Для чего нужен радиоастрон
Радиоастрон — телескоп будущего
400 лет назад Галилей сделал первый телескоп из трубы и двух стекол, и направил в небо. Это стало прорывом человечества в исследовании Вселенной. С годами исследовательские приборы усложнялись и дорожали. Они создавались на основе самых последних достижений в науке, технике и сами по себе становились удивительными инженерными памятниками. Одновременно, они расширяли границы познания и, подчас, переворачивали все представления, которые имелись у человечества. Сейчас такие приборы, передового фронта науки о космосе, можно перечесть по пальцам: телескоп Hubble, телескоп-охотник за экзопланетами Kepler, рентгеновский телескоп Chandra, Curiosity на Марсе, Cassini на Сатурне. На Земле сюда стоит добавить телескопы VLT, ALMA, и, пожалуй, БАК. Возможно, я что-то упустил, но, я теперь совершенно точно уверен, что в этот ряд с полным правом может стать и российский космический радиотелескоп «Спектр-Р» и проект «Радиоастрон». 
Почти два года прошло с момента его запуска. Все это время велась предварительная научная программа. Вскоре она завершается, и «Спектр-Р» приступит к основной научной программе, которая обещает если не пошатнуть мироздание, то существенно расширить его известные границы.
23 мая в НПО им. С.А. Лавочкина прошел научно-технический совет на тему «Радиоастрон – первые научные данные». Фактически это был доклад ученых, которые заказывали аппарат, тем, кто его построил.
Журналистов туда не приглашали, поскольку некоторые научные результаты еще ждут своей публикации в Nature и других мировых научных изданиях, а у них жесткое требование – до выхода у них результат нигде не должен быть засвечен. Рассказывать на конференциях можно. А только где-то в печати появилось – всё, можно начинать новые исследования. Поэтому даже я не расскажу всего что услышал. 
Со вступительным словом выступил Николай Кардашев, академик РАН, директор Астрокосмического центра ФИАН. Примечательно, что именно он являлся одним из родоначальников космической радиоинтерферометрии в 1965 году. То есть ему удалось пройти путь от: «А мы могли бы попробовать вот этот принцип, чтобы сделать прибор», до «Смотрите, какой классный прибор у нас получился». В фундаментальной науке такое удается далеко не каждому.
Когда началась основная часть доклада я себя ощутил в иной реальности и в ином времени. На секунду я оказался в СССР годах в 70-х, когда советские ученые будничным голосом повествовали о каких-нибудь исследованиях мирового значения на передовом рубеже науки. Но нет, чего-чего, а обыденности не было в словах доктора физическо-математических наук Юрия Ковалева. Я давно не видел российского ученого, которого распирало от восторга и гордости за то, какие исследования они проводят. Наверно с такой гордостью школьники перед одноклассниками новым айфоном хвалятся, с какой ученый физик рассказывал космическим инженерам и конструкторам об их же аппарате.
Прежде чем перейти к описанию результатов и достижений «Радиоастрона» надо объяснить теоретическую часть. Без подготовки, для большинства, все эти интерферометры, микросекунды и базы в диаметрах Земли выглядят непонятным набором слов. Объяснение принципов работы и первых результатов исследований у меня не поместились в объем одной статьи, поэтому я разделил на две и пока только прелюдия. Зато после прочтения можно будет, наконец, понимать о чем хотели сказать ученые в своих пресс-релизах.
Радиотелескоп по принципу работы фактически соответствует обычному телескопу-рефлектору с параболическим зеркалом, только электромагнитные волны в другом диапазоне собирает. Соответственно, характеристики телескопов определяются сходным образом. Поскольку оптические телескопы гораздо нагляднее, я использовал их в качестве аналогии. 
Важнейший показатель телескопа – разрешение. Сейчас разрешение фотокамер привычно указывать в пикселях. Но понятие о разрешении телескопа появилось задолго до появления пикселей.
Разрешение телескопа выражается в его способности отделять на изображении одну точку от другой, а измеряется в угловых секундах или секундах дуги. Небосвод по окружности делится на 360 градусов, 1 градус на 60 минут, 1 минута на 60 секунд, далее идут десятые, сотые, тысячные доли и т.д. 
Разрешение человеческого глаза — 1 угловая минута, видимый диаметр Луны 30 минут, предельное разрешение наземных телескопов – примерно 1 секунда, разрешение телескопа Hubble — 0,05 секунды. 
Чем больше диаметр телескопа, тем выше его разрешение, тем дальше и детальней можно заглянуть. Диаметр Hubble – 2,4 метра уступает многим земным телескопам, но его преимущество в том, что он исключает искажающее влияние атмосферы.
Радиотелескопы «видят» в радиодиапазоне, им не так мешает атмосфера, как другое физическое ограничение. Разрешение (дифракционный предел) определяется по формуле φ=λ/D (разрешение равно отношению длины волны к диаметру принимающего зеркала). Волны оптического диапазона очень короткие, поэтому небольшое зеркало уже значительно повышает зрительные возможности человека. Радиоволны длиннее на несколько порядков, поэтому, к примеру, на длине волны 3 см огромная 100 метровая тарелка радиотелескопа даст разрешение… как у человеческого глаза. 
Быстро осознав такой недостаток ученые стали использовать метод интерферометрии. Не углубляясь в детали, объясню в общих чертах принцип его действия. Интерферометрия — это получение сигнала с одного источника на два или больше принимающих приборов. При этом получаемое разрешение сигнала прямо пропорционально расстоянию между принимающими приборами. Наглядно принцип работы интерферометра можно представить на примере наших глаз: два «принимающих прибора» смотрят на один объект, и в мозге формируется одна картина.
Интерферометрия используется, как в оптической астрономии (к примеру на VLT) так и в радио. 
Для интерферометра очень важно точно свести или синхронизировать сигналы в один при помощи апертурного синтеза, чтобы получить ожидаемый результат повышенной точности.
Первые радиоинтерферометры были связаны кабелем, и работали синхронно, как единый механизм. Это упрощало работу, но накладывало ограничения на размер.
В 1965 году советские ученые Л. И. Матвеенко, Н. С. Кардашев, Г. Б. Шоломицкий предложили использовать для сведения сигналов компьютер. То есть необходимость в кабеле отпала, и стало возможно использовать радиотелескопы даже на разных материках. Это позволило открыть новую веху в радиоастрономии – радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (РСДБ). «База» в интерферометре, это то же, что и «диаметр» в одиночной антенне/зеркале.
Логичным пределом для такого метода изучения Вселенной стали размеры Земли.
Разрешающая способность такой условной «тарелки» с базой в 12 тыс. км превышает в 100 раз возможности Hubble.
Сравнивая оптические и радиотелескопы, следует понимать еще одну важную разницу. Радиотелескопы не получают «картинку». Они могут только получать информацию об интенсивности сигнала от того источника, куда направлена антенна. То есть фактически результат одного замера сигнала дает один единственный пиксель будущего изображения. Интенсивность радиоисточника (как впрочем и оптического) называется яркостью, и радиотелескопы занимаются замером яркости различных точек источника. Из данных яркости различных точек потом можно составить схематичное изображение, как это, например, делает матричный принтер.
Вернемся к радиоинтерферометрам. Уже с 70-х годов крупнейшие радиотелескопы мира стали работать в одной сети. Но достигнув предела в размерах Земли, ученые задумались о выходе в космос. Первый 10-метровый радиотелескоп установили в СССР на орбитальной станции Салют-6 в 1979 году. Хотя он не работал в режиме интерферометра в том же году приняли решение о создании серии космических телескопов, первым из которых стал «Радиоастрон». 
Несмотря на перспективы, которые обещало увеличение на порядки базы радиоинтерферометра, реализован проект 1979 года был только в 2011 году. До этого в роли интерферометра в 90-е годы слетал японский аппарат HALCA, и повторять опыт они не намерены. Сейчас Китай собирается строить два таких телескопа.
«Радиоастрон» — это название всего проекта изучения Вселенной по методу радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, а сам аппарат называется «Спектр-Р». 
Он несет на борту больше двух с половиной тонн научного оборудования и является, на сегодняшний день самой дальней самостоятельной космической экспедицией России. Если в ближайшей точке орбиты от Земли его отделяет 600 км, то в дальней – около 340 тыс. км. Напомню: до Луны 390 тыс. км.
Формально, взяв за основу дальнюю точку орбиты, можно говорить, что «Радиоастрон» обеспечивает размер условной «тарелки» в умопомрачительные 340 тыс. км. О таких масштабах, кажется, даже Артур Кларк не мечтал в своей «Космической Одиссее». Но, по факту, ученые пользуются более короткими базами, которые считают в диаметрах Земли.
Антенна «Спектр-Р» имеет диаметр 10 м и сам факт запуска и успешного автоматического раскрытия такой конструкции является инженерным подвигом. Думаю в момент раскрытия антенны, в ЦУПе эмоций было не меньше чем в NASA в момент посадки Curiosity. Жаль, что мы этого не увидели. В какой-то мере напряжение и важность того момента может передать тема на форуме Новостей космонавтики, посвященная «Радиоастрону». 
Радиотелескоп ведет наблюдения на четырех диапазонах волн: 92 см, 18, см, 6 см и 1,3 см. Разные диапазоны позволяют реализовать различные научные задачи.
Для того чтобы успешно работать в режиме интерферометра, «Радиоастрону» нужна пара на Земле. И сегодня все крупнейшие радиотелескопы мира участвуют в программе исследований. 
Между работой радиотелескопов на Земле и работой пары «Спектр-Р»-Земля есть одна важная разница – космический аппарат летит со скоростью примерно 8 км/с. Поэтому, для того, чтобы свести два сигнала, необходимо точно знать его местоположение в момент проведения наблюдений. Для этого его траекторию регулярно определяют лазерными дальномерами, а на борту установлены очень точные атомные часы (водородный стандарт частоты). И все равно, точное сведение двух сигналов – это очень важный момент, которого не всегда удается достигать, и интерференционный пик («лепесток») всегда вызывает радость у радиоастрономов.
Если вернуться к оптическим аналогиям, то результат неудачных наблюдений можно представить в виде картинки, которая сложилась из двух со смещением, и истинную картину увидеть уже не получится. 
В свете этого особенно важно, что «лепесток» был получен практически сразу во время первых испытаний на длине волны 18 см в паре со стометровой тарелкой в Германии. 
Гораздо больше сложностей вызвала частота 1,3 см. Причина – в краткости волны. Она обещает самое высокое разрешение, но при этом налагает самые высокие требования на качество синхронизации сигналов от двух телескопов. Усугубляет ситуацию то, что на эту частоту сильное влияние оказывают водяные пары, и результат сильно зависит от погоды над наземным телескопом в момент наблюдений.
Во время первых испытаний, свести сигналы на частоте 1,3 см удалось только с шестого раза, причем, как оказалось, неудачи происходили не только по причине погоды, но и потому, что на американском телескопе сбоили атомные часы. В результате первую успешную синхронизацию удалось провести только с европейскими телескопами. В этом деле помогла способность радиотелескопа «Спектр-Р» регистрировать сигнал сразу на двух длинах волн 6 см и 1,3 см. На более длинной волне легче поймать «лепесток», и 6 см был зарегистрирован с германской обсерваторией, а в том же интервале времени 1,3 см с голландским радиотелескопом.
При наблюдениях телескопы могут накапливать сигнал – чем дольше смотрят, тем более интенсивный сигнал получают. К примеру, все знаменитые яркие снимки Hubble получены в ходе экспозиции в несколько часов (самый долгий — 555 часов). Глазом такое не увидеть, даже если подлететь близко к этим объектам. С радиотелескопами на Земле все хуже. Из-за искажающего влияния атмосферы эффективный срок накопления сигнала у них составляет около 100 секунд, на длине волны 1 см. В ходе первых испытаний выявилась еще одна особенность нашего телескопа: «Спектр-Р» из космоса показал эффективный срок наблюдения вдвое больше.
Продолжение, с результатами ранней научной программы, следует…
Что такое радиоастрономия, и каково ее значение?
Чтобы наблюдать Вселенную во всей ее полноте и славе, нам необходимо знать не только то, что мы видим, но и то, из чего состоят небесные объекты. Каждый объект во Вселенной испускает излучение, которое очень красноречиво говорит о его составляющих. Оно дает свидетельства предполагаемых событий в прошлом, а также указывает на события, которые могут произойти в будущем.
Что такое радиоастрономия?
Методы проведения радиоастрономии
С точки зрения того, какое устройство необходимо использовать для анализа объекта в космосе, имеет значение мощность сигнала, которая является следствием расстояния от Земли. Для достижения необходимого разрешения используется либо простой радиотелескоп, установленный в направлении небесного объекта, либо более сложный коктейль из нескольких перекрывающихся телескопов.
Значение радиоастрономии
В отличие от оптической астрономии, которая исследует горячую Вселенную, радиоастрономия в основном используется для наблюдения за холодной Вселенной. Радиоастрономия работает в миллиметровом диапазоне волн, что позволяет увеличить разрешение по сравнению с оптическим телескопом.
Основные области применения радиоастрономии следующие:
Если направить радиоволну на небесный объект и наблюдать за результирующей волной, то даже мельчайшие детали могут быть отображены и проанализированы. Наложение нескольких точек данных позволяет астрономам создать виртуальное изображение обсуждаемого объекта.
То, что начиналось как простое шипение при каждом восходе центра нашей галактики, теперь превратилось в нечто чрезвычайно важное. Сейчас радиоастрономия помогает нам установить факты о далеких звездах и планетах, что имеет решающее значение для понимания основных характеристик Вселенной. Видимого света недостаточно, чтобы составить полную историю объекта!
Для чего нужны радиотелескопы?
Опытные радисты знают: когда в радиоприёмнике иногда раздаются шум и треск, не стоит сразу винить аппаратуру: вполне возможно, что это подаёт голос. Солнце!
Впервые о том, что Солнце имеет собственную «радиостанцию», люди узнали в 30-х годах прошлого века. Открывателем космических радиоволн стал молодой физик Карл Янский. Он работал в одной из американских радиокомпаний, и ему поручили изучить направление прихода атмосферных коротковолновых радиопомех.
Антенна современного радиотелескопа давно уже не напоминает ту «раскладушку», с которой работал Янский.
Чаще всего это гигантская металлическая чаша диаметром в несколько десятков, а то и сотен метров.
Например, крупный радиотелескоп Аресибо расположен в кратере потухшего вулкана на Больших Антильских островах. Склоны кратера выровняли и прикрыли металлическими щитами. Получилась огромная чаша-зеркало, с помощью которой и улавливаются радиоголоса звёзд.
Один из крупнейших радиотелескопов мира РАТАН-600 находится в нашей стране, в районе станицы Зеленчукской в Ставропольском крае.
Даже построив такую махину, астрономы на этом не успокоились. В 1980 году совместными усилиями специалистов стран Восточный и Западной Европы, а также Китая и Южной Африки был создан радиотелескоп, антенна которого оказалась диаметром. в половину земного шара! Самое удивительное, что никаких новых установок при этом не строили.
Вся хитрость в оригинальном подходе, который использовали учёные. Представьте себе, скажем, у нас в Крыму и где-то в Швеции два радиотелескопа направлены на один и тот же небесный объект. На обоих телескопах принятые сигналы записываются и передаются на компьютер. Затем радиоастрономы сравнивают записи, оценивают информацию с помощью электронных вычислительных машин. В итоге получается, что два телескопа работают как один — в общей упряжке.
Причём таким образом не только два, но и большее количество телескопов могут действовать сообща. Антенна такого всепланетарного радиотелескопа получается гигантской, простираясь на тысячи километров. Такие сети радиотелескопов называют РСДБ-сетями (расшифровывается как радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами). Метод РСДБ придумали американцы в 1970-х годах. В наше время существует три крупных сети: «КВАЗАР» в России, EVN в Европе (в ней тоже участвуют российские радиотелескопы), и VLBA в США.
Зачем учёным такие гулливеровы «игрушки»? Оказывается, чем больше радиотелескоп, тем при прочих равных условиях чувствительнее его «радиоухо». Особенно удобны «упряжки» радиотелескопов для обнаружения источников со сложной пространственной структурой. То есть когда из одного места доносится не один, а сразу хор радиоголосов, и надо разобраться, кому какой принадлежит.
В свою очередь, накопленные знания нужны специалистам, чтобы лучше понять устройство мира. Например, мы до сих пор плохо знаем, как именно шло образование нашей Солнечной системы. Геологические процессы на планетах, химические реакции в их недрах сильно изменили облик небесных тел, и теперь нелегко представить, какими они были первоначально. Так что было бы важно отследить образование какой-либо другой планетной системы. Тогда по аналогии мы могли бы получить наглядное представление и о том, как образовывалась наша.
Так, проводя совместными усилиями «прослушивание» газопылевой туманности в созвездии Ориона, радиоастрономы пяти стран сумели не только услышать в общем хоре отдельные радиоголоса, но и догадаться, о чём шёл «разговор». Скорее всего, полагают учёные, радиотелескопам удалось обнаружить протозвёзды (звёзды, формирование которых ещё не закончено), возможно, даже отдельные далёкие системы, подобные Солнечной, как раз в разгар строительства. Так что, наблюдая за ними, мы можем узнать, судя по всему, немало интересного и о собственной.
Удалось радиоастрономам отыскать и следы Большого взрыва. Радиоастрономы зафиксировали в глубинах Вселенной фоновое или реликтовое радиоизлучение, которое представляет собой не что иное, как эхо Большого взрыва. Представляете, сколько миллиардов лет прошло, а радиоэхо до сих пор разгуливает по просторам Вселенной. И учёным удалось услышать его.
Благодаря РСДБ-сетям, астрономы получили возможность изучать такие загадочные космические объекты, как пульсары, нейтронные звёзды, чёрные дыры.
Появление радиотелескопов изменило характер труда астрономов. Как шутят они сами, многие теперь перестали смотреть по ночам на звёзды через «ночезрительную трубу» обычного, оптического телескопа, бормоча себе под нос стихи М. В. Ломоносова: «Открылась бездна звёзд полна. » Они теперь работают на сверхмощных компьютерах, выполняя сложные астрономические расчёты, напевая слова из романса на слова М. Ю. Лермонтова: «. И звезда с звездою говорит. »
Техническая сторона «РадиоАстрона»
Снимок звёздного неба «GLEAM» сделанный в диапазоне радиоволн 70-230 МГц. В центре фото расположен Млечный путь, а по сторонам — около 300 тыс. других галактик.
Космический радиотелескоп «РадиоАстрон» на данный момент имеет самое большое угловое разрешение среди всех телескопов, а также является пожалуй самым успешным научным проектом российской непилотируемой космонавтики.
Разрешения РадиоАстрона достаточно чтобы различить спутники на противоположных сторонах НОО наблюдая с Проксимы Центавра или различить сигналы двух объектов на концах орбиты Земли с другого конца нашей галактики.
Сегодня мы поговорим о технической стороне работы «РадиоАстрона» с Александром Плавиным, научным сотрудником лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории исследований релятивистских объектов в МФТИ.
Радиотелескопы использующиеся для связи с РадиоАстроном.
Сколько в среднем РадиоАстрон производит научных данных за день? Сколь большие площади используются для её хранения и обработки?
Если кратко, то непосредственно со спутника — около 100 ГБайт в день, со всех совместно работающих телескопов — порядка 5 терабайт. Для обработки используется 1 ТФлоп/с-кластер на CPU, для хранения — совокупность HDD и лент, занимающая в основном одну комнату.
Более подробно: во время непосредственно наблюдений со спутника идёт поток научных данных в 128 МБит/с + дополнительные данные и + запас. И такая скорость стабильно достигается для любого положения спутника на орбите — от 600 км до 340 тысяч км. При этом большую часть времени телескоп на самом деле ничего не наблюдает. Основных причин этого три:
1) Радиоинтерферометр — это не одна антенна, а несколько совместно и одновременно работающих радиотелескопов. Поэтому в дополнение к летающему спутнику Спектр-Р необходимы наземные антенны, чем больше (по размеру и количеству) тем лучше. Соответственно, эти телескопы должны выделять своё время на совместную работу, а у них ведь есть и другие программы наблюдений. Причём нужно выбирать время, когда наблюдаемый объект виден как со спутника (это меньшая проблема, конечно) так и со всех участвующих телескопов — а Земля вращается.
2) Приём данных с РадиоАстрона осуществляется только через одну из двух антенн на Земле: в Пущино (Московская область) и в Green Bank (США). Соответственно, с одной из этих станций спутник должен быть виден весь период наблюдений, причём достаточно высоко над горизонтом.
3) Приёмная и передающая аппаратура на борту не рассчитана на многочасовую непрерывную работу — она перегревается, как непосредственно от своей работы, так и от Солнца, если оно попадает на аппарат в соответствующей ориентации. В большинстве случаев это ограничивает наблюдения не принципиально, но бывает, что какой-нибудь сеанс нужно укорачивать или отменять из-за технических ограничений такого рода.
Основной объём данных получается с наземных радио-телескопов, работающих совместно. Дело в том, что эффективная чувствительность всей совместно работающей системы (радиоинтерферометра) повышается с повышением чувствительности отдельных телескопов, поэтому данные с наземных станций записываются в максимально широкой полосе и соответственно с большим потоком. Типично — несколько ГБит/с от одного телескопа, которых одновременно работает до пары десятков, время сеанса — до нескольких часов. Все эти данные разными путями (специально выделенные интернет-каналы, пересылка HDD почтой, и даже перевозка HDD направляющимися в нужную сторону сотрудниками) попадают в отделы корреляционной обработки: основной в АКЦ ФИАН в Москве, также есть в Бонне (Германия).
Сейчас общий объём данных составляет ≈5 петабайт, они хранятся начиная с первых экспериментов, и удаление не планируется. Несмотря на то, что напрямую используются только данные, обработанные на корреляторе (который, по сути, и выделяет сигнал от источника, одинаковый для всех телескопов, от помех, которые везде разные) и имеющие на порядки меньший размер, исходные сырые данные могут использоваться и иногда используются для переобработки, в случае если что-то было улучшено/исправлено в алгоритмах, или получены более точные сведения об орбите спутника. Данные хранятся как на дисках, так и на лентах (архив), и занимают по сути одно помещение. Для обработки используется CPU-кластер с общей производительностью около 1 ТФлоп/с, ≈100 ядер. Этого с запасом хватает: для типичного наблюдения корреляция происходит в несколько раз быстрее реального времени, что позволяет спокойно сравнивать разные параметры и их влияние на результат.
Конструкция аппарата
РадиоАстрон находится на сильно вытянутой орбите: насколько я понимаю что кроме возможности проведения таким образом наблюдений в широком диапазоне условий это ещё позволяет большую часть времени использовать для связи тарелки размещённые в России?
Вообще, вытянутость орбиты и использование российских антенн особо никак не связано — Земля-то вращается. Тем более, что приём данных с одинаковым успехом может проводится любой из двух станций слежения — по одной в России и США. На обоих специально было поставлено соответствующее оборудование, как приёмное так и передающее.
Вытянутость орбиты даёт различные преимущества:
— Пара расположенных в фиксированных местах радиотелескопов даёт измерение по сути всего одной точки в области пространственных частот (Фурье-преобразование от наблюдаемого изображения); с учётом вращения Земли получается одна дуга эллипса. Чем больше таких точек/дуг измерено (причём для как можно большего диапазона расстояний), тем лучше для восстановления изображения. Поэтому вытянутая орбита позволяет измерять пространственные частоты не только на одном эллипсе с центром в Земле, как было бы для круговой орбиты, а на самых разных расстояниях — от нескольких тысяч километров (меньшие расстояния как раз покрыты парами телескопов, расположенных на Земле) до максимальных 300+ тыс километров, пусть и почти только в одном направлении. Такая возможность действительно часто используется — один и тот же источник наблюдается как при большом удалении спутника, так и когда он приближается к нам.
— С помощью спутника решаются и другие научные задачи, не связанные с радиоастрономией. Например, на нём находится самый точный из когда-либо запущенных в космос водородных стандартов (атомные часы), что позволяет с наивысшей точностью проверить наличие отклонений от замедления времени, предсказанного ОТО (пока расхождений не обнаружено). Для этого важно, чтобы орбита была сильно вытянутой.
Для 3 из 4 диапазоном работы РадиоАстрона указывается одна конкретная частота работы: используется ли в качестве своеобразного «частотного модулятора» постоянно меняющаяся в ходе движения по орбите скорость радиотелескопа?
Скорость спутника настолько мала относительно скорости света, что никакой пользы для наблюдений это не даёт — частота изменяется на малые доли процента. Хотя, конечно, именно эффект Доплера используется для высокоточного измерения скорости аппарата — погрешность порядка миллиметров в секунду.
В этом неприметном здании РадиоАстрон появлялся на свет. Подробная фотоэкскурсия по Пущинской радиоастрономической обсерватории доступна здесь.
Насколько от общего времени примерно удаётся загрузить РадиоАстрон работой?
По факту, сейчас непосредственно наблюдения проводятся около 20% времени, не учитывая различных технических процедур: разгрузка маховиков ориентации, прогрев и охлаждение приёмников, передача команд и диагностика работы всех узлов, юстировка (уточнение ориентации) и т.п.
Орбита РадиоАстрона и радиационные пояса
РадиоАстрону приходится проводить большую часть времени за пределами магнитного поля Земли и проходить почти 100 раз за год через радиационные пояса: является ли накопленная солнечными батареями и электроникой радиация сдерживающим фактором для продолжения его работы, или срок его службы ограничивается ресурсом контролирующих его положение маховиков/другим фактором? Есть ли оценки того сколько он сможет проработать ещё?
Кстати, именно из-за прохождения через радиационный пояс оказалось полезным поставить на спутник ещё и различные приборы — датчики заряженных частиц для регулярного исследования такого окружения Земли.
Время работы может ограничиться любым устройством — хоть электроникой, хоть маховиком. Различные узлы постепенно выходят из строя, что ожидаемо — планируемый срок работы был 5 лет, а РадиоАстрон летает уже 6.5. Но на текущий момент возможно проводить (и проводятся) почти все типы наблюдений, без существенных потерь. Из последнего — летом 2017 на борту закончился водород для водородного стандарта (атомные часы), поэтому теперь наблюдения проводятся в режиме синхронизации с Земли. В этом ничего плохого нет — собственно, именно такой метод и был изначально запланирован вообще для всех наблюдений. Водородный стандарт был скорее экспериментальным оборудованием, но оказалось, что он работает безо всяких проблем и обеспечивает требуемую высокую постоянность хода. Соответственно, его и использовали для наблюдений в течение 6 лет; среди прочего это более удобно организационно: например, не требуется излучение с Земли и его не нужно согласовывать.
Есть также узлы, которые изначально были резервированы 2-3 раза, и 1-2 из этих копий вышли из строя. Например, маховики, которые вращают и стабилизируют аппарат — сейчас достижимая скорость вращения существенно ниже той, которая была возможна в начале работы, но она всё равно находится в расчётных пределах. Что-то утратило часть функциональности — например, для наблюдений недоступна одна из поляризаций в некоторых диапазонах.
Всё вышеупомянутое не мешает проведению наблюдений и приёму заявок на них — основные характеристики в норме. Остаток времени работы особо никто не берётся предсказывать, потому что почти невозможно определить когда выйдет из строя какой-нибудь жизненно важный узел, оставшийся в единственном экземпляре.
В середине 2016 года РадиоАстрон завершил свою основную 5-летнюю миссию и приступил к расширенной.
Какие на ваш взгляд самые крупные научные открытия РадиоАстрона на данный момент?
Я бы выделил такие самые значимые вещи:
— Открытие того, что эффект рассеяния излучения на межзвёздной среде заключается не только ожидаемом «размытии» изображения, но при этом также появляются мелкие детали, этакая «рябь». С одной стороны, это позволило увидеть с РадиоАстроном различные объекты типа пульсаров, которые иначе не были бы видны (интерферометр принципиально не чувствителен к однородной протяжённой/размытой структуре), а с другой — теперь этот эффект обязательно надо учитывать например при работе Event Horizon Telescope, который пытается «увидеть» тень от чёрной дыры в центре нашей галактики. Собственно, мы с командной EHT достаточно плотно сотрудничаем по этим вопросам.
— Детектирование крайне высокой яркости в центрах активных галактик. Раньше считалось (не только из наблюдений — есть разумные физические теории, которые это предсказали), что они на порядок-два менее яркие, и соответственно такое открытие существенно дополнило наше понимание этих объектов, и некоторые предположения теорий оказались опровергнуты.
— Непосредственно по изображениям с высоким разрешением удалось впервые исследовать внутреннюю структуру струй (выбросов) из активных галактик, мазеров (microwave laser) в пылевых дисках в нашей галактике, и многое другое.
Преимущества применения интерферометрии на примере пары 8-метровых телескопов комплекса VLT.
У РадиоАстрона в несколько раз большее разрешение по сравнению с наземными радиотелескопами: удалось ли таким образом обнаружить какие-то двойные или визуально-двойные системы радиоисточников?
На одной и той же длине волны разрешение в десятки раз больше: сравним 12 тыс км диаметр Земли и 340 тыс км апогей орбиты. Пока конкретных детектирований двойных систем на РадиоАстроне нет, по сути до недавнего времени этой задачей никто не занимался — не хватает рук. Есть ожидания, что получится на основе уже имеющихся данных наблюдений что-то такое найти.
Сравнение снимков в видимом и инфракрасном спектре туманности Орла: здесь хорошо видно как большая длинна волны позволяет заглядывать дальше вглубь молекулярного облака.
Сейчас указывается что Китай собирается вывести на орбиту два своих аппарата подобных РадиоАстрону: рассматриваются ли сейчас какие-то планы по завершению работы нашего телескопа по запуску нового аппарата с лучшими характеристиками или уже на солнечную орбиту?
Китайский проект не «лучше» РадиоАстрона, он просто несколько другой: нацелен на более высокочастотные диапазоны волн, 8, 22 и 43 ГГц. РадиоАстрон, для сравнения, работает на 0.3, 1.6, 5, 22 ГГц — то есть совпадает только один диапазон. На разных частотах излучают различные объекты, и свойства межзвёздной среды тоже отличаются, поэтому научные данные этих проектов будут хорошо дополнять друг друга.
Выводить радиоинтерферометр на солнечную орбиту смысла не так много, если он будет наблюдать совместно с земными телескопами — кроме очевидных проблем высокоточного определения его положения тут играет роль то, о чём я выше писал — очень желательно иметь как можно более плотное покрытие области пространственных частот измерениями. А если одна антенна будет на расстоянии порядка 1 а.е., а все остальные телескопы на Земле, то пользы намного меньше.
Ближайшая перспектива — почти готовый телескоп Спектр-РГ (рентген-гамма), запуск которого планируется на начало 2019 года. Это единственный проект рентгеновского космического телескопа в мире на ближайшие годы, и он тоже (как и РадиоАстрон, Спектр-Р) даст существенные наблюдательные улучшения по сравнению с имеющимися инструментами.
Большое спасибо Александру Плавину за предоставленное интервью. Если вы также хотите поблагодарить его или задать ему свои вопросы, то вот его ник: chersanya