只需150美元!Step by Step教你DIY一個射電望遠鏡,清晰觀測銀河系

David Schneider用屋頂防雨板,塗料稀釋劑罐子,免費的軟體的無線電應用程式,USB接收器和一段同軸電纜建造了自己的射電望遠鏡。整個花費不到150美元,他已經用它來探測銀河中的氫並監看銀河系旋臂的運動。

只需150美元!Step by Step教你DIY一個射電望遠鏡,清晰觀測銀河系

上個月,根據CNN的報導,美國凌日系外行星巡天衛星捕捉到黑洞撕碎恆星的罕見太空景象。天文學家稱,這種「宇宙大屠殺」每1萬至10萬年才發生一次,觀測非常困難。

只需150美元!Step by Step教你DIY一個射電望遠鏡,清晰觀測銀河系

雖然觀測到這種罕見的太空現象還是需要天時地利人和,但是日前根據IEEE的報導,一個名叫David Schneider的小夥子自己親手DIY了一個射電望遠鏡,能夠觀測銀河系的活動,居然只花了150美元不到!

以下是作者發表的全文:

最近,一個年輕的朋友在西維吉尼亞州的綠堤天文台(Green Bank Observatory)用了一週時間來學習射電天文學。

他的經歷不禁讓我疑惑:究竟需要多長的無線電天線才能觀察到太空中一些有趣的東西?

事實證明,半公尺足夠了。

我以不到150美元的價格建造一個射電望遠鏡,利用它足以清晰觀測到銀河系旋臂運動(the motions of the spiral arms of the Milky Way galaxy)!

前期構想:放棄電路板

最開始我用了一根衛星電視天線,和一個放置在焦點位置的咖啡罐製成的「天線」波導,但是,當我發現咖啡罐無法達到理想的波長(21cm)時,我不得不放棄這種方法。

21cm是中性氫發射的波長,這也是射電天文學家最愛的波長,它可以用來輔助繪製星際氣體雲的位置和運動,比如銀河系旋臂中的氣體云。

天線喇叭上有四塊鋁片 ▲ 喇叭的窄端連接在一個由空的油漆稀釋劑罐製成的波導管上。

有研究表明,業餘射電天文學家用普通的喇叭天線(modest horn antennas)就獲得了相關波長值。

我在「開放源射電望遠鏡」在線小組中也看到了很多攻略,購買了一些鍍鋁泡沫板絕緣材料作為天線的構造材料。但是當萬用表顯示鍍鋁表面無法導電時,我感到非常困惑。

為了確保該材料能夠獲得理想的無線電波,我在該泡沫板上搭建了一個小盒子,將手機放入其中,這時手機應該已經完全被屏蔽了,但是它還是無障礙地接收到了電話提醒。

這個實驗始終讓我感到困惑,因為人們肯定是用的鍍鋁泡沫板來製造射電望遠鏡,不管怎樣,我最後放棄了電路板。

搭建:如何利用好這150美元

隨後我以13美元的價格購買了一卷20英吋(51毫米)寬的鋁防水板,這是一種薄金屬板,我想利用它來應對天氣變化。

捲軸的寬度決定了喇叭寬端的孔徑,捲軸長度為10英呎(3公尺),這將四邊長度限制在75毫米。在線計算機顯示,這些維度的喇叭將有17分貝的方向增益。

我用了幾個小時在一些基礎工作上,比如鍍鋁的HVAC膠帶(8美元),最後我把它做成了一個小號角天線,然後我將方形的普通泡沫板(不是鍍鋁板)連接到開口端使它更堅固。

我還購買了1加侖的油漆稀釋劑罐(9美元),處理掉裡面的液體之後,我把空罐用作喇叭天線底部的波導饋源。

經過在線波導計算機的計算,該波導饋源的工作範圍包含了1420MHZ的中性氫線頻率。

訊號由一根伸入波導管的電線接收

 透過連接到隔板連接器的同軸電纜發送到接收器為開源射電望遠鏡(Open Source Radio Telescopes)做出貢獻的人正在使用類似的方法。

但是,這些專案的文件中都沒有明確表示如何構造波導饋源的「接腳」(pin),即在波導內拾取訊號並將其傳遞到望遠鏡接收器的部分。

許多攻略都建議把「接腳」做成四分之一波長長,即53毫米,棘手的是確定它在罐中的位置,即距基座波長的四分之一。

但是,在這種情況下,相關波長不是21毫米,而是所謂的引導波長(guide wavelength),引導波長能夠校正訊號在自由空間和波導內部的傳播方式之間的差異。

在線教程和計算機都表示距底座的合適距離為68mm,因此,我在這裡鑽了一個孔,以容納我在Amazon上以5美元的價格購買的N型同軸隔板連接器,和一個7美元的N-to-SMA適配器。

我在接收器上加了一個USB保護鎖,包含一個電視調諧器,以及一個稱為HDSDR的免費軟體定義的無線電應用程式,該軟體是根據斯洛文尼亞的兩位業餘射電天文學家的推薦選擇的,他們曾使用該軟體取得了非常好的效果。

我在Nooelec購買了加密保護鎖,花了37美元。該公司最近還開始銷售了一種對我來說很有用的小玩意兒,它有兩個低噪聲放大器和一個以1420MHz為中心的表面聲波(SAW)濾波器,售價38美元。

加密保護鎖透過連接同軸電纜為放大器供電,同軸電纜長30毫米(12英吋),是我在Amazon上購買的,售價9美元。加密保護鎖放在喇叭旁邊,就能通過USB延長線連接到Windows筆記型電腦。

只需150美元!Step by Step教你DIY一個射電望遠鏡,清晰觀測銀河系

該天線可以探測到銀河系附近星系臂中氫氣的發射:深綠色表示來自天空的訊號;淺綠色表示沒有訊號的基線系統響應。

看到啦!神奇的都卜勒效應

我看到了曙光!現在,我只需斜視就能檢測到中性氫線。

熟悉HDSDR軟體後,我對訊號進行了時間平均,並調整了頻譜圖以顯示平均功率,這樣就能更輕鬆地觀測頻譜圖了。

當我將喇叭指向天鵝座的引導星Deneb時,這張圖清楚地顯示了一條氫「線」——實際上更像一個脂肪凸起。

當指向天鵝座的時候,將會收到來自銀河系本地臂(the local arm of the Milky Way)的強烈訊號,非常接近於預期的1420.4MHz。

將其指向銀河經度較高的仙后座時,將會看到氫線訊號移至1420.5MHz。

這是十分微妙的都卜勒效應,這表明,從相對的意義上講,發射這些無線電波的物質正朝我們自身飛來。

透過一些角度的變化,最終或許能夠辨別來自銀河系不同旋臂的兩個或多個不同頻率的不同訊號。

雖然不能觀察到外星人,但是能夠以這種方式觀測銀河系似乎也足夠驚豔。

而且最關鍵的是,花150美元就足夠了!

資料來源

本文授權轉載自大數據文摘

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