ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΡΑΔΙΟΤΗΛΕΣΚΟΠΙΟ ‘’ΠΕΡΙΠΟΛΕΑΣ’’

Εκπαιδευτικό Ραδιοτηλεσκόπιο «Περιπολέας»

Το Ραδιοτηλεσκόπιο “Περιπολέας” (Patrol Radio Telescope, PRT) είναι ένα “Ραδιοτηλεσκόπιο Ολικής Ισχύος”, το οποίο είναι τοποθετημένο σε μία φορητή αλταζιμουθιακή βάση. Το PRT, με διάμετρο 60cm,  μπορεί να ανιχνεύσει και να καταγράψει ραδιοεκπομπές του ηλίου, των καιρικών φαινομένων, αλλά και επίγειων φυσικών αντικειμένων, τα οποία εκπέμπουν ραδιοκύματα, καθώς και ραδιοεκπομπές που οφείλονται σε ανθρώπινη δραστηριότητα.

Το ραδιοτηλεσκόπιο “Περιπολέας” ενδείκνυται για μαθητές, αλλά και ερασιτέχνες αστρονόμους που θέλουν να εμπλουτίσουν και να εξελίξουν περαιτέρω τις γνώσεις τους, ερχόμενοι στον θαυμαστό κόσμο των Ραδιοκυμάτων, ενώ ταυτόχρονα είναι ένα εκπαιδευτικό-διαδραστικό όργανο παρατήρησης.  

Το Ραδιοτηλεσκόπιο “Περιπολέας” είναι ένα ραδιόμετρο “ολικής ισχύος” (total power radiometer). Το κάτοπτρο συλλέγει τα ραδιοκύματα στην εστία του, και στην οποία υπάρχει το “μάτι” του κατόπτρου, το οποίο ονομάζεται LNB (στα 10-12 GHz Ku Band). Το LNB μετατρέπει τα ραδιοκύματα που συλλέγει το παραβολικό κάτοπτρο σε ρεύμα χαμηλής ισχύος, το οποίο ενισχύεται ακόμη περισσότερο με κατάλληλο ηλεκτρικό κύκλωμα χαμηλού θορύβου (SAT FINDER). Καθώς το ραδιοτηλεσκόπιο πλησιάζει σε μία περιοχή πάνω στη Γη ή στον ουρανό από την οποία εκπέμπονται ραδιοκύματα ισχυρής έντασης, ο ακουστικός βομβητής του SAT FINDER θα αρχίσει ηχεί και όσο ισχυρότερη είναι η πηγή, τόσο περισσότερο ισχυρός και οξύς θα είναι ο ήχου που παράγει.

Ο μαθητής/χρήστης του ραδιοτηλεσκοπίου καλείται να μετατρέψει τα ακουστικά κύματα σε αναλογικές ηλεκτρικές διακυμάνσεις με τη βοήθεια ενός αναλογικού μικροφώνου (περιλαμβάνεται στη συσκευασία): τοποθετώντας το μικρόφωνο στη θέση του βομβητή και συνδέοντας το μικρόφωνο (jack 3.5mm) στην κάρτα ήχου (είσοδος μικροφώνου) ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή, μπορεί να μετατρέψει το αναλογικό σήμα του μικροφώνου σε ψηφιακό. Κατόπιν με το πρόγραμμα RADIO SKY PIPE (free trial ή Pro, μετά την εγκατάσταση του, πρέπει να συνδεθεί με την κάρτα ήχου και το μικρόφωνο), οι ηλεκτρικές διακυμάνσεις που μετατρέπει το μικρόφωνο μπορούν να εμφανιστούν ως γράφημα συναρτήσει του χρόνου (γραφική παράσταση).

Το Radio Sky Pipe (https://radio-skypipe-ii.software.informer.com/2.1/ ) υπάρχει και σε δωρεάν έκδοση (ως free download με περιορισμένες δυνατότητες) ή με την έκδοση Radio-SkyPipe II PRO η οποία προσφέρει αρκετές δυνατότητες, όπως σύνδεση (FTP, export data to file for Excel, Audio Spectrum Display, Play or "Play & Chart" wav files with the new SkyPipe Wav Player κτλ.). Η αποθήκευση του γραφήματος ως εικόνα στην δωρεάν έκδοση του προγράμματος μπορεί να γίνει με τη διαδικασία ctrl + prt sc και κατόπιν ανοίγοντας ένα πρόγραμμα επεξεργασίας εικόνων File, Νew, Εnter και στη διαδικασία Edit: Paste, Enter κτλ.

Εναλλακτικά υπάρχει και το  Spectrum Lab
https://spectrum-lab.software.informer.com/2.8/)

Πληροφορίες στο διαδίκτυο:
https://www.youtube.com/watch?v=vM2FVMG8Snc
https://www.youtube.com/watch?v=lqW74cy5o_I
https://www.youtube.com/watch?v=9L-RDF-QuRo

Ο μαθητής/χρήστης θα πρέπει να χρησιμοποιήσει ένα κουτί που θα τοποθετήσει μέσα το SAT FINDER και το μικρόφωνο, για να απομονώσει το σύστημα από τους εξωτερικούς θορύβους.

Πως λειτουργεί το Ραδιοτηλεσκόπιο “Περιπολέας”

Στην ξύλινη αλταζιμουθιακή βάση τοποθετείτε τις εδράσεις του δορυφορικού κατόπτρου (πιάτου) και το στερεώνετε με τα αντίστοιχα περικόχλια.  Κατόπιν συνδέετε στο LNB το οπλισμένο καλώδιο και την άλλη άκρη του στο SAT FINDER. Θα χρειαστείτε τροφοδοτικό 12-15Volts/1Amp (δεν περιλαμβάνεται στη συσκευασία) ή συστοιχία μπαταριών 12 V (δεν περιλαμβάνεται στη συσκευασία). (! θετικός πόλος “+” είναι στο κέντρο του βύσματος).

Κατόπιν, αρχίστε να περιστρέφετε το κάτοπτρο προς τυχαίες διευθύνσεις για να αρχίσει ο βομβητής να παράγει ήχους. Εάν δεν ακούγεται κάποιος ήχος, αυξήστε την ευαισθησία του SAT FINDER με το κομβίο ελέγχου ενίσχυσης που βρίσκεται κάτω από την οθόνη ένδειξης σήματος.

Για την απεικόνιση των ραδιοσημάτων σε υπολογιστή μέσω του Radio Sky Pipe το οποίο υπάρχει και σε δωρεάν έκδοση (ως free download με περιορισμένες δυνατότητες) ή με την έκδοση Radio-SkyPipe II PRO η οποία προσφέρει αρκετές δυνατότητες, όπως σύνδεση (FTP, export data to file for Excel, Audio Spectrum Display, Play or "Play & Chart" wav files with the new SkyPipe Wav Player κτλ.). Η αποθήκευση του γραφήματος ως εικόνα στην δωρεάν έκδοση του προγράμματος μπορεί να γίνει με τη διαδικασία ctrl + prt sc και κατόπιν ανοίγοντας ένα πρόγραμμα επεξεργασίας εικόνων File, Νew, Εnter και στη διαδικασία Edit: Paste, Enter κτλ.

Καλές ραδιοκυματικές παρατηρήσεις!

Λίγα λόγια για τα ραδιοκύματα:

Τα ραδιοκύματα, είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα  όπως και το φως, αλλά πολύ μεγαλύτερου μήκους κύματος  και ταυτόχρονα πολύ μικρότερης ενέργειας από ότι το φώς. Βρίσκονται πολύ πιο πέρα από την υπέρυθρη ακτινοβολία και δεν είναι αντιληπτά από τον ανθρώπινο οφθαλμό.  Οποιοδήποτε σώμα με θερμοκρασία πάνω από τη θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (0 Kelvin= -273,15 ºC) ακτινοβολεί ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο χώρο. Αν αρχίσουμε να θερμαίνουμε ένα κομμάτι μετάλλου που βρίσκεται στη θερμοκρασία του 0 Kelvin, αυτό θα αρχίσει να ακτινοβολεί μόνο στα ραδιοκύματα και καθώς η θερμοκρασία του θα ανεβαίνει θα αρχίσει να ακτινοβολεί και στο υπέρυθρο, κατόπιν αν συνεχίσουμε να το θερμαίνουμε θα αρχίσει να κοκκινίζει, κατόπιν να πυρώνεται και να κιτρινίζει και αν θερμανθεί πάρα πολύ θα το δούμε κατάλευκο! Αν η θερμοκρασία του φτάσει τον ιλιγγιώδη αριθμό των 20.000 Κ το κομμάτι μετάλλου θα ακτινοβολεί ένα μπλε έντονο χρώμα (υπάρχει μία ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της θερμοκρασίας και του είδους της ακτινοβολίας που εκπέμπει, γνωστή και ως κατανομή Planck ).

Ισχυρές ραδιοπηγές στον Ουρανό είναι ο Ήλιος, η Σελήνη, ο Δίας, η περιοχή του κέντρου του Γαλαξία μας (Centaurus A), η περιοχές Cassiopeia A, Cygnus A.  Ισχυρότατες ραδιοπηγές που οφείλονται σε ανθρώπινη δραστηριότητα είναι οι τηλεπικοινωνιακοί δορυφόροι κυρίως οι γεωστατικοί.  

Λίγα λόγια για τη Ραδιοαστρονομία

Όπως η οπτική Αστρονομία χρησιμοποιεί το φως, έτσι και η Ραδιοαστρονομία χρησιμοποιεί τα ραδιοκύματα. Η ανακάλυψη των ραδιοκυμάτων οφείλεται στον Heinrich Hertz το 1889 και κατόπιν, δύο χρόνια μετά ακολoύθησαν απόπειρες πειραμάτων ανίχνευσης ηλιακών ραδιοκυμάτων  από τον Thomas Edison με πειραματικές διατάξεις οι οποίες ήταν χαμηλής ευαισθησίας και  δεν είχαν επιτυχία (και  λόγω της απουσίας ηλεκτρονικών λυχνιών και προφανώς ηλεκτρονικών ενισχυτών εκείνη την εποχή που δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόμα!). Κατά τα έτη 1893-1896 οι αστρονόμοι Johannes Wilsing και Julius Scheiner αποπειράθηκαν να ανιχνεύσουν ηλιακή ακτινοβολία στα ραδιοκύματα, επίσης χωρίς αποτελέσματα.  Η Ραδιοαστρονομία γεννήθηκε το 1931-1933 όταν ο Κarl Jansky κατασκευάζοντας ένα μεγάλο κυματαγωγό  ανίχνευσε ραδιοκύματα από την περιοχή του κέντρου του Γαλαξία μας. Στη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, κατά τη χρήση του στρατιωτικών RADAR νότια της Αγγλίας διαπιστώθηκε πως δέχτηκαν μία ισχυρή παρεμβολή που τα κατέστησε μη λειτουργικά. Θεωρήθηκε αντίμετρο των Γερμανών, αλλά σύμφωνα με την ημερομηνία του συμβάντος αυτού, 26-28 Φεβρουαρίου του 1942, είχε παρουσιαστεί μία μεγάλη ηλιακή κηλίδα στη Φωτόσφαιρα, η οποία τελικά ήταν η αιτία της προσωρινής ‘’τύφλωσης’’ των RADAR (Apleton & Hey 1946).

Η Ραδιοαστρονομία στις μέρες μας παρουσιάζει ιδιαίτερη άνθιση και η σπουδή της έχει οδηγήσει σε μεγάλες ανακαλύψεις στο χώρο της Αστροφυσικής και της Κοσμολογίας. Πολλές από τις τεχνικές και τα όργανα που χρησιμοποιούνται στην Ραδιοαστρονομία, έχουν βρει εφαρμογές στην κοινωνία (τηλεπικοινωνίες, διαδίκτυο κτλ. Ως επιστέγασμα του ενδιαφέροντος της επιστημονικής κοινότητας για τη Ραδιοαστρονομία είναι η πρόσφατη λειτουργία της συστοιχίας των 66 ραδιοτηλεσκοπίων, διαμέτρου  12 και 7 μέτρων στην έρημο Atacama της Χιλής, γνωστό ως ALMA Project (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array). 

Τι μπορώ να παρατηρήσω και να καταγράψω με το ‘’Ραδιοτηλεσκόπιο Περιπολέα’’;

Με το PRT μπορούμε να παρατηρήσουμε:
-τον Ουρανό την ημέρα: Σκοπεύοντας τυχαία στον Ουρανό την ημέρα και μετακινώντας το κάτοπτρο προς διάφορες διευθύνεις,  μπορούμε να ανιχνεύσουμε, να παρατηρήσουμε και να καταγράψουμε, περιοχές εκπομπής ισχυρών ή ασθενών  ραδιοκυμάτων οι οποίες οφείλονται σε γήινες ή αστρονομικές ραδιοπηγές. Την ημέρα ο ουρανός είναι  με αυξημένες ‘’παρεμβολές’’ στα ραδιοκύματα, λόγω της θέρμανσης της ατμόσφαιρας από τον Ήλιο (επομένως είναι αυξημένος ο θόρυβος υποβάθρου), καθώς και λόγω της ανθρώπινης δραστηριότητας.
-τον Ραδιοήλιο: Σκοπεύοντας τον  Ήλιο με το PRT, θα παρατηρήσουμε πως καθώς πλησιάζουμε το κάτοπτρο προς τον Ήλιο, το σήμα που λαμβάνει το ραδιοτηλεσκόπιο θα αυξηθεί απότομα, έναντι του ουρανού περιμετρικά του Ηλίου, μια και είναι μία από τις ισχυρές ραδιοπηγές στον Ουρανό. Πιθανές μεταβολές στη ραδιοροή του Ηλίου (πχ. λόγω μίας ηλιακής έκλαμψης), θα ανιχνευθούν από το ραδιοτηλεσκόπιο και θα εμφανιστεί στο γράφημα αύξηση της έντασης, έναντι του ‘’ήρεμου’’ Ήλιου.
-τους Γεωστατικούς τηλεπικοινωνιακούς Δορυφόρους: σαρώνοντας τον Ουρανό, μπορούμε να εντοπίσουμε περιοχές με πολύ ισχυρά ραδιοσήματα, οι οποίες όμως δεν ακολουθούν την κίνηση της περιστροφής της Γης, παραμένουν ακίνητες-σταθερές και μάλιστα ανεξαρτήτου εποχής και ώρας. Το σήμα που εκπέμπεται από αυτές τις περιοχές στον Ουρανό είναι εξαιρετικά ισχυρό, κατά πολύ ισχυρότερο ακόμα και από το ραδιοσήμα που εκπέμπει ο  Ήλιος! Πρόκειται για τους γεωστατικούς, τεχνητούς βέβαια, τηλεπικοινωνιακούς δορυφόρους, οι οποίοι είναι δορυφόροι που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τη Γή, αλλά σε τέτοια απόσταση που η περιστροφή τους γύρω από τη Γη, διαρκεί 24 ώρες, άρα βρίσκονται συνεχώς πάνω από τον ίδιο τόπο στη Γη (γι’ αυτό λέγονται γεωστατικοί!). Η γεωστατική τροχιά ενός δορυφόρου, ονομάζεται και κυκλική τροχιά με μηδενική κλίση ή ισημερινή τροχιά (Geostatic Earth Orbit, GEO), επειδή το επίπεδο περιστροφής τους βρίσκεται πάνω στο επίπεδο του γήινου Ισημερινού. Οι γεωστατικοί δορυφόροι κινούνται συγχρόνως με τη γη, έχοντας σταθερή ταχύτητα, σταθερό ύψος και συγκεκριμένο πεδίο γήινης κάλυψης. Οι γεωστατικοί δορυφόροι περιστρέφονται γύρω από τη γη σε ύψος 35.855 km, από το έδαφος των χωρών του Ισημερινού (απόσταση γύρω στα 37.500 km από την Ελλάδα). Η περίοδος της περιστροφής τους είναι ίση με αυτή της γης  και με την ίδια φορά. Έτσι, ο δορυφόρος φαίνεται από την γη σαν ένα σταθερό σημείο στον ουρανό, και εξασφαλίζει συνεχή κάλυψη ως αναμεταδότης σε πραγματικό χρόνο, για την περιοχή ορατότητάς του (43% της επιφάνειας της γης). Οι γεωστατικοί δορυφόροι βρίσκονται στο Νότο σε ύψος 35 μοιρών (για Ελλάδα) http://www.dishpointer.com/
-Γήινες ραδιοεκπομπές: Όλα τα σώματα που βρίσκονται πάνω από τη θερμοκρασία του απολύτου μηδενός (0 Kelvin ή -273 Celsius) εκπέμπουν και στην περιοχή των ραδιοκυμάτων. Επομένως σκοπεύοντας με το PRT σε επίγεια σώματα, πχ. σε ένα θερμό τοίχο μιας πολυκατοικίας, το έδαφος, ένα ανθρώπινο σώμα, μία φλόγα, μία λάμπα λαμβάνουμε ραδιοσήμα από αυτά και γίνεται άμεσα αντιληπτό από το PRT.   
-τις Αστραπές, τους κεραυνούς και τις μακρινές καταιγίδες:  Οποιαδήποτε ηλεκτρική μεταβολή, πχ. ακόμα και ένας ηλεκτρικός σπινθήρας, παράγει και διαχέει γύρω του ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ένας τέτοιος σπινθήρας στη Φύση είναι οι κεραυνοί και οι αστραπές. Αν σκοπεύσουμε το PRT προς την κατεύθυνση όπου δημιουργούνται  αστραπές ή προς τη διεύθυνση μιας μακρινής καταιγίδας, το κάτοπτρο του ραδιοτηλεσκοπίου θα συλλέξει τα ραδιοκύματα που δημιουργούνται από τις αστραπές καταγράφοντάς τες, ως αιφνίδιες μεταβολές του γραφήματος! ‘Έχει υπολογιστεί ότι στη Γη πέφτουν περίπου 200 κεραυνοί το δευτερόλεπτο. Το PRT μπορεί να ανιχνεύσει και τον σπινθήρα πιεζοηλεκτρικής ανάφλεξης ενός αναπτήρα. 
-τις Ραδιοεκπομπές ανθρώπινης προέλευσης: η ανθρώπινη δραστηριότητα δημιουργεί πλήθος ραδιοκυμάτων που διαδίδονται στο χώρο. Αυτά τα ραδιοκύματα συχνότερα αναφέρονται ως παρεμβολές, δημιουργούνται από τη χρήση ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών συσκευών, όπως κινητά τηλέφωνα, δυναμό των αυτοκινήτων, υπέργεια καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικού ρεύματος, ηλεκτρικοί κινητήρες, ραντάρ αεροπορίας,  ηλεκτρονικές παρεμβολές- παρασίτων για στρατιωτικούς λόγους κτλ. 
Κλείνοντας, στην ερώτηση ‘’γιατί είναι απαραίτητη  η Ραδιοαστρονομία; ‘’  θα απαντήσουμε με τις κάτωθι δύο φωτογραφίες: Αριστερά η περιοχή του γαλαξία Μ81 με τους γειτονικούς του, M82 και NGC3077, όπως καταγράφεται από ένα οπτικό τηλεσκόπιο και δεξιά η εικόνα της ίδιας περιοχής όπως την κατέγραψε ραδιοτηλεσκόπιο VLA (Very Large Array) στη γραμμή του ουδετέρου Υδρογόνου ΗΙ στα 1421MHz (λ=21cm)

Παρατηρώντας τη φωτογραφία στο ορατό τμήμα του φάσματος, δεν μπορεί να απαντηθούν τα ερωτήματα σχετικά με το αν οι τρείς γαλαξίες βρίσκονται στην ίδια σχετικά  απόσταση από τον δικό μας γαλαξία και αν υπάρχει αλληλεπίδραση ή όχι του γαλαξία Μ81 με τους γειτονικούς του… Παρατηρώντας την ίδια εικόνα στα ραδιοκύματα οι απαντήσεις είναι προφανείς...

Όπως έλεγε και ο πατέρας της σύγχρονης Αστρονομίας Camille Flamarion: ‘’ Όποιος παρατηρεί συστηματικά, θα βρεθεί πολλές φορές προ εκπλήξεων!’’

Καλές παρατηρήσεις!