Как радиотелескопы обнаруживают сигналы из глубокого космоса

Радиотелескопы не похожи на оптические телескопы, но работают по тому же основному принципу: собирают свет, фокусируют его и анализируют. Разница в длине волны. По словам Национальной обсерватории радиоастрономии США (NRAO), радиотелескопы наблюдают длины волн примерно от 1 миллиметра до 10 метров, намного длиннее нескольких сотен нанометров видимого света, поэтому их «линзы» — это металлические тарелки, а не стекло.

Превращение слабого шепота в полезные данные

NRAO описывает космические радиосигналы как удивительно слабые, отмечая, что один сигнал мобильного телефона несет примерно в миллиард миллиардов раз больше энергии, чем слабые космические радиоволны, которые эти телескопы предназначены обнаруживать. Чтобы поймать что-то полезное, радиотелескопу нужна большая приемная площадь и чувствительная электроника.

• Парабалическая тарелка, форма которой отражает входящие радиоволны в единую точку фокуса над ней
• Фидерный рог в этой точке фокуса, металлическая воронка, рассчитанная на изучаемую длину волны, которая направляет волны в приемник
• Приемник, часто сверхохлажденный, который обнаруживает сигнал и передает его дальше
• Усилитель, который усиливает сигнал перед его записью для анализа

Связывание телескопов вместе: интерферометрия

Однако ни одна тарелка, насколько бы большой она ни была, не может сравниться с деталями, которые может достичь оптический телескоп. NRAO объясняет, что радиоастрономы решают эту проблему с помощью интерферометрии: наведение нескольких антенн на один и тот же объект и использование суперкомпьютера, называемого коррелятором, для комбинирования их сигналов так, как если бы они пришли от одного гигантского телескопа. Поскольку один и тот же космический сигнал поступает на каждую антенну в немного разное время, полученные различия во времени позволяют астрономам реконструировать гораздо больше деталей, чем мог бы захватить один телескоп. NRAO отмечает, что корреляторы могут работать на фемтосекундных скоростях, выполняя до 16 бильардов операций в секунду, и что его Очень длинный базовый интерферометр распределяет антенны по континентам, синхронизируя их водородными мазерными атомными часами, точными до нескольких миллиардных долей секунды.

Формирование изображения черной дыры с помощью телескопа размером с Землю

Наиболее ясная демонстрация этой техники — это Телескоп горизонта событий (EHT). По словам NRAO, он связывает восемь наземных радиотелескопов, разбросанных по всему миру, которые наблюдали вместе во время кампании 2017 года, используя очень длинный базовый интерферометр, так что они действовали как единый инструмент размером примерно с Землю. Каждый телескоп записывал примерно 350 терабайт данных в день; записи были позже отправлены в специализированные корреляторы в Институт радиоастрономии Макса Планка и Обсерваторию Хейстак MIT для комбинирования.

Целью была сверхмассивная черная дыра в центре галактики M87. Ее горизонт событий охватывает примерно 40 миллиардов километров, но с Земли получившееся яркое кольцо вокруг ее тени составляло около 40 микросекунд дуги в поперечнике — масштаб, который NRAO сравнивает с «измерением длины кредитной карты на поверхности Луны». Объединенные данные дали первое в истории изображение тени черной дыры.

Ловля мгновенных вспышек из глубокого космоса

Не все радиотелескопы полагаются на тарелку вообще. CHIME, Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода на Доминионской радиоастрономической обсерватории в Британской Колумбии, использует четыре неподвижных отражателя полусоленоидной формы без движущихся частей, согласно MIT Physics. Вместо направляющего оборудования его коррелятор обрабатывает примерно 7 терабит данных в секунду, чтобы цифровым путем реконструировать сигналы, поступающие из тысяч направлений в небе одновременно.

Этот дизайн сделал CHIME чрезвычайно эффективным при ловле быстрых радиовсплесков (FRBs), миллисекундных вспышек радиоэнергии из глубокого космоса. В первый год своей работы, 2018–2019 годов, CHIME обнаружила 535 новых FRBs, почти четырехкратно превысив примерно 140 вспышек, известных во всем мире до этого момента, сообщила MIT Physics. Улов включал 18 источников, которые взрывались повторно, паттерн, который предположил, что повторяющиеся и однократные FRBs могут возникать из разных астрофизических механизмов.

Самая большая тарелка в мире и что дальше

Пятисотметровый апертурный сферический радиотелескоп Китая (FAST), построенный в естественной долине в провинции Гуйчжоу, имеет 500-метровую тарелку из примерно 4400 регулируемых алюминиевых панелей, обеспечивающую эффективную апертуру около 300 метров в любой момент времени, согласно EarthSky. Он наблюдает длины волн от 10 сантиметров до 4,3 метров и имеет примерно в два раза большую приемную площадь, чем 305-метровая тарелка Arecibo, которую он превзошел по размеру. FAST стал полностью рабочим в январе 2020 года и начал выделять около 10% времени наблюдений международным исследователям в августе 2021 года.

Эта чувствительность привела к рекордному количеству пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, которые излучают лучи радиоволн мимо Земли, как маяк. По состоянию на октябрь 2025 года FAST идентифицировала 1152 пульсара, больше, чем объединенное количество, найденное другими телескопами во всем мире за тот же период, сообщила китайская государственная телевещательная компания CGTN.

Следующий скачок в масштабе уже находится в стадии строительства. Обсерватория SKA строит два дополнительных массива, согласно собственному описанию проекта: SKA-Low в Западной Австралии с 131072 антеннами, разбросанными на максимальной базовой линии 74 километра, и SKA-Mid в Южной Африке с 197 тарелочными антеннами, охватывающими максимальную базовую линию 150 километров. Вместе эти два участка предназначены для того, чтобы позволить астрономам изучать структуру галактик, окружение черных дыр и гравитационные волны с большей деталью, чем позволяют существующие инструменты.