Радиоастрономия, возникшая из любительских начинаний в среде радиоинженеров, теперь находится в центре внимания элитных международных глобальных консорциумов. Эмма Чепмен описывает, как развивался предмет и почему необходимо найти тонкий баланс между его научными и инженерными корнями.
В последнее время я много думал о своей личности. Когда меня спрашивают, чем я занимаюсь, я называю себя радиоастрономом, или космологом, или астрофизиком – в зависимости от моего настроения и того, с кем я разговариваю. Но я никогда по-настоящему не чувствовал себя полностью принадлежащим ни одному из этих вариантов. Мне казалось, что мои поиски первых звезд с использованием радиоданных не совсем вписывались в напряженные дискуссии космологов об инфляционных парадигмах и темной энергии. Точно так же при посещении радиотелескопов жаргон «приемников» и «приростов» лился у меня в голове.
«Радиоастроном» — любопытное словосочетание, поскольку редко можно услышать, чтобы ученые так сильно привязывались к какой-либо другой длине волны. Я, например, никогда не слышал словосочетания «астроном гамма-излучения». Но побывав за последний год в группах радиоастрономов-любителей, я понял, что у меня пока нет навыков называть себя настоящим «радиоастрономом». Эта награда — почетный знак, который невозможно заработать, просто используя данные, полученные с помощью радиотелескопов.
Я являюсь активным членом Обсерватория Квадратный километр (СКАО), международный радиотелескоп, который в настоящее время строится в Южной Африке и Западной Австралии. Хотя штаб-квартирой проекта является обсерватория Джодрелл-Бэнк в Великобритании, SKAO представляет собой глобальный проект с партнерскими отношениями, простирающимися от Австралии, Китая, Италии и Нидерландов до Португалии, Южной Африки, Испании, Швейцарии и Великобритании.
Астроном против инженера
По словам астрофизика Филип Даймонд, генеральный директор СКАО, звонки и встречи в рамках проекта часто охватывают около 20 часовых поясов. Учитывая такую глобальную и густонаселенную обсерваторию, неудивительно, что многие люди, управляющие проектом СКА, имеют опыт работы в бизнесе. Даймонд однажды полушутя пошутил, что некоторые никогда даже не прикасались к телескопу. Но это не так уж и плохо – они здесь не из-за любви к звездам. Они здесь, потому что знают, как обеспечить процветание сложных компаний, чтобы конечный пользователь (например, я) своевременно получал данные высокого качества.
Даймонд, несомненно, заслужил звание «радиоастронома» — действительно, у него докторская степень по этой теме, и его карьера заключалась в том, что он работал на большинстве крупнейших радиоустановок мира. Разговаривая с ним, становится ясно, что он любит простые инструменты так же сильно, как и науку, которую они обеспечивают. Ниже по иерархии не все расположены так широко. Существует явный раскол между астрономами и инженерами, за некоторыми исключениями.
Два консорциума, инженерный и научный, даже проводят отдельные конференции, хотя я не думаю, что кто-то станет проверять ваши навыки пайки на инженерной встрече, чтобы предоставить вам право на участие. Хотя я и присутствовал на одной инженерной конференции много лет назад, я твердо придерживаюсь научного лагеря и могу вам сказать: иногда этот раскол больше похож на пропасть. Инженеры жалуются на ученых, которые требуют слишком многого и не понимают пределов технологии. Между тем, на научных конференциях ученые громко выражают отчаяние по поводу любых изменений в антеннах, которые умаляют их собственные научные цели, жалуясь, что инженеры не понимают, что научный потенциал улетучивается.
Эти разговоры не являются уникальными для СКА, но они заметны, потому что масштабы сотрудничества очень велики. Подавляющее большинство вовлеченных исследователей базируются в своих университетах и компаниях по всему миру, а не в одном месте, где у них может быть возможность встретиться и уменьшить трайбализм.
Во многих отношениях мы наблюдаем возвращение радиоастрономии к своим корням, начало которым положил непростой союз астрономии и электротехники. Ученым в этих двух областях потребовалось время, чтобы научиться сосуществовать и обучать своих академических отпрысков, но в конечном итоге университеты выпустили готовых радиоастрономов, которые создали великие радиоустановки 1960-х годов и позже.
Рекреационные корни
Радиоастрономию основали Инженер Bell Labs Карл Янски и британские учёные Джеймс Стэнли Эй и Бернард Ловелл (см. поля ниже). Их первые открытия стали возможны только благодаря совместной работе инженеров-электриков, астрономов и любителей. Но поскольку крупномасштабная радиоастрономия все чаще становится результатом сотрудничества двух ярых специальностей – инженеров, с одной стороны, и ученых, с другой, – как насчет любителей-мастеров на все руки? Есть ли еще место для группы, сыгравшей столь важную роль в зарождении этой области?
Карл Янский: инженер
В 1928 году Карл Янский был инженером. Bell Labs в США, где его работа заключалась в уменьшении надоедливых потрескиваний на new трансатлантическая радиотелефонная связь стоимостью 25 долларов за минуту (сегодня 400 долларов). Большая часть обнаруженного им шума была вызвана местными помехами, такими как грозы, но в его наушниках доносилось меньшее, непрерывное шипение, которое он не мог уловить. Применив свои инженерные навыки с пользой, Янски построил свою «Карусель» — конструкцию прямоугольных проволочных петель шириной 30 м, которые вместе действовали как антенны, и все это было установлено на перепрофилированные колеса Ford Model T. В конце концов, это было во времена Великой депрессии, и денег было мало.
За этим последовал разочаровывающий год, когда Янский гонялся за шипением по небу, поначалу убежденный, что оно исходит от Солнца. Но к 1932 году он в конце концов понял, что истинным источником был центр нашей галактики. Янский пришел к такому выводу не один. Осознание пришло только тогда, когда коллега-астроном предложил составить график данных за весь год, и дневной сдвиг в 4 минуты решился сам собой: точное звездное время (время, определяемое видимым ежедневным движением звезд), которое вы видите в объектах за пределами Солнца. система. К сожалению, поскольку Bell Labs не занималась радиоастрономией, Янский не стал заниматься этим открытием, но его исследования продолжил астроном-любитель Гроте Ребер.
Гроте Ребер: первый радиоастроном
В течение ряда лет после открытия Янского в 1932 году во всем мире был один радиоастроном, и он был любителем с репутацией эксцентрика. Гроте Ребер, молодой американский инженер, работавший на производителя радиооборудования в Чикаго, проглотил довоенную литературу Янски и связался с различными академическими отделами, спрашивая, когда они предпримут действия по этому явно важному открытию. Ему неоднократно отказывали, и в конце концов, устав от неуважения со стороны профессиональных астрономов, в 1936 году он решил построить радиотелескоп в саду за домом своей матери.
Используя свои навыки радиоинженера, Ребер разработал лучшую форму антенны (парабола, которая послужит основой для большинства будущих радиоантенн). Затем он взял летний отпуск и годовую зарплату из банка и построил тарелку длиной 9.6 м. Соседи боялись, что это может изменить погоду, пилоты изменили маршрут, чтобы избежать его, а школьники использовали его как платформу для лазания, когда он не смотрел.
Ребер, не испугавшись, сначала подтвердил эксперименты Янски, а затем в начале 1940-х годов нанес на карту все радионебо, открыв первая радиогалактика Лебедь А. Он также провел некоторые из первых радиоизмерений Солнца, в то время как профессиональные астрономы еще только осознавали потенциал радиоастрономии после рассекречивания документов после Второй мировой войны. Когда результаты Ребера (а позже и Джеймса Стэнли Хея и Бернарда Ловелла) стали более известными, возникла спешка наблюдать за радионебом.
Те, у кого было физическое образование, могли изготовить такое оборудование, но понятия не имели, что именно они обнаруживают. Между тем астрономы знали, на что они хотят смотреть, но не могли понять электротехнику. В те первые годы ученые могли предложить только половину навыков настоящего радиоастронома: они могли понять эксперимент или понять результаты. Ребер, казалось, был единственным человеком, который мог сделать и то, и другое. В одиночестве, в саду своей матери, Ребер был первым радиоастрономом, любителем или профессионалом, и оставался им более десяти лет.
Джеймс Стэнли Эй: учитель
В 1942 году сеть радиолокационной защиты Королевских ВВС Великобритании (RAF) вышла из строя на два дня. Физик Джеймс Стэнли Хэй взял на себя ответственность выяснить, почему произошел сбой. Его призвали преподавать физику в гимназии Бернли в Ланкашире в начале Второй мировой войны, когда он вступил в ряды солдат. Группа исследования армейских операций. Эй прошел краткий инструктаж по радиотехнике и был назначен руководителем группы, ответственной за улучшение радара для зенитных орудий. Сравнивая время и степень отключения электроэнергии на каждой радиолокационной станции, Эй пришел к выводу, что источником отказа радара было Солнце.
Если бы он был астрономом, Хей был бы озадачен, поскольку большинство астрономов в то время знали, что были только неудачные попытки обнаружить солнечные радиоволны. Даже Томас Эдисон не добился успеха. Однако, будучи учителем физики, Хей не имел таких предубеждений и с готовностью признал свое невежество. Он даже дошёл до того, что позвонил в Королевская Гринвичская обсерватория спросить, не случилось ли что-нибудь с Солнцем. Как оказалось, так оно и было, что подтвердили астрономы из Гринвича. Действительно, Хэй выяснил, что именно в это время радиолокационные станции оказались заглушены шумом, по поверхности Солнца расцвело чудовищное солнечное пятно.
В то время ВВС, должно быть, были довольны, что источником помех была не новая немецкая технология постановки помех, и были благодарны, что не произошел рейд, пока оборона была слепа. После войны, когда его работы были рассекречены, Хэй начал выступать с докладами, но астрономическое сообщество не было благосклонно к нему. Кто был этот человек, не кто иной, как учитель, который рассказал им, что Солнце излучает радиоволны? Нелепый!
К счастью, его оправдание пришло быстро, когда в 1946 году еще одно гигантское солнечное пятно пересекло солнечный диск и произвело такие же помехи. В этот момент радиоастрономия стала серьезной профессией во всем мире, и Хей и другие физики (включая Бернарда Ловелла) собрали вышедшее из употребления радиолокационное оборудование военного времени и сконструировали свои собственные подслушивающие устройства. Однако на этот раз они были направлены не на самолеты противника, а на звезды.
Бернард Ловелл: физик
Когда в 1939 году началась Вторая мировая война, Бернард Ловелл был исследователем в Манчестерском университете, Великобритания, где он визуализировал следы ионизирующих частиц через пар в камере Вильсона. Ловелла пригласили для разработки портативных радаров, но они страдали от надоедливого источника помех. В конечном итоге ложные сигналы были приписаны ливням частиц, взаимодействующих с ионосферой и создающих излучающие радиоволны – случайное открытие для Ловелла. Попробовав настольные камеры Вильсона, он понял, что может полагаться на атмосферу Земли как на ускоритель частиц, так и на камеру Вильсона.
После войны Ловелл и другие, в том числе его военный коллега Джеймс Хей, «спасли» некоторое вышедшее из употребления радиолокационное оборудование и установили его на полях небольшого аванпоста Манчестерского университета в Джодрелл Банк. Тихое место должно было означать, что он слышал сигналы радара, улавливающие следы потока частиц раз в час. Но, к своему удивлению, он услышал какофонию. Хэй предположил, что сигналы Ловелла могли быть вызваны входом космического камня в атмосферу Земли. Ионизированные следы, оставленные этими метеорами, будут отражать радиосигналы, выдавая их местоположение.
Ловелл, не имевший ни малейшего права разбираться в метеорах, быстро обнаружил, что у профессиональных астрономов нет ни времени, ни желания использовать свои драгоценные телескопы для их изучения. Они оставили это дело любителям. И именно так Ловелл убедил Мэннинг Прентис — адвокат днем, астроном-любитель ночью — присоединиться к нему в Джодрелл-Бэнк во время следующего большого метеоритного дождя. Прентис откинулся на спинку шезлонга и кричал, когда и где он видел метеор. Каждый раз Ловелл поворачивал радар в этом направлении и кричал, если на экране радара появлялись сигналы.
Вскоре стало очевидно, что Ловелл действительно записывал метеоритные дожди. О камерах Вильсона и физике элементарных частиц теперь забыли, и Ловелл начал собирать деньги на строительство Телескоп Марк I в Джодрелл-Бэнк (позже переименованный в телескоп Ловелла) и начал путь к тому, чтобы стать одним из величайших радиоастрономов 20-го века. Все, что требовалось, — это уроки у любителя.
Слово «любитель» имеет два общих значения: «тот, кто занимается занятием, учебой, наукой или спортом как развлечением, а не профессией» и «тот, кому не хватает опыта и компетентности в искусстве или науке». От садоводства до DIY — есть много навыков, в которых я не получаю зарплату и некомпетентен, и поэтому дело должно идти глубже. Действительно, латинский корень этого слова любитель, что означает «любовник». В буквальном смысле быть любителем в каком-либо деле — значит любить его, иметь к нему страсть.
Оказывается, я несправедливо судил тех, кто занимается любительским хобби, не в последнюю очередь в той области, которую, как мне казалось, я знал лучше всех: радиоастрономии. Астрономам-любителям, возможно, не платят зарплату, и они не пишут громкие научные статьи, но звон метеора и шипение Млечного Пути в их наушниках заставляют их сиять от радости.
В поисках современного эквивалента новаторского американского радиоастронома-любителя Грота Ребера (см. вставку выше) я наткнулся на многочисленные ассоциации любительских радиоастрономических клубов, наблюдающих за всем, от спиральных рукавов галактики до, что удивительно, пульсаров. Поговорив с некоторыми, включая Британская любительская астрономическая радиоастрономическая группа, Линкольнский любительский астрономический клуб, и Любительский астрономический клуб Саттона и Мэнсфилда – Я понял, что нигде больше не ощущаю себя любителем, чем в любительском астрономическом клубе.
Действительно, когда я встречаюсь с такими группами, я, должно быть, разочаровываю их членов; не то чтобы они когда-либо заставляли меня чувствовать это. Астрономы-оптики, работающие в этих клубах, обычно хорошо восстанавливаются после потрясенных пауз после того, как я признаюсь, что не знаю, на какую планету, созвездие или звезду они указывают, в то время как радиолюбители вежливо пытаются обойти мой недостаток опыта в построении или обслуживание радиотелескопов.
Блюда украшают крыши, линии проводов тянутся через столбы, а антенны всех форм направлены в небо. Технология настолько проста и знакома на вид, что легко предположить, что те, кто находится в сараях, просто пытаются подключиться к бесплатному радио или телевидению. Что касается меня, то я подпрыгиваю от волнения, когда вижу антенны, созданные для улавливания штормов Юпитера или измерения приближающихся солнечных вспышек.
Люди, которые добровольно обслуживают эти телескопы, чаще всего — мужчины-пенсионеры, которые раньше работали в таких областях, как электротехника или радиолокация. Это эксперты в области наземных радиотехнологий, которые после выхода на пенсию повернули свои устройства вверх – либо ради чистого вызова, либо, действительно, потому, что врачи сказали им, что им больше не следует носить свои огромные оптические трубки по темным ледяным полям.
Есть еще множество профессиональных радиоастрономов, чьи знания о своих антеннах граничат с уровнем шепота – но я встречал их в основном на старых, меньших телескопах и реже среди моего поколения ученых. В крупных коллаборациях такие радиоастрономы в наши дни редки из-за необходимости масштаба. На мой взгляд, это потеря. Именно в холодных, ветхих сараях любительских групп я заново открыл для себя дух радиоастрономии. Здесь были настоящие радиоастрономы, любители или нет.
История нависает над штаб-квартирой СКА в обсерватории Джодрелл-Бэнк, расположенной в тени культового телескопа Ловелла. Эта 76-метровая тарелка когда-то была самой большой управляемой радиотарелкой в мире, когда она была построена в 1957 году, и феноменальный подвиг ее конструкции означает, что с тех пор только два телескопа превзошли ее (в Эффельсберг, Германия, и Зеленый Банк Телескоп в Западной Вирджинии, США).
Крупномасштабные радиотелескопы, такие как SKA, являются жизненно важным следующим шагом в сборе света на больших территориях. Действительно, SKA представляет собой интерферометр, одна часть которого состоит из 130,000 XNUMX антенн в пустыне Западной Австралии, соединенных так, что входящие длинноволновые радиоволны «видят» гигантскую зону сбора, которая обходит механические ограничения физической антенны.
Уникальное блюдо легко антропоморфизировать и полюбить; Я подозреваю, что массив из 130,000 118,456 антенн вряд ли вызовет столько любви и преданности. Возможно, кому-то понравится антенна XNUMX XNUMX, которая, кажется, всегда дерзко отключается по вторникам, но посмеивается инженер по обработке данных. Астроном, вероятно, никогда не узнает.
Радиоастроном-жулик
Отсутствие консолидированных знаний вызывает беспокойство у некоторых радиоастрономов, которые знают, насколько важно понимать, как собираются данные. Я нашел одного такого астронома на физическом факультете Калифорнийского университета в Беркли, США. Будучи директором его Радиоастрономическая лаборатория, Аарон Парсонс внес большой вклад в мою область исследований первых звезд, возглавив группу ученых, занимающихся поиском радиосигналов из ранней Вселенной. Для меня посещение его лаборатории было волшебным опытом. Я метался вокруг, поднимая листы металла и любуясь различными антеннами, с восторгом слушая, как Парсонс рассказывал о каждом произведении, как если бы он был страстным куратором искусства.
Аарон Парсонс теперь стал тем, о ком мне нравится думать, как о радиоастрономе-изгое, поворачивающемся спиной к эволюции этой области в направлении глобального сотрудничества.
Парсонс свободно выражает свою озабоченность – граничащую с цинизмом – по поводу крупного сотрудничества из-за естественного разделения знаний, которое диктуется эффективностью. Действительно, теперь он стал тем, кого мне нравится называть радиоастрономом-изгоем, отвернувшимся от эволюции этой области в сторону глобального сотрудничества. Он даже проводит каникулы в походах один или со своим сыном в отдаленных частях США в поисках идеального каньона, над которым можно повесить свою новейшую антенну ручной работы.
Изобретательность его сольного сотрудничества явно напоминает Ребера и Ловелла. Парсонс создает свои собственные инструменты, всегда помня о том, как, по его ожиданиям, будут выглядеть данные. Он говорит мне, что ему было бы трудно доверять анализу любого другого ученого, если только они сами не построили антенны. Необходимо знать инструмент, чтобы знать его влияние на данные, особенно когда малейший космологический сигнал может быть размыт из-за неправильного моделирования эффекта антенны.
Пионеры радио: непреходящая роль «любителей» в радиоастрономии
Поскольку мы сейчас вступаем в эпоху огромной интерферометрии, мы рискуем разрушить тесный союз между электротехникой и астрономией. Действительно, знания, необходимые для демонстрации компетентности в каком-либо одном аспекте, сейчас слишком велики для одного человека или даже для одной программы подготовки докторантов. Счастье любых продолжающихся отношений зависит от совместного времяпрепровождения и открытого общения. Крупные обсерватории, такие как СКА, будут процветать только при условии, что ученые и инженеры будут обмениваться знаниями, уважать опыт и любовь друг друга к своему делу. Одно без другого равноценно ничему.
В каком-то смысле настоящие радиоастрономы — вымирающая порода. Их можно найти в основном у небольших телескопов или в любительских клубах; это работа ради удовольствия, а не публикация или гибель. Я понимаю, почему для крупных коллабораций необходимо четкое разделение между инженерами и астрономами, но обеим сторонам необходимо немного выучить язык друг друга, чтобы не пошатнуться существенное единство умов. Ваш местный любительский астрономический клуб вполне может стать лучшим местом для этого.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://physicsworld.com/a/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups/
