FAST-Teleskop verbessert die Radioastronomie mit neuem UWB-Empfänger

Der Fünfhundert-Meter-Apertur-Sphärische Radioteleskop (FAST) ist ein grosses Radioteleskop in China, das seit mehreren Jahren in Betrieb ist. Kürzlich wurde ein neuer Ultra-Breitband-Empfänger (UWB) zu FAST hinzugefügt. Dieser Empfänger kann Signale über einen breiten Frequenzbereich von 500 bis 3300 MHz erfassen. Er hat viele Tests durchlaufen, um sicherzustellen, dass er gut funktioniert.

#Eigenschaften des UWB-Empfängers

Der UWB-Empfänger hat vier separate Abschnitte innerhalb seines breiten Frequenzbereichs. Jeder Abschnitt enthält eine Menge von Kanälen, etwa 1.048.576. Das ermöglicht es dem Empfänger, detaillierte Informationen aus den erfassten Signalen mit einer klaren Auflösung von 1 kHz zu sammeln. Der Empfänger ist so konzipiert, dass er effektiv arbeitet, mit variierendem Antennengewinn zwischen 14,3 und 7,7 K Jy und einer Apertureffizienz zwischen 0,56 und 0,30. Die Systemtemperatur, die beeinflusst, wie gut der Empfänger Signale detektieren kann, liegt zwischen 88 und 130 K. Ausserdem hat er eine Strahlbreite von etwa 7,6 bis 1,6 Bogenminuten.

Die Tests zeigen, dass der UWB-Empfänger genau ist, mit einer Zielgenauigkeit von besser als 7,9 Bogensekunden, wenn er innerhalb bestimmter Winkel beobachtet. Das bedeutet, dass er sich eng auf spezifische Bereiche am Himmel konzentrieren kann. Der Empfänger hat bereits gute Ergebnisse bei der Erkennung verschiedener Signaltypen in verschiedenen Studien gezeigt.

#Errungenschaften von FAST

Seit dem Start am 25. September 2016 hat FAST bedeutende Entdeckungen in Bereichen wie Pulsarstudien, Beobachtungen schneller Radioausbrüche und dem Verständnis der Sternentstehung und Galaxienentwicklung gemacht. Der UWB-Empfänger ist ein Fortschritt, da er es Wissenschaftlern ermöglicht, Frequenzen zu beobachten, die zuvor schwerer zu studieren waren.

Vor der Einführung des UWB-Empfängers arbeitete FAST hauptsächlich bei Frequenzen zwischen 1000 und 1500 MHz mit einem 19-Strahl-Empfänger. Der neue UWB-Empfänger deckt einen breiteren Bereich ab, was wichtig ist, um die Sternentstehung und andere Ereignisse in unserer Milchstrasse und in nahegelegenen Galaxien zu beobachten.

#Arbeiten mit dem UWB-Empfänger

Der UWB-Empfänger kann mehrere wichtige Linien von Wasserstoff und anderen Elementen im Universum untersuchen. Zum Beispiel kann er die Hauptwasserstofflinie bei 1420,406 MHz und auch einige Hydroxylradikallinien betrachten. Diese Fähigkeit ermöglicht es Wissenschaftlern, mehr Einblick in Sternentstehungsregionen und die Gesamtstruktur nahegelegener Galaxien zu gewinnen.

Der UWB-Empfänger kann auch spezifische Methyladyne (CH)-Linien detektieren, die detaillierte räumliche Informationen über unsere Galaxie geben können. Mit seiner hohen Empfindlichkeit und der Fähigkeit, Details klar aufzulösen, hilft der Empfänger Forschern, zu untersuchen, wie Sterne entstehen und die Merkmale verschiedener Spektrallinien am Himmel.

#Beobachtungstests

Der UWB-Empfänger von FAST wurde umfassend getestet, um seine Leistung zu bestätigen. Der Bericht beschreibt, wie Messungen für Geräuschpegel, Strahleneigenschaften, Antennengewinn und Systemtemperatur durchgeführt wurden. Um die Strahlengrösse zu bewerten, haben Wissenschaftler die Beobachtungen einer bekannten Radioquelle kartiert. Sie fanden genaue und konsistente Strukturen der Strahlung bei verschiedenen Frequenzen, was entscheidend für präzise Beobachtungen ist.

Die Zielgenauigkeit ist eines der Highlights des UWB-Empfängers. Er wurde getestet, um sicherzustellen, dass er korrekt auf Ziele fokussieren kann. Eine Reihe von Messungen bestätigte, dass seine Zielgenauigkeit mit der des vorherigen 19-Strahl-Empfängers vergleichbar ist, was wichtig ist, um genaue Daten aus bestimmten Bereichen am Himmel zu sammeln.

#Antennengewinn und Effizienz

Der Antennengewinn des UWB-Empfängers wurde mithilfe eines stabilen Flusskalibrators getestet. Dieser Test ist wichtig, um zu beurteilen, wie gut der Empfänger Signale erkennen und messen kann. Der gemessene Gewinn lag bei 12,0 K Jy bei 1400 MHz, was niedriger ist als beim vorherigen 19-Strahl-Empfänger, hauptsächlich weil der UWB-Empfänger nicht gekühlt ist. Es wurde festgestellt, dass der Gewinn bei höheren Frequenzen abnimmt, was mit der Effizienz zusammenhängen könnte, mit der das System Signale reflektiert.

Die Apertureffizienz spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle für die Leistung des Systems. Sie wurde so berechnet, dass sie zeigt, dass die effektive Grösse des FAST-Teleskops grösser ist als die physikalische Messung, insbesondere bei niedrigeren Frequenzen.

#Systemtemperatur

Die Systemtemperatur ist ein weiterer wichtiger Faktor, der beeinflusst, wie gut der UWB-Empfänger funktionieren kann. Diese Temperatur ist eine Kombination verschiedener Rauschquellen, einschliesslich des eigenen Rauschens des Empfängers und der Hintergrundhelligkeit vom Himmel. Die gemessene Systemtemperatur des UWB-Empfängers lag zwischen 90 und 130 K, was die Herausforderungen beim Arbeiten mit einem ungekuellten System zeigt. Das Rauschen des Systems kann schwache Signale verdecken, sodass längere Beobachtungszeiten erforderlich sind, um klare Daten zu sammeln.

In zukünftigen Plänen wird erwartet, dass ein aufgerüsteter UWB-Empfänger mit einem Kühlsystem installiert wird, sobald genug Platz in der Futterkabine des Teleskops ist. Dieses Upgrade sollte die Systemtemperatur senken und die Gesamtfähigkeit des Empfängers zur Erfassung schwacher Signale verbessern.

#Spektrale Beobachtungen

Der FAST-UWB-Empfänger teilt seinen breiten Frequenzbereich in vier Hauptunterbänder für detaillierte Beobachtungen auf. Jeder Abschnitt kann spezifische Frequenzen abdecken und hat eine riesige Anzahl von Kanälen, die detaillierte spektrale Beobachtungen ermöglichen. Die verfügbaren Beobachtungsmodi erlauben verschiedene Techniken, aber es ist wichtig zu beachten, dass aktuell nur ein Empfänger zur Verfügung steht.

Radiofrequenzinterferenz (RFI) stellt eine erhebliche Herausforderung in der Radioastronomie dar. Beobachtungen zeigten, dass niederfrequente Bänder mehr Interferenzen aufwiesen, was es schwieriger machte, Signale zu erfassen. Wissenschaftler müssen vorsichtig sein und Bereiche mit starker RFI vermeiden, um sicherzustellen, dass sie genaue Daten sammeln können.

#Beobachtungen astronomischer Objekte

Der UWB-Empfänger von FAST war bereits erfolgreich bei der Beobachtung astronomischer Objekte, wie der Starburst-Galaxie Arp 220. Durch die Erfassung der OH-Emissions- und Absorptionslinien zeigte der Empfänger seine Fähigkeit, relevante spektrale Daten zu sammeln. Die Ergebnisse von FAST stimmen gut mit vorherigen Beobachtungen anderer Teleskope überein, was auf eine zuverlässige Leistung hinweist.

Durch diese Beobachtungen lernt das Team über die Sternentstehung und die Merkmale verschiedener Spektrallinien im Universum. Die Fähigkeit, diese Details zu erfassen, verbessert unser Wissen über den Kosmos und trägt zur laufenden Forschung bei.

#Fazit

Das FAST-Radioteleskop und sein neuer UWB-Empfänger stellen bemerkenswerte Fortschritte in der Radioastronomie dar. Mit seiner Fähigkeit, einen breiten Frequenzbereich zu beobachten und detaillierte Informationen zu sammeln, erweitert der UWB-Empfänger das Potenzial für wissenschaftliche Entdeckungen. Laufende und zukünftige Tests werden weiterhin seine Leistung verbessern und den Forschern ermöglichen, noch mehr über unser Universum zu erkunden.

Durch die Verbesserung der Beobachtungsfähigkeiten des Teleskops ebnet FAST den Weg für bedeutende Erkenntnisse in der Astronomie. Das Engagement, das Systemrauschen zu reduzieren und die Datenqualität zu verbessern, wird zu empfindlicheren Beobachtungen führen und unser Verständnis der letzten Grenzen des Weltraums weiter vertiefen.