11 апреля 2017, 15:40

Наука

Размер имеет значение: чем российский телескоп "РадиоАстрон" круче Hubble

В последние годы принято считать, что Россия не участвует в изучении космоса. Якобы страна ограничилась коммерческими запусками ракет и не вносит вклад в фундаментальную науку. В это легко поверить, но это не так. В 2011 году Россия запустила самый крупный космический радиотелескоп в мире – "РадиоАстрон". Его снимки в тысячу раз детальнее, чем у ставшего объектом массовой культуры космического телескопа Hubble. Но про Hubble слышал каждый, а про "РадиоАстрон" лишь мировое научное сообщество. Корреспондент m24.ru решил исправить это недоразумение, рассказав, как наш телескоп пытается разгадать тайны Вселенной.

Фото: НПО им. С.А. Лавочкина

Принцип работы

"РадиоАстрон" – это самый крупный телескоп в космосе. Он даже попал в Книгу рекордов Гиннесса. Представьте себе спутниковую тарелку диаметром 10 метров. Она размещена на космическом аппарате "Спектр-Р". Вместе они летают вокруг Земли, то опускаясь до 1000 километров, то удаляясь до Луны.

Космический радиотелескоп наблюдает в диапазоне длин волн от 1 метра до 1 сантиметра в связке с наземными телескопами. Вместе они образуют единый наземно-космический телескоп "РадиоАстрон", так называемый интерферометр, – самый крупный измерительный инструмент в истории человечества. До 40 крупнейших телескопов планеты одновременно со "Спектром-Р" нацелены на объекты Вселенной. Чем дальше он находится от Земли, тем точнее и детальнее наблюдения благодаря принципу интерферометрии. Таким образом, в распоряжении ученых оказался де-факто радиотелескоп размером Земля – Луна.

Фото предоставлено Юрием Ковалевым

Подготовка и запуск

Сборка самого большого космического радиотелескопа "Спектр-Р"

Мнение эксперта

Я был на первом совещании по проекту "РадиоАстрон", на котором мы ознакомились с его конструкцией. Нас собрал генеральный директор, докладывали идею этого телескопа.Тогда я был начальником производства. Раньше была традиция, что все новые проекты обсуждались при большом собрании всех специалистов.

Проблема "Спектра-Р" была в том, что практически не было финансирования. Проект был сделан в значительной степени на энтузиазме. Обычно, чтобы запустить в космос один аппарат, нужно сделать 4-5 его копий – наземных машин. На них проводят тепловые испытания, прочностные испытания, радиотехнические испытания, антенные. Впервые на моей практике мы провели все испытания на одном аппарате. И он все прошел. Но это были перестроечные годы.

Чтобы запустить в космос такой большой телескоп, применили нестандартный подход. 27 лепестков антенны сложили как цветок, а потом раскрыли в космосе и восстановили необходимую поверхность телескопа – это парабаллоид вращения – с точностью до одного миллиметра.

Руслан Камаев

Ведущий специалист НПО им. С.А. Лавочкина, заслуженный машиностроитель России

Телескоп запустили в космос 18 июля 2011 года с космодрома Байконур.

Юрий Ковалев – руководитель научной программы "РадиоАстрон", член-корреспондент РАН, профессор РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

– Юрий, как вы относитесь к попаданию "РадиоАстрона" в Книгу рекордов Гиннесса?

– Конечно несерьезно, я вас умоляю.

"Честно говоря, чтобы знать, что телескоп "крут" – сертификат Гиннесса не нужен. В науке есть вещи посерьезнее".

Но это, конечно же, громадный успех НПО имени Лавочкина, которое реализовало космический телескоп. Они большие молодцы.

Согласно информации от Роскосмоса, на момент запуска в 2011 году программа "РадиоАстрон" стоила около 5 миллиардов рублей.

– Тогда расскажите, что же исследует "РадиоАстрон".

– Черные дыры, далекие активные ядра галактик, пульсары, области звездообразования, межзвездную среду в нашей галактике. Еще есть важное направление – гравитационные измерения. Надо понимать, что мы исследуем астрономические объекты в дальнем космосе. "РадиоАстрон" – не про Солнечную систему. Например, наблюдать им кометы или астероиды – тоже самое, что надеть очки для дальнозоркости и уткнуться вплотную носом в книгу – вы ничего не разглядите.

Юрий Ковалев, фото: m24.ru/Иван Носатов

– Результаты наблюдений "РадиоАстрона" могут поколебать основы теоретической физики?

– Смотря что понимать под основами. Основы школьной физики они не поколеблют. Пока нарушений основных законов природы мы не наблюдаем. Если под основами подразумевать основы физики активных галактик или основы физики межзвездной среды, которые моему поколению преподавали в университете, то несомненно это уже произошло.

Научные достижения

– "РадиоАстрон" открыл новый эффект рассеяния радиоволн на межзвездной плазме. Мы его назвали "субструктурой рассеяния". Открытие многообещающее. C помощью этого эффекта мы пробуем получить изображение тени от черной дыры в центре нашей галактики. Сам эффект рассеяния удалось открыть, наблюдая за пульсарами.

Пульсар – это нейтронная звезда, которая образовалась в результате взрыва сверхновой звезды. Так называемая, мертвая звезда, которая очень сильно сжалась, потому что термоядерные реакции там больше не происходят. Пульсар очень маленький – около 20 километров в диаметре. Из-за того, что звезда сжалась, там очень большие магнитные поля и из магнитных полюсов вырываются яркие лучи света.

Пульсары мы наблюдаем в нашей галактике. Для нас они выглядят как рассеянные точки, словно фонарь в тумане. Потому что радиоволны рассеиваются в межзвездной плазме, на межзвездной пыли. Предсказания ученых заключались в том, что на большом наземно-космическом интерферометре пульсары мы не увидим.

Почему? Потому что чем больше интерферометр, тем более тонкие и более компактные детали объектов мы видим. А если у вас размытое изображение по типу пульсара, то для "РадиоАстрона" его как будто бы не существует. Он видит только компактные детали. Реальность оказалась совсем другой. Выяснилось, что существует доля излучения пульсара, которую мы можем увидеть при любом размере нашего интерферометра.

Фото предоставлено Юрием Ковалевым

– Что это значит?

Визуализировать это можно, если на размытое, рассеянное изображение пульсара набросать маленькие точечки. Представьте себе тинейджера с прыщами. Предполагалось, что пульсар размыт и там нет никаких точек, а оказалось, что на этом изображении точки есть. Почему это важно и интересно? Поняв, что это такое и построив теорию нового эффекта рассеивания, мы можем восстановить информацию про межзвездную среду:

определить, где расположены турбулентные облака межзвездной плазмы, которые рассеивают радиоизлучение;
выявить характерные масштабы турбулентности облаков;
определить плотность электронов в этих облаках.

Важность открытия "субструктуры рассеяния", которое сделал "РадиоАстрон", связана с тем, что с очень большой вероятностью этот эффект будет присутствовать при наблюдениях любой сверхмассивной черной дыры, точнее ее тени.

В погоне за черной дырой

Черные дыры находятся в центрах галактик. Гравитационное притяжение в этих областях настолько велико, что покинуть черные дыры не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе кванты самого света. Граница этой области называется горизонтом событий. В центре галактики Млечный путь находится черная дыра с массой около 10 миллионов масс Солнца. В центрах активных галактик – миллиарды масс Солнца.

– Как же вы планируете наблюдать черную дыру, если она не излучает свет?

– Она черная и увидеть ее, естественно, нельзя. Поэтому ученые занимаются следующим. Они пытаются увидеть тень от черной дыры, которая будет наиболее прямым свидетельством, что черные дыры действительно существуют. Предполагается, что сзади черной дыры есть излучающая область. Вы увидите тень от черной дыры, а вокруг нее такой светлый ореол.

Фото: m24.ru/Иван Носатов

– У вас есть успехи в поисках тени от черной дыры?

– Черные дыры ищут многие, включая нас в проекте "РадиоАстрон". Год назад мы провели наблюдения за центром нашей галактики. Теоретически там можно увидеть тень от черной дыры. Изображение центра галактики сильно рассеивается.
Мы сейчас пытаемся получить его истинное изображение, используя обсуждавшуюся выше субструктуру. Посмотрим, получится ли у нас.

– Вы рассчитываете получить Нобелевскую премию за открытие черной дыры?

– Не знаю, кто получит Нобелевскую премию за открытие черной дыры, когда увидят ее тень. Да и получит ли вообще. Но кто бы это ни был, это может быть сделано, только при учете нового эффекта "субструктуры рассеяния", который мы открыли в "РадиоАстроне".

В далекой-далекой галактике или кто такие квазары

Квазары – мощные и далекие ядра активных галактик, одни из самых ярких астрономических объектов в видимой Вселенной.

– Еще одно важное направление "РадиоАстрона" – это исследование квазаров. Мы считаем, что в центрах этих далеких галактик находится очень тяжелая черная дыра. Вокруг нее вращается диск из пыли и газа. Когда на центральную сверхмассивную черную дыру падает вещество, примерно 1/10 его часть перерабатывается, ускоряется и выбрасывается черной дырой наружу в виде узких джетов (вырывающиеся струи плазмы, – прим. m24.ru).
Мы проверяли предсказание теории излучения далеких квазаров. Есть физическая модель, которая построена, хорошо проработана, самосогласована. Она замечательно объясняла данные наблюдений десятки лет.

Квазар 0836+710, фото предоставлено Юрием Ковалевым

Так вот, было предсказание модели, что ядра этих квазаров не могут быть ярче определенного предела. Есть только одна тонкость. Чтобы проверить этот предел, надо было построить наземно-космический интерферометр. Потому что проверить другими способами, например, только с помощью наземных телескопов, невозможно. "РадиоАстрон" проверил это предсказание теории и оказалось, что оно нарушается, как минимум, в 10 раз.

– И что теперь будет?

– Это великолепный результат. Наука развивается скачками именно когда оказывается, что результаты новых научных экспериментов противоречат предсказаниям теории.

У нас есть несколько объяснений этого эффекта. К сожалению, у всех этих объяснений есть трудности. Мы сейчас очень активно размышляем над тем, как же нужно поменять, поправить теорию, описывающую излучения далеких ярких джетов в квазарах, чтобы объяснить результат "РадиоАстрона".

Управление аппаратом и сбор данных

Для того, чтобы управлять космическим радиотелескопом "РадиоАстрон" есть две станции управления дальней космической связи. Одна находится в Подмосковье – "Медвежьи озера" с 64-метровой антенной РТ-64. Другая под Уссурийском с радиотелескопом РТ-70 с размером зеркала 70 метров.

Они используются не только для управления, но и для измерений параметров орбиты космического аппарата "Спектр-Р", на котором установлен телескоп. Скорость, расстояние – все эти данные поступают в институт прикладной математики, где баллистическая группа с высочайшей точностью восстанавливает информацию об орбите космического аппарата.

Обсерватория в Грин-Бэнк, Фото предоставлено Юрием Ковалевым

Есть две станции слежения и сбора научной информации. Одна в подмосковном Пущино с 22 метровым радиотелескопом РТ-22. Другая – это Грин-Бэнк в американском штате Западная Вирджиния. Там 43-метровая антенна, которую Россия арендует у Соединенных Штатов по контракту.

Когда аппарат выходит из видимости пущинской станции, он переходит в зону ответственности американской. Правда есть те части орбиты, которые не покрыты ни одной станцией, ни другой. Это около 10-15 процентов времени.

– Как организована передача научной информации?

– Научная информация с борта аппарата передается на Землю непосредственно во время научных экспериментов. Речь идет о бесперебойной передаче данных со скоростью 128 мегабит в секунду с расстояния до 350 тысяч километров.
10-метровый космический радиотелескоп "РадиоАстрон" наводится на объект на небе, одновременно с этим полутораметровая антенна на его борту наводится на станцию слежения на Земле. И в режиме реального времени научные данные передаются на Землю.

"Речь идет о бесперебойной передаче данных со скоростью 128 мегабит в секунду с расстояния до 350 тысяч километров".

Мы не можем записывать данные эксперимента на борт и потом передавать их отложено. Просто-напросто потому, что данных много – за сеанс передается более 50 гигабайт научной информации. За пять с половиной лет проекта у нас уже накоплено более 2,5 петабайта информации (2500 терабайт, – прим. m24.ru) со всех телескопов–участников наземно-космического интерферометра.

Долговременное хранение "сырых" данных организовано в двух копиях. На твердых дисках и на магнитных лентах. Они хранятся в специализированных шкафах и занимают одну комнату у нас в астрокосмическом центре Физического института имени Лебедева РАН. Архив прокоррелированных данных, которые используются научными группами для дальнейшего анализа, составляет несколько терабайт и находится на одном из наших серверов.

Пущинская радиоастрономическая обсерватория

Тик-так, тик-так, постукивают часы с кукушкой на стене; они ходят и даже показывают правильное время. Только за приоткрывшейся дверцей кукушки уже нет. В соседней комнате тоже есть часы. Правда, они скорее напоминают большие металлические ящики размером с музыкальные колонки на дискотеках. Это одни из самых точных часов на Земле, так называемый водородный стандарт частоты. Отклоняются на секунду один раз в миллион лет. Отечественная разработка.

Cтарейший радиотелескоп в России РТ-22

Мы находимся в Пущинской радиоастрономической обсерватории в 100 километрах к югу от Москвы. В здании, откуда идет управление одним старейших в России радиотелескопов – РТ-22. Телескоп размером с девятиэтажный дом и 22-метровым зеркалом, стоит на платформе которая крутится вокруг своей оси. Раньше эта платформа стояла на немецком линкоре времен второй мировой, а на платформе размещалась боевая пушка.

"Оператор? Это рутинная работа, техническая", – смущаясь говорит молодой сотрудник Наташа. Она работает в обсерватории шесть лет, управляя телескопом РТ-22. Сидит за панелью управления, а телескоп высится перед ней прямо за окном. Когда Наташа вводит в компьютер данные, 22-метровое зеркало телескопа начинает поворачиваться, наводиться на "РадиоАстрон".

Фото: m24.ru/Никита Симонов

"Запуск "РадиоАстрона" был для нас запоминающимся моментом", – оживляется девушка. – "Мы тогда все сильно волновались. Следили за параметрами на приборах, а параллельно у нас был включен телевизор. Там поглядывали на старт ракеты. Конечно, мы очень сильно обрадовались, когда все прошло хорошо".

"Телескоп работает не только по программе "РадиоАстрон", у него еще несколько научных программ", – продолжает она. – "Но в целом для операторов большой разницы между ними нет. Заканчивается одна научная программа, мы направляем телескоп на объекты другой программы по параметрам, которые нам присылают".

В соседней комнате наблюдаю сцену из фильма Матрица. Оператор телескопа Павел сидит перед монитором, на котором мелькает непонятный набор букв и цифр. Разница лишь в цвете изображения. Черные символы на белом фоне – никакой зелени. Часть этих данных означает параметры, которые необходимо задать наземному телескопу РТ-22 для работы по программе "РадиоАстрон".

"Для меня – это уже не беспорядочный набор символов, а осмысленные данные", – улыбается Павел.

Фото: m24.ru/Никита Симонов

Подводная лодка

Телескоп пришел в движение. Запрыгиваю на лестницу и лезу наверх, под самое зеркало. Ощущения будто очутился в парке аттракционов, взобрался на карусель. За 20 минут РТ-22 может обернуться вокруг своей оси. На практике максимальный поворот идет до 180 градусов и обратно, иначе могут пережаться провода, по которым поступающая информация передается в здание управления. В этот раз платформа телескопа повернулась на несколько метров.

Я – в сердце телескопа – технической комнате прямо под зеркалом. Выполнена в форме цилиндра или валика, узкая – словно попал на подлодку. Вокруг сложнейшие приборы и оборудование из фантастических фильмов неизвестного мне назначения. Жарко..

"Анатолий Васильевич, здесь как в бане", – восклицает Павел.
"Видимо с предыдущей смены обогреватель забыли выключить. Да, так и есть", – говорит седой мужчина с аккуратной бородкой и добрыми глазами. Это Анатолий Васильевич – серьезный ученый, кандидат наук, руководитель отдела наземно-космической радиоинтерферометрии. В Пущинской обсерватории работает более 35 лет.

Для точности измерений аппаратуре нужен определенный диапазон температур. Ночью было холодно, вот и включили подогрев. Анатолий Васильевич отключил его.

Фото: m24.ru/Никита Симонов

Когда я оказался на обзорной площадке РТ-22, вокруг был виден леc. Площадь обсерватории – 140 гектаров. Оранжевое солнце клонилось к закату и пели птицы.

"Место для обсерватории изначально выбирали, чтобы подальше от людей и цивилизации", – говорит Анатолий Васильевич. – "За последние годы Пущино, конечно, разросся, но ритм жизни здесь остался спокойным, неспешным. Для наблюдений за космосом – лучшая обстановка".

"К наблюдениям нужно готовиться, космос не терпит суеты".

Будущее "РадиоАстрона"

– Юрий, сколько времени осталось "жить" "РадиоАстрону"?

– Наш гарантийный срок закончился еще в 2014 году. Ожидаемое время жизни закончилось прошлым летом. Но любой спутник работает пока он технически способен выполнять свою задачу и не прекратилось его финансирование. На сегодняшний день у спутника "Спектр-Р" замечательная ситуация. C одной стороны, он технически способен реализовывать научную программу почти в полном объеме. А с другой стороны, продолжается финансирование этого проекта Роскосмосом.

Год назад госкомиссия продлила финансирование работы "РадиоАстрона" до конца 2018 года. Но даже после того, как спутник завершит наблюдения, международные научные группы еще долго будут изучать полученные данные – как это происходит для любого другого успешного космического телескопа.

– На смену "РадиоАстрону" придет новый проект?

– Да, сейчас готовится космический телескоп "Миллимметрон". У него тоже будет 10-метровое зеркало. Но, в отличие от "РадиоАстрона", он будет работать не только в режиме интерферометра (в связке с наземными телескопами), но и как высокочувствительное одиночное зеркало.

"Миллиметрон" будет работать на намного более коротких длинах волн – миллиметрах и субмиллиметрах. Если у "РадиоАстрона" не получится увидеть тень черной дыры, мы ожидаем, что это сделает "Миллиметрон".

Согласно утвержденной федеральной космической программе, речь идет про запуск после 2025 года.

Как же Hubble?

Фотогалерея

1 из 9

Фото: НАСА

Космический телескоп Hubble — совместный проект НАСА и Европейского космического агентства. Был запущен в космос 24 апреля 1990 года с мыса Канаверал. Размещение телескопа в космосе дает возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна. В первую очередь, в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

Мнение эксперта

"РадиоАстрон" работает в диапазоне радиоволн, в то время как Hubble работает в ультрафиолетовом диапазоне, а также с видимым излучением и в инфракрасном диапазоне. Этим они дополняют друг друга. Имея данные излучений одного и того же объекта на разных длинах волн, мы можем составить более полную картину его характеристик.

За 27 лет работы телескопа было уже пять миссий по его обслуживанию. Астронавты непосредственно в космосе чинили оборудование, заменяли вышедшие из строя компоненты, а некоторые модернизировали. В настоящее время Hubble находится на пике своего научного потенциала. При этом у него сохраняется запас по всем критически важным системам. Мы считаем, что сможем поддерживать Hubble в хорошем состоянии для прорывных научных наблюдений, в ближайшие десять лет.

Нынешний бюджет Hubble составляет чуть менее 100 млн долларов в год. Однако большинство ученых вероятно согласятся, что телескоп оправдывает траты своими научными результатами. На сегодняшний день об открытиях Hubble опубликовали свыше 14 тысяч 700 рецензируемых научных публикаций.

Вскоре у Hubble появится последователь – космический телескоп James Webb. Ученые надеются, что они пересекутся по срокам. Это позволит им вместе собирать данные о конкретном объекте в более широком диапазоне длин волн, чем по отдельности. James Webb видит дальше в инфракрасном диапазоне, чем Hubble, поэтому и в прошлое он сможет заглянуть дальше. В частности, James Webb будет наблюдать протопланетные диски. Его наблюдения обещают такие же грандиозные открытия во многих областях астрономии, какие раньше совершал Hubble.