Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://www.sao.ru/hq/lrk/SKA.html
Дата изменения: Unknown Дата индексирования: Sat Apr 9 23:48:49 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: внешние планеты |
Разрабатываемый проект SKA должен стать международным радиотелескопом XXI века. Квадратный километр собирающей поверхности означает примерно стократное увеличение чувствительности по сравнению с современными радиотелескопами. SKA должен заняться поиском первичных структур во Вселенной, исследовать природу Темной Энергии, изучить происхождение магнетизма в Космосе, доказать существование гравитационных волн и проверить общую Теорию Относительности с не достижимой прежде точностью. Наряду с этим следует ожидать открытий новых феноменов. Рис.1. Ядро SKA с поверхностью антенны в 1 квадратный километр состоит из фазоуправляемых радиотелескопов, построенных по схеме разностного приема (на переднем плане). Они окружены сотнями традиционных параболических антенн. Радиоволны слабо поглощаются межзвездным и межгалактическим пространством и поэтому могут распространяться почти беспрепятственно. Поэтому многие объекты можно наблюдать исключительно или лучше всего в радиодиапазоне. Благодаря радиоволнам появились многие важные открытия в астрофизике и космологии (четыре Нобелевские премии). Активные галактические ядра с джетами (струями) натолкнули нас на след черных дыр в центрах галактик. Радиосигналы пульсаров - это точнейшие природные часы, которые мы знаем: они позволяют проверить Общую Теорию Относительности и подтвердить существование гравитационных волн. Открытие микроволнового фонового излучения привело к краху модели не изменяющейся Вселенной. Из радиокарт спутника WMAP получены важнейшие параметры космологии с высокой точностью [8,9]. Сегодня встают новые вопросы:
В 2000 году был образован Международный координационный комитет SKA (ISSC), в который вошел 21 представитель (по 7 от Европы, США и других стран). 34 института из 15 стран участвуют сейчас в проекте. Число активно участвующих в нем ученых и инженеров ежегодно растет. Решения ISSC готовятся техническими рабочими группами, а также группой выбора возможного места размещения телескопа. От начала до конца это международный масштабный проект. Технологические требования к разработкам очень жесткие и выходят за рамки современного уровня.
SKA должен перекрывать диапазон от 100 МГц (длина волны 3 м) до 25 ГГц
(1.2 см) несколькими широкополосными приемными системами. Важнейшее требование
к SKA - собирающая площадь; но чувствительность радиотелескопа зависит также
и от шумовой температуры его приемников. Если они будут изготавливаться в
большом количестве и работать без охлаждения, вряд ли можно рассчитывать на
шумовые температуры ниже 50 К, поэтому для достижения необходимой
чувствительности и нужен 1 кв. км площади.
Динамический диапазон, т.е. контраст между самым слабым и самым сильным объектом на готовой радиокарте должен составлять 1 к миллиону. Это требует точной корректировки всех инструментальных и ионосферных помех, а также дальнейшего совершенствования внутренней калибровки (см. словарик).
Большую собирающую площадь можно получить небольшим числом больших антенн или огромным числом малых антенн. Например, китайская концепция с неподвижными сферическими зеркалами с активной поверхностью является дальнейшим развитием уже известной конструкции зеркала Аресибо в Пуэрто-Рико: карстовый ландшафт в юго-западном Китае облегчает природную реализацию формы зеркала (рис.3).
Но в таком большом зеркале поле зрения отдельной рупорной антенны очень
маленькое, поэтому для достижения большого поля зрения нужна радиоматрица.
Стоимость большого зеркала, точность поверхности которого достаточна для
наблюдений на частотах до 25 ГГц выходит далеко за рамки утвержденной сметы
SKA. Наконец, малое число больших зеркал означает плохое заполнение площади
всего телескопа (UV-плоскости), из-за чего ограничивается качество
изображения протяженных объектов.
Параболические зеркала имеют свою оптимальную область применения на
средних и высоких (выше 1 ГГц) частотах. При соотношении диаметра зеркала к
рабочей длине волны менее 10 падает эффективность антенны, так как зеркало
меньше угла облучения рупорного облучателя.10-метровое зеркало неэффективно
на частотах ниже 300 МГц, здесь начинается доминирование фазированных антенных
решеток (ФАР), полей из простых антенн, неподвижно установленных на земле.
Цифровые данные от всех станций направляются по высокоскоростным
оптоволоконным линиям к центральному компьютеру, который путем сравнения фаз
приходящих сигналов выдает изображение в выбранном направлении или в нескольких
направлениях одновременно. Мешающие сигналы подавляются аппаратными
и программными способами.
Чтобы перекрыть сверхширокополосный диапазон SKA , составляющий больше двух декад, необходима комбинация из ФАР для низких частот и параболических зеркал для высоких. Как в принципе будет выглядеть SKA, показано на рис.1. Программа оптимизирована так, что будут реализованы описанные ниже ключевые проекты, и состоит из трех частей, связывающих классические параболические зеркала и новые технологии:
Оба компонента ФАР образуют ядро SKA диаметром 5 км. Половина параболоидов тоже находится в ядре, другая на станциях, по нескольку сотен зеркал, расположенных в виде пятилучевой спирали (рис.7). Расстояния между внутренними станциями растут по мере удаления от центра (логарифмическое расположение); тем самым обеспечивается оптимальное изображение протяженных радиоисточников при сохранении высокого углового разрешения. Расположение внешних станций, удаленных от ядра на несколько тысяч километров относительно произвольное и может учитывать развитие инфраструктуры или политическую стабильность в странах. Расположение SKA должно удовлетворять ряду требований. Прежде всего область вокруг ядра должна быть без радиопомех радиусом по меньшей мере 100 км, это значит, что помехи от радио, телевидения, мобильной связи, радаров и радиорелейных линий должны быть как можно слабее (рис.8). Потребуется законодательная защита области ядра от помех на весь срок работы радиотелескопа (минимум на 50 лет). Атмосфера должна быть прозрачной для высоких частот, а ионосфера для низких. Предложения для размещения получены в 2004 году из Аргентины-Бразилии, Австралии - Новой Зеландии, Китая и Южной Африки - Намибии - Ботсваны - Мадагаскара, Маврикии - Кении - Ганы (рис.9). В 2005 году были проведены измерения уровней радиопомех во всех предложенных местах. Австралия предлагает самое радио-спокойное место в пустыне Западной Австралии, которое уже охраняется как "радиоастрономический парк", выделив в национальном распределении радиочастот необходимые диапазоны для радиоастрономии на все время предстоящего эксперимента. С другой стороны, размещение инструмента в Африке имело бы для технологического и научного развития этого континента неоценимое значение.
Общая стоимость SKA оценивается в размере от 1 до 1.5 миллиардов Евро, для большого международного проекта приемлемая сумма. Основная часть затрат падает на антенны и приемные системы (примерно 55%), 20% потребуется на инфраструктуру и линии передач данных и 25 % на компьютеры и математическое обеспечение. Затраты на эксплуатацию оцениваются в 70-100 миллионов Евро в год. Эксплуатацию должен взять на себя международный радиоастрономический центр. В конце 2006 года должен быть завершен список мест размещения, до 2008 года должно быть принято решение на политическом уровне. Строительство SKA должно начаться в 2012 году, сначала в "фазе 1", с внутренним ядром и 10% собирающей площади. Полное ядро и внешние станции должны вступать в строй поэтапно до 2020 года.
SKA предъявляет экстремальные требования к технологическим разработкам,
необходимым для достижения поставленных целей. Проект станет двигателем
инноваций, которые должны быть разработаны и внедрены в кооперации с индустрией
всего мира. SKA дает перспективы тесного сотрудничества науки и промышленности
в самых различных отраслях.
Чтобы удержать затраты в предусмотренных рамках, стоимость параболического
зеркала должна быть не более 1000 Евро на квадратный метр поверхности
- это на порядок меньше стоимости современных радиотелескопов.
Приемные системы для параболических зеркал с требуемой широкополосностью и
малыми шумами тоже должны быть намного дешевле современных.
Только массовое производство не спасает, здесь необходимы совершенно новые
технологии. Приемники должны быть автоматическими и необслуживаемыми,
чтобы снизить затраты на эксплуатацию. Охлаждение жидким водородом или даже
гелием, обычное для современных радиотелескопов, вообще не рассматривается.
SKA открывает совершенно новые перспективы для исследования Космоса. Различные методы наблюдений (неразрешенные источники, пульсары, диффузная эмиссия, поляризация, излучение радиолиний) требуют различных режимов работы аппаратуры. Поэтому рабочая группа SKA выделила из всех возможных научных задач шесть ключевых проектов. Они должны быть способны ответить на фундаментальные вопросы астрофизики, астробиологии, космологии или физики элементарных частиц, представляющие огромный интерес как для научных кругов, так и для широкой общественности. Но они тем самым обосновывают и требования к проекту SKA.
Первые идеи действительно большого радиотелескопа, обсуждавшиеся в 1990
году, вращались вокруг измерения линии нейтрального водорода (НI) в большом
числе галактик и на максимально больших расстояниях. Эта первоочередная цель
нашла свое отражение в ключевом проекте. Чувствительность SKA позволяет видеть
линию НI уже при красном смещении z=5.
Тем самым можно исследовать эволюцию нормальных галактик (содержание газа,
вращение, переменные процессы, окружение) от ранней стадии Вселенной до
настоящего времени.
Перед образованием галактик царила темная эпоха, из которой к нам не доходило никакого оптического излучения, доступ к ней нам могут открыть только радиоволны. Примерно до z=20 материя во Вселенной была полностью нейтральной, потом первые звезды и квазары начали ионизировать окружающий их газ. Эпоха реионизации длилась согласно моделям, построенным по данным WMAP, примерно до z=7 (рис.10). Из-за уменьшения величины областей с нейтральным водородом НI (рис.11) возник набор радиолиний НI, который в соответственно смещенной в красную сторону линии НI (от 70 до 200 МГц) можно обнаружить как вариации радиоизлучения на масштабах в несколько угловых минут. Начало и длительность эпохи реионизации все же не точны. Эти измерения послужат критическим тестом для космологических моделей, обсуждаемых сегодня. Рис. 11. Смоделированное распределение газа в эпоху реионизации при красных смещениях z=12.1, 9.2 и 7.6. Нейтральный газ НI показан светлым, ионизированный - темным цветом. Галактики возникают предположительно из волокон НI, обычно остающихся после этой эпохи.
LOFAR еще до вступления в строй SKA будет искать сигналы из эпохи
реионизации. Чувствительность LOFAR все-таки недостаточна для прямого
наблюдения флуктуаций, будет учитываться статистика по многим областям
на небе. Если это удастся, то велика вероятность, что SKA сможет получить
прямые снимки ранней Вселенной, аналогично показанным на рис.11.
Должны быть и самые сильные сигналы из эпохи реионизации при z=15,
т.е в УКВ диапазоне, но они могут быть измерены только с помощью SKA.
Сегодня в нашем Млечном пути известно около 1800 пульсаров. SKA сможет обнаружить 20000 пульсаров в нашей Галактике (рис.12) и несколько сотен в других галактиках. Рис. 12. С помощью SKA ожидается открытие более 20 000 пульсаров в нашем Млечном пути. На этой модели они показаны синими точками, в проекции на плоскость Галактики. Желтым обозначены известные на сегодня пульсары. Несколько тысяч из них будут миллисекундные пульсары, это наиболее точные "часы" во Вселенной (относительная точность 10-14). С их помощью образуется гигантская сеть часов, которая регистрирует каждое незначительное изменение, например, прохождение гравитационной волны. "Пульсарная сеть" SKA (рис.13) может доказать существование экстремально длинных гравитационных волн с частотами от 10-8 до 10-5 Гц и идеально дополнить запланированные спутниковые эксперименты LISA и LIGO для обнаружения более коротких гравитационных волн (от 10-5 до 10-3 Гц). Длинные гравитационные волны могут излучаться стрингами в ранней Вселенной или при объединении двух сверхмассивных черных дыр. До сих пор были открыты одна пара пульсар-пульсар и семь пар пульсар-нейтронная звезда, но ни одного пульсара, вращающегося вокруг черной дыры (рис.14). Такие пары крайне редки, но есть надежда, что среди 20000 пульсаров, которые будут обнаружены SKA, они найдутся. Открытие такой пары - мечта каждого астронома, так как это лаборатория, изучающая физические процессы в экстремальных условиях, которые никогда не могут быть созданы на Земле. Важнейшее приложение - это проверка Общей Теории Относительности Эйнштейна и альтернативных теорий гравитации при максимально искривленном пространстве (см., напр.[1]). ОТО блестяще подтвердилась во всех предыдущих экспериментах (прежде всего с помощью пульсаров, отмеченных Нобелевской премией). Несмотря на это, ее пригодность для максимально искривленного пространства еще не доказана, и не исключены сюрпризы.
Магнетизм - одна из фундаментальных сил во Вселенной, но мы еще очень мало знаем о его значении, например, при образовании звезд и галактик. Измерениями линейно поляризованного излучения на 100-метровом радиотелескопе в Эффельсберге и на других инструментах обнаружено существование магнитных полей в нашей Галактике и почти во всех других галактиках [2]. Спиральная структура магнитных силовых линий (рис.15) может быть объяснена усилением поля посредством динамо-эффекта. Но динамо-эффект требует во всех случаях начального магнитного поля, которое должно возникнуть при образовании протогалактик или еще ранее.
Рис. 15. Магнитные поля в спиральной галактике М51, комбинация из
измерений на волне
Рис. 16. Модель видимых SKA линейно поляризованных источников
(белые точки) позади туманности Андромеды (М31). Для каждого источника нужно
измерить фарадеевское вращение в М31, тем самым вычислить детальную структуру
магнитного поля в туманности. Цветная фоновая картинка - это комбинация
излучения М31 в радиоконтинууме, измеренного 100-метровым радиотелескопом
в Эффельсберге на волне
Протопланетные диски можно обнаружить с помощью SKA по тепловому радиоизлучению пыли на высоких частотах (от 10 до 25 ГГц). Пылевые частички размером до 1 мм - это объекты исследования для телескопа ALMA, SKA из-за более длинных волн доступны частицы сантиметровой величины. Диски с высокой плотностью, которые непрозрачны для ALMA, может обнаружить SKA. Решающее преимущество SKA по сравнению с ALMA - это все же в сто раз лучшее угловое разрешение. На 20 ГГц SKA , например, покажет на дисках, удаленных от нас на расстояние 300 световых лет, еще и детали размером 0.1 а.е. Тем самым можно будет пронаблюдать и возможные кольцевые пустоты, которые образуются в "протоблинах" из-за рождения протопланет (рис.17), похожих на Землю, причем в деталях [14].
Рис. 17. Из-за протопланет, которые отсасывают материал вблизи своей
орбиты, возникают пустоты в протопланетных "блинах".
В перекрываемом SKA частотном диапазоне известны сотни молекулярных линий
из межзвездной среды или звездных оболочек, причем более 30 органических
молекул. Многие кандидаты в "первокирпичики" жизни, как аминокислоты и сложные
углеводороды, могут быть исследованы с помощью SKA.
К этому ключевому проекту относится и проблема поиска внеземных
цивилизаций SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence).
Радиодиапазон между 1 и 10 ГГц оптимален для поиска искусственных
радиосигналов, так как там наиболее слаб уровень естественного шума.
Астрономическое наблюдение можно описать фазовым пространством параметров: длина волны, угловое разрешение, временное разрешение, спектральное разрешение, поляризация. Почти каждое расширение этого фазового пространства с помощью телескопа нового вида или с более высокой чувствительностью открывает новый феномен, который прежде не был известен и, в большинстве случаев, не был теоретически предсказан [6]. В радиодиапазоне к ним относятся микроволновое фоновое излучение, радиогалактики, струи, пульсары и гравитационные волны. Таких открытий с нетерпением ожидают в наблюдательной астрономии, это стимул для разработки новых телескопов. Нобелевские премии зовут!
SKA станет событием большого значения для всей астрономии. Для других больших проектов в области оптической астрономии (OWL, ELT, см. специальный выпуск SuW N3/2003 "Новые телескопы Европы") и рентгеновской астрономии (например, Xeus), которые заглянут на такие же далекие расстояния, SKA станет прекрасным дополнением, так как Космос познается только через наблюдения во всех возможных диапазонах. Представленные здесь ключевые научные проекты затрагива |