電波観測の基礎 - Kagoshima...

電波望遠鏡で見る活動銀河京都大学宇宙物理教室集中講義 2009/06/10 - 12 Chap. 02

電波観測の基礎

1

亀野誠二 (鹿児島大学）


活動銀河研究における電波観測の意義

2

+ 光学的厚み…中心を見通すことができる(ダストに負けない)+ AGN起源の放射が卓越する…星の放射に負けない+ ジェットや電波ローブが見える+ 燃料（分子ガスやプラズマ）を見ることができる+ 高い分解能…ミリ秒角を切る+ 偏波観測…磁場構造を明らかにできる

v(^_^) 長所

(-_-、) 短所

- 放射スペクトルの裾野…エネルギー収支に制約をつけない- 放射機構が複雑…物理量の推定が難しい (e.g. シンクロトロン放射)- 電波で強い (radio-loud) AGNと弱い (radio-quiet) があり、一般化が困難　（radio-loudは少数派）


電波放射の種類

3

http://milkyway.sci.kagoshima-u.ac.jp/~kameno/AGN_Radio/RadioObservation.html

アニメーションへのリンク




電波望遠鏡

4

電波望遠鏡による観測とは •天体からの電波を受信：電場を計測•受信信号を解析

•電力測定（連続波）•電波分光•干渉計

電波望遠鏡の構成•アンテナ•給電部（フィードホーン）•受信機•バックエンド（分光器, 電力計）

VERA 入来局 20-m antenna

MIX TXLNA

Feed H

orn

RX PM

Spectrometer

LO

RF IF Total Power

Spectrum

Antenna

Front End

Back end


電波天文の「信号」とは

5

•電場を情報として用いない•ランダム過程

•c.f. 電気通信•定常確率過程：統計的な性質は安定•強度分布を計測する

•天体の信号は微弱•Ta (信号) << Tsys (雑音)•周囲は雑音だらけ (大気, 地面, etc.)

Cosmic Microwave Background


雑音を差し引いて天体の「信号」を拾う

6

•受信電力の大半は雑音•“off点” を差し引く必要

Cosmic Microwave Background Cosmic Microwave Background

0

0.05

0.1

0.15

0.2

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

Flu

x D

ensi

ty [J

y]

LSR Velocity [km/s]

ObservationFit

1824.92 km/s1797.32 km/s1746.23 km/s1690.64 km/s1626.18 km/s1586.05 km/s

1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000

LSR Velocity [km/s]

Jet Continuum

Maser

On-source Off-source off点差引き連続波差引き

Position-SwitchingON

OFF


ビームパターンと電波強度分布

7

受信した電波強度 = 天体の強度分布とビームパターンの畳み込み

•分解能 ← ビームパターン

•感度 ← 集光力・雑音

•混入 ← サイドローブ

•電波の混信•地面の熱放射


相反定理 (Reciprocity Relation)

8

ダイポールアンテナからの放射

: 電気双極子モーメントR0

: 方向ベクトル

角周波数： ω

時間反転すると…R0 からの電磁波→アンテナの電子を振動させる

放射受信bilateral relation between radiation and reception

相反定理アンテナは受信にも

放射にも利用できる

受信より放射の方が考えやすい場合は、放射を考える


ダイポールアンテナのビームパターン

9

微小ダイポールの放射電場

Poyntingベクトル

cross cut bird!s view

電力パターン

微小ダイポールは広角に放射する

suitable for a cellular phone, but bad for astronomy

電波源の方向を同定しにくい


ダイポールの重ね合わせ

10

2つのダイポールが同じ周波数で放射すると…

放射電場の重ね合わせ

単純化

ダイポール間隔が広いほどシャープなビームパターン


ダイポールアンテナアレイ

11

N

θ

Pn(θ)

多素子を広く展開するとシャープなビーム

Kyoto Universityʼs MU radar京都大学赤道大気レーダー


開口面とビームパターン

12

電場パターン開口面電場分布

Fourier Transform

ビームパターン自己相関関数

ビーム幅 ~ 波長÷口径


光学系

13

主鏡

副鏡

副鏡支持

焦点(inside feedome)


カセグレン光学系

14

parabola :

path length :

sub-ref (hyperboloid):

magnification:


Mount (架台)

15

VERA 入来Green Bank 43 m

経緯台赤道儀


Receiver (受信機)

16

•フィードホーン•冷却システム

•デュワー•冷凍機•真空ポンプ

•低雑音増幅器•周波数変換器

•局部発振器•ミクサー•IF増幅器

野辺山 45-m 電波望遠鏡の受信機室


Feed (給電部)

17

waveguidehorn transducer

co-axcable

↓ LNA

TE10 mode

E-field

H-field

電磁波を空間モード→導波管モードへ→同軸ケーブルへ

Space Transmission TE10 mode Co-ax cable signal

VERA 入来

GBT 100 m


Amplifier (増幅器)

18

REC

12 第 1 章受信機

I I

図 1.7 電界効果トランジスタ (FET)の構造と動作

nAl0.3Ga0.7As

GaAs

GaAs

nAlGaAs, nAlInAs, nInGaP

InxGayAs

GaAs

図 1.8 高電子移動度トランジスタ (HEMT)の構造

キー接合がある．なお n型半導体，p型半導体は GaAsなど真性半導体に不純物 (ドープ)を混ぜて伝導電子とその正孔 (ホール)の密度を高めたものである．このソース-ドレイン間に電圧をかけると電流が流れる．電界効果型トランジスタではゲートにかける電圧を変化させることによってソース-ドレイン間の電流を制御することができる．ゲートにマイナスの電位を加えるとゲート付近の n型半導体の電子は

外へ追いやられ (p型半導体のゲートの場合は中のホールもゲート電極へと集められて)，伝導する電子やホールが存在しない空乏層が大きくなる．このため電流は流れにくくなる．この空乏層はゲートのマイナスの電位を大きくすると広がる．FETはゲート電位の変化で空乏層の大きさを変え，電流を制御することができる．これを増幅に利用することができる．ただし n型半導体が主に電子の流れる部分になるため不純物が電子を散乱し

HEMT : High-Electron-Mobility Transistor•V(source-drain) = const.•電気伝導度ゲート電圧

•出力電流ゲート電圧

•熱雑音が加わる

LNA を冷却(T~ 20 K)…熱雑音を低減するため

「現代の天文学第16巻宇宙の観測Ⅱ 電波天文学」より


Frequency Conversion (周波数変換)

19

MIX TXLNA

Fe

ed

Ho

rn

RX PM

Spectrometer

LO

RF IF Total Power

Spectrum

Antenna

IF 周波数 = RF と LOの周波数差

Higher Frequency → Filtered out

IF周波数帯を固定する→

USB と LSB が混ざって出力される

高周波より低周波が扱いやすい → 周波数を下げる

フィルターで分離


Spectrometer (分光計)

20

第1章序論

1.1 電波観測における分光計の役割一般に分光とは受信電圧を周波数毎のパワー、すなわちスペクトルを測定することである。分光

計とはその分光を行う機器のことを指す。電波観測における分光計は、分子や原子のガス雲やメーザー天体などの電波源からのパワースペクトルを得るために使用される (図 1.1)。

図 1.1: 分光計を通して受信電圧からパワースペクトルを測定する

以下に分光計に求められる機能について述べる。

1.1.1 分光機能分光機能は受信電圧からパワースペクトルを測定するという、分光計における中心の機能である。

パワースペクトルを測定すると、元の受信電圧にどの周波数がどの強度で含まれているかを知ることができる。分光機能の性能を表す指標に、帯域,周波数分解能,分光点数がある。帯域は、パワースペクトル

全体の周波数幅である。分光点数はパワースペクトルにおけるデータ数をいい、これが大きいほど周波数のより細かい情報を得ることができる。周波数分解能は周波数において 2点を見分けることのできる最小の値をいう。単一周波数の波を

分光したとき、理想的な分光計ではパワースペクトルはデルタ関数 (インパルス)となるが、現実にはそうはならず、分光計に固有の一定のパターンを示す。このパターンにおける半値幅 (FWHM:Full Width Half Maximam)を周波数分解能と定義することが多い。

1

入力信号 V(t) 出力信号 P(ν)

Takeda, 2008


音響光学型分光計 (AOS)

21

IF信号→超音波に変換→TeO2 結晶を伝播

音波は疎密波→ 屈折率の変動パターン→ LASER光を回折音波のスペクトルが回折パターンに現われる


デジタル分光計

22

FXS (Takeda, 2008)

デジタル化した電圧

FFT スペクトル

FFTは汎用計算機でのOK


電波干渉計…高解像度の電波写真

23

単一鏡天体からの電波は焦点で干渉

干渉計相関器で電気的に干渉

受信機フィード焦点

天体からの電波の波面

相関器


干渉計と電波像

24

VLA VLBA可視光

Date post:	22-Jul-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	12 times
Download:	0 times

電波観測の基礎 - Kagoshima...

Documents