XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Silja Pohjolainen Kaj Wiik Tuorlan observatorio Kevät 2014 Osa kuvista on lainattu kirjasta Wilson, Rohlfs, Hüttemeister: Tools of Radio astronomy ja J. J. Condon and S. M. Ransom: Essential Radio astronomy http://www.cv.nrao.edu/course/astr534/pdfnew.shtml XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II 1/ 34

Luento 4, Vastaanottimet Kertausta Radiometrit Bolometri Radiometrityypit XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II 2/ 34

Antennien herkkyys ja resoluutio T a eli antennilämpötila: S = 2kT a A e [ W ] m 2 Hz DPFU = A [ ] e K 2k 10 26 Jy Antennin säteilykeilan leveys (resoluutio) tasaiselle valaisulle (esim. interferometrit): (1) (2) θ b = 1.02 λ D [rad] 58.4 λ D. (3) Jos havaitaan keilaa pienempää kohdetta: θ 2 s T A = T s θb 2 + θ2 s (4) XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Kertausta 3/ 34

Interferometria x, y taso on kuvataso ja u, v taso on taso jolta korrelaatiokertoimet eli visibiliteetit kerätään (teleskooppitaso). Kuva voidaan muodostaa visibiliteeteistä periaatteessa käänteisellä Fourier-muunnoksella: I(x, y) = V (u, v)e i2π(ux+vy) du dv Käytännössä puuttuva u, v-tason tieto joudutaan interpoloimaan dekonvoluutiomenetelmillä (Clean, MEM, CS). (5) XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Kertausta 4/ 34

Visibiliteetit ja kuva Visibiliteettien ja kuvan välillä on Fourier-muunnosyhteys. Yksnkertaisen lähteen havaituista visibiliteeteistä voi jo sanoa melko paljon kohteen rakenteesta. Voidaan ajatella että kuva muodostuu pistelähteistä joiden aiheuttamien visibiliteettien summa havaintodata on. Klassinen esimerkki on kaksi pistelähdettä: ne aiheuttavat u, v-tasoon sinimuotoisen vaihtelun. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Kertausta 5/ 34

Radiometri Radiometri on nimensä mukaan radiovastaanotin jonka avulla mitataan kohinalämpötilaa. Radiometrin kaksi tärkeintä ominaisuutta on sen kohinalämpötila ja kaistaleveys. Radiometrin kohinalämpötila kertoo kuinka paljon se itse kohisee eli tuottaa hajontaa mittaukseen. Kaistaleveys taas kertoo kuinka leveältä radiotaajuuskaistalta tehoa kerätään. Radiometrejä voidaan rakentaa hyvin erilaisilla tekniikoilla ja toimintaperiaatteilla lämpömittarista (bolometri) superhterodyneinterferometriin. Kokonaistehoradiometrillä tarkoitetaan radiometriä joka mittaa koko ajan tehoa, eli välillä ei havaita kalibraattoria tai vertailukuormaa (Dicke-radiometrit). XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 6/ 34

Systeemikohinalämpötila Koska radiometrin mittaama suure on itse kohinaa, se vaikuttaa myös havaintotuloksen hajontaan. Tästä syystä radiometrin herkkyyttä laskettaessa otetaan huomioon radiometrin oman kohinan T R lisäksi koko mitattava kohinateho eli ilmakehän, kohteen, taustataivaan (3K!) ja myös radioteleskoopin oman kohinan: T sys = T atm + T src + T cmb + T tel +... (6) Radiometrin kokonaiskohinalämpötilaa kutsutaan systeemikohinalämpötilaksi T sys. Herkkyyteen vaikuttaa myös kaistaleveys ν jolta kohinateho kerätään ja keskiarvoistus- tai integrointiaika τ. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 7/ 34

Herkkyyden parantaminen vahvistimilla Radiometrin herkkyyttä voidaan parantaa (yleensä jäähdytetyillä) vahvistimilla. T 1, G 1 T 2, G 2 Interferometer Paikallisoskillaattori Systeemikohina on tässä tapauksessa muotoa T sys = T atm +T src +T cmb +T tel +T 1 +T 2 /G 1 +T 3 /(G 1 G 2 )... (7) Eli ensimmäinen vahvistin on ketjussa ratkaisevin. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 8/ 34

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 9/ 34

XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 10/ 34

Radiometrin herkkyys Ideaalisen kokonaistehoradiometrin herkkyys eli tuloksen hajonta eli pinenin havaittavissa oleva kohinanlisäys on T min = T sys. (8) ντ Jakajan lauseke voidaan ymmärtää olevan keskiarvoistuksesta johtuva hajonnan pieneneminen eli ντ = N, (9) jossa N on toisistaan riippumattomien näytteiden lukumäärä. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrit 11/ 34

Bolometrit Bolometri mittaa absorboituneen radiosäteilyn aiheuttamaa lämpötilan nousua aineessa. Herkkyyden saavuttamiseksi bolometrien lämpömittarit ovat yleensä hyvin matalaan lämpötilaan jäähdytettyjä suprajohteita. Ne ovat hyvin laajakaistaisia josta seuraa osittain myös niiden suuri herkkyys. Credit: NASA/JPL-Caltech Toisaalta taajuusselektiivisyys joudutaan toteuttamaan (leveähköillä) suodattimilla. Koska bolometrit eivät mittaa kentän vaihetta, ne eivät sovellu interferometreihin. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Bolometri 12/ 34

Suoraan ilmaiseva radiometri Suoraan ilmaiseva radiometri (direct detecting radiometer) koostuu pelkästään vahvistimesta ja detektorista. Rakenteen teki mahdolliseksi 1990-luvun vahvistintekniikan kehittyminen. Tätä aiemmin vastaanotettava taajuus täytyi siirtää alemmaksi sekoittimella ja vahvistaa vasta sen jälkeen. Ilmaisin Etuina ovat yksinkertaisuus ja laajakaistaisuuden vuoksi herkkyys, vaihetta tälläkään ei voi mitata. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 13/ 34

(Super)heterodyneradiometri I Heterodyneradiometrissä vastaanotettava taajuus siirretään sekoittajassa matalammalle eli välitaajuudelle (intermediate frequency, IF). Varsinkin aiemmin korkeilla taajuuksilla toimivien vahvistimien valmistaminen oli hankalaa ja kallista. Tästä syystä taajuuden sekoittaminen alas ja vahvistaminen halvemmilla ja helppokäyttöisemmillä (koko aallonpituuksissa!) komponenteilla on hyödyllistä. Interferometer Paikallisoskillaattori XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 14/ 34

(Super)heterodyneradiometri II Interferometer Paikallisoskillaattori Välitaajuusvahvistimen jälkeen signaali voidaan joko ilmaista eli säilytetään vain sen keskiarvoistettu amplitudi (voimakkuus) tai jatketaan käsittelyä (spektrometri, polarisaatiokorrelaatio, interferometri, talletus... ) XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 15/ 34

Radiometrin stabiilisuus Ongelmana yksinkertaisessa kokonaisetehoradiometrissä on vahvistuksen ryömintä (drift). Ilmakehän emission ja absorption muutokset vaikuttavat samalla tavoin. Vaikka käytettäisiin vertailukohtaa taivaalla, ryömintä on usein niin nopeaa että itse kohde hukkuu epästabiilisuuteen. T a Off source On source T min XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 16/ 34

Radiometrin herkkyys II Kun ryömintä otetaan huomioon, radiometrin herkkyydeksi tulee: ( ) 1 G 2 T min = T sys ντ +, (10) G On helppo huomata että ryöminnän lauseke dominoi voimakkaasti. Esimerkiksi kun kaistaleveys on luokkaa 1 GHz vaikkapa tuhannen sekunnin integrointiajalla, epästabiilisuus alkaa dominoida kun se on vain 0.003 %. Näin stabiileja vahvistimia on mahdoton rakentaa. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 17/ 34

Dicke-radiometri Kaiken kukkuraksi epästabiilisuuksien spektri on muotoa 1/ν α eli kohina kasvaa mitä kauemmin integroidaan (Aja et al. IEEE Trans. MTT, vol 53, no 6). Selättääkseen tämän 1/ν α kohinan, Robert Dicke ehdotti 1946 radiometriä joka mittaa erotusta tunnetun ja mitattavan kohinatehon välillä näin kumoten vahvistuksen vaihtelut. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 18/ 34

Robert Dicke s chopping radiometer. The receiver is connected alternately to the antenna and a thermal load. The receiver detects the average of the difference between the sky and the reference load. (Rev.Sci.Instruments, vol.17, p268, 1946) Credit: Frank D. Ghig, Green Bank Single Dish Summer School XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 19/ 34

Credit: Frank D. Ghig, Green Bank Single Dish Summer School XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 20/ 34

From Kraus: Radio astronomy XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 21/ 34

Dicke radiometrin herkkyys Dicke-radiometrin herkkyydeksi tulee 1 T min = 2T sys ντ + T sky T ref T sys ( ) G 2, (11) G Vahvistuksen vaihtelut kumoutuvat täydellisesti jos vertailukohina ja mitattava kohina ovat yhtäsuuret kytkentätaajuus on suurempi kuin vaihtelun nopeus Kerroin kaksi johtuu kahden kohinamuotoisen signaalin erotuksesta ( 2) ja itse kohdetta havaitaan vain puolet ajasta ( 2) XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 22/ 34

Pseudokorrelaatioradiometri 1990-luvulla kehiteltiin radiometrityyppi jossa vahvistuksenvaihtelut voidaan kumota ilman häviöitä (kohdetta havaitaan koko ajan). (Jarosik et al. 2003, 145:413-436) Lisäksi se ei vaadi häviöllisen kytkimen käyttöä ennen ensimmäistä vahvistinta. Pseudokorrelaatioradiometriä on käytetty mm. WMAP ja Planck CMB-luotaimissa. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 23/ 34

Pseudokorrelaatioradiometri ja vahvistuksen vaihtelut Kun lasketaan kanavien erotus, saadaan V l V r = s(a 2 B 2 )g 1 (t)g 2 (t) (12) eli huomataan että jos molemmat kanavat mittaavat yhtäsuurta kohinatehoa (radiometri on balansoitu), vahvistuksen vaihtelut kumoutuvat täydellisesti. Balansoinnin hienoviritys voidaan tehdä myös ohjelmallisesti. XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 24/ 34

Planck-luotaimen radiometri XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 25/ 34

Metsähovin radiotutkimusasema XFYS4336 Havaitseva tähtitiede II Radiometrityypit 26/ 34

XFYS4336 Havaitseva ta htitiede II Radiometrityypit 27/ 34