Физики выяснили механизм аномального усиления шума в приемниках телескопов
Данные о слабых сигналах из ранней Вселенной могут искажаться из-за микроволновых помех. Российские физики выяснили, что необычно сильный шум может возникать из-за того, что колебания частоты источника превращаются приемником в дополнительные колебания сигнала.
Источник: Андрей Панкратов / НГТУ и Институт физики микроструктур РАН. Фото приемной системы
МОСКВА, 5 сентября. /Новости науки/. Российские физики выяснили механизм аномального усиления шума в приемниках телескопов, который может мешать изучению событий, произошедших в первые мгновения после Большого взрыва. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Applied.
Астрофизики пытаются выяснить, что происходило во Вселенной в первые секунды после Большого взрыва, с помощью реликтового излучения — древнейшего микроволнового сигнала, распространяющегося во Вселенной с ранних этапов ее существования. Однако это излучение очень слабое.
Приемники телескопов улавливают не только реликтовый сигнал, но и микроволны от других источников — например, от нашей собственной галактики. Эти сигналы накладываются друг на друга, поэтому разделить их оказывается практически невозможно. Одним из известных источников помех является аномальное микроволновое излучение, природа которого до сих пор остается не до конца понятной.
Исследователи из Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева и Института физики микроструктур РАН выяснили, какое явление может лежать в основе аномального усиления шума в приемниках. Его причиной может быть как аномальное микроволновое излучение, так и свойства приемных устройств.
Для этого ученые провели лабораторный эксперимент, собрав установку на основе микроволнового приемника, охлажденного до температуры, близкой к абсолютному нулю. Охлаждение позволило значительно уменьшить собственные тепловые шумы прибора и улавливать очень слабые сигналы.
В качестве источника излучения, имитирующего космические помехи, исследователи использовали генератор микроволнового сигнала. По спектральным свойствам он был близок к источникам аномального микроволнового излучения. Рабочую температуру генератора поддерживали на уровне около минус 270 градусов Цельсия, что примерно соответствует температуре реликтового излучения.
При измерении микроволнового шума ученые обнаружили необычный эффект: с увеличением мощности сигнала шум возрастал быстрее, чем предсказывали стандартные формулы. Исследователи установили, что частота микроволн от генератора немного менялась в очень узком диапазоне, а приемник реагировал на каждое такое изменение частоты усилением шума.
«Приемник устроен так, что его чувствительность зависит от частоты: на одних частотах он лучше принимает сигнал, на других — хуже. Если частота источника немного “дрожит”, то на крутом участке частотной характеристики детектора даже небольшое изменение частоты приводит к заметному изменению амплитуды выходного сигнала. В результате на выходе приемника появляются дополнительные амплитудные флуктуации, которые создают избыточный шум. При этом мы наблюдаем, что фотоны как бы группируются, создавая помехи, значительно превышающие уровень, который предсказывается простейшей моделью шумов источника. Важно, что такой эффект возникает не из-за свойств самого излучения, а из-за совместного влияния источника и частотно-зависимого приемника, который уже нельзя рассматривать как пассивный измерительный инструмент», — рассказал руководитель проекта Андрей Панкратов.
Результаты исследования показывают, что существующие модели обработки микроволновых сигналов с телескопов необходимо корректировать, чтобы учитывать шум, связанный с «группировкой фотонов». Это может помочь отличать излучение из далеких галактик от помех из нашей собственной галактики и от вклада свойств приемника в измерения.
В дальнейшем ученые планируют построить количественную теорию усиления фотонного шума в приемных системах, связанного с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики приемников, а также повторить этот эффект в других диапазонах частот и с другими приемными системами.
Астрофизики пытаются выяснить, что происходило во Вселенной в первые секунды после Большого взрыва, с помощью реликтового излучения — древнейшего микроволнового сигнала, распространяющегося во Вселенной с ранних этапов ее существования. Однако это излучение очень слабое.
Приемники телескопов улавливают не только реликтовый сигнал, но и микроволны от других источников — например, от нашей собственной галактики. Эти сигналы накладываются друг на друга, поэтому разделить их оказывается практически невозможно. Одним из известных источников помех является аномальное микроволновое излучение, природа которого до сих пор остается не до конца понятной.
Исследователи из Нижегородского государственного технического университета имени Р. Е. Алексеева и Института физики микроструктур РАН выяснили, какое явление может лежать в основе аномального усиления шума в приемниках. Его причиной может быть как аномальное микроволновое излучение, так и свойства приемных устройств.
Для этого ученые провели лабораторный эксперимент, собрав установку на основе микроволнового приемника, охлажденного до температуры, близкой к абсолютному нулю. Охлаждение позволило значительно уменьшить собственные тепловые шумы прибора и улавливать очень слабые сигналы.
В качестве источника излучения, имитирующего космические помехи, исследователи использовали генератор микроволнового сигнала. По спектральным свойствам он был близок к источникам аномального микроволнового излучения. Рабочую температуру генератора поддерживали на уровне около минус 270 градусов Цельсия, что примерно соответствует температуре реликтового излучения.
При измерении микроволнового шума ученые обнаружили необычный эффект: с увеличением мощности сигнала шум возрастал быстрее, чем предсказывали стандартные формулы. Исследователи установили, что частота микроволн от генератора немного менялась в очень узком диапазоне, а приемник реагировал на каждое такое изменение частоты усилением шума.
«Приемник устроен так, что его чувствительность зависит от частоты: на одних частотах он лучше принимает сигнал, на других — хуже. Если частота источника немного “дрожит”, то на крутом участке частотной характеристики детектора даже небольшое изменение частоты приводит к заметному изменению амплитуды выходного сигнала. В результате на выходе приемника появляются дополнительные амплитудные флуктуации, которые создают избыточный шум. При этом мы наблюдаем, что фотоны как бы группируются, создавая помехи, значительно превышающие уровень, который предсказывается простейшей моделью шумов источника. Важно, что такой эффект возникает не из-за свойств самого излучения, а из-за совместного влияния источника и частотно-зависимого приемника, который уже нельзя рассматривать как пассивный измерительный инструмент», — рассказал руководитель проекта Андрей Панкратов.
Результаты исследования показывают, что существующие модели обработки микроволновых сигналов с телескопов необходимо корректировать, чтобы учитывать шум, связанный с «группировкой фотонов». Это может помочь отличать излучение из далеких галактик от помех из нашей собственной галактики и от вклада свойств приемника в измерения.
В дальнейшем ученые планируют построить количественную теорию усиления фотонного шума в приемных системах, связанного с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики приемников, а также повторить этот эффект в других диапазонах частот и с другими приемными системами.
