Kleines Lehrbuch der Astronomie und Astrophysik - Astronomie.de

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Teleskope, Detektoren, Meßgeräte
Extreme Radiostürme, die bei der Sonne im Zusammenhang mit dem Flare-Phänomen auftreten,
erreichen Flußdichten in der Größenordnung von
8
10 Jy. Die stärksten galaktischen und extragalak-
3
tischen „Punktquellen“ erreichen einige 10 Jy während die Flußdichte bei der überwiegenden
Mehrzahl der Radioquellen im Milli-Jansky-Bereich (mJy) liegt.
Die äußerst geringe Intensität der nachzuweisenden Radiostrahlung führt zu einer Vielzahl von
technischen Problemen, von denen insbesondere das Empfängerrauschen zu nennen ist. Es wird
bekanntlich zum größten Teil durch die thermische Bewegung der Elektronen in der
Empfängerelektronik verursacht. Wenn man z.B. an die Enden eines ohmschen Widerstandes R einen
hochverstärkenden Oszillographen anschließt, der in der Lage ist, die Spannung U an seinem Eingang
als Funktion der Zeit darzustellen, dann wird er ein temperaturabhängiges stochastisches Signal auf
seinen Bildschirm anzeigen. Die Spannung U(t) entsteht dadurch, daß die ungeordnete
Wärmebewegung der Elektronen den Ladungsschwerpunkt zurzeit t stochastisch um eine mittlere Lage
verschiebt, so daß einmal das eine und etwas später das andere Ende des Widerstandes ein negatives
Potential aufweist. Dieses „thermische Rauschen“ kann man sprichwörtlich hörbar machen, wenn man
es über einen geeigneten Linearverstärker einem Lautsprecher zuleitet. Da die Rauschspannung im
zeitlichen Mittel verschwindet, ist für die weiteren Untersuchungen nur der quadratische Mittelwert
2
U von Bedeutung. Mit den Methoden der statistischen Mechanik gelangt man letztendlich zu einer
Beziehung, die diese Größe mit der Umgebungstemperatur T in Beziehung setzt:
2
U 4 kT R ν
= ∆ [1.54]
Wie man erkennt, hängt das mittlere Rauschspannungsquadrat bei gegebener Temperatur T und
Widerstand R nur noch durch die von der Meßapparatur gegebenen Bandbreite ab, aber nicht mehr von
dessen Lage auf dem Frequenzband.
Diese wichtige Beziehung (Nyquist-Theorem) kann man auch folgendermaßen schreiben
P dν = kT dν
[1.55]
N
Bei Raumtemperatur (300 K) beträgt das Widerstandsrauschen beispielsweise rund
5
4⋅ 10 Jy. Schon
daran kann man ermessen, wie wichtig eine Kühlung der elektronischen Bauteile eines in der
Radioastronomie verwendbaren Empfängers ist.
Der Begriff der Temperatur (nicht im thermischen Sinn, sondern im Sinn einer „anschaulichen“
Vergleichsgröße) hat in diesem Zusammenhang auch noch eine andere Bedeutung. Die
Antennentemperatur T A wird z.B. als Maß dafür verwendet, wieviel elektrische Leistung die Antenne
aus dem Strahlungsfeld aufnimmt und dem Empfänger zuleitet. Oder anders ausgedrückt, diese
Temperatur ist der Temperatur äquivalent, den ein Widerstand haben würde, der den gleichen
Energiefluß bei der Frequenz ν aufweist, wie er am Antennenreceiver ankommt.