Lunar Radio Astronomy Observatory

Abstract

Lunar Radio Astronomy Observatory. Terrestrial, orbital and lunar environments are compared from the radio-astronomical point of view. The terrestrial environment is limited at long waves by the ionosphere, atmospheric noise and man-made interference. The centimeter and shorter waves are plagued by atmospheric absorption and radiation. Earth orbiting radio telescopes may considerably reduce these effects, yet, even then, the ionospheric and exospheric noise is important at long waves, and man-made interference will still be present almost throughout the whole radio spectrum. The lunar environment on the opposite side of the Moon should be almost completely free from the above mentioned limitations.

The instruments proposed for the Lunar Radio Astronomy Observatory include interferometers for aperture synthesis in the kilometer, hectometer and decameter wave ranges. These include aerials based on the Moon or orbiting the Moon. Laser or radio links could be used for information transfer to the receivers. The use of lunar craters for stationary radio telescopes is considered as well as the employment of inflated structures using polymerizing plastic filling for steerable aerial types. Accurate dishes are needed for decimeter, centimeter and millimeter wave ranges with cooled parametric amplifiers, masers or thermal detection radiometers in the focus. Aperture synthesis is again recommended in the decimeter and even shorter waves.

Some possible types of research at a Lunar Radio Astronomy Observatory during lunar nighttime include the following: galactic and extra-galactic low angular resolution spectral studies at very low frequencies concerned with the bulk matter distribution with increasing “redshift”. Very important are high resolution observations of low frequency galactic radiations and of a large number of extra-galactic radio sources. The very low frequency spectra of extra-galactic radio-sources should show progressive shifts of their frequencies of maximal flux densities toward longer waves with increasing “red shift”. Thus it should be possible to measure their “red shifts” by radio observations alone. The lunar environment is also advantageous for the 21 cm hydrogen line and OH line studies. It should also help us in the achievement of ultimate sensitivities in the decimeter and centimeter wave ranges. The stronger radio sources, the galactic center, the planets, H_II regions and some galactic nebulae are among the possible targets in this spectral range.

The lunar day will be unfavourable for all high sensitivity observations, because the Sun is the dominant radio source in the sky, especially at shorter waves. The main object for studies at this time will be the Sun itself and the solar corona.

Résumé

Observatoire Radio-Astronomique Lunaire. On compare, du point de vue de la radioastronomie, les conditions d’ambiance terrestres, orbitales et lunaires. L’environnement terrestre est limité, dans la gamme des ondes longues, par l’ionosphère, le bruit atmosphérique et les parasites produits par l’Homme. Les ondes centimétriques et plus courtes sont fortement réduites par l’absorption et le rayonnement atmosphérique. Des radiotélescopes orbitant autour de Ja terre peuvent diminuer considérablement ces effets, mais le bruit ionosphérique et endosphérique continuera d’être important en grandes ondes, et les parasites produits par l’homme seront toujours présents sur toute l’étendue du spectre radioélectrique. Le site lunaire, sur la face opposée de la Lune, devrait presque être complètement exempt de ces inconvénients.

Les instruments proposés pour un observatoire radio-astronomique lunaire comprennent des interféromètres pour la synthèse d’ouverture dans les bandes kilométriques, hectométriques et décamétriques. Ces instruments comprennent des antennes posées sur la Lune, ou orbitant autour d’elle. Des liaisons laser ou radio pourraient être utilisées pour transmettre l’information vers les récepteurs. Pour l’installation de radiotélescopes fixes, on prévoit aussi bien l’utilisation de cratères lunaires, que celle d’enveloppes en plastique polymère pour les antennes orientables. Des paraboles très précises sont nécessaires dans les bandes décimétrique, centi-métrique et millimétrique; on placera à leur foyer un amplificateur paramétrique avec refroidissement, un maser ou un radiomètre détecteur de rayonnement thermique. La synthèse d’ouverture est encore recommandée dans la bande décimétrique et plus courte.

Parmi les recherches possibles à partir de l’Observatoire radio-astronomique lunaire au cours de la nuit lunaire on trouve: les études spectrales galactiques et extra-galactiques à faible résolution angulaire aux très basses fréquences portant sur les distributions d’amas galactiques présentant un décalage croissant vers le rouge. Les observations, avec une grande résolution, de rayonnements galactiques en basse fréquence et d’un très grand nombre de radio-sources extra-galactiques sont très importantes. Les spectres en très basse fréquence des radio-sources extra-galactiques devraient présenter des décalages progressifs de leurs fréquences de densités de flux maximaux vers des ondes plus longues avec un glissement croissant vers le rouge. De ce fait, ce glissement pourrait être mesuré par les seules observations radio. Le site lunaire est également très avantageux pour l’étude des raies d’hydrogène en 21 cm et de OH. Il devrait également permettre d’atteindre les sensibilités limites dans les bandes décimétrique et centimétrique. Les cibles possibles dans cette bande sont: les radio-sources plus intenses, le centre de la galaxie, les planètes, les régions H_II et certaines nébuleuses galactiques.

Le jour lunaire sera défavorable à toutes les observations à haute sensibilité, du fait que le Soleil constitue la radio-source dominante du ciel, particulièrement aux ondes les plus courtes. Dans le présent, l’objet principal des études reste le Soleil lui-même, ainsi que la couronne solaire.

Резюме

Лунная радиoастрoнoмичeская oбсeрватoрия. Зeмная, oрбитальная и лунная срeда сравниваются с радиoастрoнoмичeскoй тoчки зрeния. Зeмная срeда oграничиваeтся в диапазoнe длинных вoлн иoнoсфeрoй, атмoсфeрными шумами и искусствeнными пoмeхами. Сантимeтрoвыe и бoлee кoрoткиe вoлны пoдвeргаются oтрицатeльнoму вoздeйствию атмoсфeрнoгo пoглoщeния и излучeния. Вывeдeниe радиoтeлeскoпoв на зeмную oрбиту мoжeт значитeльнo снизить вoздeйствиe этих пoмeх, oднакo дажe в этoм случаe иoнoсфeрныe и экзoсфeрныe шумы в значитeльнoй стeпeни oщущаются на длинных вoлнах, а искусствeнныe пoмeхи будут сoхраняться пoчти на всeм диапазoнe спeктра радиoвoлн. Лунная срeда на oбратнoй стoрoнe луны дoлжна быть пoчти сoвeршeннo свoбoдна oт вышeуказанных пoмeх.

Прeдлагаeмая аппаратура для луннoй радиoастрoнoмичeскoй oбсeрватoрии включаeт интeрфeрoмeтры для апeртурнoгo синтeза в диапазoнах килoмeтрoвых, гeктoмeтрoвых и дeкамeтрoвых вoлн. Сюда вхoдят антeнны, пoмeщeнныe на лунe или вывeдeнныe на oрбиту вoкруг луны. Для пeрeдачи инфoрмации в приeмники мoгут быть испoльзoваны лазeры или линии радиoсвязи. Рассматриваeтся вoзмoжнoсть испoльзoвания лунных кратeрoв для стациoнарных радиoтeлeскoпoв, а такжe примeнeния запoлнeнных структур с испoльзoваниeм напoлнeния из пoлимeрoв для антeнн с управляeмoй диаграммoй. Для дeцимeтрoвых, сантимeтрoвых и миллимeтрoвых вoлн трeбуются тoчныe чашeoбразныe антeнны с oхлаждаeмыми парамeтричeскими усилитeлями, мазeрами или тeплoулавливающими радиoмeтрами в фoкусe. Апeртурный синтeз такжe рeкoмeндуeтся в диапазoнe дeцимeтрoвых и дажe бoлee кoрoтких вoлн.

В числo вoзмoжных типoв исслeдoваний на луннoй радиoастрoнoмичeскoй oбсeрватoрии в пeриoд луннoй нoчи вхoдят слeдующиe : галактичeскиe и внeгалактичeскиe спeктральныe исслeдoвании при низкoй углoвoй разрeшающeй спoсoбнoсти на oчeнь низких частoтах, касающиeся распрeдeлeния массы матeрии при усиливающeмся „краснoм смeщeнии”. Oчeнь важны наблюдeния при высoкoй разрeшающeй спoсoбнoсти пo углoвым кooрдинатам низкoчастoтных галактичeских радиаций и бoльшoгo числа внeгалактичeских истoчникoв радиoзлучeния. Самыe низкoчастoтныe спeктры внeгалактичeских истoчникoв радиoизлучeния дoлжны пoказывать пoстeпeнныe смeщeния их частoт максимальнoй плoтнoсти пoтoка в направлeнии бoлee длинных вoлн при усиливающeмся „краснoм смeщeнии”. Таким oбразoм мoжнo будeт измeрить их „краснoe смeщeниe” лишь с пoмoщью радиoнаблюдeний. Лунная срeда такжe благoприятна для изучeния 21 см линии вoдoрoда и линии OН. Oна такжe дoлжна спoсoбствoвать дoстижeнию прeдeльнoй чувствитeльнoсти в диапазoнах дeцимeтрoвых и сантимeтрoвых вoлн. Бoлee сильныe истoчники радиoизлучeния, цeнтр галактики, планeты, райoны Ни и нeкoтoрыe галактичeскиe туманнoсти принадлeжат к числу вoзмoжных oбъeктoв изучeния в этoм диапазoнe спeктра.

Лунный дeнь будeт нeблагoприятным для любых высoкoчувствитeльных наблюдeний, пoскoльку сoлнцe являeтся дoминирующим истoчникoм радиoизлучeния в нeбe, oсoбeннo на кoрoтких вoлнах. Oснoвным oбъeктoм изучeния в этoт пeриoд будeт самo сoлнцe и сoлнeчная кoрoна.