Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://www.sao.ru/hq/lrk/APEX.win.html
Дата изменения: Unknown Дата индексирования: Sun Apr 10 01:53:47 2016 Кодировка: Windows-1251 Поисковые слова: m 17 |
В начале 2005 года вступил в стадию практических наблюдений пилотный
проект Atacama Pathfinder Experiment (APEX). Расположенное в Чили,
на высоте 5100 м
Рис. 1. Субмиллиметровый телескоп APEX эксплуатируется совместно Институтом
радиоастрономии им. М.Планка (MPIfR, Бонн, Германия), Космической обсерваторией
Онсала (OSO, Швеция) и Европейской Южной обсерваторией (ESO).
Рис. 2, 3. Базовая станция расположена в оазисе Сан Педро де Атакама. Плато Chajnantor находится в Андах (Северное Чили), недалеко от границы с Аргентиной. На площади 2.2 га достаточно места для зданий управления, администрации, мастерских, гостиницы на 16 мест. 25 человек, среди них - техники, инженеры, астрономы обеспечивают наблюдения на радиотелескопе. Для дистанционного управления телескопом и связи - релейная линия в микроволновом диапазоне мощностью 36 Мбит/с. По Интернету телескопом можно управлять из любой точки мира. Субмиллиметровый диапазон охватывает излучение с волнами от 0.3 до 1 мм (см. график на рис.4). Он таит в себе ответы на многие проблемы астрономии. Субмиллиметровыми телескопами можно заглянуть глубоко внутрь облаков межзвездного газа, недоступных оптическим телескопам. Здесь звездообразование проходит основные подготовительные ступени, например, образование плотных ядер молекулярных облаков. Защищенные от высокоэнергетичного света звезд, здесь могут образовываться многие сложные молекулы, спектральные линии которых можно наблюдать в субмм. диапазоне. Из полученных данных можно рассчитать физические условия в галактических и внегалактических молекулярных облаках. Рис. 4. Субмиллиметровый диапазон расположен между инфракрасным (ИК, волны 1-300 мкм) и радиодиапазоном (волны длиннее1 мм). ИК и субмиллиметровое излучение космических объектов сильно поглощается водяным паром в земной атмосфере.
Межзвездная пыль тоже обнаруживается в субмиллиметровом диапазоне.
Холодная пыль с температурами от 10 до 80 К испускает тепловое излучение.
Теплая пыль, наоборот, нагретая светом молодых звезд, имеет максимум излучения
в инфракрасном диапазоне. Но если рассматривать очень далекие галактики,
то их спектр из-за долгого пути через расширяющуюся Вселенную испытывает
красное смещение. Поэтому свет от горячей пыли далеких ярких галактик можно
наблюдать в субмм- диапазоне и получить весьма ценные картины раннего Космоса.
Поверхность 12-метрового зеркала состоит из 264 алюминиевых панелей. После монтажа средняя точность поверхности достигала 40 микрон. Более точное формирование поверхности провели путем приема сигнала передатчика частоты 92 ГГц, установленного на соседней горе. С помощью этого сигнала и голографического метода были сняты карты отклонений от идеальной формы поверхности зеркала. После новой юстировки панелей была достигнута средняя точность 17 мкм - это пятая часть толщины человеческого волоса и 1/22 самой короткой волны APEX (0.37 мм), см. рис. 5. Рис. 5. Точно отъюстированные панели главного зеркала APEXа Наблюдения точечных источников на телескопе показали, что оптика ограничена дифракцией, максимальное угловое разрешение 7 угловых секунд. Точность позиционирования (наведения на желаемый объект) составляет 2 угловые секунды и может быть еще улучшена. После наведения зеркала на желаемый источник, последний может сопровождаться с точностью 0.5 угловой секунды. Место расположения: Чили, Llano de Chajnantor, 23о00'20."8 ю.ш., 67о45'33."0 зап.долг. Зеркало телескопа:
С помощью телескопа APEX можно проводить как пространственное
картографирование протяженных областей неба, так и детальные спектральные
наблюдения огромного числа объектов. При картографировании протяженных объектов
отдельным телескопом радиоастрономам приходилось применять чаще всего методику
сканов: антенна, как строчка за строчкой, двигалась по объекту, при этом
регистрировалась интенсивность излучения. Зная диаграмму антенны, можно
получить радиокарту участка неба. Так при помощи 1-пиксельной методики
постепенно получается карта желаемой области.
Команда APEX использует своего рода камеру для субмм- диапазона, так
называемую болометрическую решетку. С этим прибором можно протяженное
излучение регистрировать одновременно с разных положений внутри большого поля
зрения и таким образом получать за сравнительно небольшое время карты
избранных областей неба.
Абсорбер фотонов слабым
термопроводником связан с теплоотводом ("Heat sink"), криостатированном при
температуре Рис. 7. Болометрическая решетка LABOCA. Слева: все 295 рупорных антенн болометра в гексагональном расположении. Диаметр раскрыва отдельного входного рупора 3.9 мм, диаметр всей решетки 80 мм. Справа: Под рупорными антеннами находится "вафля" диаметром 100 мм.
Развитие болометров в Институте им. Макса Планка с созданием этой матрицы
далеко не завершено. Там разрабатывается матрица нового поколения, состоящая
из 228 элементов со сверхпроводящими термисторами.
Работы ведутся в сотрудничестве с Физическим институтом высоких технологий
в Йене. Существенное преимущество новой технологии состоит в том, что
показатели со сверхпроводящих термисторов будут считываться с помощью СКВИДов
(SQID - Superconducting Quantum Interference Device).
Галактические и внегалактические молекулярные облака состоят большей
частью из темного, холодного газа. По наблюдаемым спектрам молекул делаются
выводы о химическом составе, а также о распределении температур, плотности
и скоростей внутри облаков. Измерение этих величин в субмиллиметровом
диапазоне, например, в свете спектральных линий окиси углерода СО позволяет
астрономам исследовать предварительные стадии звездообразования, не видимые
в оптике (см. раздел "Спектральные линии межзвездных молекул").
Галактические области звездообразования На телескопе APEX можно наблюдать молекулярные облака внутри областей звездообразования с высоким разрешением, например, в свете окиси углерода. Была исследована область G34.26+0.15 (см. рис. 8). Внутри этой области находится молодая массивная звезда, интенсивный свет которой ионизирует газ в ее непосредственном окружении. Но рядом находится много нейтрального, молекулярного газа, который обычно остается при образовании звезды. Благодаря высокому угловому разрешению APEXа (7") удалось исследовать спектр самой внутренней, размером 3 парсека области G34.26+0.15 в субмм-диапазоне. В ней четко проявляется линия вращательного перехода 13СО(8-7) на 881 ГГц. Она характерна для внутренней зоны плотных молекулярных облаков, в которых преобладают температуры выше 100 К. В этот нагрев могут вносить свой вклад не только близкие массивные звезды, но и скрывающиеся за пылью протозвезды. Рис. 8. ИК карта, снятая спутником IRAS (вверху) показывает расположение области звездообразования G34.26+0.15 внутри плоскости Галактики. Цифры позади буквы G указывают галактическую долготу в градусах. Спектр той же области, наблюдаемый на телескопе APEX c помощью камеры LABOCA (справа) показывает наряду с линией вращательного перехода 13СО(8-7) еще и множество слабых линий. Они излучаются сложными органическими молекулами, которые всегда образуются внутри теплого ядра газового облака. Некоторые из полученных APEXом результатов могут быть сравнены с данными, полученными на 30-метровом телескопе IRAM на Пико де Велета. На обоих телескопах в 12 галактических областях звездообразования были получены эмиссионные линии СО. Спектры телескопа IRAM показали линии СО, которые требуют меньших температур возбуждения, чем у наблюдаемых на APEXе. По соотношению интенсивности линий на обоих телескопах астрономы смогли, наконец, для 12 областей звездообразования получить исчерпывающую картину протекающих в их недрах физических и химических процессов: температур, плотностей и структур ядер облаков. Внегалактические молекулярные облакаОсобое внимание ученые на APEXе уделяют Большому и Малому Магеллановым облакам (LMC и SMC). Эти нерегулярные карликовые галактики являются спутниками нашей Галактики и отличаются особо активным звездообразованием. Рисунок 9 показывает наблюдение области 30 Doradus в Большом Магеллановом облаке. Возникающие здесь звезды влияют на свое окружение интенсивным звездным ветром и ярким ультрафиолетовым светом. Рис. 9. Карта эмиссии СО, измеренная на телескопе APEX (контуры) области звездообразования 30 Doradus (Золотая рыба), наложенная на ИК изображение со спутника 2 MASS. Желтый кружок показывает угловое разрешение карты СО (7 угловых секунд). Первоначально возникающие молекулярные облака, из которых рождаются звезды, здесь постепенно разрушаются. В этой связи интересно сравнение карты, полученной на APEXе по СО с инфракрасным снимком 2 MASS (2 Micron All-Sky-Survey). Наблюдаемое в близком ИК диапазоне (длина волны 2 микрона) излучение исходит от звезд и нагретой ими пыли. Наложение карт показывает, что, несмотря на экстремальные условия, в области 30 Doradus (Золотая рыба) имеется большое количество нейтрального газа, из которого могут образовываться новые звезды. Общая химическая эволюция в Магеллановых облаках еще не прошла так далеко, как в нашем ближайшем окружении: элементы тяжелее гелия встречаются в LMC в 4 раза, а в SMC в 10 раз реже, чем в нашем Млечном пути. Дальнейшими исследованиями Магеллановых облаков на APEXе ученые надеются получить знания о галактиках на ранних стадиях эволюции. Взаимодействующие галактикиУдаленная от нас на расстояние 90 млн световых лет звездная система NGC 4038/39 - впечатляющий пример двух столкнувшихся галактик. На основе приливных сил, возникающих при слиянии, образуются два длинных газовых шлейфа, из-за которых необычная система и получила название "антенная галактика". Вблизи центра, где фронтально столкнулись газовые массы обеих систем, находится область интенсивного звездообразования (см.SuW 8/2005, с.14). С помощью супергетеродинного приемника FLASH на APEXе зарегистрировали интенсивное излучение в линии вращательного перехода СО(4-3), что свидетельствует о богатом наличии нагретого молекулярного газа. Спектр СО относится к первым полученным на APEXе такого рода результатам, и, благодаря большой чувствительности инструмента, на это потребовалось несколько минут (рис. 10). Рис. 10. Снимок "Антенной галактики" NGC 4038/39, полученный космическим телескопом Хаббла и спектр линии СО (4-3), полученный на APEXе с супергетеродинным приемником FLASCH. Длины волн спектра пересчитаны в скорости излучающего газа. Южное небо открываетсяК приоритетным задачам APEXа относятся и большие обзоры неба на субмиллиметрах. Они направлены не только на систематический поиск протозвезд, но и на изучение Вселенной в целом. ATLASGALВ 2006 году начинается большой обзор Млечного пути на площади в несколько сот квадратных градусов на волне 0.87 мм с болометром LABOCA. Программа ATLASGAL (Apex Telescope Large Area Survey: the Galaxy) даст астрономам возможность широкомасштабного представления об областях звездообразования на субмиллиметрах. Наблюдения будут дополнены волнами 0.35, 1.4 и 2 мм, которые позволят картографировать образование массивных звезд. Из этого будут определены массы и температуры этих областей, и это до расстояний в 30 000 световых лет, расстояния до Галактического центра. Наблюдения в линиях СО дадут информацию о структуре и динамике системы Млечного пути. Эффект Сюняева-ЗельдовичаСкопления галактик относятся к самым большим гравитационно связанным системам во Вселенной. Члены скоплений покоятся в горячем (многие миллионы градусов), тонко распределенном газе, который непосредственно наблюдаться может в рентгеновском диапазоне. Но в радио- и субмиллиметровом диапазонах газ можно обнаружить косвенно: содержащиеся в нем электроны рассеивают фотоны микроволнового фонового излучения ("реликта" с температурой 2.7 К), при этом фотоны получают энергию. Рассеянные фотоны можно наблюдать на более высоких частотах, чем не рассеянные. Поэтому спектр фонового излучения в направлении скопления галактик получает излом (график на рис. 11). Этот феномен получил название "Эффект Сюняева-Зельдовича" (SZ). Рис. 11. Схематические спектры космического микроволнового фонового излучения "нормального" (красный) и измененного эффектом Сюняева-Зельдовича (синий). SZ эффект представлен здесь сильно преувеличенным. Граница между подъемом и спадом интенсивности лежит на частоте 217 ГГц, соответствующей длине волны 1.38 мм. Если смотреть на субмиллиметрах в направлении скопления галактик, то интенсивность "реликтового фона" здесь кажется больше, чем вокруг, где фон не изменен. Интенсивность "нормального" микроволнового фона подчиняется Закону Планка и имеет максимум на волне 1.3 мм. Но и в соседнем субмиллиметровом диапазоне она еще достаточно велика, и SZ эффект здесь должен наблюдаться достаточно отчетливо. Ожидается, что при наблюдениях APEXa SZ эффект будет обнаружен примерно у 1000 скоплений галактик, отсюда можно будет уточнить космологические параметры. Проверка SZ эффекта будет проводиться на APEXе совместно с Калифорнийским университетом, который разработал представленную выше болометрическую матрицу. Другие партнеры - это Боннский университет, а также многие институты Общества Макса Планка (Германия), которые будут поставлять ценные данные в других частотных диапазонах. Прототип проекта ALMA
Успешным окончанием тестовой фазы ученые Европы открыли перспективу
наблюдений всего Южного неба в субмиллиметровом диапазоне с использованием
новых зеркал и современной приемной аппаратуры. В Южном полушарии Земли
APEX - единственный пока телескоп на субмиллиметрах с максимальной
чувствительностью и предельным угловым разрешением. Его зеркало в 12 раз
больше, чем у планируемого инфракрасного спутника HERSCHEL.
И все же APEX - не только с технической, но и с научной стороны - является настоящим первопроходцем, так как проведенные им первые наблюдения являются предпосылкой для более детальных исследований с интерферометром ALMA. Тем самым APEX прекрасно отыграл только увертюру к предстоящим широкомасштабным исследованиям Южного неба внутри пока еще мало используемого атмосферного окна - от наших ближайших соседей до самых далеких галактик.
|