Ραδιοτηλεσκόπιο

Το ραδιοτηλεσκόπιο είναι ειδικό όργανο, δέκτης ραδιοκυμάτων, σε μορφή κατευθυντικής ραδιοφωνικής κεραίας που χρησιμοποιείται στη Ραδιοαστρονομία, αλλά και στην παρακολούθηση τεχνητών δορυφόρων ή διαστημικών σκαφών και στη συλλογή των δεδομένων που μεταδίδουν στη Γη. Στον αστρονομικό τους ρόλο, διαφέρουν από τα συνηθισμένα (οπτικά) τηλεσκόπια στο ότι ανιχνεύουν ραδιοκύματα αντί φως. Μπορούν επομένως να ανιχνεύσουν και να παρατηρήσουν ραδιοπηγές. Επειδή τα ραδιοφωνικά μήκη κύματος είναι πολύ μεγαλύτερα εκείνων του φωτός κατά συνέπεια τα ραδιοτηλεσκόπια είναι συνήθως μεγάλες παραβολοειδείς κεραίες που μοιάζουν με τεράστια «πιάτα» (όπως και οι κεραίες που χρησιμοποιούνται για τη λήψη των ραδιοκυμάτων της δορυφορικής τηλεόρασης), προκειμένου να έχουν την ίδια ικανότητα με τα οπτικά τηλεσκόπια 
Τα ραδιοτηλεσκόπια χρησιμοποιούνται είτε αυτόνομα, είτε και ως μέλη διατάξεων τέτοιων κεραιών που λειτουργούν συμβολομετρικά («ραδιοσυμβολόμετρα»). 
Τα «ραδιοαστεροσκοπεία», δηλαδή οι εγκαταστάσεις αυτών των συσκευών βρίσκονται μακριά από μεγάλες πόλεις, και συνήθως σε ερημικές τοποθεσίες, για την αποφυγή των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών από σήματα του ραδιοφώνου, της τηλεόρασης, σήματα ραντάρ, κινητής τηλεφωνίας κ.ά.. Κάτι παρόμοιο δηλαδή με αυτό που συμβαίνει και με τα οπτικά αστεροσκοπεία για την αποφυγή της φωτορύπανσης, με τη διαφορά ότι τα ραδιοτηλεσκόπια εγκαθίστανται σε χαμηλά μέρη ή σε κοιλάδες για την επιπλέον θωράκιση από παρεμβολές.

Τα πρώτα ραδιοτηλεσκόπια

Η πρώτη ραδιοφωνική κεραία που χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση μιας αστρονομικής πηγής ραδιοκυμάτων ήταν αυτή που κατασκεύασε ο Καρλ Τζάνσκι, ένας φυσικός - ηλεκτρολόγος μηχανικός στα Εργαστήρια της Bell Telephone, το 1931. Ο Τζάνσκι ανέλαβε το καθήκον να βρει πηγές ραδιοθορύβου που θα ήταν δυνατό να επηρεάζουν την ασύρματη επικοινωνία. Η κεραία του Τζάνσκι ήταν σχεδιασμένη να συλλαμβάνει βραχέα κύματα με συχνότητα 20,5 MHz (μήκος κύματος περίπου 14,6 μέτρα). Είχε εγκατασταθεί πάνω σε μία περιστρεφόμενη ξύλινη βάση, που της επέτρεπε να στρέφεται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Ο Τζάνσκι χρησιμοποίησε περίπου 120 μέτρα μεταλλικού σωλήνα. Η διάταξη είχε μήκος 29 μέτρων και ύψος περίπου 6. Μια αυτοσχέδια μικρή καλύβα δίπλα στην κεραία στέγαζε ένα αναλογικό καταγραφικό σύστημα. Μετά από μήνες καταγραφών, κατάφερε να προσδιορίσει τρεις διαφορετικές κατηγορίες πηγών ραδιοθορύβου: τη μία αποτελούσαν οι τοπικές καταιγίδες, την άλλη οι μακρινές καταιγίδες, ενώ η τελευταία, της οποίας το παράσιτο ήταν ένας ασθενής συνεχής συριγμός, του ήταν άγνωστη. Αρχικά νόμισε πως ήταν ανθρωπογενής, συγκεκριμένα ότι ο ραδιοθόρυβος προερχόταν από βιομηχανικές δραστηριότητες. Καθώς όμως οι μήνες του 1932 περνούσαν, ο Τζάνσκι διαπίστωνε ότι η ακριβής περίοδος της πηγής του ραδιοθορύβου ήταν 23 ώρες και 56 λεπτά. Μη έχοντας αστρονομικές γνώσεις, χρειάσθηκε ένα χρονικό διάστημα ώσπου να συλλάβει τη σημασία αυτού του γεγονότος: η πηγή ήταν κάτι πολύ πιο μακρινό, κάτι πέρα από το Ηλιακό Σύστημα. Πρόσθετες παρατηρήσεις φανέρωσαν ότι τα ραδιοκύματα προέρχονταν από την κατεύθυνση του αστερισμού Τοξότη, όπου βρίσκεται το κέντρο του Γαλαξία μας. Χωρίς να έχει ο ίδιος σχέση με την Αστρονομία, ο Τζάνσκι είχε ολοκληρώσει την πρώτη ραδιοαστρονομική παρατήρηση.
Ο Γκρότε Ρέμπερ έγινε ο άλλος πρωτοπόρος της ραδιοαστρονομίας όταν κατασκεύασε το πρώτο ραδιοτηλεσκόπιο σε μορφή «πιάτου» (διαμέτρου 9 m) το 1937. Ο Ρέμπερ επανέλαβε την πρωτοπόρο αλλά απλή εργασία του Τζάνσκι, και συνέχισε με την πρώτη επισκόπηση του ουρανού στα ραδιοκύματα.

Τύποι ραδιοτηλεσκοπίων

Η περιοχή των ραδιοφωνικών συχνοτήτων (ραδιοσυχνοτήτων) στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι ευρεία. Αυτό σημαίνει ότι η ποικιλία και οι τύποι των κεραιών που χρησιμοποιούνται ως ραδιοτηλεσκόπια είναι μεγάλη. Για μήκη κύματος 30 ως 3 μέτρα (συχνότητες 10 MHz ως 100 MHz), είναι συνήθως διατάξεις από κατευθυντικές κεραίες παρόμοιες με τηλεοπτικές, ή μεγάλοι σταθεροί ανακλαστήρες με κινητές εστίες. Επειδή αυτά τα μήκη κύματος είναι μεγάλα, οι επιφάνειες των ανακλαστήρων μπορούν να κατασκευασθούν από συρμάτινα πλέγματα. Για μικρότερα μήκη κύματος τα ραδιοτηλεσκόπια σε μορφή «πιάτου» κυριαρχούν. Η γωνιακή διακριτική ικανότητα μιας τέτοιας κεραίας είναι συνάρτηση του λόγου της διαμέτρου της προς το μήκος κύματος της παρατηρούμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Αυτό το γεγονός καθορίζει το μέγεθος του δίσκου που χρειάζεται ένα ραδιοτηλεσκόπιο προκειμένου να έχει μια χρήσιμη διακριτική ικανότητα. Τα ραδιοτηλεσκόπια που ανιχνεύουν μήκη κύματος από 3 μέτρα ως 30 cm (100 MHz ως 1 GHz) έχουν συνήθως διαμέτρους μεγαλύτερες των 100 μέτρων, ενώ όσα εργάζονται σε μήκη κύματος κάτω από 30 cm (1 GHz) έχουν διαμέτρους από 3 ως 90 m.

Μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια

Στα χρόνια γύρω από το 1960 αναπτύχθηκαν τα μεγάλα ραδιοτηλεσκόπια μονού δίσκου. Το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο είναι το ρωσικό RATAN-600 (κατασκευάσθηκε το 1977 στην τότε ΕΣΣΔ) με διάμετρο 576 μέτρων (m) κυκλικής κεραίας (περιγραφή του RATAN-600). Δύο άλλα τέτοια «πιάτα» στο Ραδιοαστεροσκοπείο Pushchino της Ρωσίας, ειδικά σχεδιασμένα για παρατηρήσεις στις χαμηλές συχνότητες, είναι ανάμεσα στα μεγαλύτερα στην κατηγορία τους. Το LPA είναι μία μεσημβρινή διάταξη 187 x 384 m, ενώ το DKR-1000 είναι μία σταυροειδής διάταξη 1000 x 1000 m. Το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο στη Δυτική Ευρώπη είναι εδώ και δεκαετίες η κεραία των 100 m στο Έφελσμπεργκ της Γερμανίας, κοντά στη Βόννη, που ήταν και το μεγαλύτερο πλήρως στρεφόμενο σε όλο τον κόσμο επί 30 χρόνια, μέχρι τη λειτουργία του νέου Τηλεσκοπίου του Γκρην Μπανκ το 2000. Μέχρι το 1998 το μεγαλύτερο ραδιοτηλεσκόπιο στις ΗΠΑ ήταν το «Big Ear» του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Οχάιο, που είχε τη μορφή επίπεδου πλέγματος.
Γνωστά ραδιοτηλεσκόπια είναι επίσης το Ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεθίμπο, κοντά στην ομώνυμη πόλη του Πουέρτο Ρίκο, που μπορεί να παρατηρήσει με την κινητή εστία του σε απόσταση μέχρι και 20° περίπου από το ζενίθ και είναι το μεγαλύτερο μονού δίσκου στον κόσμο, καθώς και το πλήρως στρεφόμενο ραδιοτηλεσκόπιο «Lovell» των 76 m στο Αστεροσκοπείο Τζόντρελ Μπανκ, στο Ηνωμένο Βασίλειο. «Τυπική» διάμετρος κεραίας ενός ραδιοτηλεσκοπίου είναι 25 m, και δεκάδες ραδιοτηλεσκόπια παρόμοιου μεγέθους λειτουργούν σε όλο τον κόσμο.

Ραδιοσυμβολομετρία

Το 1946 έγινε μια σημαντική πρόοδος με την εισαγωγή μιας τεχνικής που ονομάζεται αστρονομική συμβολομετρία. Τα αστρονομικά ραδιο-συμβολόμετρα αποτελούνται από διατάξεις μεμονωμένων ραδιοτηλεσκοπίων, που απέχουν το ένα από το άλλο από πολλές δεκάδες μέτρα έως χιλιόμετρα και συνδέονται μεταξύ τους με ομοαξονικό καλώδιο, κυματοδηγό, οπτική ίνα, ή άλλο τύπο υψηλής πιστότητας μεταφοράς ηλεκτρικού σήματος. Αυτό όχι μόνο αυξάνει την ισχύ του συνολικά συλλεγόμενου σήματος από το διάστημα, αλλά με τη βοήθεια των Μαθηματικών μπορεί να αυξήσει πάρα πολύ τη διακριτική ικανότητα, δηλαδή το ισοδύναμο της «μεγέθυνσης» ενός τηλεσκοπίου. Το τελευταίο γίνεται εξαιτίας του φυσικού φαινομένου της συμβολής, που ισχύει για όλα τα κύματα και βέβαια και για τα ραδιοκύματα: τα κύματα που φθάνουν σε δύο ραδιοτηλεσκόπια με την ίδια φάση ενισχύονται, ενώ όσα φθάνουν με αντίθετη φάση αλληλοεξουδετερώνονται. Στην πράξη, πολλοί διαφορετικοί συνδυασμοί κεραιών χρησιμοποιούνται για την απόκτηση της βέλτιστης είκονας υψηλής μεγεθύνσεως. Π.χ. η «Πολύ Μεγάλη Συστοιχία» (Very Large Array, VLA) στο Νέο Μεξικό αποτελείται από 27 ραδιοτηλεσκόπια, που δίνουν 351 ανεξάρτητους συνδυασμούς ταυτόχρονα και επιτρέπουν γωνιακή διακριτική ικανότητα 0,2 δευτερόλεπτο του τόξου σε μήκος κύματος 3 cm. Η ομάδα του Μάρτιν Ράιλ στο Κέιμπριτζ πήρε Βραβείο Νόμπελ για τη συμβολομετρική τεχνική στη Ραδιοαστρονομία. Στα πρώτα χρόνια της δεκαετίας του 1950 το Συμβολόμετρο του Κέιμπριτζ χαρτογράφησε τον ουρανό στα ραδιοκύματα και συνέταξε έτσι τους περίφημους καταλόγους ραδιοπηγών Second Cambridge Catalogue of Radio Sources (2C) και Third Cambridge Catalogue of Radio Sources (3C). Η μεγαλύτερη διάταξη ραδιοτηλεσκοπίων που υπάρχει σήμερα στον κόσμο είναι το «Γιγάντιο Ραδιοτηλεσκόπιο Μετρικών Κυμάτων» (Giant Metrewave Radio Telescope), στο Pune της Ινδίας. Μία μεγαλύτερη διάταξη, το LOFAR (= LOw Frequency ARray, Διάταξη Χαμηλής Συχνότητας) κατασκευάζεται σήμερα στη Δυτική Ευρώπη και αποτελείται από 25000 μικρές κεραίες απλωμένες σε μια έκταση διαμέτρου αρκετών εκατοντάδων χιλιομέτρων.

Αστρονομικές παρατηρήσεις

Πολλά ουράνια σώματα παρατηρούνται τόσο στο ορατό φως όσο και στα ραδιοκύματα, καθώς εκπέμπουν και στις δύο αυτές περιοχές του φάσματος ταυτόχρονα. Εκτός λοιπόν από την παρατήρηση σωμάτων όπως τα πάλσαρ και τα κβάζαρ, τα ραδιοτηλεσκόπια είναι ικανά να «απεικονίζουν» τα περισσότερα είδη ουράνιων στόχων, όπως γαλαξίες, νεφελώματα, ακόμα και ραδιοεκπομπές από πλανήτες.