Радиотелескоп в сарае. Часть 5. Собственно, о телескопе
В прошлой статье был рассмотрено фундаментальное радиоизлучение от нейтрального водорода, содержащегося в космическом пространстве в виде облаков разряженного газа. Само явление сверхтонкого перехода в атоме водорода невероятно примечательно — оно создает «радиослед» водорода — кирпичика Вселенной, позволяя обнаруживать его. В видимом свете водород просто так не излучает, и абсолютно прозрачен для света от звезд — его можно обнаружить только по радиоизлучению с длиной волны 21 см. В этой части рассмотрим, как был построен самодельный радиотелескоп.
Радиотелескоп — это, в сущности, радиоприемник. Но этот радиоприемник должен улавливать очень слабый сигнал и, по возможности, из наиболее ограниченного участка неба. Эти факторы и определяют отличительные признаки конструкции радиотелескопа от радиоприемника.
Что бы распознать слабый сигнал, нужно его усилить. Самое «благородное» в радиоинженерии «усиление» — то, которая дает антенна. Да, роль большинства антенн не только в преобразовании радиоволны в ток (конвертирование), что по кабелю можно спустить в приемник, но и «усиление» сигнала. «Усиление» взято в кавычки потому, что хотя у антенн и существует параметр «коэффициент усиления», физически усиливать сигнал она не в состоянии — антенна не нарушает основополагающего закона сохранения энергии: больше, чем в нее энергии зашло, из нее выйти не может. Зато антенна может сконцентрировать энергию с большой площади и направить уже ее в приемник — в этом смысле она «усилила» сигнал по сравнению с точечной антенной.
Конструкций антенн, способных собирать радиоволну «с площади» — множество. Вспомните тот же рупор первооткрывателя линии излучения водорода Гарольда Ивена. Но рупор — это громоздко, кроме радиоволн он собирает и воду, к тому же с точки зрения современного человека он никак не ассоциируется с антенной — таких не увидеть на крышах. Лучше подходит «тарелка» — параболический отражатель. Почему параболический, т.е. имеющий в сечении форму известной со школы параболы? Дело в том, что параболоид вращения — фигура, обладающая замечательным свойством — она собирает падающие на нее параллельные лучи в одну точку — фокус. Тоже самое делает и лупа. Как крыша собирает дождевую воду с большой площади в одну водосточную трубу, так же и параболоид собирает энергию радиоволн с большой площади в одну точку.
В фокусе параболоида необходимо установить, собственно, антенну, то есть устройство в узком смысле этого слова, преобразующее энергию радиоволны в переменный электрический ток, что может быть далее направлен по проводам. В случае параболического отражателя такая антенка носит название облучателя — если сигнал передавать, то она будет облучать радиоволной весь отражатель. Здесь мы столкнулись с путаницей. И «тарелка» антенна, и ее облучатель — антенна. Но на деле «тарелка» — лишь зеркало, а именно облучатель выполняет роль антенны — конвектора из радиоволны в электрический ток или обратно. Конструкций облучателей множество, так как много придумано антенн вообще.
Для самодельного радиотелескопа можно сделать параболоид и «с нуля». Но дело это хлопотное, тем более есть хорошие альтернативы. «Тарелки» широко используются в спутниковом телевидении. Однако в наше время там господствует Ku-диапазон волн и используются маленькие параболоиды диаметром около 1 м — маловато. Ранее широко использовался С-диапазон с тарелками диаметром 1,8 и 2,4 м. Первые из них массово догнивают на крышах домов или уже утилизированы, так как вещания в C-диапазоне все меньше. Вторые, самые предпочтительные по диаметру увы, за даром не найти. «Тарелку» 1,8 м удалось купить за недорого в более-менее сносном состоянии, но работы с ее очисткой от ржавчины и покраской было слишком много.
Штатный облучатель спутниковой антенны не годится — он рассчитан на волну длиной менее 9 см, а нам надо 21 см. Поэтому его пришлось изготовить с нуля. Был выбран волноводный тип облучателя с коаксиальным переходом. Волновод — это труба, по которой может распространяться радиоволна. Размер трубы жестко завязан на длину волны. При ее прохождении по волноводу на его стенках индуцируется ток, поэтому для минимизации потерь энергии материал волновода должен иметь хорошую электропроводность. Или хотя бы его покрытие должно иметь высокую электрическую проводимость, так как ток высокой частоты протекает в очень тонком поверхностном слое. Поэтому была выбрана оцинкованная сталь — недорого и доступно. Коаксиальный переход — это переход от волновода к коаксиальному разъему/кабелю — тому самому, который еще недавно использовался для подключения антенны к телевизору.
В итоге облучатель — это такое оцинкованное ведерко, недалеко от дна которого в боковой стенке торчит проволочка строго выверенных размеров. Когда волна бежит по ведерку волноводу, в проволочке-зонде индуцируется ток, который затем поступает в усилитель; та часть волны, которая не успела поучаствовать в этом полезном деле, отражается от дна волновода и добегает к зонду в той же фазе, что и до этого, гоняя электроны в зонде еще больше. Такое возможно, если расстояние от зонда до дна и обратно равно половине длины волны. Правда, длину в 21 см не стоит брать — в волноводах волны становятся несколько длиннее, и что бы правильно сделать облучатель, нужно его рассчитать. Ну или поискать результаты расчета других людей.
Принятый облучателем сигнал очень слаб — что бы охарактеризовать его энергию, скажем, энергией в попугаях одного комара, то придется взять тысячи и тысячи антенн. Поэтому необходим усилитель сигнала — электронная схема. Однако любой усилитель не годится, ибо его активные элементы — транзисторы создают собственный шум, более сильный, чем полезный сигнал. Можно погрузить такой усилитель в сосуд с жидким азотом, а лучше гелием, что бы охладить до криогенных температур — тогда шума будет немного. Но это дорого и непрактично, хотя до сих пор применяется на крупных инструментах. Благо, в наше время доступны не только германиевые и кремниевые транзисторы, но и арсенид галлиевые. Германиевые шумят поменьше кремниевых, а вот арсенид галлиевые создают гораздо меньше собственного шума, чем оба первых. Их доступности способствует развитие сотовой связи — в телефонах тоже стоит задача усиливать слабый сигнал с маленькой встроенной антенны. Рассмотренные усилители носят название малошумящих (МШУ).
Усиленный сигнал далее нужно превратить в удобоусвояемый для регистрирующей аппаратуры. Ранее для этого пришлось бы создавать гетеродинный приемник, который сначала понижает частоту принятого сигнала, потом в более простых условиях усиливает его, детектирует и подает на выход, например, к самописцу или компьютеру через аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Более подробно в технологии радиоприемников здесь углубляться не хочется, да и не требуется — в наше время можно купить приемник, включающий в себя все перечисленное, и при этом работающий практически с любой длиной волны, то есть являющимся универсальным. Размер такого приемника — практически как у флешки, а название он носит «программно определяемое радио» (SDR). Самый популярный в мире среди таких приемников — «RTL SDR» разных версий и производителей. Для радиотелескопа выбор пал на доступную, но не самую худшую версию приемника — «RTL-SDR Blog V3». И хотя они производятся в Китае, нам все же недоступны, поэтому пришлось покупать неоригинальную китайскую версию — «RTL-SDR COM V3 Pro».
Даже после малошумящего усилителя нежелательно использовать длинный кабель до приемника, поэтому МШУ и приемник расположились прямо на облучателе. Они все вместе образуют так называемый конвертер — устройство, преобразующее принятые радиоволны в удобоваримый электрический формат, в нашем случае — цифровой, передающийся по USB-кабелю к компьютеру. Так как до компьютера около 5 метров, USB-кабель (удлинитель) применен «активный» — с собственным усилителем. Все это хозяйство должно быть защищено от капризов погоды, поэтому пришлось согнуть и спаять из жести герметичный корпус. Для отвода тепла корпус оснащен системой охлаждения и контроля температуры. Поначалу была идея охлаждать и МШУ элементами Пелетье до среднего мороза ради снижения шума, но потом от этой идеи я отказался в пользу упрощения.
Приемный тракт рассмотрели. Но что бы вести наблюдения, нужно направлять антенну в нужную точку неба и знать, куда она смотрит в текущий момент. Для этого предназначена монтировка — агрегат, на который устанавливается антенна и который ее поворачивает. Существует два типа монтировок телескопов (в том числе оптических): азимутальная и экваториальная. Первая проста — одна ось поворота (высота) горизонтальна, вторая (азимут) — вертикальна. Так, например, поворачивается фотоаппарат на штативе. Азимутальная монтировка плоха тем, что при наблюдении за небесными объектами ее приходится поворачивать по обеим осям вследствие вращения Земли. Казалось бы, велика трудность, но поворачивать нужно еще и с непостоянной скоростью, задаваемой сложным законом. До появления ЭВМ эта задача решалась, но такими ухищрениями, что современный инженер сильно удивится. Экваториальная монтировка устроена так же, но повернута своей «вертикальной» осью на 23,5 градуса — под таким углом земная ось наклонена к плоскости эклиптики. Это позволяет поворачивая телескоп только по этой оси, называемой осью прямого восхождения, отслеживать небесный объект. Держать его долго в поле зрения обычно нужно для накопления энергии света/радиоволны в случае слабого источника.
Для радиотелескопа я выбрал простую азимутальную монтировку — все равно нет задачи следить за очень слабыми источниками, накапливая энергию волн от них. Однако для удешевления и ускорения проекта эта монтировка была еще упрощена — она лишилась азимутальной оси. Дело в том, что если ось высоты направить с запада на восток, то вместо второй оси может выступать ось Земли. Мы поворачиваем по желанию телескоп с севера на юг, то есть в плоскости меридиана (угол этот в астрономии называется склонением). А что бы эта плоскость стала направлена на нужный небесный объект, нужно просто подождать, когда Земля повернется на нужный угол. Не очень удобно, но зато не нужно делать вторую массивную ось поворота, привод, систему его управления и слежения за углом. Такая монтировка носит название меридианной.
Что ж, вроде все основное о «верхушке» радиотелескопа написано. Перейдем теперь вниз, к пульту управления. Иногда я шучу, а может и говорю всерьез, что все, что я не делаю из техники — все лишь ради пультов, панелей управления. Да, красивые стрелочные приборы, надписи, множество переключателей и индикаторов я люблю больше всего. А еще самописцы вместо компьютеров… Радиотелескоп, пусть любительский, достоин настоящего пульта, за которым сидишь и чувствуешь, что управляешь чем-то достойным.
Пульт я решил делать модульным, в виде стола, в который встраиваются панели управления различных систем, компьютер и его монитор. На стол были пущены ДСП от старого шкафа, причем лакированную часть я специально приберег для столешницы.
Было выделено 5 панелей под различные системы. Самая левая отвечает за конвектор — подачу питания на усилитель, температуру приемника и управление системой охлаждения. Самая интересная, на мой взгляд, следующая панель — она управляет поворотом антенны. Указатель положения антенны удобно проградуировать сразу в одной из небесных координат — для единственной управляемой оси телескопа это склонение (аналог широты в географии). Можно посмотреть на карту звездного неба, найти нужный объект и узнать его склонение, а потом повернуть антенну до необходимого угла. При этом кнопку удерживать необязательно — достаточно выставить угол ручкой по нижней шкале, а привод сам отработает задание и повернет антенну. Такая система называется следящим электроприводом — на этом проекте я впервые осуществил такую штуку в своей карьере.
За дисплей отдельное спасибо Андрею Соболеву — подаренный им аппарат как раз пригодился, под него я и делал размеры пульта.
С правой стороны от дисплея установлена панель, отвечающая за вторую небесную координату —прямое восхождение. Как мы помним, что бы «попасть» второй координатой в небесный объект, нужно подождать определенное время, пока Земля с телескопом повернется к нужной точке неба. Поэтому восхождение вычисляется исходя из звездного времени. Звездные сутки на 4 минуты короче гражданских — и все из-за движения Земли. Пока она поворачивается вокруг своей оси, успевает немного сдвинуться вперед по орбите, поэтому солнечные (гражданские) сутки не образуются за ровно один оборот планеты — ей нужно еще немного «довернуться», чтобы посмотреть той же стороной на Солнце, что и вчера. А вот относительно далеких звезд, что нам и нужны, все в порядке — сутки равны времени обращения Земли вокруг своей оси — 23 часа, 56 минут и 4 секунды. Поэтому на рассматриваемой панели установлены часы, но не обычные, а слегка, на нужную величину «спешащие».
Еще одна панель зарезервирована под самописец. Хотя он в этом проекте не очень стыкуется с компьютером, но применить его очень хочется — романтика бегающего пера по движущейся бумаге, вычерчивающей кривую, берет свое. Вообще, честно говоря, этот радиотелескоп не закрывает мою мечту полностью, так как хочется создать совсем «железный», полностью аналоговый инструмент, в котором и детектирование, и выделение сигнала из шума будет производится на спаянной своими руками схемотехнике, и с регистрацией сигнала на бумаге самописца. Эскизный проект такого радиотелескопа на длину волны 73 см уже имеется, но когда дойдут руки — неизвестно.
Ну и последняя панель содержит просто системный блок весьма старого, к сожалению, компьютера. Вообще, управление конвектором и приводом телескопа можно было осуществить через ЭВМ, и, подключив ее к всемирной сети, организовать удаленное управление радиотелескопом в любое время и из любой точки планеты. Сейчас так часто делают и с оптическими телескопами, устанавливая на них камеры и управляя из города, не теряя время на поездки далеко за его пределы и не мерзнув по ночам.
Для обработки сигнала, полученного приемником, нужно программное обеспечение (ПО). И если для простой работы с радио есть программы с открытым кодом, то для обработки слабых сигналов необходима специализированное ПО. К счастью, ввиду того, что радиоволна длиной 21 см весьма фундаментальна, и по той же программе поиска внеземного разума SETI многие любители по миру строят подобные моему радиотелескопы, нашлись люди за рубежом, создавшие программные надстройки, усредняющие шум и накапливающие полезный сигнал. К несчастью, установка что основной программы, что плагинов для нее — совсем нетривиальные вещи, требующие множества ручных операций и решения возникающих при этом проблем.
Так или иначе, я с этим справился и в августе 2024 г., после всяческой отладки нехотящего правильно работать радиотелескопа, был получен первый сигнал от космического водорода из области созвездия Лебедя.
О том, как обнаружение радиоизлучения какого-то там нейтрального водорода позволяет нарисовать нам структуру Галактики, а по ней — художнику красивую ее картинку, мы узнаем из следующей, заключительной части.
Все начинается с инженера, задающего принцип. Он не открывает то, что уже было в природе, а создает конструкцию, нечто принципиально новое, то, чего в природе не было. Он собирает элементики и создает — за счет сборки, состыковки, «зашнуровки» — совершенно новые вещи, которых природа не произвела, и при этом опирается на свою творческую — смелую, «сумасшедшую» — мысль. Связывается все это в единство не по закону природы, который открыла наука, — там нечего было «открывать», пока инженер что‑то не создал. Георгий Щедровицкий