Die unglaublichen Abenteuer von Robert Hanbury Brown und Richard Twiss. Teil 2: unter dem Kreuz des Südens

Das letzte Mal wurde mir gesagt, wie man mit dem Radioteleskop die Trägerrakete Sputnik-1 erkennt und warum dies für die Astronomie nicht ausreicht. Heute werden unsere Hauptfiguren herausfinden, wie man Teleskope um Größenordnungen leistungsfähiger macht, sich auf die Suche nach einem klaren Himmel macht und sich mit den Feinheiten der Astronomie in Australien vertraut macht. Willkommen bei Katze.



Im Großen und Ganzen basiert das Funktionsprinzip von Doppelteleskopen - Sterninterferometern aus dem ersten Teil - auf drei einfachen Ideen:

1. In einem kleinen Teleskop scheint ein Stern ein Punkt zu sein, in einem großen ein erweitertes Objekt. Gleiches gilt für zwei Teleskope mit kleinen / großen Abständen zwischen ihnen.

2. Wenn Sie den Abstand zwischen zwei Teleskopen ändern, wird früher oder später das Bild eines Sterns von einem Punkt aus erweitert. Daraus kann man die Winkelgröße des Sterns bestimmen - einen der wichtigsten astronomischen Parameter.

3. Woher weiß ich, an welchem ​​Punkt das Bild vom Punkt aus erweitert wird? Es ist möglich durch Interferenz: Ein Punktobjekt gibt deutliche Interferenz, ein erweitertes gibt keine:

Der erste und zweite Absatz sind einfach und genial. Aber mit dem dritten gibt es ein Problem. Die Interferenz wird immer von zwei Strahlen gebildet, die sich auf zwei verschiedenen Pfaden bewegen, und daher ist es erschreckend, wie empfindlich die Länge dieser Pfade ist. Turbulenzen und nur eine leichte Luftbewegung reichen aus, damit das Licht etwas früher, etwas später in die Teleskope gelangt. Aus diesem Grund bewegen sich die Interferenzstreifen nach links und rechts und verwischen schließlich das gesamte Bild.

Interferenz: gut (a), nicht sehr gut (b), sehr schlecht (c).

Es wäre schön, sich etwas auszudenken, um ein Punktbild eines Sterns von einem länglichen zu unterscheiden! Hanbury Brown trifft den zweiten Helden unserer Geschichte, den theoretischen Physiker Richard Twiss. Gemeinsam achten sie auf die Strahlungsintensität des Sterns - oder vielmehr auf das Rauschen dieser Strahlung.

Das Licht eines Sterns ist nicht konstant, sondern variiert zeitlich geringfügig. Es geht nicht um Planeten und Finsternisse - jede Lichtquelle ist ein bisschen, aber laut. Wenn die Quelle ein Punkt ist, ist das Rauschen von jeder Seite, auf der Sie es betrachten, gleich (der Punkt ist der Punkt, unabhängig davon, wie Sie ihn drehen). Bei einer erweiterten Quelle ist dies jedoch nicht der Fall: Sagen wir, das Geräusch der Glühbirne ist etwas anders, wenn Sie es von links und von rechts betrachten. Gleiches gilt für einen Stern.

Wenn beide Teleskope das gleiche Geräusch sehen, scheint der Stern ein Punkt zu sein. Wenn das Rauschen unterschiedlich ist, scheint der Stern verlängert zu sein. Genial! Es ist keine Störung oder andere empfindliche Kopplung zwischen Teleskopen erforderlich. Das Turbulenzproblem verschwindet von selbst. Dies bedeutet, dass sie problemlos Hunderte von Metern voneinander entfernt sein können! Unsere Protagonisten montieren das erste Teleskop des neuen Systems - ein Interferometer der Intensitäten (übrigens schon 1952 - noch vor dem Lovell-Teleskop).

Woher wissen Sie, ob zwei Teleskope das gleiche oder ein unterschiedliches Geräusch sehen? Die einfachste Idee ist, das Signal von einem Teleskop vom Signal von einem anderen zu subtrahieren. Tatsächlich ist es viel effizienter, nicht den Unterschied der Signale von zwei Teleskopen, sondern deren Produkt zu überwachen . Darüber hinaus nicht nur ein Produkt, sondern sein Durchschnittswert:

Dreieckige Klammern werden nur über die Zeit gemittelt, dh der Durchschnittswert, der hinter dem Rauschen verborgen ist. I ₁ und I ₂ - Signalintensität von zwei Teleskopen. Sie sind laut, daher ist auch ihre Arbeit laut; Der Durchschnittswert ist jedoch klar definiert.

Zur Vereinfachung wird dieser Wert in die Durchschnittswerte von I ₁ und I _{2 unterteilt} . Was passiert ist, heißt g ⁽²⁾ oder eine Korrelationsfunktion zweiter Ordnung :

Wenn der Stern verlängert wird, kommen I ₁ und I ₂ von verschiedenen Punkten, sie sind unabhängig und dreieckige Klammern können geöffnet werden. Der Zähler und der Nenner des Bruchs werden gleich und es wird eine Einheit. Das heißt, für einen erweiterten Stern g ⁽²⁾ = 1. Es ist bequem und leicht zu merken.

Was ist mit einem Punktstern? Welche Seite schaut sie nicht an und die Intensität und das Geräusch werden gleich sein. Daher ist I ₁ = I ₂ und daher

Normalerweise ist dieser Wert größer als Eins (idealerweise ist er gleich zwei). Um die Größe eines Sterns mit zwei Teleskopen zu messen, müssen Sie g ⁽²⁾ berechnen und den Abstand zwischen ihnen ändern:

Wenn g ⁽²⁾ von zwei auf eins abfällt, bestimmt der Abstand zwischen den Teleskopen die Winkelgröße des Sterns durch das Beugungsverhältnis. Das ist die ganze Theorie. Es ist Zeit, weiter zu üben.

Lyrischer Exkurs: Warum Korrelation zweiter Ordnung?

- , – . (, !), .

( g⁽¹⁾) – ( ), g⁽²⁾ – ( = ).

( g⁽¹⁾) (g⁽²⁾).

Die beiden Hanbury Brown-Radioteleskope waren also durch nichts miteinander verbunden, und sie konnten nicht um zehn Meter, sondern um Kilometer auseinander bewegt werden. Ein Teleskop wurde im Observatorium gelassen, das zweite wurde von einem Feld zum anderen transportiert, weg vom ersten. Bedenken hinsichtlich der Radioquellen Cygnus A und Cassiopeia A traten nicht auf - sie erwiesen sich als ziemlich groß, und der Abstand zwischen den Teleskopen von mehreren Kilometern reichte völlig aus, um ihre Größe zu messen.

Nach dem Funkinterferometer beschließt Hanbury Brown, ein neues Doppelteleskop zusammenzubauen - diesmal ein optisches. Zur Hand sind alte militärische Scheinwerfer, perfekt für diesen Zweck. Jetzt müssen sie das Licht nicht streuen, sondern sammeln, wofür die Lampen durch Fotovervielfacher ersetzt werden müssen:

Von früheren Erfolgen ermutigt, setzt sich Hanbury Brown das ehrgeizige Ziel, die Größe von Sirius, dem hellsten Stern am Himmel, zu messen. Die Aufgabe wurde durch die Tatsache erschwert, dass Sirius (genauer gesagt seine helle Komponente Sirius A) ein kleiner Stern ist, dessen Größe mit der Sonne vergleichbar ist. Aber das waren immer noch Blumen. Ganz plötzlich stellt sich heraus, dass das Leben eines optischen Astronomen in Großbritannien nicht so einfach ist - das Klima ist nicht dasselbe. Und dann wurde das Teleskop erst im Herbst zusammengebaut, sodass die Messungen in einem wunderschönen britischen Winter begannen: nass, feucht, natürlich bewölkt und Nebel auf der Themse .

Winter im Jodrell Bank Observatory.

Es bleibt nur hinzuzufügen, dass Sirius in Großbritannien im Prinzip nicht über 20 Grad über den Horizont steigt! Die Astronomen waren erschöpft, verbrachten den ganzen Winter, maßen aber auf wundersame Weise die vier experimentellen Punkte mit großen Fehlern und schätzten die Größe des Sterns grob. Am überraschendsten ist, dass sich ihr Ergebnis um weniger als zwanzig Prozent von modernen Daten unterscheidet.

Nachdem Hanbury Brown alle Reize der britischen Astronomie gekostet hat, zieht er ins wolkenlose Australien, wo er ein neues optisches Teleskop sammelt. Vielleicht sind Sie ein wenig überrascht, wie schnell er neue Teleskope hergestellt hat. Tatsache ist, dass sie keine qualitativ hochwertigen Bilder benötigten. Sie benötigen lediglich einen großen Spiegel, der Licht auf dem Fotodetektor sammeln kann. Die Qualität und Aberrationen dieses Spiegels sind völlig unwichtig. Australische Teleskope waren modernen Satellitenschüsseln sehr ähnlich: Eine parabolische „Schale“ wurde aus 252 Spiegeln zusammengesetzt und das Licht auf einen Fotovervielfacher fokussiert, der am Ende eines langen Rohrs angebracht war:

Viele Jahre mussten einige Spiegel entfernt werden, was die Qualität jedoch nicht besonders beeinträchtigte. Die Situation mit der lokalen Fauna war viel schlimmer. Zuerst griffen die Frösche das Observatorium an. Hanbury Brown mochte sie nicht besonders, deshalb warf Twiss sie mit einer Eiszange aus dem Raum. Nach der Dürre verschwanden die Frösche, aber es erschienen Mäuse, die anfingen, am Kabel zu nagen. Am schlimmsten waren jedoch die Vögel: Die Kleinen liebten es, vor dem klangvollen Aufprall ihrer Schnäbel auf ihr Spiegelbild zu fliegen; und große bunte Papageien hingen mit Vergnügen kopfüber an den Kabeln und kratzten und knabberten sie regelmäßig. Ich musste einen Falken holen, der die Teleskope vor einer Vielzahl von Tieren schützte.

Die Teleskope selbst wurden auf zwei Bahnsteigen montiert und auf Rundschienen gestellt. Dies ermöglichte es, Messungen an zwei senkrechten Ausrichtungen der Teleskope durchzuführen und so ein zweidimensionales Bild zu erhalten. Insbesondere war dieser Ansatz bei der Untersuchung von Doppelsternen sehr nützlich.

In der Mitte des Kreises befindet sich das Kontrollzentrum, ein großes Gebäude im Vordergrund - eine Garage für Teleskope und ein Sicherheitsfalke, der darin lebte.

Das Teleskop in Narrabri hat einen echten Durchbruch in der Astronomie erzielt. Mit seiner Hilfe war es möglich, die Winkelabmessungen von Dutzenden von Sternen, einschließlich Doppelsternen, zu messen. Dies ermöglichte es, das Hertzsprung-Russell-Diagramm zu ergänzen, sich mit der Entwicklung der späten Sterne zu befassen, Sternkronen zu sehen und herauszufinden, was in ihnen geschieht ... Die Interferometrie der Intensitäten nahm unter den astronomischen Instrumenten ihren Ehrenplatz ein, aber ihre Blütezeit fiel auf neue Radioteleskope.

Können zwei Teleskope noch weiter getragen werden? Na sicher! Ja, und warum tragen Sie es? Sie können zwei beliebige Radioteleskope auf der Erde nehmen und sie paarweise arbeiten lassen. Dies wird als Super-Long-Base-Interferometrie bezeichnet.. Gleichzeitig benötigen Teleskope keine Echtzeitkommunikation: Ein Signal von ihnen kann aufgezeichnet und dann verarbeitet werden. Hauptsache, die Messungen werden gleichzeitig durchgeführt. Anstatt den Abstand zwischen ihnen zu ändern, wird die Zeitverzögerung geändert - genau wie bei Sterninterferometern.

Das Funktionsprinzip der Funkinterferometrie mit extra langen Basen.

Radioteleskope auf einer Weltkarte (keineswegs alle). Jedes Paar kann ein Funkinterferometer bilden.

Ein Teleskop von der Größe des Erddurchmessers - wer hätte das gedacht! Es stellte sich heraus, und dies ist nicht die Grenze. Warum nicht ein Teleskop in den Weltraum starten und es mit einem der Erdenpaare koppeln? Dies wurde zuerst an der Station Salyut-6 durchgeführt, wobei das Teleskop mit dem riesigen RT-70 in der Nähe von Evpatoria kombiniert wurde:

Aufgrund des großen Durchmessers - bereits 10 Meter - haben sie beschlossen, das Teleskop an der Andockeinheit zu befestigen. Nach Abschluss der Arbeiten haken Sie es einfach aus und schieben es weg (Sie müssen den Fortschritt irgendwo festmachen). Aber das Teleskop entschied anders und schaffte es, sich am Bahnhofsgebäude festzuhalten. Ich musste in den Weltraum gehen. Sobald der Astronaut Valery Ryumin eines der Kabel durchtrennte, die die Antenne erfassten, zuckte sie sofort zusammen und flog direkt auf ihn zu. Ich musste ausweichen. Im Allgemeinen ist das wirkliche Leben von Astronauten der Schwerkraft niemals unterlegen :).

Nun, der Höhepunkt der heutigen Schöpfung ist das legendäre Radioastron-Projektmit dem Weltraumteleskop R-Teleskop. Es fliegt in einer elliptischen Umlaufbahn mit dem Apogäum von bereits 340.000 Kilometern - das bedeutet, dass der effektive Durchmesser des Teleskops ungefähr der Entfernung von der Erde zum Mond entspricht! Als zweiter Empfänger wird je nach Wetter und Aufgaben eines der Bodenteleskope ausgewählt.

Die Erfolge von Radioastron über drei Jahre sind beeindruckend: Es gelang ihm, die Größe vieler Quasare und relativistischer Jets zu bestimmen, das Verhalten von Raummastern zu beobachten und die ungewöhnliche Struktur von Pulsaren zu entdecken ... Zelenyikot sprach gut über einige der Ergebnisse . Radioastron beobachtet auch heute noch, dass die Aufgaben dafür noch lange geplant sind, und ich bin sicher, dass es uns weiterhin mit neuen Ergebnissen gefallen wird.

Hanbury Brown und Twiss machten eine weitere wissenschaftliche Revolution. Das Intensitätsinterferometer - verständlich, einfach einzurichten, unglaublich effektiv - erwies sich als leistungsstarkes Werkzeug in den Händen von Astronomen. Aber in seiner Arbeit gab es ein paar unverständliche Momente. Vor allem war es überraschend, warum g ⁽²⁾ für verschobene Teleskope genau zwei entspricht:

Es wurde angenommen, dass dies irgendwie mit dem Rauschen des Sterns zusammenhängt, aber wie genau war unklar. Ob unsere Helden sich dessen bewusst waren oder nicht, sie standen einen Schritt von einer völlig neuen Welt entfernt - der Quantenoptik .

Fortsetzung: Teil 3 .

Quellen von
M. Fox. Quantenoptik: Eine Einführung - Oxford University Press, 2006.
R. Hanbury Brown. Das Intensitätsinterferometer. Seine Anwendung auf die Astronomie. - London: Taylor & Francis, 1974.
R. Hanbury Brown. Boffin: Eine persönliche Geschichte der
Anfänge von Radar, Radioastronomie und Quantenoptik - Bristol: Adam Hilger, 1991. Glazkov Yu.N., Kolesnikov Yu.V. Im Weltall. - M.: Pädagogik, 1990.
2009 Workshop zur Sternintensitätsinterferometrie.
Nachruf: Robert Hanbury Brown. Nature 416, 34 (2002).
PG Tuthill Das Narrabri Stellar Intensity Interferometer: eine Hommage an den 50. Geburtstag. Proc. von SPIE 91460C (2014).

Bilder: KDPV , 1 , 2 , 4 , 5 , 7 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 .

Source: https://habr.com/ru/post/de386261/