Κατασκεύασε το δικό σου ραδιοτηλεσκόπιο Teach article

Μετάφραση από την Αιμιλία Ξανθοπούλου (Emily Xanthopoulos). Οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τεράστια ραδιοτηλεσκόπια για να παρατηρήσουν μαύρες τρύπες και μακρινούς…

Όταν οι αστρονόμοι μελετούν τον ουρανό, δεν παρατηρούν μόνο το φως των άστρων. Τα άστρα, οι πλανήτες και τα νεφελώματα ακτινοβολούν σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, και το φως που μπορούν να δουν τα ανθρώπινα μάτια αποτελεί μόνο ένα μικρό μέρος αυτού του φάσματος.

Τα ραδιοτηλεσκόπια παρατηρούν τον ουρανό για ακτινοβολία σε μήκη κύματος που είναι από χιλιάδες ως εκατομμύρια φορές μεγαλύτερα από το ορατό φως. Οι τεράστιες κεραίες που πρέπει να κατασκευάσουν οι επιστήμονες για να παρατηρήσουν αυτά τα μήκη κύματος έχουν γίνει σύμβολα της σύγχρονης τεχνολογίας. Το Arecibo Observatory, τόσο μεγάλο που κατασκευάστηκε σε μία κοιλάδα με σχήμα λεκάνης στο Πουέρτο Ρίκο, είναι αμέσως αναγνωρίσιμο από την ταινία του Τζέιμς Μπόντ GoldenEye, ενώ το Jodrell Bank έχει κατακυριεύσει την γραμμή του ορίζοντα του Μάντσεστερ, Μεγάλη Βρετανία, για μισό αιώνα.

Η ανάλυση των εικόνων ενός τηλεσκοπίου εξαρτάται και από το μήκος κύματος στο οποίο λειτουργεί το τηλεσκόπιο και από την διάμετρο του πιάτου του (παραβολικού κατόπτρου). Όσο μεγαλύτερο το μήκος κύματος, τόσο χειρότερη η ανάλυση˙ και όσο μεγαλύτερη η διάμετρος του πιάτου, τόσο καλύτερη η ανάλυση. Τα ραδιοκύματα έχουν πολύ μεγαλύτερο μήκος κύματος από το ορατό φως, και αυτός είναι ένας λόγος που τα επαγγελματικά ραδιοτηλεσκόπια είναι τεράστια. Το τεράστιο μέγεθος τα βοηθά επίσης να συλλαμβάνουν την αμυδρή ακτινοβολία από τα αμυδρά και μακρινά σώματα. Παρ’ όλα αυτά, η θεμελιώδης τεχνολογία πίσω από τα ραδιοτηλεσκόπια είναι αρκετά απλή και με φτηνό εξοπλισμό και απλά εργαλεία, είναι αρκετά εύκολο να κατασκευάσεις ένα δικό σου απλό αλλά λειτουργικό ραδιοτηλεσκόπιο.

Ονόμασα το δικό μου πρότυπο ραδιοτηλεσκόπιο RYSIA (το όνομα ενός κοριτσιού), η RadiowyY Śliczny Instrument Astronomiczny – δηλαδή ‘όμορφο ραδιοαστρονομικό όργανο’ στα Πολωνικά. Με το RYSIA, μπορείς να πραγματοποιήσεις απλές παρατηρήσεις σωμάτων που ακτινοβολούν έντονα στο ραδιοφάσμα. Αυτό περιλαμβάνει τον Ήλιο, τον δικό μας πλανήτη, και τεχνητούς δορυφόρους επικοινωνιών όπως είναι οι Hot Bird, Astra και Sirius.

Υλικά

Τοπικές μάντρες, μαγαζιά που πουλούν μεταχειρισμένο εξοπλισμό τηλεοράσεων και διαδικτυακές δημοπρασίες όπως το eBay είναι καλά μέρη για να αγοράσεις τα κομμάτια που χρειάζεσαι.

• Ένα δορυφορικό πιάτο δέκτη

  Όταν βλέπεις τηλεόραση, το δορυφορικό πιάτο εστιάζει τις μεταδόσεις από τον δορυφόρο στον δέκτη. Στο ραδιοτηλεσκόπιο σας, το πιάτο θα εξυπηρετεί έναν παρόμοιο σκοπό˙ θα αντανακλά τα σχετικά αμυδρά ραδιοκύματα πάνω στον δέκτη. Προτείνω ένα πιάτο με διάμετρο τουλάχιστον 1 μέτρο. Το πιάτο μπορεί να είναι είτε παραβολικού τύπου είτε με εκτός άξονα τροφοδοσία. Ένα καινούργιο πιάτο κοστίζει περίπου 100 πολωνικά ζλότυ (24 ευρώ). Ένα μεταχειρισμένο πιάτο δεν πρέπει να κοστίζει περισσότερο από 12-20 πολωνικά ζλότυ (3-5 ευρώ). Μπορείς επίσης να ψάξεις σε μάντρες με παλιοσίδερα – εκεί βρήκα εγώ το δικό μου.

  Αν το δορυφορικό πιάτο έχει βάση, αφαίρεσέ την (σχήμα 1), γιατί προσθέτει μόνο βάρος και το κάνει πιο δυσκίνητο. Ο υπάλληλος στο κατάστημα η στην μάντρα πιθανότατα θα χαρεί να το αφαιρέσει για σένα. Άφησε όμως τον βραχίωνα συνδεδεμένο.
   

• Έναν μεταλλάκτη χαμηλού θορύβου, η LNB

  Τα LNBς αποτελούν βασικό τμήμα των δορυφορικών δεκτών τηλεόρασης, και τοποθετούνται στο σημείο που το πιάτο εστιάζει τις εισερχόμενες ακτίνες. Όταν βλέπουμε τηλεόραση, το LNB λαμβάνει και ενισχύει το σήμα, απομακρύνει ανεπιθύμητες συχνότητες και μετά υποβιβάζει το σήμα σε χαμηλότερη συχνότητα. Στο ραδιοτηλεσκόπιό σου, το LNB θα είναι ο δέκτης που θα ανιχνεύει τα ραδιοκύματα που αντανακλώνται από το πιάτο. Οποιαδήποτε μάρκα η μοντέλο θα είναι εντάξει, ακόμη και το φτηνότερο. Η τιμή ενός καινούργιου μεταλλάκτη είναι περίπου 40 πολωνικά ζλότυ (10 ευρώ), αλλά μπορούν να αγοραστούν και μεταχειρισμένα σε πολύ μικρότερη τιμή.
   

• Έναν μετρητή δορυφορικού σήματος (σχήμα 2)
  

  

  Αυτός μας λέει αν ο LNB δέχεται σήμα, και αν ναι, πόσο ισχυρό είναι. Φρόντισε να πάρεις έναν που εκπέμπει ήχο όταν η κεραία δέχεται ένα ισχυρό σήμα˙ αυτό κάνει ευκολότερη την επίδειξη της συσκευής σε μεγάλες ομάδες μαθητών αφού όλοι θα μπορούν να ακούσουν το σήμα. Επιπλέον, ο μετρητής πρέπει να είναι εξοπλισμένος με ένα καντράν η οθόνη που θα σου επιτρέπει να μετράς την ισχύ του σήματος, ώστε να μπορείς να κάνεις πιο ακριβείς μετρήσεις και να συγκρίνεις διαφορετικές παρατηρήσεις. Αφού λάβεις υπόψιν σου τα παραπάνω, αγόρασε τον πιο απλό και φτηνό μετρητή που μπορείς να βρεις – το κόστος αυτού του κομματιού είναι περίπου 20 πολωνικά ζλότυ (5 ευρώ)
   

• 3 μέτρα ομοαξονικό καλώδιο – 5-10 πολωνικά ζλότυ (1-2 ευρώ)
   
• 3 BNC (Μπαγιονέτ Neill – Concelman) υποδοχές/συνδετήρες για το ομοαξονικό καλώδιο – 60-120 γραμμάρια (15-30 ¢) το καθένα. Αν είναι δυνατόν, διάλεξε συνδετήρες με βιδωτό βύσμα, καθώς δεν χρειάζονται συγκόλληση.
   
• Μια πηγή ενέργειας που παρέχει από 12 V μέχρι 18 V DC (συνεχές ρεύμα)
  

  

  Χρησιμοποίησα μια 12V μολύβδου-οξέος μπαταρία αυτοκινήτου (σχήμα 3). Μπορείς επίσης να χρησιμοποιήσεις συνηθισμένες μπαταρίες ΑΑ συνδεδεμένες σε σειρά.

Συναρμολογώντας το ραδιοτηλεσκόπιό σου

Μόλις έχεις τα υλικά σου, το μόνο που έχεις να κάνεις είναι να τα τοποθετήσεις μαζί η να τα συνδέσεις μεταξύ τους.

1. Τοποθέτησε τον μεταλλάκτη χαμηλού θορύβου στον βραχίονα της κεραίας, χρησιμοποιώντας τα εξαρτήματα σύνδεσης που παρέχονται (σχήμα 4).

2. Κόψε το ομοαξονικό καλώδιο στην μέση. Σύνδεσε έναν BNC συνδετήρα σε κάθε άκρο του ενός κομματιού του καλωδίου, και στην μια μόνο άκρη του δεύτερου κομματιού (σχήμα 5).
3. Πάρε το ομοαξονικό καλώδιο που έχει δύο συνδετήρες και σύνδεσε το ένα άκρο του με τον LNB και το άλλο άκρο του βάλτο στην υποδοχή του μετρητή δορυφορικού σήματος με την επιγραφή ‘LNB’ η ‘δορυφόρος (satellite)’ (σχήμα 6).

4. Πάρε το ομοαξονικό καλώδιο με τον ένα συνδετήρα, και αφαίρεσε από το άλλο άκρο το εξωτερικό μονωτικό περίβλημα του καλωδίου για να φανεί ο μεταλλικός πυρήνας και η υφασμένη ασπίδα χαλκού (σχήμα 7).
5. Βάλε τον συνδετήρα που βρίσκεται σε αυτό το ομοαξονικό καλώδιο στην δεύτερη πρίζα του δορυφορικού μετρητή (με την επιγραφή ‘πηγή (power)’ η ‘δέκτης (receiver)’˙ σχήμα 8).
6. Η άλλη άκρη του καλωδίου πρέπει τώρα να συνδεθεί με την πηγή ενέργειας. Σύνδεσε την υφασμένη ασπίδα χαλκού στον αρνητικό ακροδέκτη της μπαταρίας και τον πυρήνα στον θετικό ακροδέκτη της μπαταρίας (σχήμα 9).

Έχεις κατασκευάσει τώρα ένα βασικό, φορητό ραδιοτηλεσκόπιο που είναι ελαφρύ και αρκετά ευέλικτο για να το μεταφέρεις και να το στρέψεις σε διάφορα αντικείμενα με το χέρι.

Αν επιθυμείς να κατασκευάσεις μια τοποθετημένη σε βάση συσκευή, θα πρέπει να το προσαρτήσεις σε κάποιο αντικείμενο (όπως ένα βαρύ τρίποδο) που σου επιτρέπει να ρυθμίζεις και το αζιμούθιο (την οριζόντια διεύθυνση στην οποία στρέφεται το τηλεσκόπιο) και το ύψος (πόσο ψηλά η χαμηλά το έχεις στρέψει – σε ποια γωνία).

Δραστηριότητες χρησιμοποιώντας το ραδιοτηλεσκόπιό σου

Τώρα έχεις ένα ραδιοτηλεσκόπιο που λειτουργεί πάνω σε μερικές από τις ίδιες αρχές που λειτουργούν και τα τεράστια ραδιοτηλεσκόπια που χρησιμοποιούνται για να εξερευνήσουμε τις πρώτες ημέρες του Σύμπαντος, συλλαμβάνοντας ακτινοβολία από πολύ μακρινούς γαλαξίες (δείτε το Mignone & Pierce-Price, 2010). Αν και το πολύ μικρότερο τηλεσκόπιό σου δεν μπορεί να ανιχνεύσει τα μακρινά άστρα, μπορείς να το χρησιμοποιήσεις για να δείξεις στους μαθητές σου ότι ο Ήλιος και άλλα σώματα ακτινοβολούν όχι μόνο στο ορατό φάσμα αλλά εκπέμπουν και ραδιοκύματα. Επιπλέον, μπορείς να βρεις την θέση του Ήλιου μια συννεφιασμένη ημέρα, να δείξεις ότι η επιφάνεια της Γης εκπέμπει ραδιοκύματα, και να εντοπίσεις δορυφόρους.

Αν χρησιμοποίησες μια παραβολική κεραία για να κατασκευάσεις το ραδιοτηλεσκόπιό σου, θα χρειαστεί να στρέψεις τον άξονά του κατευθείαν στο αντικείμενο που παρατηρείς. Αν όμως χρησιμοποίησες μια κεραία με εκτός άξονα τροφοδοσία, τότε θα πρέπει να συνυπολογίσεις την εκτός άξονα γωνία. Οι περισσότεροι κατασκευαστές δεν παρέχουν αυτήν την παράμετρο αλλά μπορεί να υπολογιστεί εύκολα (αυτό μπορεί να γίνει μια επιπλέον εργασία για τους μαθητές). Πρακτικά, ο βραχίονας του δορυφορικού πιάτου στον οποίο είναι προσαρτημένος ο LNB δείχνει την διεύθυνση από την οποία λαμβάνεται το σήμα (σχήμα 10).

Παρατηρώντας τον Ήλιο

Ο Ήλιος εκπέμπει ακτινοβολία σε ένα μεγάλο μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Μια καθαρή ημέρα, δοκίμασε να στρέψεις το ραδιοτηλεσκόπιό σου στον Ήλιο και σε ένα κενό τμήμα του ουρανού. Σύγκρινε τις ενδείξεις του οργάνου μέτρησης. Επανέλαβε το πείραμα μία συννεφιασμένη ημέρα˙ η θέση του Ήλιου μπορεί να προσδιοριστεί εύκολα, παρά τα σύννεφα. Ρώτησε τους μαθητές σου γιατί πιστεύουν ότι το ορατό φως μπλοκάρεται από τα σύννεφα ενώ τα ραδιοκύματα μπορούν να τα διαπεράσουν.

Μπορείς επίσης να ρωτήσεις τους μαθητές σου πως μπορούν να ξεχωρίσουν την Ηλιακή ακτινοβολία από ένα δορυφορικό σήμα, ειδικά όταν μερικές φορές εμφανίζονται μαζί κοντά στον ουρανό. Η απάντηση: το δορυφορικό σήμα είναι πολωμένο (οριζόντια η κάθετα) ενώ η ακτινοβολία από τον Ήλιο δεν είναι. Έτσι αν περιστρέψεις το πιάτο του ραδιοτηλεσκοπίου και η ισχύς του σήματος παραμένει ίδια, το σήμα έρχεται από τον Ήλιο.

Παρατηρώντας την Γη

Τα πράγματα γύρω μας, συμπεριλαμβανομένων και των κτηρίων, φυτών, ανθρώπων και ακόμη και του εδάφους κάτω από τα πόδια μας, εκπέμπουν ραδιοκύματα, αντανακλώμενα από τον Ήλιο η την Γη. Δοκίμασε να συγκρίνεις μετρήσεις για τα διαφορετικά αντικείμενα. Χάρη στο ηχητικό σήμα από τον μετρητή του δορυφορικού σήματος, θα μπορείς να εντοπίσεις εύκολα την θέση των κτηρίων και των δέντρων γύρω σου, ακόμη και με δεμένα μάτια. Για να σιγουρευτείς ότι το σήμα δεν έρχεται από τον ίδιο τον Ήλιο, σιγουρέψου ότι κάνεις αυτά τα πειράματα με το πιάτο στραμμένο μακριά από τον Ήλιο.

Εντοπίζοντας την θερμότητα

Τα περισσότερα αστρονομικά φαινόμενα παράγουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία γιατί είναι θερμά. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία τους, τόσο πιο μικρό το μήκος κύματος που παράγουν. Στους περίπου 5500 ºC, ο Ήλιος παράγει άφθονο ορατό φως όπως επίσης και υπέρυθρα κύματα και ραδιοκύματα. Για να ανιχνευτούν ψυχρότερα αντικείμενα χρειάζονται υπέρυθρα τηλεσκόπια η ραδιοτηλεσκόπια. Μπορείς να το δείξεις αυτό στρέφοντας το ραδιοτηλεσκόπιό σου σε ένα μάτι κουζίνας καθώς θερμαίνεται. Θα αρχίσει να εκπέμπει ορατό φως μόνο στους περίπου 700 ºC, αλλά το τηλεσκόπιό σου θα ανιχνεύσει τα ραδιοκύματα που εκπέμπονται πολύ πριν.

Δορυφόροι

Κατασκευάσαμε αυτό το απλό ραδιοτηλεσκόπιο χρησιμοποιώντας την τεχνολογία της δορυφορικής τηλεόρασης, η οποία μας επιτρέπει να εντοπίσουμε επίσης και διαστημόπλοια. Τα επαγγελματικά ραδιοτηλεσκόπια το κάνουν αυτό επίσης μερικές φορές – το Τηλεσκόπιο Parkes της Αυστραλίας χρησιμοποιήθηκε για να επικοινωνήσει με το Apollo 11 κατά την διάρκεια της αποστολής του στη Σελήνη^w1.

Οι πιο γνωστοί δορυφόροι επικοινωνιών (π.χ. Hot Bird, Astra και Sirius) βρίσκονται σε γεωσύγχρονες τροχιές γύρω από την Γη, και περιστρέφονται πάνω από τον ισημερινό. Έτσι μπορούν εύκολα να εντοπιστούν. Η Wolfram Alpha^w2 βάση δεδομένων παρέχει την θέση για πολλούς δορυφόρους.

Να ξέρεις ότι κατά την εαρινή και φθινοπωρινή ισημερία, ο Ήλιος λάμπει πάνω από τον ισημερινό και μπορεί να προκληθούν παρεμβάσεις στην δορυφορική λήψη όταν ο Ήλιος και ο δορυφόρος βρίσκονται στην ίδια περιοχή του ουρανού. Η Wolfram Alpha έχει έναν χάρτη με την θέση του Ήλιου σε σχέση με έναν δορυφόρο, και έτσι αυτό μπορεί να αποφευχθεί εύκολα.

Εποικοδομητική κριτική

Αν έχετε υποδείξεις για την βελτίωση του τηλεσκοπίου η για άλλες δραστηριότητες, σας παρακαλούμε να αφήσετε ένα σχόλιο στο τέλος του διαδικτυακού άρθρου^w3.

Ευχαριστίες

Η έμπνευση για το ραδιοτηλεσκόπιο μας προήλθε από ένα πρότυπο που κατασκευάστηκε από τον Peter Kalberla, έναν αστρονόμο στο Πανεπιστήμιο την Βόννης, Γερμανία, και το οποίο παρουσίασε το 2011 στο μάθημά του ‘Hands-On Universe: Connecting classrooms to the Milky Way’^w4 στο κοντινό Bad Münstereifel.

Download

Download this article as a PDF