Historia radioastronomii

1. Historia radioastronomii Najważniejsze wydarzenia, nazwiska i wynalazki Bartłomiej Dębski Obserwatorium Astronomiczne UJ 07.12.2009 r.

2. Radioastronomia Sięgnąć tam, gdzie wzrok nie sięga (dosłownie)

3. Początki 1900 1850 ? 1950 Kiedy to wszystko się zaczęło? 2009

4. Prehistoria * James Clerk Maxwell • Wyprowadzał najważniejsze równania; 1860 – 1870 r. • Światło widzialne falą EM • Ale fala EM to nie tylko światło widzialne! • Fale mogą przybierać dowolną długość • Jak można je odebrać...?

5. Prehistoria * Heinrich Hertz • Popatrzył na Równania Maxwella i zobaczył fale • Zaczął eksperymentować z wysyłaniem i odbieraniem fal EM • 1886 – konstruuje odbiornik radiowy • 1887 – eksperymentuje z radioodbiornikami i nadajnikami • 1988 – pierwsza oficjalna transmisja fali EM na odległość • Eksperymenty z natężeniem fali i polaryzacją

6. Prehistoria * Thomas Alva Edison • Jako pierwszy (wg korespondencji) zaproponował obserwacje radiowe Słońca • Plany (!) konstrukcji odbiornika fal radiowych pochodzenia słonecznego w 1890 roku • Odbiornik zaprojektowany na fale długie • Nie wiadomo, czy eksperyment się odbył... Ale wiadomo, że nie ma żadnych rezultatów

7. Prehistoria * Sir Oliver Lodge • Znaczący wkład do radioastronomii • Jako pierwszy zastosował głośniki • Ulepszył radioodbiorniki • Po 1897 roku spróbował zarejestrować fale radiowe Słońca na długości 1 cm • Zaniechał eksperymentów w 1900 roku; Brak efektów; Mała moc odbiornika; Pracował w Liverpool, gdzie panował duży szum w paśmie radiowym

8. Prehistoria * Julius Scheiner • Jako pierwsi spróbowali zaobserwować Słońce radiowo i udokumentowali swój eksperyment (1986 r.) • Nie udało im się • Próbowali wyciągać wnioski ze swojej porażki dot. absorpcji światła, czy jego rozpraszania... • Ale były one błędne. * Johannes Wilsing Jednak ważne, że próbowali, bo wieść o ich pracy zainspirowała innych!

9. Prehistoria * Charles Nordman • Francuski student; dowiedział się o pracy Wilsinga i Sheinera, wyciągnął te same błędne wnioski, ale dobrze je wykorzystał (1900 r.) • Powędrował wysoko w góry, by na lodowcu badać fale długie przychodzące ze Słońca • Obserwował Słońce w trakcie jego minimum aktywności, więc nic nie zobaczył

10. Prehistoria * Max Planck • Światło jako pojedyncze cząstki • Zależność pomiędzy natężeniem światła i jego częstotliwością; promieniowanie ciała doskonale czarnego • Nauczyciele mówili mu, by nie zajmował sie fizyką... • ... On zajął się fizyką. • Mówiono mu, że juz wszystko zostało odkryte... • ... On odkrył, że ma własny rozkład. (1900) • Policzył, jaka energia niesiona jest przez falę radiową na długości 10 – 100 cm. • I zniechęcił tym samym eksperymentatorów

11. Prehistoria * Oliver Heaviside • Wysnuł wniosek, że skoro obiekty spoza Ziemi wysyłają promieniowanie, to w atmosferze ziemskiej powinna istnieć zjonizowana warstwa, która by blokowała promieniowanie od m.in. Słońca • Eksperymentatorzy zostali jeszcze bardziej zdemotywowani

12. Prehistoria * Gulielmo Marconi • Ulepszył radiowe techniki przesyłania informacji • W 1901 roku dokonał pierwszej • transmisji radiowej przez Atlantyk • (wg dokumentacji) • Położył kamień węgielny pod usługi radiokomunikacji na skalę światową

13. Prehistoria * Nicola Tesla • Chyba pierwszy dokonał transmisji fali EM na odległość, • Chyba pierwszy wynalazł radio, • Chyba odbierał sygnały z przestrzeni kosmicznej, • Chyba, chyba, chyba...

14. Pierwsze udane obserwacje Karl Guthe Jansky

15. Karla Jansky’ego początki • Ojciec: technik radiowy • Brat: inżynier radiowy • Karl Guthe: przyjaciel rodziny • Jansky uzyskał tytuł licencjata w 1927 roku. • Hokeista • Mistrz ping-ponga • Książki były na drugim miejscu

16. Dlaczego Bell Labs? Ludzie z Bell Labs chcieli rozpocząć usługi telekomunikacyjne przez Atlantyk

17. Poniesiono znaczne koszta Postawienie samej infrastruktury było bardzo kosztowne Trzy minuty rozmowy kosztowały 75$!

18. Zakłócenia – ale skąd? W trakcie prac okazało się, że rozmowy interkontynentalne są niskiej jakości, ponieważ coś wprowadzało zakłócenia do odbieranego sygnału. Pracownicy Bell Labs pracowali w pocie czoła, ale nie mogli do niczego dojść.

19. Karl Jansky w Bell Labs • Najmłodszy z rodziny Janskych został zatrudniony w Bell Labs (częściowo za wstawiennictwem swego starszego brata). • Nakazano mu zbadać źródło zakłóceń. • 1930 r. – Jansky konstruuje antenę dla częstotliwości 20,5 MHz, tj. około 14,6 metra. • Klasyfikuje trzy źródła sumów: • Bliskie wyładowania atmosferyczne • Dalekie wyładowania atmosferyczne • Dziwny szum, który dochodził najwyraźniej spoza ziemskiej atmosfery

20. „Młynek Janskiego”

21. Współczesna rekonstrukcja anteny Jansky’ego

22. Wyniki i interpretacja Wyniki pracy Jansky’ego z roku 1932

23. Jedne z pierwszych pomiarów • Co 360 stopni widać powtarzający się przyrost sygnału • Sygnał pojawia się na niebie co ~24h • Pomiar wykonywany w zimie. Położenie źródła sygnału = położenie Słońca na niebie • ... Słońce?

24. ... Nie! • Pomiar wskazywał na płaszczyznę Galaktyki • Źródło szumu przesuwało się po niebie z okresem doby gwiazdowej (23h 56m), a nie doby słonecznej (24h) • Po jakimś czasie Słońce odsunęło się, podczas gdy źródło szumu było w stałym miejscu na sferze niebieskiej

25. Rekonkstukcja skanów Jansky’ego z 1935 r. w formie mapki wykonanej przez Sullivana w 1978 roku

26. Jansky – ojciec radioastronomii? • Mógł zaobserwować Słońce, ale mu się to nie udało. Dlaczego? Dlatego, że prowadził obserwacje w czasie minimum aktywności słonecznej! • Opublikował swoje wyniki, ale nikt się tym bardziej nie zainteresował. • Powód prosty: do zaobserwowanego szumu Jansky zastosował prawo Plancka i otrzymał kuriozalną wartość rzędu milionów kelwinów. • Naukowy półświatek owych czasów nie mógł się pogodzić z takimi wartościami.

27. Grote Reber,Radioamator założycielem radioastronomii • Zajmował się krótkofalarstwem [W9GFZ] • Zainteresował się pracami Jansky’ego • Zbudował pierwszą antenę paraboliczną w 1937 roku • Zbudował ją z blachy i krokiew • Pracował za dnia w fabryce, w nocy prowadził obserwacje

28. Jak to Reber obserwował

29. Talerz Rebera • Grote Reber poprosił o pomoc American Bridge Company • Ze względu na koszta... Zbudował antenę sam z pomocą dwóch kolegów • Koszt budowy anteny: 1’300 $ • Antena zbudowana z ocynkowanej blachy i drewnianych podpór

30. Trzy podejścia – trzy odbiorniki Reber pomyślał, że skoro Jansky na częstotliwości 20.5 MHz odebrał tak mocne promieniowanie, to, stosując prawo Plancka, na wyższych częstotliwościach odbierany sygnał będzie jeszcze silniejszy. Zaczął badania na częstotliwości 3,3 GHz (9 cm), ale nie znalazł żadnego powtarzalnego sygnału. Po roku począł badać częstotliwość 900 MHz (33 cm), ale i tu nic nie znalazł. Po kolejnym roku rozpoczął badanie nieba na częstotliwości 160 MHz (187 cm) i wreszcie coś znalazł!

31. Odbiornik Rebera na częstotliwość 160 MHz (1939 r.)

32. Kalibrator

33. Rezultaty Rebera • Wykonał pierwsze na świecie mapy radiowe nieba • Opracował modele anten parabolicznych • Dowiódł, że ze Słońca dochodzą do nas fale radiowe!

34. Słońce vs płaszczyzna Galaktyki

35. Słońce vs płaszczyzna Galaktyki

36. Radioastronomia z rozmachem- rozwój radarów podczas II wojny światowej Tak naprawdę pierwszą osobą, która z premedytacją podglądała Słońce radiowo, był Brytyjczyk – George Hey. Takie radary rozstawiono po całej Wielkiej Brytanii oraz na Okrętach Jego Królewskiej Mości

37. Radioastronomia po II wojnie światowej- Złote Czasy radioastronomii australijskiej Oddział australijskiego ośrodka rozwoju nauk radiowych, CSIR, otwiera w 1939 roku departament rozwoju technik radarowych. Główny ośrodek: Dover Heights • Grupa badawcza: • Joe Pawsey • Ruby Payne-Scott • Lindsay McCready

38. Luty 1945 rok: pierwszy interferometr Zwykłe anteny YAGI! • Ocean jako zwierciadło Lloyda • Interferometr z jednej anteny

39. Antena zbudowana w 1951 roku

40. Następca baterii Yagi-8 w Dover Heights. Z rozebranej anteny Yagi-8 zbudowano stojącą do dziś baterię Yagi-12

41. Cygnus A zaobserwowany przez grupę Pawseya

42. Antena wbudowana w ziemię – Australia, Dover Heights, 1953 rok Następca anteny bedącej... Dziurą w piasku (1951 r.) Antena na zdjęciu jest betonowa. Poprzedniczka była wyłożona popiołem i opiłkami metalu

44. Odkrycie Promieniowania Reliktowego Krótka historia teorii dotyczących kosmicznego promieniowania tła: • Kanadyjski astronom, Andrew McKellar, specjalizujący się w spektroskopii molekularnej ogłasza, że temperatura materii międzygwiezdnej wynosi 2,4 K (1941 r.) • Robert Dicke, amerykański fizyk wyznacza górną granicę temperatury promieniowania kosmicznego: 50 K (1946 r.) • George Gamow, kosmolog rosyjski, zakłada, że Wszechświat ma 3 miliardy lat i wyznacza temperaturę promieniowania reliktowego na 50 K w roku 1948, a w pięć lat później poprawia się i szacuje 7 K. • 1964 rok - Arno Penzias i Robert Wilson przypadkiem odkrywają promieniowanie reliktowe

45. Arno Penzias & Robert Wilson • Pracownicy Bell Labs (oczywiście) • Mieli zbadać źródło zakłóceń powodujące szumy w kablach telekomunikacyjnych • Posługiwali sie radioteleskopem w kształcie rogu (horn) • O wadze swojego odkrycia dowiedzieli się dopiero, gdy naukowcy stacjonujący 40 km od nich próbowali... Odkryć mikrofalowe promieniowanie tła.

46. Penzias, Wilson i horn; 1964 rok

47. Odkryli „coś” Eliminowali kolejne hipotetyczne źródła szumu o temperaturze ~3 K: • Antena była miedziana, więc codziennie ją pucowali ze śniedzi • Sprawdzali mapy radiowe, czy na coś nie „najechali” • Skrobali z anteny ptasie guano, które mogło oddawać temperaturę antenie • Zanurzyli odbiornik w ciekłym helu (4 K), by wyeliminować szum aparatury. Ale szum wciąż był!

48. Nobel w 1978 roku ... Za tę kartkę papieru. Jest to replika zapisków odczytów z 1964 i 1965 roku

49. Odkrycie pulsara- nieszczęście w szczęściu • Pierwsza gwiazda neutronowa została odkryta niejako przez przypadek (jakże by inaczej) przez panią Jocelyn Bell. • Nobla dostał jej promotor. Ona nie.

50. Sygnał zebrany podczas obserwacji pierwszego pulsara