Что такое радиоастрон в астрономии

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!

Источник

Проект «Радиоастрон»

Среди научных проектов, расширяющих границы человеческих знаний о космосе, особое место занял международный проект «Радиоастрон» — радиотелескоп смонтированный на российском космическом аппарате «Спектр-Р».

Историческая миссия

Радиотелескоп проекта Радиоастрон

В XVII веке Галилей положил начало изучению неба при помощи оптических приборов. С тех пор телескопы существенно усовершенствовались и стали основным инструментом для изучения космических объектов. 18 июля 2011 года с площадки космодрома Байконур поднялся аппарат «Спектр-Р», на котором были установлены десятиметровая антенна, раскрывающаяся в космосе, комплекс научного оборудования, приемники, усилители и преобразователи сигналов. Эта космическая миссия стала частью международного проекта РСДП, созданного по инициативе российских ученых. К наземной части исследований подключены телескопы в обсерваториях РФ, Австралии, Европы, США, Японии. Возглавляют проект ученые из АКЦ ФИАН.

Цель проекта и уникальность технологии

Космическая обсерватория Радиоастрон

Замысел создателей проекта «Радиоастрон» состоит в объединении результатов наблюдений, ведущихся из космоса и с Земли. Технология радиоинтерферометрии заключается в совмещении информации с антенн, находящихся на максимальном удалении друг от друга. Разрешающая способность такого комплекса равна объективу с диаметром, соответствующим расстоянию между телескопами. Для увеличения этой характеристики, одна из антенн направлена в космос на спутнике, изготовленном в НПО имени Лавочкина.

Орбитальный модуль Спектр-Р

Все данные, получаемые с радиотелескопов, помечаются временными метками и синхронизируются. Угловое разрешение полученного интерферометра формируется расстоянием между телескопами. В данном случае оно вычисляется до апогея – самой удаленной от Земли точки на орбите «Спектр-Р». Такая система обеспечивает небывалое разрешение (возможность рассмотреть два близких объекта) при наблюдениях, равное миллионным долям угловой секунды. Большую роль здесь играет точность определения положения космического аппарата. Его орбита координируется центрами космической связи в России, сводками мировой лазерной сети, доплеровской поправкой перемещения космического аппарата по данным Пущино, а управление ведется НПО им. Лавочкина.

Полученные результаты

Наблюдение ведется в нескольких диапазонах: 92; 18; 6; 1,3 см. Самой сложной для приема, но максимально информативной стала короткая волна 1,03 см, она позволяет получать изображение мелких космических объектов и рассматривать их в высоком разрешении. Благодаря изучению пульсаров в диапазоне коротких волн, данные, которые сделал доступными «Радиоастроном», доказали предположение астрофизиков об их неоднородности.

Структуры вокруг черной дыры в центре нашей Галактики

При помощи проекта ученые смогли получить информацию о сверхмассивной черной дыре, существующей в нашей Галактике. Объект скрыт от наблюдения непроницаемым облаком пыли и газа, зафиксировано лишь его излучение. На снимках черная дыра выглядит как мутное пятно. Проект предусматривает наблюдение за мазерами – местами образования звезд, квазарами – активными и мощными ядрами удаленных галактик, пульсарами – источниками периодических излучений, нейтронными звездами.

Интересные сведения

Первое наблюдение джета квазара

Количество лепестков параболической антенны – 27, именно столько поместилось в ракету-носитель. За время же своего существования проект «Радиоасторн» установил несколько рекордов:

Результаты исследований, выполненных с помощью миссии «Спектр-Р», заставили многих ученых переосмыслить свои теории о поведении небесных тел нашей Галактики.

Видео: Заглянуть в черную дыру: Радиоастрон и загадки Вселенной.

Источник

РадиоАстрону исполняется 7 лет

Семь лет назад с помощью ракеты «Зенит-3Ф» с разгонным блоком Фрегат-ФБ на орбиту был выведен, пожалуй, самый продуктивный научный проект в современной истории российской космонавтики — телескоп «РадиоАстрон». Об истории этого проекта и процессе его работы и пойдёт сегодня речь.

История проекта

В 1965 году трое советских учёных (Кардашёв, Матвеенко и Шоломицкий) предложили концепцию радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами при которой разнесённые на большие расстояния радиотелескопы позволяют при совместной работе получить разрешение, соответствующее дистанции между ними. Первые эксперименты в этом направлении были проведены с наземными телескопами, но только при вынесении одного из телескопов в космос этот метод позволял бы получить по-настоящему потрясающие результаты. Первой «пробой пера» в этом направлении стала радиообсерватория КРТ-10 работавшая на станции «Салют» с июля по август 1979 года. На ней впервые были проведены подобные эксперименты вместе с наземным 70-метровым телескопом РТ-70. А уже в 1980 году было принято решение о строительстве 6 космических радиотелескопов среди которых был и проект Спектр-Р, позже получивший наименование «РадиоАстрон».

В начале 1990-х годов были созданы первые тестовые экземпляры приёмников радиотелескопа, в 1994 году прошли первые испытания зеркала, а в 2003 году в Пущинской радоастрономической обсерватории проводились первые тесты прототипа космического телескопа, который из-за задержек в запуске в последствии решено было значительно доработать. Тесты окончательной версии «РадиоАстрона» проводились уже в начале 2011 года.

Транспортировка телескопа на Байконур

Конструкция аппарата и научные цели

«РадиоАстрон» имеет массу в 3660 кг, при этом 2600 кг из них составляет научная аппаратура, из которой в свою очередь 1500 кг приходится на основную 10-метровую антенну. Аппарат разрабатывался в НПО им. Лавочкина на основе служебного модуля «Навигатор» одним из первых примеров использования которого стала серия гидрометеорологических спутников «Электро-Л». Корпус аппарата представляет из себя 8-гранную призму, на внешней стороне которой установлена служебная аппаратура, сверху установлена антенна, состоящая из центрального 3-метрового цельного блока и 27 лепестков, раскрывающихся после выведения, а на нижней стороне располагалось крепление к разгонному блоку. Работа на длине волны около 1 см накладывала большие требования к точности изготовления и механизма раскрытия телескопа, так как поверхность телескопа должна иметь на порядок большую точностью чем длина волны, на которой он работает. То есть 10-метровое зеркало во время своей работы не должно было отклоняться от идеальной формы больше чем примерно 1 мм.

*Разрешение космического телескопа Хаббл и лучших наземных телескопов для сравнения составляет около 100 микросекунд.

Среди участников проекта с российской стороны кроме головного предприятия НПО им. Лавочкина участвовали АКЦ ФИАН, ОКБ «Марс», ЗАО «Время Ч» и много других организаций. Кроме этого в проекте есть и заметное международное участие: так усилитель приёмника на длину волны в 92 см был изготовлен в Индии, на 18 см — в Австралии, а на 1,3 см — в США. Так как телескоп в процессе своей работы проходит через радиационные пояса, на нём также решено было установить плазменно-магнитный комплекс «Плазма-Ф» предназначенный для измерения параметров плазмы и отдельных заряженных частиц радиационных поясов и межпланетной среды с рекордным разрешением по времени (до 32 микросекунд), а также предназначенный для исследования турбулентности в этих средах.

Так как этот телескоп получил самое большое разрешение среди всех современных телескопов, его основная научная программа предусматривала наблюдение самых компактных объектов во Вселенной: нейтронных звёзд, квазаров и облаков межзвёздного газа (так называемых мегамазеров переизлучающих свет в радиодиапазоне по принципу лазера).

Запуск и научные результаты

Телескоп в сложенном и раскрытом положении в ходе наземных испытаний

Процесс раскрытия телескопа

Телескоп был запущен 18 июля 2011 года в 6.31 по Москве на высокоэллиптическую орбиту 600×330 000 км с наклонением 51,3º и периодом около 9 дней (в процессе работы его орбита постепенно меняется под влиянием гравитации Луны). Раскрытие телескопа происходило в ночь с 22 на 23 июля и должно было занять всего 10 минут, но лепестки антенны не встали с первой попытки на фиксаторы, поэтому было принято решение развернуть телескоп так чтобы механизм раскрытия равномерно прогрелся под солнечными лучами, после чего вторая попытка, проведённая днём 23 числа, закончилась удачно. 25 июля было произведено первое включение комплекса «Плазма-Ф». Основные атомные часы также не заработали с первого раза как надо, поэтому было решено сразу перейти на резервные. «Первый свет» телескоп увидел 27 сентября 2011 года — это были наблюдения остатка сверхновой Кассиопея А и Юпитера, а уже 14 и 15 ноября были получены первые научные данные: произведена съёмка пульсара B0531+21 (расположенного в Крабовидной туманности), квазаров 0016+0731 и 0212+735; а также мазера W3(OH) в созвездии Кассиопеи.

Первые наблюдения.

… и первые научные результаты.

Тесты трёх приёмников более длинных волн прошли без осложнений, а вот с началом работ в самом коротком диапазоне в 1,3 см пришлось около полгода подождать по независящим от РадиоАстрона причинам: в отличие от космического телескопа, у его наземных собратьев возможность работы в этом диапазоне сильно зависела от погоды (точнее от содержания паров воды в атмосфере). А кроме этого также сбоил атомные часы у американского телескопа, работавшего в тот момент в паре с РадиоАстронам, поэтому первые научные результаты на этой длине волны удалось получить только с 6 попытки и уже совместно с другим телескопом — 100-метровым радиотелескопом в Эффельсберге, Германия. Но несмотря на это к ранней научной программе аппарат приступил уже 10 декабря, а к основной — в июле 2013 года, при этом уже в конце 2012 года телескоп перешёл на принятие заявок по открытому конкурсу (в первом этапе могли участвовать только учёные из стран участниц проекта) в котором раз в год может принять участие любой желающий. В результате все полученные заявки оцениваются советом учёных, после чего сам Николай Кардашёв (стоявший у истоков этого проекта) принимает решение о том какие заявки будут приняты в работу.

Снимок ядра галактики NGC 1275 «Персей А» при взгляде с наземного телескопа и РадиоАстрона.

За первый год работы было произведено более 100 радиоинтерферометрических наблюдений, общей продолжительностью более 200 часов. Среди наблюдаемых объектов были 29 квазаров, 9 пульсаров и 6 мазеров. В начале наблюдения проводились с небольшой базой (дистанцией между телескопами) и постепенно увеличивались до максимального: в наблюдениях квазара 3C273 от января 2013 года на базе в 8,1 диаметра Земли был поставлен первый мировой рекорд углового разрешения — он составил 27 микросекунд дуги (с учётом дистанции до объекта, его размеры были ограничены «сверху» диаметром в 0,3 св. года). Уже в 2013 году, задолго до выхода проекта на полную мощность, было установлено что яркостная температура вещества в джетах квазаров в радиодиапазоне составляет 10 триллионов градусов — что в 100 раз превышало предел существовавших на тот момент теорий. 14 февраля 2014 года РадиоАстрон получил и оригинальный результат никак не связанный с наукой — он был внесён в книгу рекордов Гиннесса как самый большой в мире орбитальный телескоп.

Далее максимальное разрешение телескопа также продолжило увеличиваться: в 2015 году РадиоАстрон в ходе наблюдения квазара OJ287 (второй по массе чёрной дыры, открытой на данный момент человеком с массой в 18 млрд масс Солнца, вокруг которой вращается другая чёрная дыра с массой «всего» 140 млн масс Солнца) получил разрешение в 14 микросекунд. В 2016 году этот рекорд был улучшен до показателя в 11 микросекунд в ходе наблюдения облака водяного пара радиусом в 80 дистанций от Земли до Солнца на удалении в 20 миллионов световых лет (эти наблюдения позволили установить, что подобные «космические мазеры» имеют весьма компактные размеры).

Другой пример сравнения разрешений наземной сети телескопов и РадиоАстрона — съёмка блазара 0836+710.

Также «РадиоАстрон» сделал неожиданное для всех открытие: им было обнаружено так называемое субструктурное рассеивание, заключающееся в том, что межзвёздный газ преломляет радиоизлучение компактных структур, создавая на месте одного источника сигнала несколько отдельных «пятен». Этот эффект позволяет исследовать не только наблюдаемый в радиоволнах объект, но ещё и среду находящуюся между нами. Однако это явление также создаёт и проблемы, так как мешает увидеть во всех деталях наблюдаемый объект. Поэтому в 2016 году учёные разработали методику восстановления изображения, которое должно позволить увидеть радиоисточники излучения за облаками межзвёздного газа и пыли, такие как расположенная в центре нашей Галактики сверхмассивная чёрная дыра и окружающие её звёзды.

Также телескоп используется и во многих других научных исследованиях, в которых требуются наблюдения с особо большим разрешением, а его атомные часы использовались в эксперименте по подтверждению общей теории относительности в плане явления замедления времени у движущегося объекта. На данный момент данные обработаны ещё не все, но теория уже подтверждена с точностью 0,01% (это соответствует точности миссии Gravity Probe A), а после обработки всех данных точность эксперимента должна увеличиться на порядок. В 2017 году у аппарата закончился нейтральный водород для работы его атомных часов, так что учёным пришлось переключиться на два других метода синхронизации: рубидиевый стандарт частоты и «замкнутую петлю» — второй режим оказался точнее, а сам он заключается в том, что на телескоп посылается опорный сигнал на частоте 7 ГГц, который отсылается обратно на частоте 8 ГГц. Благодаря этому удаётся скомпенсировать меняющиеся из-за неоднородности атмосферы задержки при передаче сигнала и достигнуть необходимой точности в синхронизации наблюдений. Эксперимент по проверке теории относительности к тому моменту уже был закончен, так что потеря атомных часов никак не угрожает научной программе телескопа.

Один из недавних снимков «РадиоАстрона»: ядро активной галактики BL Ящерицы находящейся в 900 млн св. лет от нас

Всего же за первые 5 лет работы было проведено более 5 тысяч научных экспериментов. В ходе последней научной программы на работу с аппаратом было получено более 100 заявок и было проведено около 500 наблюдений, что показывает, что интерес учёных к проекту не сокращается, а даже увеличивается. В ходе научной программы 2017-2018 годов в ходе наблюдений мегамазера NGC 4258 вместе с телескопом в Медичине (Италия) «РадиоАстрону» удалось вплотную подойти к своему теоретическому пределу характеристик, достигнув разрешения в 8 микросекунд дуги. Приём заявок на следующую программу наблюдений (являющейся уже шестой по счёту) начался 22 декабря 2017 года и длился стандартно в течение месяца (здесь указан список победивших в конкурсе исследований). За время работы «РадиоАстрона» в интерферометрических наблюдениях вместе с ним успели поучаствовать обсерватории практически со всего мира: Европы, США, Китая, Японии, Австралии, ЮАР и даже Южной Кореи.

А теперь перейдём к вопросам непосредственному участнику проекта:

На вопросы отвечает Александр Плавин, научный сотрудник лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории исследований релятивистских объектов в МФТИ.

Какие обсерватории и страны участвуют в интерферометрических наблюдениях вместе с РадиоАстроном?

Практически все большие телескопы в мире участвовали хотя бы раз в наблюдениях совместно с РадиоАстроном, вплоть до

40 телескопов одновременно. Множество стран и несколько континентов: Европа/Азия, Америка, Африка, Австралия. Среди регулярно наблюдающих, к примеру, самые большие в мире поворотные антенны диаметром 100 метров — в Green Bank (США) и Effelsberg (Германия), а также многие другие телескопы.

Используются ли иностранные вычислительные мощности для обработки и сравнения результатов интерферометрических наблюдений?

Вообще, основные вычислительные ресурсы — это корреляция данных с наземных станция и с космического телескопа. На регулярной основе корреляция проводится в Москве (АКЦ ФИАН) и в Бонне (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), причём используется различное ПО — проводилось специальное тестирование на предмет согласования результатов. Также, несмотря на то, что это не совсем «вычислительные мощности», важен вклад обсерватории Green Bank (США). Там было установлено специальное приёмо-передающее оборудование, которое позволяет соединяться со спутником даже когда он не виден с территории России (станция связи в Пущино, недалеко от Москвы).

Насколько число заявок на работу с телескопом превосходят его возможности? Как распределяется время между отечественными и иностранными научными организациями?

Несмотря на то, что недавно завершились некоторые долгосрочные программы обзора и мониторинга активных ядер галактик, объём поданных заявок всё равно превышает возможности телескопа. При распределении времени между заявками не играет роли, из какой страны основной автор: как и для большинства телескопов всего мира, время предоставляется согласно открытому общему конкурсу. Это позволяет наиболее эффективно с научной точки зрения использовать время таких дорогих инструментов, чем если бы существовали ограничения по странам. Также, вообще говоря, нельзя разделить заявки от «отечественных и иностранных организаций», так как они подаются от произвольного коллектива авторов, в который обычно входят учёные из разных стран.

Спектр-РГ (Спектр-Рентген-Гамма)

Запуск «Миллиметрона» надолго отложили из-за сокращения бюджета Роскосмоса, но недавно снова заговорили о возобновлении строительства третьего радиотелескопа РТ-70 на плато Суффа — есть ли сейчас ещё какие-нибудь радиоастрономические проекты в разработке?

Относительно скоро, весной 2019 года, планируется запуск следующего спутника серии «Спектр» — Спектр-РГ, то есть Рентген-Гамма. Он будет находиться около точки Лагранжа L2, то есть намного дальше, чем РадиоАстрон: почти 2 млн км по сравнению с 350 тыс км. Планируются долговременные наблюдения в рентгеновском диапазоне для получения карты всего неба, а также подробное наблюдение отдельных галактик.

Спектр-М (Миллиметрон)

В очередной раз спасибо Александру Плавину за предоставленные ответы, а здесь можно увидеть предыдущего его интервью.

Будущее проекта

«Мы оптимистично смотрим на перспективы проекта после этого срока и рассчитываем, что он будет продлён и дальше, поскольку это действительно уникальный аппарат с уникальными возможностями» — сообщили в лаборатории Астрокосмического центра ФИАН по поводу очередной коррекции орбиты.

Эволюция орбиты телескопа под действием Луны

Благодаря высокой точности выведения на орбиту у «РадиоАстрона» не наблюдается никаких проблем с запасом топлива: за первый год работы его было потрачено всего 10,3 кг из 287 кг общей массы топлива на борту. Кроме этого специально подобранная для аппарата орбита позволяет ощутимо экономить топливо: коррекции орбиты проводились только в марте 2012 года и июле 2017 года. Так что даже сейчас, спустя 7 лет, у него остаётся 70% от изначальной массы топлива, поэтому время работы «РадиоАстрона» сейчас ограничивается только сроком работы его бортовых систем, которые трудно предсказать.

Источник

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

Источник