Астрономия
Космонавтика
Научно-популярное
Физика
19 июля

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.



Связь с радиотелескопом осуществляется через 1,5-метровую направленную антенну X-диапазона, работающую на частоте 17 ГГц. Скорость передачи научных данных составляет 144 Мбит/с. Управление «РадиоАстроном» осуществляется через станции космической связи в «Медвежьих озёрах» и Уссурийске, а передача научных данных — через 22-метровую радиоантенну Пущинской радиоастрономической обсерватории и через 43-метровую антенну в Грин-Бэнк, США (она подключилась к проекту в сентябре 2013 года, позволив вдвое увеличить наблюдательное время). Для питания телескопа на нём установлены солнечные батареи мощностью в 2608 Вт, при этом на работу служебных систем требуется 980 Вт, а для работы научной аппаратуры (которая работает около 20% всего времени) требуется ещё 1200 Вт, так что система электропитания имеет значительный запас. Радиотелескоп имеет 4 приёмника работающих при температурах от -175 до -125 ºC и имеющих следующие характеристики:
Длина волны, см 92 18 6,2 1,2-1,6
Частота, МГц 316-332 1636-1692 4804-4860 18372-25132
Разрешающая способность, микросекунд 540 106 37 7
*Разрешение космического телескопа Хаббл и лучших наземных телескопов для сравнения составляет около 100 микросекунд.

Для того чтобы обеспечить работу столь точного инструмента потребовались весьма точные определения параметров его орбиты: для того чтобы «РадиоАстрон» мог работать на своих самых коротких длинах волн, скорость его движения необходимо определять с точностью более 2 см/с, ускорение — с точностью не меньше 10-7м/с2, а расстояние знать с погрешностью менее 500 м. Для этого применяются сразу пять методов: радиометрический метод измерения скорости и расстояния, доплеровский метод определения скорости и интерферометрические методы, осуществляемые с помощью наземных радиоантенн; а также лазерная локация и оптические методы определения положения по фоновым звёздам.

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.



Комплекс «Плазма-Ф» состоит из двух приборов: быстрый монитор солнечного ветра (БМСВ) рассчитанный на измерение энергетического распределения, вектора потока, переносной скорости, температуры и концентрации ионов (в его создании участвовали ИКИ РАН, Институт физики атмосферы АН ЧР и Карлов университет в Праге, Чехия); и монитора потоков энергичных ионов (МЭП) рассчитанного на регистрацию ионов с энергией от 30 кэВ до 3 МэВ и электронов с энергией 30-350 кэВ (он создан в Институте экспериментальной физики САН в Кошице, Словакия). Для проекта требовалась и очень высокая точность временного разрешения, так что на телескоп была установлена пара отечественных атомных часов с точностью 10-14 (это соответствует уходу часов на 1 секунду более чем за 3 миллиона лет). Кроме этого в качестве резервной системы для определения времени были установлены рубидиевые часы, изготовленные в Швейцарии. Всего же над созданием научной аппаратуры для «РадиоАстрона» трудились учёные из 20 стран (полный список участников можно увидеть здесь).

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 600x330 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


Миссию телескопа продляли уже несколько раз: до июля 2015 года, конца 2018-го и теперь (после очередной коррекции орбиты, произошедшей 17 июля 2017 года требуемой для того чтобы РадиоАстрон не ушёл на несколько часов в тень Земли и не остался без питания солнечных батарей) работу аппарата продлили уже до конца 2019 года.
«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.

Ссылки


Вестник НПО им. Лавочкина посвящённый 3-летию и 5-летию проекта
Открытая база исследований
Тема, посвящённая РадиоАстрону на сайте «Новости Космонавтики»
Здесь находятся отчёты о работе телескопа
А здесь находятся научные публикации проекта
+32
6,4k 23
Комментарии 32
Похожие публикации
Популярное за сутки