crt radioteleskopa

Paraboliˇ cno zrcalo z ˇ zarilcem in rotatorjem

Lastnosti paraboliˇ cnega zrcala

f d = 0.4

Loˇ cljivost pomeni, katero podrobnost ˇse lahko razloˇ cimo in odvisna od valovne dolˇ zine in premera antene

prostorska loˇ cljivost α = 1.22 D λ =5 stopinj

premer D=3m

Zarilec brez ovratnika ˇ VE4MA

Zarilec z ovratnikom ˇ VE4MA

Meritev smernega diagrama v E in H ravnini pri 1420 MHz

Sat Oct 01 15:41:38 2016

VE4MA ravnina H 1420MHz

Merjenje smernega diagrama

Resonatorsko sito za 21 cm

Resonatorsko sito za 21 cm

Merjenje votlinskih pasovnih sit

Nizkoˇsumni ojaˇ cevalnik

Antena usmerjena v gozd

Antena usmerjena v hladno nebo

Izraˇ cun ˇsumne temperature sistema

Nam omejuje kakˇsna je obˇ cutljivost teleskopa

Decibel (okrajava dB) je enota brez dimenzije, s katero izraˇ zamo razmerje med spremenljivo koliˇ cino in fiksno referenco: X dB = 10log 10 X

X

10 log T 2

T 1 = 7dB T 2 = T 1 × 10

Iz T 2 = T 1 × 10

B _f = dP

2hf ³ 1

Signal P _S , ki ga merimo, je nakljuˇ cen signal

prostorska loˇ cljivost α = 1.22 _D ^λ =5 stopinj

Decibel (okrajava dB) je enota brez dimenzije, s katero izraˇ zamo razmerje med spremenljivo koliˇ cino in fiksno referenco: X _dB = 10log 10 X

T ₁ = 7dB T ₂ = T ₁ × 10

Iz T ₂ = T ₁ × 10

izraˇ cunamo neznano temperaturo T _S1 .

T _S1 + T _gozd = 5 · (T _nebo + T _S1 ) T _gozd ≈ 290 K