AD Kmica

Radijski teleskop OH

Slika 1: Uradni logotip projekta.

Uvod in cilji projekta

Astronomi vesolja ne opazujejo samo v vidni svetlobi z običajnimi optičnimi teleskopi, nebesna telesa namreč oddajajo tudi nam nevidno svetlobo. Primer take je infrardeča svetloba, ki je ne vidimo, jo pa občutimo kot toploto. Radijski valovi so svetloba, ki prav tako spada v našim očem nevidno območje. Področje astronomije, ki se s tovrstnimi opazovanji ukvarja imenujemo radijska astronomija.

Cilj tega projekta je vzpostavitev radijskih astronomskih opazovanj na univerzitetno raven, saj je področje radijske astronomije v Sloveniji zelo slabo zastopano in se z njim ukvarja le nekaj ljubiteljskih astronomov. To bomo dosegli s postavitvijo (gradnjo) astronomskega radijskega teleskopa v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Projekt zajema načrtovanje nosilne konstrukcije parabolične antene, sistema za usmerjanje le-te, nakup materiala (kovinski profili, nosilni steber, pogonski motorji z reduktorji, drugi gradbeni material) in izdelavo celotne konstrukcije. Poleg konstrukcijskega dela bomo potrebovali tudi ustrezne elektronske komponente za sprejemanje radijskih signalov (koaksialni kabli, material za izdelavo frekvenčnih filtrov, ojačevalcev signala, analogno-digitalni sprejemnik, računalnik in oprema za omrežno kartico). Lokacijo za postavitev teleskopa smo po posvetovanju s strokovnjaki (Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani) izbrali na Kraškem delu občine Miren-Kostanjevica, zaradi nizke elektromagnetne onesnaženosti (oddaljenost od večjih naselij, daljnovodov, radijskih in televizijskih oddajnikov), kar bistveno prispeva h kvaliteti opazovanj. Načrtovano konstrukcijo bomo izdelali samostojno, ker je vrednost že izdelane konstrukcije previsoka, hkrati pa je težko najti tako, ki ustreza dimenzijam naše parabole in zahtevam okolja kjer bo postavljena.

Primarna naloga tega teleskopa bo merjenje prisotnosti vode v vesolju z opazovanjem signala, ki ga oddaja molekula OH (molekula vode H2O se v vesolju zaradi sevanja razcepi v molekulo OH) pri valovni dolžini 18 cm. Molekula OH je ena izmed najbolj pogostih molekul v vesolju in jo lahko najdemo v skoraj vseh vesoljskih objektih. Prisotna je tako v molekularnih oblakih plina, ki jih z optičnimi teleskopi vidimo kot meglice, v njihovi notranjosti pa nastajajo zvezde; kot tudi v ostankih najmočnejših eksplozij v vesolju znanih kot supernove. Najdemo jo v oblaku plina, ki nastane, ko se zvezda z velikostjo podobno našemu Soncu, bliža koncu svojega življenja. Njen signal je lahko tudi tako močan, da pripotuje do nas iz zelo oddaljenih galaksij. OH molekulo najdemo tudi v atmosferah velikih plinastih planetov našega Osončja, primer sta Jupiter in Saturn; v okolici največjih Saturnovih zaledenelih lun ter tudi v najmanjših telesih našega Sončnega sistema, kometih.

Opazovanje tega signala nam nudi informacijo o razmerah v opazovanem območju, kot so na primer temperatura, gostota, magnetno polje, hitrost in oddaljenost do opazovanega objekta. S pomočjo navedenih parametrov bomo dobili globlji vpogled v možnosti razvoja življenja drugod po vesolju, poleg tega pa nam bo bolj jasen izvor vode na našem planetu.

Projekt poteka v sodelovanju s Fakulteto za matematiko in fiziko v Ljubljani, Fakulteto za elektrotehniko v Ljubljani in Astronomskim društvom Kmica iz Murske Sobote. Doslej so nam sponzorstvo in donacije zagotovila podjetja in ustanove, ki jih najdete tukaj.

Poleg raziskovalne dejavnosti se bo teleskop uporabljal tudi za usposabljanje študentov naravoslovnih študijev fizike, astronomije, elektrotehnike in računalništva. Omogočal bo interdisciplinarno povezovanje raznih tehniških smeri in izmenjavo idej ter znanja med različnimi ustanovami. Projekt združuje tudi sodelujoče iz različnih koncev Slovenije: Pomurska, Osrednjeslovenska, Primorska in Gorenjska regija. To in druga znanstvena in tehnična področja so v Sloveniji še v povojih ali jih sploh ni, potenciala za njihov razvoj pri nas pa je zelo veliko. Znanstvene raziskave in tehnološki razvoj so namreč bistvenega pomena za današnjo družbo in našo državo. To se bo v prihodnosti pokazalo na gospodarskem področju, nenazadnje pa tudi v mednarodnem ugledu Slovenije. Z izvedbo tega projekta bomo ponudili nove priložnosti mlajšim generacijam, ki bi sicer svoje pridobljeno znanje in iznajdljivost odnesli s seboj v tujino. Projekt bo služil tudi promociji in prepoznavnosti sodelujočih donatorjev.

Upravitelji teleskopa bomo organizirali dogodke na katerih bo širši javnosti predstavljena ta veja astronomije. Mogoč bo tudi vpogled v potek opazovanja saj bodo nadzorne točke pozicionirane na treh koncih Slovenije, prva v Prekmurju, druga na Primorskem in tretja na Gorenjskem. Za informacije javnega značaja bo na razpolago spletna stran, ki bo omogočala pregled nad aktivnostmi v povezavi z gradnjo teleskopa, kasneje pa nad izsledki meritev opravljenih s teleskopom. S širokim spektrom opazovanj z omenjenim teleskopom, bo mogoča tudi izvedba raziskovalnih nalog za mlade raziskovalce v sklopu Zveze za tehnično kulturo Slovenije.

Dosedanje delo v sklopu projekta

  • Izdelan žarilec za gorišče parabole v katerem je nameščena sprejemna antena, preizkus in test le-tega v laboratoriju Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani;
  • pridobljena parabola (krožnik premera 2,4 metra) in meritve njene mase za določitev tehničnih lastnosti nosilne konstrukcije;
  • dokončani načrti za nosilno konstrukcijo in elektromehanskih premičnih delov;
  • dokončani načrt električne sheme sprejemnika signala;
  • dokončani načrt za frekvenčni filter teleskopa;
  • najdena ustrezna lokacija za postavitev teleskopa;
  • pridobljena sredstva donatorjev, skupno 2600,00 EUR (do vključno novembra 2020);
  • povezovanje z univerzami in inštituti, ki so specializirani na področju radijske astronomije ter izobraževanje na tem področju z udeleževanjem na letnih konferencah italijanskih amaterskih radijskih astronomov;
  • pridobitev logotipa za projekt izgradnje radijskega teleskopa OH;
  • postavitev nove podstrani z naslovom “Radijska astronomija”, na spletni strani www.kmica.si.
  • izdelava promocijske brošure, ki je dosegljiva tukaj.
  • izdelava frekvenčnega filtra za frekvenco 1667 MHz, s pasovno širino okoli 25 MHz
  • nakup radijskega sprejemnika RTL-SDR R820T2 TCXO Dongle
  • nakup DIY kompleta za izdelavo nizko-šumnega predojačevalca (VLNA23 kit)
  • nakup reduktorjev za radijski teleskop

Na spodnjih slikah si lahko ogledate dosedanji napredek tega projekta.

Slika 2: Izgradnja žarilca tipa Kumar-K4 za sprejem signala molekule OH pri valovni dolžini 18 cm, v katerem je vgrajena sprejemna antena. Žarilec bo postavljen v gorišču parabole.
Slika 3: Testiranje žarilca v laboratoriju za sevanje in optiko na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani. Slika (b) prikazuje oddajno LPDA anteno (spredaj), ki je usmerjena proti žarilcu (zadaj). Le-ta je pritrjen na vrtiljaku. Tekom vrtenja sprejemna antena (žarilec) meri
moč valovanja iz oddajne antene in po enem polnem obratu s pomočjo ustrezne računalniške
programske opreme ustvari t.i. smerni sevalni diagram. Ta nam pove odziv sprejemne antene v odvisnosti od smeri pogleda antene ter širino glavnega snopa (“vidno polje”) antene.
Slika 4: Celotna postavitev naprave za testiranje anten. Sprejemna antena (levo), oddajna LPDA antena (sredina) ter visokofrekvenčni generator in napajalnik (desno).
Slika 5: Sliki (a) in (b) prikazujeta smerni diagram pri frekvenci 1667 MHz (= 1.67 GHz) v E-ravnini, (c) in (d) pa v H-ravnini. Ti dve ravnini se pogosto uporabljata kot referenčni ravnini za linearno polarizirane antene. E-ravnina vsebuje vektor električnega polja in smer maksimalnega sevanja antene. H-ravnina vsebuje vektor magnetnega polja in smer maksimalnega sevanja antene. Le-ta je pravokotna na E-ravnino, [2]. Slike (a, b, c, d) imajo označeno tudi širino glavnega snopa (“širina -3 dB”) v kotnih stopinjah, odklon od ničle (smer izmerjenega maksimuma moči) ter smernost antene v enotah dBi. Sliki (a) in (c) sta prikazani na polarnemu diagramu, kjer označujejo koncentrični krogi, ki izhajajo iz središča diagrama, moč sprejetega signala; črte v radialni smeri pa kažejo proti različnim azimutom. Sliki (b) in (d) sta prikazani v kartezičnemu diagramu. Naša antena ima širino glavnega snopa okoli 90° in smernost v razponu med 7 in 8 dBi.
Slika 6: Slika prikazuje meritev parametra S11 za OH žarilec v odvisnosti od frekvence, v razponu med 1,6 in 1,8 GHz. S-parameter je funkcija frekvence, ki opisuje razmerje moči med priključki (vhod-izhod) v električnem sistemu. S11 predstavlja odbiti tok (moč), ki ga komunikacijski sistem (radio) poskuša dostaviti anteni, oziroma drugače povedano, koliko moči izgubimo pri odboju od antene. S11 je torej odbojni koeficient. Če znaša S11 = 0 dB, potem ni izgube moči (ves tok se odbije) in antena ne izseva ničesar. V primeru, da je S11 = -10 dB in če anteni dovedemo 3 dB moči, potem gre preostalih -7 dB moči v sevanje antene ali pa v izgube znotraj nje, [3]. Meritev S11 smo opravili z vektorskim mrežnim analizatorjem (VNA) v Laboratoriju za sevanje in optiko na Fakulteti za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani. Slika nam pove, da je žarilec (sprejemna antena) najbolj občutljiv (oz. najbolje seva) pri frekvenci okoli 1,63 GHz. Z grafa lahko na grobo ocenimo tudi pasovno širino antene, ki je precej velika in znaša med 0,5 in 1 GHz. V našem primeru je to zaželeno, saj se emisije OH pojavljajo pri štirih frekvencah na območju med 1,61 GHz in 1,72 GHz, [4]. Pasovno širino lahko v nadaljevanju po potrebi zmanjšamo s frekvenčnim pasovnim filtrom.
Slika 7: Prenos 2,4 metrske parabole z Nanosa v dolino.
Slika 8: Tehtanje parabole z namenom določitve potrebnih karakteristik njene nosilne konstrukcije.
Slika 9: Načrt radijskega teleskopa, ki ga sestavlja parabola in njena nosilna konstrukcija, s fiksnim železnim stebrom in premičnimi vilicami ter okvirjem, na katerem bo parabola pritrjena.
Slika 10: Električna shema za radijski sprejemnik. Slika je povzeta iz [1] in je preurejena tako, da ustreza zahtevam tega projekta. OH radijske emisije lovimo z 2,4 metrskim paraboličnim krožnikom, ki je montiran na alt-azimutlani montaži in ima po en rotor na vsaki osi vrtenja. Rotorji komunicirajo z računalnikom preko kontrolne enote. Na računalniku uporabljamo programsko orodje, ki nam tekom opazovanja, z dovolj veliko frekvenco vzorčenja, računa pozicijo opazovanega objekta in prilagaja montažo tako, da je objekt ves čas v vidnem polju antene. Signal sprejmemo z žarilcem, od koder teče signal po koaksialnem kablu najprej na nizkošumni ojačevalec (LNA), potem pa na serijo pasovnih filtrov in MMIC ojačevalcev. Signal potem razdelimo s signalnim delilnikom na dva dela. Prvega vodimo na analogni spektralni analizator, ki nam pomaga pri direktnem opazovanju sprejetega signala. Drugi del potuje proti programsko definiranemu radijskemu sprejemniku (Software Defined Radio) RTL2832U, s pomočjo katerega sprejeti signal pozneje vizualiziramo.
Slika 11: Primer načrta za frekvenčni filter, ki omeji sprejem signala samo na frekvenčno območje, ki nas zanima. Slika je povzeta iz [1] in služi kot pomagalo pri načrtovanju filtra za frekvenčno območje okoli 1,67 GHz.

Slika 12: Frekvenčni filter (slike zgoraj), ki omeji sprejem signala samo na frekvenčno območje okoli 1,67 GHz. Filter na sliki je poskusni. Le-ta mora biti še pomerjen v Laboratoriju za sevanje in optiko na Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani. Slika spodaj prikazuje naš novi radijski sprejemnik RTL-SDR R820T2 TCXO Dongle.

Slika 13: DIY kompleta za izdelavo nizko-šumnega predojačevalca (VLNA23 kit).
Slika 14: Reduktorji (zadaj) in venčni ležaj (spredaj), ki jih bomo uporabili za izgradnjo konstrukcije.
  • Sever
  • Jug
  • Vzhod
  • Zahod
  • Predvidena lokacija postavitve

Slika 15: Fotografije bodoče lokacije radijskega teleskopa s štirih smereh neba. Teleskop bo postavljen v naselju Nova vas v občini Miren-Kostanjevica.

Opazovalni predlogi

Ko načrtujemo gradnjo radijskega teleskopa, se moramo vprašati tudi ali smo sposobni izmeriti emisije, ki nas zanimajo. V nadaljevanju sta prikazana dva primera nebesnih objektov, na katerih bomo naš teleskop lahko preizkusili.

  • NML Cygni (OH 90.8 – 1.9)

NML Cygni je rdeča hiper-orjakinja v ozvezdju Laboda (Cyg). Je ena izmed najsvetlejših in najmasivnejših hladnih hiper-orjakinj v Galaksiji. Oddaljenost te zvezde od Zemlje znaša okoli 1,6 kpc (5300 svetlobnih let). Zvezda je del OB2 asocijacije v Labodu, ki pokriva približno 2° na nebu, oziroma ~30 pc. Gre za delno-spemenljivo zvezdo s periodo 1280 ali 940 let, ki se nahaja v zgornjem desnem kotu HR diagrama. Bolometrični izsev zvezde znaša 500000 izsevov Sonca, radij zvezde meri 3740 radijev Sonca. Trenutno ocenjena masa znaša med 25 in 50 mas Sonca. NML Cygni je v pozni fazi razvoja, njena atmosfera pa vsebuje težje elemente in molekule, predvsem OH in H2O. Meglica, ki obkroža zvezdo kaže podolgovato asimetrično obliko, ki je v skladu s porazdelitvijo H20 plinastega maserja (naravni izvor stimulirane emisije). Opazovanja kažejo, da ima zvezda dve diskretni optično gosti ovojnici plina in prahu. Nastanek prašnih ovojnic je posledica močnega zvezdnega vetra, ki ima hitrost okoli 23 km/s, vir [5].

Opazovanje bomo izvedli z 2,4 metrsko parabolo, s Kumar-K4 tipom žarilca v gorišču, izdelanega za frekvence med 1600 in 1700 MHz. Uporabili bomo filter s centralno frekvenco 1612 MHz, s pasovno širino 0.5 MHz. Integracijski (ekspozicijski) čas bo znašal okoli 6 ur, pri čemer pričakujemo pojav dveh spektralnih črt okoli centralne frekvence. Vrh najmočnejše črte ocenjujemo na okoli 520 Jy (Jansky, 1 Jy = 10-26 Wm-2Hz-1), [6, 7].

Slika 16: Slika prikazuje opazovanje NML Cygni pri centralni frekvenci 1612 MHz. S črno črto je prikazana meritev s 3 metrsko parabolo pri integracijskem času 2,5 ur; z rdečo črto je označena meritev s 25 metrsko parabolo podobnega integracijskega časa, [6].

Namen opazovanja je poiskati vrhove in širine emisijskih črt ter oceniti hitrost približajoče in oddaljajoče se ovojnice zvezde. Črti bomo med seboj primerjali in ocenili njuno medsebojno razmerje debelin. Meritve bomo opravili večkrat, vedno z enakim integracijskim časom. Opazovali bomo časovni zamik spremembe jakosti obeh črt ter poskusili oceniti tudi polmer plinaste OH ovojnice zvezde.

  • W3(OH)

Gre za območje nastajanja zvezd, ki je od nas oddaljeno okoli 1,9 kpc (6200 svetlobnih let) in leži v spiralnih rokavih Galaksije. Območje meri približno 2° na nebu in leži v ozvezdju Kasiopeje (Cas). Glavna zanimivost tega območja je študija novorojenih, masivnih zvezd, ki segrevajo prah in plin v njihovi okolici, [8]. Opazovanje bomo izvedli z 2,4 metrsko parabolo, s Kumar-K4 tipom žarilca v gorišču, izdelanega za frekvence med 1600 in 1700 MHz. Pri opazovanju bomo uporabili 2 različna filtra, prvega s centralno frekvenco 1612 MHz s pasovno širino 0,5 MHz in drugega pri centralni frekvenci 1667 MHz s pasovno širino 5 MHz. Opazovanje bomo izvedli v dveh nočeh, pri čemer bo znašal integracijski (ekspozicijski) čas za posamezni filter okoli 5 ur. Opazovali bomo emisijsko črto pri 1612 MHz ter črti pri 1665 in 1667 MHz, [9].

Slika 17: Slika prikazuje spekter molekularnega oblaka W3(OH), pri centralni frekvenci 1665 MHz. Vrh gostote toka znaša okoli 300 Jy. Meritev je bila opravljena s 25 metrsko parabolo, [10].

Namen tega opazovanja bo primerjati intenzitete in širine emisijskih črt ter ocenitev radialne hitrosti opazovanega območja. S pomočjo tega bomo lahko ocenili hitrost s katero se opazovani oblaki gibajo okrog središča Galaksije.

Zahvala

Projekt izgradnje radijskega teleskopa za opazovanje signala molekule OH poteka od januarja 2017. Ocenjujemo, da bo teleskop polno operativen do konca leta 2021. Zahvaljujemo se vsem, ki ste nas finančno in strokovno podprli pri izvedbi tega projekta. Zahvala gre Astronomskemu društvu Kmica, Fakulteti za matematiko in fiziko v Ljubljani, Fakulteti za elektrotehniko v Ljubljani, občini Tišina, občini Miren-Kostanjevica, Elektru Ljubljana, Soškim elektrarnam Nova Gorica, Elrad International d.d., klubu Rotary Club Ljubljana Tivoli, klubu Rotary Club Ljubljana-Center, podjetjem E-potovanja d.o.o., Farmedica d.o.o., Sinergise d.o.o., Skylabs d.o.o., Kolektor Etra d.o.o., Megras d.o.o., Razvoj d.o.o. Braslovče, Sistemi IN ES d.o.o., Hydro-Hit d.o.o., Virtua IT d.o.o., MOS Servis d.o.o., Informatika d.d., E-NETSI d.o.o., ISYSTEM LABS d.o.o. in Ulbrich Hidroavtomatika d.o.o.. V kolikor bi želeli finančno ali kako drugače podpreti ta projekt, nam prosimo pišite na e-poštni naslov:

rok.vogrincic@fmf.uni-lj.si

Za informacije o napredku gradnje teleskopa obiščite podstran “Radijska astronomija“, za ogled našega Facebook profila pa skenirajte QR kodo spodaj.

Viri

[1] SAJE, Tadeja. Radioteleskop za vodikovo črto 21cm : magistrsko delo. Ljubljana, 2017. Dostopno tudi na: https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=88901
[2] E in H ravnina, dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/E-plane_and_H-plane (23.10.2019)
[3] S-parameter, dostopno na: http://www.antenna-theory.com/definitions/sparameters.php (24.10.2019)
[4] OH emisija, dostopno na: https://www.seti.org/seti-institute/project/details/seti-observations (24.10.2019)
[5] NML Cygni, dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/NML_Cygni (24.10.2019)
[6] Projekti opazovanja OH emisije, dostopno na: http://parac.eu/projectmk15.htm (24.10.2019)
[7] Jansky, dostopno na: https://en.wikipedia.org/wiki/Jansky (24.10.2019)
[8] W3(OH), dostopno na: http://herschel.cf.ac.uk/results/w3-star-forming-region (24.10.2019)
[9] Projekti opazovanja OH emisije, dostopno na: http://parac.eu/projectmk23.htm (24.10.2019)
[10] Opazovanje OH emisije, dostopno na: https://groups.google.com/forum/?hl=en#!topicsearchin/sara-list/subject$3AOH/sara-list/OivTXjLjy1I (24.10.2019)

Avtor: Rok Vogrinčič & Andrej Brešan

Accessibility