В предыдущей статье я рассказывал о теории: как чисто квантовое явление — сверхтонкий переход в атоме водорода — стала ключом к картографии Галактики и универсальным эталоном для поиска внеземного разума. Но теория остаётся теорией, а вот "пощупать" Галактику собственными руками хотелось очень давно. Сделать это можно, если построить свой собственный радиотелескоп.

Первое, о чем приходится задуматься при мысли о постройке радиотелескопа — это решить, какую частоту принимаемой волны выбрать. Тепловое излучение из космоса приходит во всем диапазоне электромагнитных волн, правда, атмосфера Земли пропускает совсем немного на общем фоне, создавая два "окна".

Более интересным, чем тепловое излучение, да и зачастую более интенсивным является дискретное. Для радиоастрономии международным регламентом радиосвязи защищены полосы вокруг фундаментальных линий космического происхождения: линии нейтрального водорода (H) на 1420,4 МГц и родственной ей линии дейтерия на 327,4 МГц; четырёх линий гидроксила (OH) между 1612 и 1720 МГц; а также множество линий в миллиметровом диапазоне, таких как линия монооксида углерода (CO) на 115,3 ГГц, что позволяет изучать структуру Галактики, молекулярные облака и химический состав Вселенной, не заглушая их земными передатчиками.

Выбор пал на линию нейтрального водорода на 1420 МГц, более известную по длине волны — 21 см. Таким образом, предстояло, по сути, повторить путь первооткрывателя Гарольда Ивена спустя 70 лет. Не с грантом в 500 долларов 1951 года, а с тем, что доступно сейчас: спутниковым хламом, деталями с Aliexpress и старым компьютером. Общая цель: не просто «услышать» линию 21 см, а получить в перспективе из своих данных представление о структуре Млечного Пути.

Считаю, кстати говоря, что и в образовательных целях полезно повторять некоторые пионерские эксперименты, например, студентам. Ведь в таком случае на "собственной шкуре" рождается понимание, как из груды железа рождается инструмент, а из шума на экране — знание.

Глава 1. Конструкция: философия «сарайной» сборки

Радиотелескоп — это, в сущности, очень специализированный радиоприёмник. Его задача — уловить невероятно слабый сигнал из определённой точки неба. Эти два требования и диктуют всю конструкцию.

Антенна: «Тарелка»-зомби с крыши

Хороший коллектор радиоволн — параболическое зеркало. К тому же у большинства радиотелескоп ассоциируется именно с "тарелками", хотя это не совсем верно. Новое стоит дорого, но нам везёт: эпоха спутникового ТВ в C-диапазоне оставила после себя тысячи ржавеющих «тарелок» диаметром 1,8 и, гораздо реже, 2,4 м. Мою будущую антенну я нашёл без особого труда за 1000 рублей. После очистки от ржавчины и покраски она обрела вторую жизнь как зеркало радиотелескопа.

Облучатель: ключевой узел — жестяное «ведёрко»

Штатный конвертер спутниковой антенны для нашего диапазона (21 см) не годится. Пришлось стать жестянщиком. Облучатель — это круглый волновод, по сути, отрезок трубы строго рассчитанного диаметра. Один конец такого волновода наглухо закрыт. Собранное с большой площади параболическим отражателем излучение фокусируется в области, где и установлен волновод. Бегущая в нем радиоволна наводит ток на проволочный зонд, помещенный недалеко от заглушенного конца, которое отражает волну обратно. Расстояние от зонда до дна рассчитано так, что отражённая волна возвращается в фазе с падающей, усиливая ток в зонде. Из оцинкованной стали было спаяно то самое «ведёрко», которое стало сердцем приёмной системы.

Более подробно о размерах облучателя

Конструкция облучателя определяется тремя критическими размерами, жёстко привязанными к длине волны. Для частоты 1420,4 МГц (длина волны в вакууме λ₀ ≈ 21,1 см) расчёты выглядят так:

1. Диаметр круглого волновода (D). Он должен быть больше критического диаметра, иначе волна не будет распространяться. Для основного типа волны TE₁₁ в круглом волноводе: см. На практике берут с запасом, обычно  см, чтобы уменьшить потери и упростить изготовление. В моем случае см.

2. Длина волновода (L). Длина круглого волноводного облучателя выбирается резонансной, чтобы внутри него установилась стоячая волна основного типа колебаний TE₁₁, что обеспечивает равномерное синфазное излучение с открытого конца. Она кратна половине длины волны в волноводе (), рассчитанной с учётом выбранного диаметра (D). Для работы на волне см при диаметре см длина волны в волноводе составляет см, поэтому в качестве стартового, наиболее компактного и эффективного варианта обычно берут см. Окончательная длина уточняется в процессе электродинамического моделирования для оптимизации диаграммы направленности и согласования и в моем случае составила 28 см.

3. Расстояние от зонда до дна (l). Это самая важная величина. Дно волновода — короткозамыкатель. Чтобы отражённая от дна волна вернулась к зонду в фазе и усилила сигнал, нужно учесть увеличение длины волны в волноводе () по сравнению со свободным пространством. Упрощённая формула для согласования:  Для нашего волновода диаметром 15,6 см на частоте 1420 МГц см, а значит  см.

4. Глубина и положение зонда. Зонд (штырь) вводится в волновод на глубину, обычно равную  от противоположной стенки. Его положение также влияет на согласование с коаксиальным кабелем (обычно 50 Ом).

На рисунке выше, да и на заглавном фото хорошо видно "чашку" с диаметром сильно больше самого облучателя — это дроссельное кольцо — круглый кольцевой паз (желоб) вокруг раскрыва волноводного облучателя. Его главное назначение — улучшение согласования (снижение КСВ). Открытый конец волновода плохо согласован со свободным пространством, что вызывает отражение части сигнала назад. Дроссель резко снижает это отражение, подавляя паразитные токи, наводимые на внешней поверхности фланца и стенках волновода падающими из пространства радиоволнами. Без такого кольца эти токи создают собственное неконтролируемое переизлучение, которое интерферирует с полезным сигналом, принятым непосредственно через раскрыв. Это приводит к искажению диаграммы направленности — расширению главного лепестка, росту задних и боковых лепестков, что ухудшает помехозащищённость и увеличивает шумовую температуру антенны. Кольцо, глубина которого близка к четверти длины волны, представляет собой для этих паразитных поверхностных токов высокоомное сопротивление (дроссель), блокируя их распространение. В результате поле на раскрыве становится чище и определённее, что позволяет облучателю более точно и с минимальными потерями передавать принятую энергию от раскрыва в волноводный тракт.

Глубина желоба выбирается примерно равной  в свободном пространстве (для 21 см это ~5.3 см). Ширина обычно составляет . Часто используют несколько концентрических колец для работы в более широкой полосе частот.

Приемный тракт: где царят шумы

За оцифровку отвечает SDR-приёмник — в моём случае клон RTL-SDR Blog V3 за ~2000 рублей. И хотя оригинал делается в Китае, купить его россиянину в связи с санкциями напрямую нельзя. Это «флешка», содержащая в себе и широкополосный гетеродинный приемник, и АЦП, превращающая радиосигнал в цифровой поток для компьютера.

Однако сигнал, приходящий от межзвездного водорода Галактики, весьма слаб. Радиотелескопы -- одни изз наиболее чувствительных инструментов, созданных человечеством. Если энергию принимаемых радиоволн от всех многочисленных радиотелескопов Земли сложить, то она все равно не превзойдет энергии падающей со стола булавки. Поэтому между облучателем и приемником необходим МШУ. К счастью, в наше время уже не нужно кремниевый/германиевый усилитель охлаждать жидким азотом или гелием для снижения собственных шумов, в которых легко может утонуть полезный сигнал, ибо есть доступные усилители на арсениде галлия за 500 р.

Чтобы избежать потерь, МШУ и SDR были собраны в единый герметичный блок («конвертер») и установлены прямо на облучателе. Приемник склонен к сильному нагреву, поэтому установлен на радиаторе и снабжен датчиком температуры. Приемник и ПК соединены активным USB-кабелем.

Монтировка: хитрость одной оси

Классический телескоп с двумя осями (азимут и высота) сложен в изготовлении и управлении. Я пошёл путем упрощения — выбрал меридианную схему. Антенна поворачивается только по одной оси (склонение), направленной с востока на запад. Вторую координату (прямое восхождение) обеспечивает... вращение Земли. Просто ждёшь, когда нужный участок неба сам «приедет» в поле зрения. Привод — самодельный на DC-двигателе, с датчиком положения и простой системой наведения.

Пульт управления: "Все, что я делаю, — ради пультов"

Это моя слабость и источник эстетического удовольствия. Модульный пульт был собран из старого шкафа. Его гордость — панель управления склонением со следящим приводом (выставил угол — двигатель сам довернул антенну) и часы, показывающие звёздное время (они «спешат» на те самые 4 минуты в сутки, потому что звёздные сутки короче солнечных, при этом через звездное время определяется вторая координата — прямое восхождение). За тумблерами и красивыми стрелочными приборами скрывается мозг всей системы.

Итого по «железу»: основа системы — это почти что доработанный утиль. Бюджет, не считая времени и работы, уложился в ~8500 рублей:

• Антенна: 1000 руб.

• LNA: 500 руб.

• RTL-SDR: 2000 руб.

• Металл, электроника, кабели: ~5000 руб.

Железо готово. Но самый слабый сигнал не поймать без правильного софта и методики. Об этом — далее.

Глава 2. Софт и методика: охота за сигналом слабее шёпота

Собранное железо — лишь половина дела. Сигнал линии 21 см настолько слаб, что тонет не только в космическом шуме, но и в помехах от Wi-Fi-роутеров, базовых станций и самой электроники. Задача софта — вытащить его методом накопления (усреднения).

Инструментарий, несмотря на задачу, довольно стандартный: SDR Sharp (SDR#) — основная программа для работы с SDR-приёмником, настройки частоты (1420,4058 МГц) и первичного наблюдения спектра, специальный плагин для накопления (интеграции) сигнала IF Average — ключевой компонент, ибо отношение сигнал/шум у радиотелескопа всегда меньше единицы. Он непрерывно записывает спектр, складывает тысячи последовательных измерений и усредняет их. Случайные (белые) шумы при этом взаимно уничтожаются, а стабильный, повторяющийся сигнал (наш космический водород) — медленно проступает.

Процесс наблюдения: наводим антенну на Млечный Путь, в SDR# выставляем центральную частоту 1420,4 МГц, ширину полосы при этом 2 МГц, запускаем плагин накопления. На экране — месиво шума. Ждём минуты, чем дольше — тем лучше отношение сигнал/шум. Следим, как из «травы» шума начинает подниматься узкий пик.

Глава 3. Момент истины: первый пик на 1420 МГц

Антенна направлена в созвездие Лебедя. После недолгой фильтрации сигнала на экране, среди абсолютно хаотичного шума, проступила единственная аномалия — узкий всплеск на частоте ~1420 МГц — радиоэхо от триллионов атомов нейтрального водорода в нашем рукаве Галактики, летящее к нам сотни световых лет.

Чтобы осознать слабость этого сигнала: если перевести его энергию, попадающую в антенну, в мощность, то она окажется в тысячи раз меньше энергии, излучаемой одним комаром в полёте. Но мы его поймали.

Один пик — это факт обнаружения. Но где же знаменитые спиральные рукава? Намек на них можно увидеть, если просканировать весь Млечный путь на небе и создать карту интенсивности сигнала. На такой карте мы увидим концентрацию излучения около нескольких областей, одна из которых находится в созвездии Стрельца (в направлении центра Галактики), другие же являются сечениями спиральных рукавов, как показано на рисунке ниже.

Правда, даже карты такой четкости на рассмотренном радиотелескопе получить трудно из-за того, что его разрешающая способность пропорциональна апертуре (диаметру антенны). Угловое разрешение при диаметре антенны 1,8 м на волне 21 см немногим лучше 5°, что, конечно же, оставляет желать лучшего — ведь это примерно 10 полных Лун, поставленных в ряд бок о бок.

Чтобы понять структуру движения рукавов и их расположение не только в видмом на небе "сечении" Галактики, нужно вспомнить про эффект Доплера (подробно разобрано в первой статье). Если облако водорода движется относительно нас, его частота 1420 МГц смещается. Таким образом, можно провести «галактическую томографию»:

1. Наводим телескоп в разные точки вдоль Млечного Пути.

2. Снимаем не просто факт сигнала, а весь его профиль.

3. Видим чаще всего не один, а несколько пиков в разных частях спектра, как в случае с созвездием Лебедя.

Каждый пик — это облако водорода в своём рукаве Галактики. Ближние рукава, дальние рукава — все движутся с разными скоростями вокруг центра. Смещение пика от 1420 МГц говорит о скорости (по Доплеру), а относительная интенсивность — о количестве водорода.

Собрав такие данные по десяткам направлений и зная общую модель вращения Галактики, можно оценить расстояния до этих облаков. И вот он — финал:

Это уже не картинка художника. Это схематичная, но основанная на ваших собственных данных (если на это есть много времени) карта распределения нейтрального водорода в плоскости Млечного Пути. 

А что дальше?

Что бы можно было более детально "видеть" Галактику, разрешающая способность должна быть сильно лучше. Это достигается или "в лоб" — увеличением диаметра антенны, или созданием радиотелескопа с двумя или более совместно работающими антеннами — радиоинтерферометра. У последнего разрешающая способность пропорциональна расстоянию между антеннами. Но это, как говорится, уже совсем другая история.

Фундаментальная наука не где-то там. Она здесь, в сарае, в жестяном ведёрке и пике на экране. Она начинается с любопытства и заканчивается личным открытием Вселенной.

P.S. Эта статья — вторая часть цикла. Первая, теоретическая, «Как линия водорода 21 см подарила нам карту Галактики». Полная хроника проекта с детальной теорией, отчётами и другими данными — в цикле статей в моём сообществе ВКонтакте: [ссылка].