Радіоастрономія — розділ астрономії, що вивчає астрономічні об'єкти за допомогою дослідження випромінених ними радіохвиль. Вона бере початок у 1933 році, коли Карл Янський у Лабораторіях Белла повідомив про виявлення випромінювання, що надходить від Чумацького Шляху. Подальші спостереження дали змогу ідентифікувати різноманітні джерела радіовипромінювання, зокрема зорі та галактики, а також відкрили цілком нові класи об'єктів — такі як радіогалактики, квазари, пульсари та мазери. Відкриття космічного мікрохвильового фону, яке вважають одним із головних доказів теорії Великого вибуху, також було здійснене методами радіоастрономії.

Радіоастрономічні спостереження проводять за допомогою великих радіоантен, відомих як радіотелескопи, які можуть використовуватися як поодинці, так і в складі об'єднаних систем із застосуванням методів радіоінтерферометрії та апертурного синтезу. Використання інтерферометрії дає змогу досягати дуже високої кутової роздільної здатності, оскільки роздільна здатність інтерферометра визначається відстанню між його елементами, а не розмірами окремих антен. Радіоастрономія відрізняється від радіолокаційної астрономії тим, що є пасивним методом спостереження (тобто лише приймає сигнал), тоді як радіолокаційна астрономія є активною й передбачає як випромінювання, так і приймання сигналів.

Історія

До того як Карл Янський у 1930-х роках здійснив спостереження радіовипромінювання Чумацького Шляху, фізики лише припускали, що радіохвилі можуть надходити від астрономічних джерел. У 1860-х роках Джеймс Клерк Максвелл у своїх рівняннях показав, що електромагнітне випромінювання пов'язане з електрикою та магнетизмом і може існувати на будь-якій довжині хвилі. Існувало кілька спроб виявити радіовипромінювання Сонця, зокрема експеримент німецьких астрофізиків Йоганнеса Вільзінга та Юліуса Шайнера 1896 року, а також установка для реєстрації сантиметрових хвиль, створена Олівером Лоджем у 1897—1900 роках. Через технічні обмеження приладів ці спроби не дали результатів. Відкриття у 1902 році радіовідбивного іоносферного шару привело фізиків до висновку, що він відбиває будь-яке астрономічне радіовипромінювання назад у космос, роблячи його невиявним.

Карл Янський випадково відкрив перше астрономічне радіоджерело випадково на початку 1930-х років. Почавши працювати радіоінженером у Bell Telephone Laboratories, він отримав завдання дослідити статичні завади, які могли перешкоджати короткохвильовому трансатлантичному голосовому зв'язку. Використовуючи велику , Янський зауважив, що його аналогова система реєстрації сигналу на папері постійно фіксує повторюваний сигнал або «шипіння» невідомого походження. Оскільки інтенсивність сигналу досягала максимуму приблизно кожні 24 години, Янський спочатку припустив, що джерелом завад є Сонце, яке проходить через поле зору антени. Проте подальший аналіз показав, що сигнал повторюється не з точно 24-годинним сонячним циклом, а з періодом 23 години 56 хвилин. Янський обговорив це загадкове явище зі своїм другом, астрофізиком Альбертом Мелвіном Скеллеттом, який звернув увагу на те, що цей інтервал відповідає тривалості зоряної доби — часу, за який «нерухомі» астрономічні об'єкти, наприклад зорі, проходять над антеною внаслідок обертання Землі. Порівнявши свої спостереження з оптичними зоряними мапами, Янський дійшов висновку, що максимум випромінювання припадає на напрямок найщільнішої частини Чумацького Шляху в сузір'ї Стрільця.

Янський оголосив про своє відкриття на науковому зібранні у Вашингтоні у квітні 1933 року — з цього моменту й відраховують початок радіоастрономії. У жовтні 1933 року його відкриття опубліковали в науковій статті «Електричні збурення, імовірно позаземного походження» () у журналі Reprinted 65 years later as along with an explanatory preface in .. Янський дійшов висновку, що оскільки Сонце (а отже й інші зорі) не є потужними джерелами радіошуму, загадкові радіозавади можуть породжуватися міжзоряним газом і пилом у Галактиці, зокрема внаслідок «теплового руху заряджених частинок». Джерело радіовипромінювання, виявлене Янським, одне з найяскравіших на небі, у 1950-х роках отримало позначення Стрілець A. Згодом висунули гіпотезу, що це випромінювання створюють електрони у сильному магнітному полі. Сучасні уявлення пов'язують його з іонами, що рухаються на орбітах навколо надмасивної чорної діри в центрі Галактики — в об'єкті, нині відомому як Стрілеці A*.

Після 1935 року Янський прагнув детальніше дослідити радіохвилі від Чумацького Шляху, однак у Bell Labs його перевели на інший проєкт, і він більше не займався астрономічними дослідженнями. Його піонерський внесок у розвиток радіоастрономії вшанували тим, що на його честь назвали основну одиницю спектральної густини потоку випромінювання — янський.

Радіоаматор Ґроут Ребер надихнувся роботами Янського 1937 року збудував у себе на подвір'ї у Вітоні (штат Іллінойс) параболічний радіотелескоп діаметром 9 м. Спочатку він повторив спостереження Янського, а згодом виконав перший огляд неба в радіодіапазоні. 27 лютого 1942 року Джеймс Стенлі Гей, науковий співробітник Британської армії, уперше зафіксував радіохвилі, випромінювані Сонцем. Пізніше того ж року Джордж Кларк Саутворт, який, як і Янський, працював у Bell Labs, також виявив радіовипромінювання Сонця. Обидва дослідники були обмежені вимогами воєнної таємниці, пов'язаними з радарними дослідженнями, тому Ребер, який таких обмежень не мав, опублікував свої результати першим — у 1944 році. Радіохвилі Сонця незалежно відкрили й інші дослідники, зокрема Е. Шотт у Данії та Елізабет Александер на острові Норфолк (see R&E holdings at NLNZ .).

У Кембриджському університеті, де під час Другої світової війни проводилися іоносферні дослідження, Джон Реткліфф разом з іншими співробітниками Інституту телекомунікацій, що займалися воєнними дослідженнями радарів, створив університетську групу з радіофізики. Ця група здійснювала спостереження та вивчення радіовипромінювання Сонця.

Невдовзі ці дослідження поширилися на спостереження інших небесних радіоджерел, а також було започатковано застосування методів інтерферометрії для визначення кутового положення джерел випромінювання. Мартін Райл і Ентоні Г'юїш у Кавендішській астрофізичній групі розробили метод синтезу апертури з використанням обертання Землі. У 1950-х роках кембриджська радіоастрономічна група заснувала Маллардську радіоастрономічну обсерваторію поблизу Кембриджа. Наприкінці 1960-х — на початку 1970-х років, коли комп'ютери (зокрема ) змогли виконувати обчислювально складні обернені перетворення Фур'є, необхідні для цього методу, вдалося досягти ефективних апертур 1 миля (Одномильний телескоп), а згодом і 5 км (Телескоп Райла). Використовуючи , дослідники склали радіокарти неба, що лягли в основу (2C) та (3C) кембриджських каталогів радіоджерел.

Від створення перших радіотелескопів і дотепер триває їхнє постійне вдосконалення в багатьох напрямах: збільшуються розміри антен, збільшується чутливість електроніки і зменшуються шуми, вдосконалюються методи обробки сигналів, що, зокрема, робить можливою радіоінтерферометрію з усе більшою базою. 1962 року найбільшим повністю рухомим радіотелескопом на Землі став 300-футовий (90 м) радіотелескоп Грін-Банкської обсерваторії в США, який однак у 1988 році обвалився під власною вагою. Ще до цього, у 1971 році, його перевершив 100-метровий Еффельсберзький радіотелескоп у Німеччині, а 2000 року рекордсменом серед повністю рухомих телескопів став Грін-Банкський телескоп у США з еліптичною антеною 100 на 110 метрів. Найбільшим телескопом з нерухомою антеною від 1963 року був 305-метровий Телескоп Аресібо в Пуерто-Ріко, поки в 2016 році його не перевершив 500-метровий китайський телескоп FAST. Були перші спроби виведення редіотелескопів у космос, як-от японський телескоп HALCA і російський Радіоастрон, що може з часом дозволити радіоінтерферометрію з базою більшою за розмір Землі. Багато радіотелескопів паралельно з радіоастрономічними застосуваннями використовували для задач радіолокаційної астрономії, космічного зв'язку, локації космічних апаратів.

1974 року Рассел Галс і Джозеф Тейлор відкрили перший подвійний пульсар, нині відомий як пульсар Галса — Тейлора. Спостережуване радіоастрономічними методами стиснення його орбіти з часом стало першим непрямим підтвердженням існування гравітаційних хвиль і принесло його відкривачам Нобелівську премію з фізики 1993 року. 1992 року Александер Вольщан і Дейл Фрейл, спостерігаючи в обсерваторії Аресібо періодичні зміни в моментах прибуття сигналів від пульсара PSR B1257+12, передбачили існування біля нього двох екзопланет, що стало першим підтвердженим відкриттям планет за межами Сонячної системи. Мікрохвильові космічні телескопи COBE (1989-1993), WMAP (2001-2010) і Планк (2009-2013) з усе вищою точністю вимірювали неоднорідності реліктового випромінювання, що дозволило визначити параметри стандартної космологічної моделі ΛCDM, а керівникам проєкту COBE принесли Нобелівську премію. Телескоп горизонту подій, радіоінтерферометр з наддовгою базою, який об'єднує радіотелескопи на різних континентах, за результатами кількох років обробки зображень зміг у 2019 році представити перше зображення акреційного диска навколо надмасивної чорної діри в центрі галактики Мессьє 87, а в 2022 році - надмасивної чорної діри Стрілець A* у центрі Чумацького Шляху.

В Україні радіоастрономія розвивається, у першу чергу, в Радіоастрономічному інституті НАН України в Харкові. Під керівництвом академіка Брауде 1970 року інститут збудував у Харківській області Т-подібний радіотелескоп декаметрових хвиль УТР-2. 2022 року телескоп на пів року потрапив під російську окупацію, у результаті його електроніка була повністю знищена. На спостережній станції Маяки біля Одеси працює радіотелескоп УРАН-4. Від 1992 в Полтавській області працює декаметровий телескоп УРАН-2, підпорядкований Полтавській гравіметричній обсерваторії. Велась робота зі створення радіоінтерферометра ГУРТ на основі наявних довгохвильових радіотелескопів та нових антенних полів. Найбільшим повністю рухомим радіотелескопом в Україні є 70-метрова параболічна антена РТ-70 біля Євпаторії. 2014 року РТ-70 захопили російські окупанти й перепрофілювали для військових задач, а 2025 року він був виведений з ладу ударом українського дрона. Українські радіоастрономи досліджують радіовипромінювання Сонця і Юпітера, активні ядра галактик. Головною українською нагородою за дослідження в галузі радіоастрономії є Премія НАН України імені С. Я. Брауде.

Методи

Радіоастрономи застосовують різні методи для спостереження об'єктів у радіодіапазоні. Інструменти можуть бути спрямовані на потужне радіоджерело для аналізу його випромінювання. Для детальнішого «зображення» ділянки неба можна виконувати кілька перекривних сканувань і поєднувати їх у мозаїчне зображення. Тип використовуваного інструмента залежить від сили сигналу та необхідної роздільної здатності.

Спостереження з поверхні Землі обмежені довжинами хвиль, які можуть проходити крізь атмосферу. Атмосфера Землі майже прозора для радіохвиль у діапазоні між 5 МГц та 30 ГГц. На частотах нижче цього діапазону спостереження обмежує іоносфера, яка відбиває хвилі з частотами, меншими за її характерну плазмову частоту. Наразі радіоспостереження виконувалися на частотах до 15 МГц. На високих частотах радіоспостереженням заважає водяна пара, що змушує будувати радіообсерваторії міліметрового діапазону в дуже високих і сухих місцях для мінімізації вмісту водяної пари вздовж лінії зору. Нарешті, передавальні пристрої на Землі можуть спричиняти радіочастотні завади. Саме тому багато радіообсерваторій розміщують у віддалених районах.

Радіотелескопи