Радиоастрон - телескоп будущего
Космический радиотелескоп "Спектр-Р" вернул Россию на передовую линию астрофизики. "Радиоастрон" превосходит на порядки все предыдущие методы изучения Вселенной в радиодиапазоне.
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 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…
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 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…