전파 천문학

Radio astronomy
Karl G. Jansky Very Large Array, 미국 뉴멕시코의 무선 간섭계

전파천문학은 전파 주파수의 천체들연구하는 천문학 분야이다.천문학적 물체의 전파를 처음으로 발견한 것은 1933년 벨 전화 연구소의 칼 얀스키가 은하수에서 오는 방사선을 보고했을 였다.후속 관측 결과, 다수의 다른 전파 방출원이 확인되었다.여기에는 과 은하뿐만 아니라 전파은하, 퀘이사, 맥동, 매저같은 완전히 새로운 종류의 물체도 포함됩니다.빅뱅 이론의 증거로 여겨지는 우주 마이크로파 배경 복사의 발견은 전파 천문학을 통해 이루어졌다.

전파천문학은 단독으로 사용되는 전파망원경이라 불리는 대형 전파안테나를 사용하거나 전파간섭계법조리개 합성기술을 이용한 여러 개의 연계망원경을 사용하여 수행된다.간섭계를 사용하면 전파 천문학이 높은 각도 분해능을 달성할 수 있습니다. 간섭계의 분해능은 구성 요소의 크기가 아니라 구성 요소 간의 거리에 의해 설정되기 때문입니다.

역사

세계 최초의 전파 망원경인 뉴저지 홀름델에 있는 칼 얀스키와 그의 회전 지향성 안테나(1930년대 초)는 은하수로부터의 전파 방출을 발견하는 데 사용되었다.

잰스키가 1930년대에 은하수를 관측하기 전에, 물리학자들은 천문학적 근원에서 전파를 관측할 수 있다고 추측했다.1860년대에 제임스 클러크 맥스웰의 방정식전자기 복사가 전기와 자기와 연관되어 있고 어떤 파장에서도 존재할 수 있다는 것을 보여주었다.1896년 독일의 천체물리학자인 요하네스 윌싱과 줄리어스 샤이너의 실험과 1897년에서 1900년 사이 올리버 로지가 설치한 1센티미터의 파동 방사 장치를 포함하여 태양으로부터의 전파 방출을 감지하기 위한 여러 시도가 이루어졌다.이러한 시도는 계측기의 기술적 한계로 인해 방출을 감지할 수 없었습니다.1902년 전리층을 반사하는 전파의 발견으로 물리학자들은 이 층이 어떤 천문학적 전파 전송도 우주로 튕겨나가서 검출할 [1]수 없게 만들 것이라고 결론지었다.

칼 얀스키는 1930년대 초에 최초의 천문학적 전파원을 우연히 발견했다.Bell Telephone Laboraties에서 새로 고용된 라디오 엔지니어로서, 그는 대서양 횡단 단파 음성 전송을 방해할 수 있는 잡음을 조사하는 임무를 맡았습니다.방향성 안테나를 사용하여 Jansky는 아날로그 펜 앤 페이퍼 레코딩 시스템이 지속적인 반복 신호 또는 원인을 알 수 없는 "쉿" 소리를 계속 녹음한다는 것을 알게 되었습니다.신호가 약 24시간마다 최고조에 달했기 때문에, 얀스키는 처음에 간섭의 원인이 자신의 지향성 안테나의 시야를 가로지르는 태양이라고 의심했다.그러나 계속된 분석 결과 이 근원은 태양의 24시간 주기를 정확히 따르는 것이 아니라 23시간 56분 주기로 반복되고 있는 것으로 나타났다.Jansky는 그의 친구인 천체물리학자인 Albert Melvin Skellett와 함께 이 수수께끼 같은 현상을 논의했는데, 그는 신호가 최고조에 달할 때 관측된 시간은 항성일과 정확히 일치한다고 지적했다. 즉, [2]지구가 회전할 때마다 "고정된" 천체 물체가 안테나 앞을 통과하는 데 걸리는 시간이었다.그의 관찰 결과를 광학 천문학 지도와 비교함으로써, 얀스키는 결국 그의 안테나가 궁수자리 [3]은하에서 가장 밀도가 높은 부분을 겨냥했을 때 방사선원이 최고조에 달했다는 결론을 내렸다.

잰스키는 1933년 4월 워싱턴 D.C.에서 열린 회의에서 그의 발견을 발표했고 전파 천문학 분야가 [4]탄생했다.1933년 10월, 의 발견은 "외계에서 [5]발생한 것으로 보이는 전기 장애"라는 제목의 저널 기사에 실렸다.Jansky전파 잡음의 이후 태양(며 따라서 다른 별들)이 아니라면 큰 기여, 그 이상한 무선 전파 간섭은 은하계에 성간 가스와 먼지에 의해, 특히, 하전 입자의 열 교란"에 의해 야기될 수 있다고 결론지었다."[2][6](Jansky의 최대 전파원 중의 하나인, 하늘에서 가장 똑똑할에서는 궁수 자리 A지정되었다.1950년대에 강한 자기장의 전자에 의해 방출된다는 가설을 세웠다.현재 생각으로는 이들은 현재 Sagitarius A*로 명명된 은하 중심에 있는 거대한 블랙홀 주변의 궤도에 있는 이온들입니다.별표는 Sagitarius A의 입자가 이온화되었음을 나타냅니다.)[7][8][9][10]

1935년 이후, 얀스키는 은하수로부터의 전파를 더 자세히 조사하기를 원했지만, 벨 연구소는 그를 다른 프로젝트에 재지정했고, 그래서 그는 천문학 분야에서 더 이상 일하지 않았다.전파 천문학 분야에서 그의 선구적인 노력은 플럭스 밀도의 기본 단위인 얀스키(Jy)를 그의 이름을 [11]따서 명명함으로써 인정받았다.

세계 최초의 포물선 전파 망원경 일리노이주 휘튼에 있는 그로테 리버의 안테나

Grote Reber는 Jansky의 작품에서 영감을 받아 1937년 그의 뒷마당에 지름 9m의 포물선 전파 망원경을 만들었다.그는 잰스키의 관측을 반복하는 것으로 시작해, 무선 [12]주파수로 최초의 하늘 조사를 실시했습니다.1942년 2월 27일, 영국 육군 연구 장교인 제임스 스탠리 헤이는 [13]태양에서 방출되는 전파를 처음으로 탐지했다.그 해 말, Jansky와 같은 Bell 연구소George Clark Southworth도 [14]태양에서 나오는 전파를 탐지했다.두 연구자 모두 전시 보안 레이더에 묶여 있었기 때문에 그렇지 않은 르베르는 1944년 연구 결과를 [15]먼저 발표했다.E를 포함한 몇몇 다른 사람들은 독립적으로 태양 전파를 발견했다. 덴마크[16] 쇼트노퍽 [17][18][19][20]섬에서 일하는 엘리자베스 알렉산더.

1967년 조슬린버넬이 펄서의 증거를 처음 인식한 차트(캠브리지 대학 도서관에 전시)

제2차 세계대전 중 전리층 연구가 진행된 케임브리지대에서는 J.A. 래트클리프가 전시 레이더 연구를 수행했던 전기통신연구기관의 회원들과 함께 태양으로부터의 전파 방출이 관측되고 연구된 대학에 방사선물리학 그룹을 만들었다.이 초기 연구는 곧 다른 천체 전파원의 관측으로 확장되었고, 검출된 방출의 각도 선원을 분리하기 위해 간섭계 기법이 개척되었다.캐번디시 천체물리학 그룹의 마틴 라일과 앤서니 휴이쉬는 지구 자전 개구 합성 기술을 개발했습니다.캠브리지의 전파천문학 그룹은 1950년대 캠브리지 근처에 멀러드 전파천문대를 설립하였다.1960년대 후반과 1970년대 초, 컴퓨터(타이탄 등)가 필요한 계산 집약적인 푸리에 변환 반전을 처리할 수 있게 되면서, 그들은 조리개 합성을 사용하여 각각 1마일과 라일 망원경을 사용하여 '1km'와 '5km'의 유효 조리개를 만들었다.그들은 캠브리지 간섭계를 사용하여 전파 하늘을 지도화했고, 제2(2C)와 제3(3C) 캠브리지 [21]전파원 카탈로그를 제작했다.

기술

지구 대기 흡수 및 다양한 파장의 전자기 방사선의 산란(또는 불투명도)에 대한 대략적인 플롯으로 지구에서 관측할 수 있는 전파 창입니다.

전파천문학자들은 전파 스펙트럼의 물체를 관측하기 위해 다른 기술을 사용한다.계측기는 단순히 방출을 분석하기 위해 고에너지 전파원을 가리킬 수 있습니다.하늘의 한 영역을 더 자세히 "이미징"하기 위해 여러 겹치는 스캔을 기록하고 모자이크 이미지로 함께 연결할 수 있습니다.사용되는 계측기 유형은 신호의 강도와 필요한 세부 사항 양에 따라 달라집니다.

지구 표면으로부터의 관측은 대기를 통과할 수 있는 파장으로 제한된다.저주파 또는 장파장에서는 전리층에 의해 전송이 제한되며, 전리층은 특징적인 플라즈마 주파수보다 낮은 주파수의 파장을 반사합니다.수증기는 고주파 전파천문학을 방해하기 때문에 시야의 수증기 함량을 최소화하기 위해 매우 높고 건조한 곳에 밀리미터 파장의 관측을 하는 전파관측소를 짓게 되었다.마지막으로, 지구상의 송신 장치는 무선 주파수 간섭을 일으킬 수 있다.이것 때문에, 많은 전파 전망대가 외진 곳에 세워집니다.

전파 망원경

전파 망원경은 신호 대 잡음비가 낮은 신호를 수신하기 위해 매우 커야 할 수 있다.또한 각도 분해능은 관찰되는 전자 복사의 파장에 비례하는 "객체" 지름의 함수이기 때문에, 전파 망원경은 광학 망원경에 비해 훨씬 커야 한다.예를 들어, 1미터 직경의 광학 망원경은 관측된 빛의 파장보다 약 0.3초의 분해능을 주는 200만 배 더 큰 반면, 관측된 파장에 따라 그 크기의 "접시"는 보름달 크기의 물체만 분해할 수 있을 것이다.

무선 간섭계

Atacama Large Millimeter Array(ALMA; 대형 밀리미터 어레이), 무선 간섭계로 연결된 다수의 안테나
M87 optical image.jpg
은하 M87(HST)의 광학 이미지, 간섭계(Very Large Array-VLA)를 이용한 같은 은하의 무선 이미지, 미국, 독일, 이탈리아, 핀란드, 스웨덴의 안테나로 구성된 초롱 베이스라인 어레이(VLBI)를 이용한 중심부(VLBA) 이미지.입자의 분출은 은하 중심에 있는 블랙홀에 의해 작동되는 것으로 추측된다.

단일 전파 망원경으로 고해상도를 달성하는 것이 어려워지자 1946년 영국의 전파천문학자 마틴 라일과 호주의 엔지니어, 방사선물리학자와 전파천문학자 조셉 라데 포시루비 페인-스코트에 의해 개발된 전파간섭측정법으로 이어졌다.1946년 1월 26일 페인-스코트, 포시, 린제이 맥크레디가 호주 시드니 근교200MHz에서 단일 변환 레이더 안테나(광대측 어레이)를 사용하여 천문 관측을 위한 전파 간섭계를 최초로 사용했다.이 그룹은 해면 절벽 간섭계의 원리를 사용했다. 이 원리는 안테나(이전의 제2차 세계대전 레이더)가 태양으로부터의 직접 방사선과 바다의 반사 방사선에서 발생하는 간섭으로 일출 시에 태양을 관측하는 것이었다.거의 200미터의 기준선에서, 저자들은 폭발 단계 동안의 태양 복사가 태양 원반보다 훨씬 작으며 큰 태양 흑점 그룹과 연관된 지역에서 발생한다는 것을 알아냈다.호주 그룹은 1947년에 발표된 획기적인 논문에서 조리개 합성 원리를 설명했다.제2차 세계대전 중 호주, 이란 및 영국의 수많은 그룹이 바다 절벽 간섭계를 사용하여 비행기의 간섭 테두리(직접 레이더 리턴 방사선과 바다에서 반사된 신호)를 관찰하였다.

케임브리지의 라일과 본버그 그룹은 1946년 7월 중순, 약 수십 미터에서 240 미터 사이의 간격을 가진 두 개의 무선 안테나로 구성된 마이클슨 간섭계를 사용하여 175 MHz로 태양을 처음으로 관찰했다.그들은 방사선의 크기가 10분 미만이라는 것을 보여주었고 또한 타입 I 폭발에서 원형 편광을 감지했다.다른 두 그룹도 거의 동시에 원형 편광 현상을 감지했다. (호주의 데이비드 마틴과 영국의 제임스 스탠리 헤이와 에드워드 애플턴)

현대의 전파 간섭계는 동축 케이블, 도파관, 광섬유 또는 다른 유형의 전송선사용하여 서로 연결된 동일한 물체를 관찰하는 널리 분리된 전파 망원경으로 구성됩니다.이것은 수집된 총 신호를 증가시킬 뿐만 아니라, 분해능을 크게 높이기 위해 조리개 합성이라고 불리는 프로세스에서도 사용될 수 있습니다.이 기술은 같은 위상과 일치하는 파동이 서로 더해지는 반면 서로 반대되는 위상을 가진 두 파동이 서로 상쇄된다는 원리로 서로 다른 망원경의 신호파를 중첩("간섭")하는 방식으로 작동합니다.이렇게 하면 어레이 내에서 가장 멀리 떨어져 있는 안테나 크기의 망원경이 만들어집니다.고품질 이미지를 생성하기 위해서는 서로 다른 망원경 간에 다수의 다른 분리(전파 소스에서 볼 수 있는 두 망원경 사이의 투영된 분리를 "기준선"이라고 한다)가 필요하다. – 양질의 이미지를 얻기 위해서는 가능한 한 많은 다른 기준선이 필요하다.를 들어 Very Large Array에는 한 번에 351개의 독립 기준선을 제공하는 27개의 망원경이 있습니다.

초장기선 간섭계

1970년대부터 전파 망원경 수신기의 안정성이 향상되면서 전 세계 (그리고 지구 궤도에서도) 망원경을 조합하여 매우 긴 기준선 간섭계를 수행할 수 있게 되었다.안테나를 물리적으로 연결하는 대신, 각 안테나에서 수신된 데이터는 일반적으로 로컬 원자 시계로부터 타이밍 정보와 페어링되어 나중에 자기 테이프 또는 하드 디스크에 분석하기 위해 저장됩니다.그 후, 마찬가지로 기록된 다른 안테나로부터의 데이터와 관련지어 화상을 생성한다.이 방법을 사용하면 효과적으로 지구 크기의 안테나를 합성할 수 있다.망원경들 사이의 거리가 멀기 때문에 매우 높은 각도 분해능을 얻을 수 있으며, 사실 다른 천문학 분야보다 훨씬 더 큰 해상도를 얻을 수 있습니다.가장 높은 주파수에서는 1밀리초 미만의 합성빔이 가능하다.

현재 가동되고 있는 뛰어난 VLBI 어레이는 초롱 베이스라인 어레이(북미 전역에 배치된 망원경 포함)와 유럽 VLBI 네트워크(유럽, 중국, 남아프리카 및 푸에르토리코의 망원경)입니다.각 배열은 일반적으로 개별적으로 작동하지만, 때때로 프로젝트를 함께 관찰하여 감도를 높입니다.이것은 글로벌 VLBI라고 불립니다.LBA(롱 베이스라인 어레이)[22]라고 불리는 호주와 뉴질랜드에서 운영되는 VLBI 네트워크와 동아시아 VLBI 네트워크(EAVN)[23]를 형성하기 위해 함께 관찰하는 일본, 중국 및 한국의 어레이도 있습니다.

그 시작 이후, 데이터를 하드 미디어에 기록하는 것이 각 망원경에 기록된 데이터를 나중에 상관관계를 위해 하나로 모으는 유일한 방법이었다.그러나 오늘날 전 세계 고대역폭 네트워크의 가용성으로 인해 실시간으로 VLBI를 수행할 수 있습니다.이 기술(e-VLBI라고 함)은 원래 일본에서 개척되었으며,[24] 최근에는 매년 증가하는 과학 e-VLBI 프로젝트를 수행하는 EVN(유럽 VLBI 네트워크)에 의해 호주와 유럽에서 채택되었습니다.

천문원

은하수 은하 중심부의 라디오 이미지.화살표는 새롭게 발견된 일시적인 저주파 전파원 GCRT J1745-3009의 위치인 초신성 잔해를 나타낸다.

전파천문학은 특히 맥동, 퀘이사[25], 전파은하를 포함한 여러 종류의 새로운 물체의 발견으로 천문학 지식의 상당한 증가를 가져왔다.전파천문학은 광학천문학에서는 검출할 수 없는 것을 볼 수 있게 해주기 때문이다.이러한 물체는 우주에서 가장 극단적이고 에너지 넘치는 물리적 과정을 나타냅니다.

우주 마이크로파 배경 복사 또한 전파 망원경을 사용하여 처음 발견되었다.하지만, 전파 망원경은 태양과 태양 활동의 관측, 그리고 행성들의 레이더 지도를 포함하여, 집에서 훨씬 더 가까운 물체들을 조사하는데도 사용되어 왔다.

기타 소스는 다음과 같습니다.

국제 규정

캘리포니아 골드스톤스페이스 통신 복합체의 안테나 70m
목성의 전파폭발

전파천문서비스(또는 전파천문 무선통신서비스)[27]국제전기통신연합(ITU) 무선규정(R) 제1.58조에 따라 "전파천문 사용을 수반하는 무선통신서비스"로 정의된다.본 무선통신 서비스의 대상은 천체 또는 천체에서 송신되는 전파를 수신하는 것입니다.

주파수 할당

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전파 천문학
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37.5 ~ 38.25 MHz 고정
모바일.
전파 천문학
322 – 328.6 고정
모바일.
전파 천문학
406.1~410 픽스ED
모바일(항공용 모바일 제외)
전파 천문학
1 400 – 1 427 지구탐사 위성(패시브)
전파 천문학
공간 조사(수동적)
1 610.6–1 613.8

모바일 위성

(지구 대 공간)

전파 천문학
항공의

방사성 항법



1 610.6–1 613.8

모바일 위성

(지구 대 공간)

전파 천문학
항공의

방사성 항법

방사성 결정

위성(지구 대 우주)
1 610.6–1 613.8

모바일 위성

(지구 대 공간)

전파 천문학
항공의

방사성 항법

방사성 결정-

위성(지구간)
10.6~10.68GHz 무선 천문학 및 기타 서비스
10.68~10.7 전파천문 및 기타 서비스
14.47~14.5 전파천문 및 기타 서비스
15.35~15.4 전파천문 및 기타 서비스
22.21~22.5 전파천문 및 기타 서비스
23.6~24 전파천문 및 기타 서비스
31.3~31.5 전파천문 및 기타 서비스

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

일지
책들
  • 브루노 베르토티(편집), Retrospect의 현대 우주론.케임브리지 대학 출판부 1990.
  • James J. Condon 등:필수 전파 천문학Princeton University Press, Princeton 2016, ISBN 9780691137797.
  • 로빈 마이클 그린, 구면천문학자입니다.케임브리지 대학 출판부, 1985.
  • 레이먼드 헤인즈, 로슬린 헤인즈, 리처드 맥기, 남천 탐험가: 호주 천문학의 역사.1996년 케임브리지 대학 출판부.
  • J.S. 이봐, 전파천문의 진화.닐 왓슨 아카데미, 1973년
  • 데이비드 L. 잰시, 전파천문학 우주론1977년 봄.
  • 로저 클리프턴 제니슨, 전파천문학 입문 1967년
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