Микроволновый шум может искажать данные космических телескопов

Открытый феномен, получивший название «усиление группировки фотонов», объясняет, почему отдельные участки неба испускают более сильные микроволновые сигналы, чем предсказывают существующие модели. Открытие позволит улучшить методы обработки данных с телескопов, чтобы отличать излучение из далеких галактик от помех из нашей собственной галактики и от вклада свойств приемника в измерения, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Астрофизики на протяжении многих лет пытаются выяснить, что происходило во Вселенной в первые секунды после Большого взрыва. Помочь в этом может реликтовое излучение — древнейший микроволновый сигнал, который представляет собой поток фотонов, распространяющихся во Вселенной с ранних времен после ее рождения. Однако это излучение настолько слабое, что его регистрация напоминает попытку услышать тихий шепот в метро в час пик. Дело в том, что детекторы, установленные на телескопах, улавливают не только реликтовый сигнал, но и микроволны от других источников, например, от нашей собственной галактики. Эти сигналы накладываются друг на друга, и разделить их оказывается практически невозможно. Одним из известных источников помех является «аномальное микроволновое излучение», природа которого до сих пор оставалась не до конца понятной.

Исследователи из Нижегородского технического университета имени Р.Е. Алексеева (Нижний Новгород) и Института физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) разобрались, какое именно явление лежит в основе аномального усиления шума в приемниках, причиной которого может быть аномальное микроволновое излучение или же свойства приемных устройств.

Для этого авторы провели лабораторный эксперимент, собрав установку, в основе которой лежал микроволновый приемник, охлажденный 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, ученые использовали генератор, испускающий микроволновый сигнал. По своим спектральным свойствам он был близок к источникам аномального микроволнового излучения. При этом рабочая температура генератора была стабилизирована на уровне около -270°С, что примерно соответствует температуре реликтового излучения.

Когда исследователи измерили микроволновый шум, который создавал этот генератор в приемнике, они заметили необычный эффект: по мере увеличения мощности сигнала шум возрастал не так, как предсказывали стандартные формулы, а намного более резко. Оказалось, что этот эффект возникает из-за того, 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, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ имени Р.Е. Алексеева и отдела терагерцовой спектрометрии Института физики микроструктур РАН.

Таким образом, исследование показало, что существующие модели для обработки микроволновых сигналов с телескопов необходимо корректировать, чтобы адекватно учитывать шум, связанный с «группировкой фотонов». 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.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review Applied.