只需150美元!手把手教你DIY一个射电望远镜,清晰观测银河系

大数据文摘出品

来源:IEEE

编译:刘俊寰

上个月,根据CNN的报道,美国凌日系外行星巡天卫星捕捉到黑洞撕碎恒星的罕见太空景象。天文学家称,这种“宇宙大屠杀”每1万至10万年才发生一次,观测非常困难。

虽然观测到这种罕见的太空现象还是需要天时地利人和,但是日前根据IEEE的报道,一个名叫David Schneider的小伙子自己亲手DIY了一个射电望远镜,能够观测银河系的活动,居然只花了150美元不到!

文摘菌看了表示太心动了,一定要给大家卖这个安利!

以下是全文:

最近,一个年轻的朋友在西弗吉尼亚州的绿岸天文台(Green Bank Observatory)用了一周时间来学习射电天文学。

他的经历不禁让我疑惑:究竟需要多长的无线电天线才能观察到太空中一些有趣的东西?

事实证明,半米足够了。

我以不到150美元的价格建造一个射电望远镜,利用它足以清晰观测到银河系旋臂运动(the motions of the spiral arms of the Milky Way galaxy)!

前期构想:放弃电路板

最开始我用了一根卫星电视天线,和一个放置在焦点位置的咖啡罐制成的“天线”波导,但是,当我发现咖啡罐无法达到理想的波长(21cm)时,我不得不放弃这种方法。

21cm是中性氢发射的波长,这也是射电天文学家最爱的波长,它可以用来辅助绘制星际气体云的位置和运动,比如银河系旋臂中的气体云。

天线喇叭上有四块铝片

喇叭的窄端连接在一个由空的油漆稀释剂罐制成的波导管上。

有研究表明,业余射电天文学家用普通的喇叭天线(modest horn antennas)就获得了相关波长值。

我在“开放源射电望远镜”在线小组中也看到了很多攻略,购买了一些镀铝泡沫板绝缘材料作为天线的构造材料。但是当万用表显示镀铝表面无法导电时,我感到非常困惑。

为了确保该材料能够获得理想的无线电波,我在该泡沫板上搭建了一个小盒子,将手机放入其中,这时手机应该已经完全被屏蔽了,但是它还是无障碍地接收到了电话提醒。

这个实验始终让我感到困惑,因为人们肯定是用的镀铝泡沫板来制造射电望远镜,不管怎样,我最后放弃了电路板。

搭建ing:如何利用好这150美元

随后我以13美元的价格购买了一卷20英寸(51厘米)宽的铝防水板,这是一种薄金属板,我想利用它来应对天气变化。

卷轴的宽度决定了喇叭宽端的孔径,卷轴长度为10英尺(3米),这将四边长度限制在75厘米。在线计算器显示,这些维度的喇叭将有17分贝的方向增益。

我用了几个小时在一些基础工作上,比如镀铝的HVAC胶带(8美元),最后我把它做成了一个小号角天线,然后我将方形的普通泡沫板(不是镀铝板)连接到开口端使它更坚固。

我还购买了1加仑的油漆稀释剂罐(9美元),处理掉里面的液体之后,我把空罐用作喇叭天线底部的波导馈源。

经过在线波导计算器的计算,该波导馈源的工作范围包含了1420MHZ的中性氢线频率。

信号由一根伸入波导管的电线接收

通过连接到隔板连接器的同轴电缆发送到接收器

为开源射电望远镜(Open Source Radio Telescopes)做出贡献的人正在使用类似的方法。

但是,这些项目的文档中都没有明确表示如何构造波导馈源的“引脚”(pin),即在波导内拾取信号并将其传递到望远镜接收器的部分。

许多攻略都建议把“引脚”做成四分之一波长长,即53毫米,棘手的是确定它在罐中的位置,即距基座波长的四分之一。

但是,在这种情况下,相关波长不是21厘米,而是所谓的引导波长(guide wavelength),引导波长能够校正信号在自由空间和波导内部的传播方式之间的差异。

在线教程和计算器都表示距底座的合适距离为68mm,因此,我在这里钻了一个孔,以容纳我在Amazon上以5美元的价格购买的N型同轴隔板连接器,和一个7美元的N-to-SMA适配器。

我在接收器上加了一个USB加密狗,包含一个电视调谐器,以及一个称为HDSDR的免费软件定义的无线电应用程序,该软件是根据斯洛文尼亚的两位业余射电天文学家的推荐选择的,他们曾使用该软件取得了非常好的效果。

我在Nooelec购买了加密狗,花了37美元。该公司最近还开始销售了一种对我来说很有用的小玩意儿,它有两个低噪声放大器和一个以1420MHz为中心的表面声波(SAW)滤波器,售价38美元。

加密狗通过连接同轴电缆为放大器供电,同轴电缆长30厘米(12英寸),是我在Amazon上购买的,售价9美元。加密狗放在喇叭旁边,就能通过USB延长线连接到Windows笔记本电脑。

该天线可以探测到银河系附近星系臂中氢气的发射:深绿色表示来自天空的信号;浅绿色表示没有信号的基线系统响应。

看到啦!神奇的多普勒频移

我看到了曙光!现在,我只需斜视就能检测到中性氢线。

熟悉HDSDR软件后,我对信号进行了时间平均,并调整了频谱图以显示平均功率,这样就能更轻松地观测频谱图了。

当我将喇叭指向天鹅座的引导星Deneb时,这张图清楚地显示了一条氢“线”——实际上更像一个脂肪凸起。

当指向天鹅座的时候,将会收到来自银河系本地臂(the local arm of the Milky Way)的强烈信号,非常接近于预期的1420.4MHz。

将其指向银河经度较高的仙后座时,将会看到氢线信号移至1420.5MHz。

这是十分微妙的多普勒频移,这表明,从相对的意义上讲,发射这些无线电波的物质正朝我们自身飞来。

通过一些角度的变化,最终或许能够辨别来自银河系不同旋臂的两个或多个不同频率的不同信号。

虽然不能观察到外星人,但是能够以这种方式观测银河系似乎也足够惊艳。

而且最关键的是,花150美元就足够了!

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