Pracownia Radioastronomii
Obserwatorium Astronomiczne UJ
Ćwiczenie nr 2: Wyznaczanie podstawowych
parametrów anteny radioteleskopu RT-15
Błażej Nikiel-Wroczyński, Urszula Pajdosz-Śmierciak, Stanisław Ryś, Marek Weżgowiec
Streszczenie
Celem ćwiczenia jest wykorzystanie obserwacji radioźródla Cas A do wyznaczenia podstawowych
˛
parametrów anteny radioteleskopu RT-15: zdolności rodzielczej, powierzchni efektywnej, kata
bryłowego i współczynnika wykorzystania powierzchni anteny, a także czułości teleskopu oraz
efektywności listka głównego.
I.
Wprowadzenie
Jednym z najważniejszych parametrów opisujacych
˛
radioteleskop jest jego zdolność
rozdzielcza (R), definiowana jako najmniejsza, katowa
˛
odległość miedzy
˛
dwoma obiektami
na sferze niebieskiej, które zarejestrowane zostana˛ jako oddzielne źródła promieniowania.
Wielkość ta zależy przede wszystkim od średnicy apertury (D) i długości fali (λ), na której
obserwujemy:
λ
(1)
D
Najprostszym sposobem wyznaczenia zdolności rodzielczej danego instrumentu jest
analiza charakterystyki kierunowej jego anteny. Dokonuje sie˛ tego wykorzystujac
˛ obserwacje
silnego, punktowego radioźródła. W takiej sytuacji rejestrowany profil źrodła jest splotem
charakaterystki kierunkowej anteny i delty Diraca (jako rozkładu jego jasności). Zdolność
rozdzielcza bedzie
˛
równa szerokości tego profilu zmierzonej na połowie mocy (Half Power
Beam Width; HPBW). Najwygodniej wyrażać ja˛ w jednostkach miary katowej.
˛
Uzyskanie dobrych zdolności rodzielczych (rzedu
˛
sekund łuku) nie stanowi problemu
w przypadku obserwacji optycznych – gdzie długość fali wynosi kilkaset nanometrów.
W radioastronomii obserwacje prowadzone sa˛ na falach o długościach siegaj
˛ acych
˛
metrów i
nawet najwieksze
˛
anteny rzadko kiedy uzyskuja˛ zdolność rodzielcza˛ lepsza˛ niż minuta łuku
na falach długości ok. 3 cm. Rozwiazaniem
˛
tego problemu jest wykorzystanie sieci interferometrycznych, gdzie możliwe do uzyskania sa˛ zdolności rodzielcze rzedu
˛
mikrosekund
łuku.
Oprócz zdolności rodzielczej, innymi ważnymi parametrami radioteleskopów sa˛ powierzchnia efektywna anteny (Aeff ), jej kat
˛ bryłowy ΩA , efektywność jej listka głównego
(η M ) oraz współczynnik kierunkowości (zysk, G) i czułość teleskopu (Γ).
R∼
Zakład Radioastronomii i Fizyki Kosmicznej
1
Ćwiczenie nr 2: Wyznaczanie podstawowych parametrów anteny radioteleskopu RT-15
Stosunek powierzchni efektywnej do powierzchni geometrycznej pozwala na wyliczenie
współczynnika wykorzystania powierzchni anteny; radioteleskopy wykorzystywane do
celów naukowych cechuje η M wynoszacy
˛ około 0.7–0.8. Powierzchnie˛ efektywna˛ wyznaczamy ze wzoru (2); Sv oznacza strumień zaobserwowanego źródła na danej czestotliwości
˛
(wielkość tablicowa), a kB to stała Boltzmanna:
1
kB TA = Aeff Sv
2
Czułość teleskopu i zysk definiowane sa˛ nastepuj
˛ aco:
˛
Aeff
2kB
4πAeff
G =
λ2
Γ =
(2)
[K/Jy]
(3)
(4)
Kat
˛ bryłowy anteny obliczamy z poniższego wzoru:
Aeff · ΩA = λ2
(5)
Efektywność listka głównego anteny jest natomiast zdefiniowana jako stosunek kata
˛
4
bryłowego listka głównego (wyznaczonego z wyrażenia: ΩM = 3 Rdec · Rt , gdzie Rdec i Rt stanowia˛ wartości zdolności rozdzielczych zmierzonych w deklinacji oraz w kacie
˛ godzinnym)
i kata
˛ bryłowego anteny.
II.
Przebieg ćwiczenia
• UWAGA: Przed rozpocz˛eciem ćwiczenia należy zapoznać si˛e z instrukcja,
˛ przygotować efemerydy radioźródła Cas A na moment obserwacji i przygotować kart˛e
pomiarów;
• Uruchomić zasilanie odbiornika radioteleskopu i napedów
˛
oraz komputer sterujacy;
˛
Uwaga: powyższe czynności należy wykonać odpowiednio wcześniej przed rozpoczeciem
˛
zbierania danych, tak aby układ uległ stabilizacji termicznej;
• Zarejestrować kalibracje˛ zimna˛ w zenicie (ze wzgledu
˛
na geste
˛
otoczenie Cas A, nie
jest możliwe kalibrowanie w pobliżu tego źródła);
• Przejechać radioteleskopem na pozycje˛ odpowiadajac
˛ a˛ położeniu Cas A;
• Zarejestrować skany źródła w kacie
˛
godzinnym oraz deklinacji – co najmniej trzy
skany w każdej z osi;
• Zaparkować radioteleskop w położeniu zenitalnym i powtórzyć kalibracje.
˛
2
Obserwatorium Astronomiczne UJ
Ćwiczenie nr 2: Wyznaczanie podstawowych parametrów anteny . . .
III.
Opracowanie danych
Uwaga ogólna: W opracowaniu należy prezentować wszystkie kroki pośrednie oraz
wykorzystywane wzory. Należy pamietać
˛
o poprawnej analizie wymiarowej, zawsze podawać jednostki. Prezentujac
˛ wyniki należy ograniczyć sie˛ do dwóch miejsc znaczacych.
˛
Nieprzestrzeganie tych zasad może spowodować, że sprawozdanie nie zostanie uznane!
• Przejrzeć zarejestrowany przebieg: czy wystepuj
˛
a˛ nagłe zmiany poziomu sygnału?
Czy pojawiaja˛ sie˛ artefakty? Wszelkie dane, co do których nie ma pewności, czy
sa˛ poprawne, należy wyciać,
˛ ponieważ obniżaja˛ czułość; umieścić w sprawozdaniu
wykres przedstawiajacy
˛ zależność sygnału od numeru próbki - zarówno przed, jak i
po przefiltrowaniu;
• Wyznaczyć przelicznik z ADU na Kelwiny;
• Uśrednić skany pomiarowe (osobno dla kata
˛ godzinnego i deklinacji);
• Korzystajac
˛ z dowolnego oprogramowania do analizy danych dopasować profil
funkcji Gaussa do uśrednionych pomiarów; załaczyć
˛
tabele˛ z parametrami i wykres
z widocznym dopasowaniem funkcji Gaussa do uśrednionego przebiegu;
• Określić zdolność rozdzielcza˛ anteny w obu osiach, uwzgledniaj
˛
ac
˛ poprawke˛ na
cosinus deklinacji w przypadku kata
˛ godzinnego (przemnożyć uzyskana˛ zdolność
rozdzielcza˛ w kacie
˛ godzinnym przez cos δ), wartość podać w stopniach;
• Wyszukać w literaturze aktualna˛ wartość strumienia promieniowania Cas A w Jy na
czestotliwości
˛
obserwacji (1420 MHz) – pamietać
˛
o podaniu referencji do odpowiedniej
publikacji w sprawozdaniu;
• Wykorzystujac
˛ wzory podane we wprowadzeniu oraz dopasowanych wartości parametrów wyznaczyć poszukiwane wielkości: powierzchnie˛ efektywna,
˛ wspołczynnik
wykorzystania powierzchni i kat
˛ bryłowy anteny, oraz czułość, zysk i efektywość listka
głównego.
Zakład Radioastronomii i Fizyki Kosmicznej
3