Лавелівський телескоп

Бернард Лавелл побудував «Транзитний телескоп» в Джодрелл Бенк наприкінці 1940-х років. Це був радіотелескоп діаметром 66 метрів, який був спрямований тільки прямо вгору; наступним логічним кроком було побудувати телескоп, який міг поглянути на всі частині неба, щоб можна було спостерігати більше джерел та довше за часом. Хоча Транзитний телескоп був спроектований і побудований астрономами, які його використовували, повноповоротний телескоп повинен бути професійно спроектований і побудований; перше завдання полягало в тому, щоб знайти інженера, готового виконати цю роботу. Ним виявився Чарльз Хазбенд, з яким Лавелл вперше зустрівся 8 вересня 1949 року.[10][11]

Марк 1 в стадії будівництва.
Власник фото: Джодрелл Бенк.

Два підшипникові вузли з 15-дюймових (38-см) гармат були куплені задешево в 1950 році; вони походили з лінкорів Першої світової війни HMS Revenge і HMS Royal Sovereign (05), які в той час розбирали. Підшипники стали двома основними підшипниками для обертання висоти телескопа, а відповідні частини телескопа проектувались навколо них.[12] Хазбенд представив перші креслення запропонованого гігантського повноповоротного радіотелескопа в 1950 році. Після уточнення ці плани докладно викладено в «Синій книзі»,[13] , яка була представлена Департаменту науково-промислових досліджень (Велика Британія) 20 березня 1951 року;[14] пропозицію було схвалено у березні 1952 року.[15]

Будівництво почалося 3 вересня 1952 року.[16] Фундаменти для телескопа були завершені 21 травня 1953 після того, як їх заглибини на 27 метрів в землю.[17][18] Після того до середини березня 1954 року створювали подвійну залізничну колію, доки не досягли необхідної точності.[19][20] Центральний стрижень був доставлений на місце 11 травня 1954 р.[21], а фінальні візки — в середині квітня 1955 року.[22]

Марк 1 в стадії будівництва.
Власник фото: Джодрелл Бенк.

Чаша телескопу спочатку повинна була мати сітчасту поверхню для спостереження на довжинах хвиль від 1 до 10 метрів (3,2 і 32 футів);[23] це було змінено на сталеву поверхню, так що телескоп міг спостерігати на 21 см водневій лінії, яка був виявлена в 1951 році.[24] Крім того, в лютому 1954 р. Ловелл і Міністерство повітря зустрілися, щоб побачити, чи можна отримати кошти для підвищення точності чаші так, що вона може бути використане на сантиметрових довжинах хвиль, для дослідження на цих довжинах хвиль для цілей Міністерства, а також «інших цілей». Хоча фінансування не було в кінцевому рахунку отримано від Міністерства повітря, процес планування вже просунувся дуже далеко і це поліпшення було все одно зроблене.[25]

Телескоп був побудований так, що чашу можна повністю перевернути. Спочатку передбачалося використовувати рухомі вежі біля основи телескопа, щоб міняти ресивери у фокусі.[26] Однак, рухливу вежу так і не побудували, через фінансові труднощі і те, що значна частина приймальної апаратури була поміщена в основу телескопа, а не в фокус.[26] Замість цього, приймачі були встановлені на 15-метрових сталевих трубах, які були встановлені у верхню частину повітряної вежі, коли чаша була перевернута. Кабелі від ресиверів потім провели всередині цих труб, які потім бути підключили, коли телескоп був направлений в зеніт. Пов'язані приймальні пристрої потім могли бути поміщені або в невелику підвішену лабораторію безпосередньо під поверхнею; у приміщеннях на вершинах двох веж; біля основи балок, або в будівлі системи управління.[27]

Телескоп вперше буз зрушений  3 лютого 1957 року: на 1 дюйм.[28] Він був вперше зрушений азимутально з використанням електрики 12 червня 1957;[29] чаша вперше була нахилена з використанням електрики 20 червня 1957 року.[29] До кінця липня того ж року поверхня чаші була завершена[30] . Перше використання відбулося 2 серпня 1957 року — телескоп зробив дрифтове сканування Чумацького Шляху на 160 МГц, з чашею в зеніті.[31] Телескоп був вперше контрольований із залу управління 9 жовтня 1957 року[32][33] на спеціально побудованому аналоговому комп'ютері.[24]

Будівництво телескопу коштувало значно дорожче плану, в першу чергу через значне здорожчання сталі на момент будівництва. Оригінальний грант для будівництва телескопа був спільним від Фонду Наффілда і уряду; ця сума склала £335 000.[15] Уряд збільшив свою частку фінансування у кілька разів по мірі росту вартості; інші гроші надійшли від приватних пожертвувань. Заключна частина боргу за будівництво телескопа, £50 000, була погашена за рахунок Лорда Наффілда і Фонду Наффілда 25 травня 1960 року[34] (почасти через досить ранню відомість телескопа у спостереженні за космічними зондами; див. нижче), і обсерваторія Джодрелл Бенк обсерваторія була перейменована в радіоастрономічні лабораторії Наффілда. Остаточна загальна вартість телескопа склала £700 000.[35]

Незабаром після того, як телескоп був закінчений, Лавелл і Хазбенд почали розглядати ідею модернізації телескопа так, щоб він мав точнішу поверхню і управлявся за допомогою цифрового комп'ютера. Плани цієї модернізації були створені Husband and Co., і були представлені Лавеллу в квітні 1964 року.[36] Ці плани стали більш нагальними, коли тріщини втоми металу були виявлені у системі двигунів висоти у вересні 1967 року. Телескоп був розрахований на термін експлуатації до 10 років, і Хазбенд попереджав про руйнування телескопу з 1963 року. Поява тріщин від втоми металу була першою з проблем, які загрожували зупинити роботу телескопа[37]. Тому телескоп був відновлений і оновлений, щоб стати Марк ІА; початкова вартість фінансування £400 000 була оголошена Науково-дослідницькою радою 8 липня 1968 року.[38][39] Модернізація була проведена в три етапи: етап 1 тривалістю з вересня 1968 по лютий 1969 р.,[40] етап 2 в період з вересня по листопад 1969 року[41] , етап 3 в період з серпня 1970 по листопад 1971.[42]

На першому етапі було додано внутрішню колію, яка мала прийняти третину ваги телескопа.[40][43] На другому етапі, зовнішня колія, які почала руйнуватися та просідати, була заново перекладена. Крім того, на цьому етапі були додані чотири візки на внутрішню колію разом з їх металоконструкціями, а на існуючих візках зовнішньої колії проведено капітальний ремонт.[41][43]

Найбільші зміни відбулися на третьому етапі — поверх старої поверхні чаші була побудована нова, точніша поверхня (це означало розширення можливостей телескопа до прийнятті хвиль довжиною 6 см[23]), та була додана підтримка центрального «велосипедного колеса». Також була встановлена нова комп'ютерна система управління (повторне використання комп'ютера Ферранте Аргус 104 від радіотелескопа Марк II); тріщини втоми в шишках, які з'єднували чашу з вежами, були відремонтовані, а центральна антена була подовжена і посилена.[42][43] На жаль, у січні 1972 року загинув один інженер і зазнав серйозних поранень другий через обрив кріплень при роботі на центральній антені.[44]

Модернізація до Марк ІА була офіційно завершена 16 липня 1974 року, коли телескоп був повернений Університету Манчестера. У зв'язку з збільшенням вартості стали під час оновлення, фінальна вартість модернізації склала £664 793,07.[45]

Лавелівський телескоп в процесі шліфування в 2002 році.

Вітри «Бурі січня 1976 року» 02 січня сягали близько 140 км/год і майже знищили телескоп. Вежі викривились, і один з підшипників, який поєднував чашу з вежами, висковзнув. Після дорогого ремонту, до веж були додані діагональні розпірки, щоб це не сталося знову.[43]

До 1990-х років поверхні телескопа  сильно проржавіли. У 2001—2003 роках телескоп було відшліфовано, підвищивши його чутливість на частоті 5 ГГц з фактором п'ять. На поверхні було використано метод голографічного профілювання, тому поверхня оптимально працює на довжинах хвиль 5 см (у порівнянні з 18 см на старій поверхні).[46] Була встановлена нова система двигунів, яка забезпечує набагато більш високу точність наведення. Зовнішня колія була реконструйована, а фокусна вежа була укріплена, щоб витримати важчі приймачі.[47]

У 2007 році телескоп потребував нового колісного приводу, оскільки одне з шістдесяти чотирьох оригінальних коліс тріснуло; у 2008 році знадобилась ще одна нова сталева покришка після тріщини другого колеса. Це були єдині заміни коліс з початку роботи в телескопа у 1957 році.[48]

Наявність (станом на 2010 р.) двох гніздових пар диких сапсанів (які мають по гнізду в кожній з двох опорних веж телескопа) запобігає шкоді від голубів (як шкоді від посліду, так і від тепла їх тіл, що перешкоджають показанням чутливих приладів), які якої страждають деякі інші радіотелескопи.

Модель Супутника 1.

Телескоп почав функціонувати влітку 1957 року, якраз під час запуску Супутника-1, першого у світі штучного супутника. Хоча передача від Супутника легко могла влювлюватись побутовим радіо, Лавелівський телескоп був єдиним телескопом, здатним відстежувати радаром ракету-носій «Супутник»; телескоп вперше зафіксував ракету майже опівночі 12 жовтня 1957 року.[51][52] Він також виявив ракету-носій «Супутника-2» відразу після опівночі 16 листопада 1957 року.[53]

Телескоп також взяв участь у початковій роботі по супутниковому зв'язку. У лютому і березні 1963 року, телескоп передавав сигнали через Місяць і «Ехо-ІІ» (кульовий супутник НАСА на висоті 750 кілометрів) до обсерваторії Зіменкі в СРСР. Деякі сигнали також передавались із США в СРСР через Джодрелл Бенк.[54]

«Піонер-5» кріпиться до його ракети-носія «Тор».

Лавелівський телескоп був використаний для відстеження радянських і американських зондів, спрямованих на Місяць наприкінці 1950-х і на початку 1960-х років. З американських космічних зондів, телескоп відстежив «Піонер-1» з 11 по 13 листопада 1958 року[55][56] «Піонер-3» у грудні 1958 р.[57] і «Піонер-4» в березні 1959 року.[58] Телескоп відстежив «Піонер-5» з 11 березня по 26 червня 1960 року, і був також використаний для відправки команд на зонд, у тому числі для відділення зонда від ракети-носія та для включення більш потужного передавача, коли зонд віддалився на 12,9 млн км. Він також отримував відомості від «Піонер-5», будучи єдиним телескопом у світі, здатним на це у той час.[59] Останній сигнал був підхоплений від зонда на відстані 36,2 мільйона кілометрів 26 червня 1960 року.[57]

Телескоп також відстежував радянські місячні зонди, в тому числі і «Луна-2» з 13 на 14 вересня 1959 року, коли він вдарився о поверхню Місяця; це було доведено з допомогою телескопа шляхом виміру впливу місячної гравітації на зонд,[60] і Місяць-3 бл. 4 жовтня 1959 року.[61] Крім того, телескоп відстежив «Луна-9» у лютому 1966 року — перший космічний корабель, що здійснив м'яку посадку на Місяць. Телескоп слухав його факсимільну передачу фотографій з поверхні Місяця. Фотографії були відправлені в британську пресу — зонд передавав, швидше за все навмисне, щоб збільшити шанси на отримання, в міжнародному форматі для передачі зображення на стрічку новин — і фото були надруковані раніше, ніж їх оприлюднило СРСР.[62]

Телескоп відстежив «Луна-10», супутник СРСР, виведений на орбіту навколо Місяця, в квітні 1966 року,[63] і «Зонд-5» у вересні 1968 року, зонд СРСР, який був запущений на Місяць, навколо якого він обернувся, перш ніж повернутися на Землю.[64] Телескоп не відстежував «Аполлон-11», оскільки він стежив за «Луна-15» в липні 1969 року. Однак сусідній 15-метровий телескоп в Джодрелл Бенк був в той час використаний для відстеження «Аполлон-11».[65][66]

Телескоп можливо виявив сигнали від «Венера-1», супутника СРСР на шляху до Венери, 19—20 травня 1961 року. Однак не вдалося підтвердити походження сигналів.[67] Кілька років потому, у грудні 1962 року, телескоп відстежив і отримав дані від «Марінер-2».[68] 18 жовтня 1967 року телескоп отримав сигнали, і відстежив, «Венера-4», зонд СРСР на Венеру.[69]

Телескоп відстежив «Марс-1» в 1962-3 роках,[57] та «Марс-2» і «Марс-3» в 1971 році (серед процесу оновлення телескопа до Марк ІА).[70] Більш недавно, він також шукав декілька втрачених марсіанських космічних зондів, у тому числі «Марс Обзервер» НАСА у 1993 році[9] , «Марс Полар Лендер» в 2000 році[71] і приземлюваний апарат «Бігль-2» на Марс в 2003 році. Однак він не знайшов будь-якого з них.

Як тимчасова міра, поки будувалась військова база Королівських ВПС Файлінгдейлс, телескоп був у режимі очікування для проекту «Project Verify» (також відомий під кодовими словами «Lothario» і «Changlin») в період з квітня 1962 року по вересень 1963 року. Під час стратегічних тривог, «імпульсний передавач, приймач і індикаторне обладнання» міг бути підключений до телескопа для сканування відомих російських місць запуску на предмет пусків МБР та/або БРСД.[72][73] Під час кубинської ракетної кризи в жовтні 1962 року телескоп був непомітно повернутий в бік залізної завіси, щоб надати кілька хвилин попередження щодо будь-яких ракет, які могли бути запущені.[74]

Восени 1958 року телескоп був використаний для відбиття «Привітів» від Місяця з метою демонстрації третій рейт лекції Лавелла.[75] Телескоп був також використаний для отримання повідомлень, відбитих від Місяця («місячне відображення») у рамках фестивалю 50-річчя Першого руху телескопу.[76] у квітні 1961 року, з допомогою телескопа була отримана радіолокаційна луна від Венери, коли планета була на більш близькій відстані, що підтвердило вимірювання відстані до планети, зробленої американськими телескопами.[77][78]

Воднева лінія 21 см була виявлена під час будівництва телескопа; телескоп був згодом перероблений так, щоб він міг спостерігати на цій частоті. Використовуючи цю лінію випромінювання, можна спостерігати хмари водню в галактиці Чумацький Шлях і інших галактиках. Наприклад, телескоп виявив велику хмару навколо галактик М81 і М82. Рух цих хмар в напрямку до нас або від нас утворює червоний або синє зсув, дозволяючи виміряти швидкість хмари. Це забезпечує доступ до внутрішньої динаміки галактик, а також може забезпечити вимірювання швидкості розширення Всесвіту.[79]

У 1963 році телескоп виявив про викиди OH з регіонів зореутворення і гігантських зір; це були перші астрономічні мазери.[80] OH-мазери випромінюють на чотирьох частотах близько 18 см, які легко спостерігаються на телескопі. В рамках програми MERLIN телескоп регулярно використовується для побудови карти регіонів мазерів.[79]

Художнє уявлення про подвійний пульсар, PSR J0737−3039.

У 1968 році, телескоп спостерігав координати недавно виявленого пульсара, щоб підтвердити його існування, та досліджував дисперсію вимірювання.[81] Він також зробив перше виявлення поляризації випромінювання пульсарів.[82] Це поклало початок великому обсягу роботи дослідження пульсарів в Джодрелл, яка триває досі.[83] За 30 років після відкриття пульсарів, телескоп виявив понад 100 нових пульсарів (а астрономи Джодрелл Бенк виявили близько 2/3 від загального числа, використовуючи Лавелівський і інші телескопи). За 300-ми пульсарами ведуть регулярні спостереження за допомогою Лавелівського телескопа або розташованого поруч телескопа з 13-метровою чашею[84].

Телескоп був причетний до відкриття міллісекундних пульсарів,[84] а також до виявлення першого пульсара в кулястому скупченні у 1986 році[80]— міллісекундного пульсара в Мессьє 28. У вересні 2006 року, були оголошені результати трьох років спостережень за подвійним пульсаром, PSR J0737−3039, з використанням Лавелівського телескопа, телескопів обсерваторій  Паркса і Грін Бенк, було оголошено, що підтверджують правильність загальної теорії відносності на рівні 99.5 %.[85]

Приклад гравітаційної лінзи.

Між 1972 і 1973 році телескоп був використаний для «детального огляду радіоджерел на обмеженій ділянці неба … до межі чутливості приладу». Серед каталогізованих об'єктів була перша гравітаційна лінза, яка була підтверджена візуально в 1979 році[86] після того, як було визначено збіг її розташування з парою слабких блакитних зірок за допомогою Марка І як інтерферометра з Марком II.[87] Телескоп був також залучений до виявлення першого кільця Ейнштейна в 1998 році, у зв'язку зі спостереженнями, зробленими телескопом Габбл.[88]

Ранні дослідження розмірів і природи квазарів стимулювали розвиток методів інтерферометрії в 1950-х роках; Лавелівський телескоп мав перевагу через свою велику ділянку збору, що дало можливість швидко отримати за його допомогою високочутливі вимірювання інтерферометром. В результаті телескоп широко представлений у відкритті квазарів.[8]

Модель телескопа Марк І, Музей науки (Лондон)

Інтерферометрія в Джодрелл Бенк почалася до того, як Лавелівський телескоп був побудований, — з використанням Транзитного телескопа з широкостороннім масивом у 35 метрів  для визначення розмірів радіо-гучних туманностей.[89] Після будівництва Лавелівського телескопу, широкосторонній масив був поставлений на поворотний держатель і разом з телескопом вони використовувались як відстежуючий радіоінтерферометр, у тому числі для визначення 2D-форм квазарів на небі.[90] Влітку 1961 року був побудований 25 футів (8 м) діаметр параболоїдний телескоп (він був зроблений з алюмінієвої трубки і був встановлений на обертову конструкцію старої військової РЛС). Цей телескоп використовувався як керований інтерферометр разом з Марк І, з роздільною здатністю 0,3 кут. секунди, для визначення розмірів деяких квазарів з великим червоним зміщенням (z~0,86).[91]

Коли був збудований телескоп Марк II, він також використовувався як інтерферометр спільно з Лавелівським телескопом.[4] Разом вони давали базову лінію 425 м (це означає, що вони могли утворювати «штучний» телескоп з діаметром 425 м), що давало роздільну здатність близько 0,5 кутових хвилин. Ця пара телескопів була використана для проведення досліджень, а також для визначення позиції слабких радіооб'єктів.[92] Крім того, однією з причин будівництва телескопа Марк III було його майбутнє використання як інтерферометра з Марком І для досліджень радіоджерел.[93]

Телескоп взяв участь у першому трансатлантичному інтерферометричному експерименті у 1968 році, разом з телескопами Алгонкін і Пентіктон в Канаді.[94] Він був вперше використаний як інтерферометр з радіотелескопом в Аресібо 1969 року.[80]

У 1980 році він був використаний як частина нового масиву MERLIN[80] з серію невеликих радиотелескопів, контрольованих з Джодрелл Бенк. З базовими лініями до 217 км, масив мав роздільну здатність до близько 0,05 кутових хвилин.[92] Модернізована версія цього масиву стала національною установою в 1992 році.[80] Телескоп також використовується у радіоінтерферометрії з наддовгими базами, спільно з телескопами по всій Європі (в Європейській РНДБ мережі), що дає роздільну здатність близько 0,001 кутової секунди. Зараз близько половини часу спостереження телескопа витрачається на інтерферометрію з іншими телескопами.[92] планується, що телескоп буде працювати в складі інтерферометра з орбітальними радіо-супутниками Радіоастрон (Росія) і Програма космічної обсерваторії РНДБ (англ. VLBI Space Observatory Programme, Японія), забезпечуючи ще більшу базову лінію та вищу роздільну здатність.[92]

Телескоп був використаний як повторний інструмент для перевірки можливого виявлення сигналів позаземного життя проектом SETI, зафіксованих в Аресібо в період з 1998 по кінець 2003 року.[95][96] Ніяких сигналів не було виявлено.[97] У лютому 2005 року астрономи, використовуючи Лавелівський телескоп, виявили галактику VIRGOHI21, що, як видається, створена майже повністю з темної матерії.[98]

• Lovell, Bernard (1968). The Story of Jodrell Bank. Oxford University Press. ISBN 0-19-217619-6.
• Lovell, Bernard (1973). Out of the Zenith: Jodrell Bank 1957-1970. Oxford University Press. ISBN 0-19-217624-2.
• Lovell, Bernard (1985). The Jodrell Bank Telescopes. Oxford University Press. ISBN 0-19-858178-5.
• Lovell, Bernard (1990). Astronomer by Chance. London: Macmillan. ISBN 0-333-55195-8.
• Piper, Roger. The Story of Jodrell Bank (вид. Carousel). London: Carousel. ISBN 0-552-54028-5.

• Lovell, Bernard (1957). The Jodrell Bank Radio Telescope. Nature 180 (4576): 60–62. Bibcode:1957Natur.180...60L. doi:10.1038/180060a0.
• Rowson, B. (1963). High resolution observations with a tracking radio interferometer. MNRAS 125: 177. Bibcode:1963MNRAS.125..177R. doi:10.1093/mnras/125.2.177.
• Spinardi, G. (August 2006). Science, Technology, and the Cold War: The Military Uses of the Jodrell Bank Radio Telescope. Cold War History 6 (3): 279–300. doi:10.1080/14682740600795428.