 |
Астронет: А. В. Тунцов/ГАИШ "Радиоастрон" готовится к первым наблюдениям http://variable-stars.ru/db/msg/1253311 |
"Радиоастрон" готовится к первым наблюдениям16.08.2011 14:32 | А. В. Тунцов/ГАИШ, Москва
Вот уже почти месяц специалисты Астрокосмического центра ФИАН, НПО им. Лавочкина и других российских космических служб продолжают испытывать космический аппарат "Спектр-Р" проекта наземно-космического радиоинтерферометра "Радиоастрон". Обсерваторию готовят к научной работе. Спутник уже успел совершить три витка вокруг Земли по необычно вытянутой, почти до Луны, орбите. И каждый день, по два раза в сутки, на орбиту отправляют технические команды и принимают c неё отчёты о проделанной работе.
Пока всё идёт нормально, хотя учёным и инженерам и приходилось понервничать.
Что происходит с "Радиоастроном"
Самым волнующим моментом стало развёртывание "бутона" десятиметровой антенны радиотелескопа, назначенное на 22 июля. Сделать что-то подобное на орбите для антенн такого размера с реализованной у "Спектр-Р" высокой точностью поверхности пока не удавалось никому (по крайней мере, для несекретных спутников). А потому специалисты с замиранием сердца следили, как эта операция, которую не раз репетировали в цехах космических заводов, пройдёт в космосе. Как говорят участники проекта, раскрылся бутон практически полностью по первой команде утром 22 июля, уложившись в положенные по программе 12 минут. Однако раскрыть лепестки на все 100% и зафиксировать их в жёсткую конструкцию с первого раза не удалось. Ночь с 22 на 23 июля инженеры дожидались равномерного прогрева основания конструкции под лучами Солнца, и лишь к утру пресс-служба НПО им. Лавочкина успокоила причастных и сочувствующих: всё - включая специальные защёлки на краях 27 элементов антенны встало на свои места. У российских астрономов и их зарубежных коллег появился 10-метровый космический радиотелескоп.
Следующие несколько дней инженеры посвятили запуску и тестированию систем связи и синхронизации "Радиоастрона" с Землёй. До тех пор, пока связь не налажена, даже раскрытая антенна это несомненное чудо инженерной мысли, которым можно и нужно гордиться, но никак не обсерватория. Поэтому уже 25 июля специалисты центра начали готовить к работе полутораметровую антенну, по которой Радиоастрон будет передавать на Землю результаты своих наблюдений - часть так называемого ВысокоИнформативного РадиоКомплекса (ВИРК). Опять же, пока всё идёт в соответствии с программой полёта - все положенные системы включились и прошли проверку.
А в субботу, 13 августа, состоялся первый сеанс связи со станцией слежения в подмосковном Пущине, которая поначалу примет на себя весь поток научной информации. Во время этого сеанса была проверена работа части так называемой петли синхронизации для измерения параметров орбиты космического аппарата с помощью эффекта Доплера. С борта на станцию в Пущино был послан узкополосный тоновый сигнал на частоте около 8 ГГц. По информации от главного конструктора проекта в НПО им. Лавочкина Владимира Евгеньевича Бабышкина, первый тест прошел успешно.
Не менее важно было включить водородный стандарт частоты - один из двух (для пущей надёжности) массивных "баллонов-бочек" под основной антенной. Включение стандарта и первые проверки также прошли "на ура". Именно эти атомные часы и позволят без лишних хлопот наделить космическую антенну (в интерферометрическом тандеме с какой-нибудь земной обсерваторией) разрешающей силой исполинского телескопа, который как бы раскинулся от Земли до Луны. Вряд ли такой телескоп когда-то будет создан, но данных, соответствующих этому масштабу углового разрешения, учёные ждут от "Радиоастрона" уже до конца этого года - работа в режиме интерферометра входит в программу научной приёмки обсерватории, которая должна завершиться в течение нескольких месяцев.
По словам ответственного за раннюю научную программу Радиоастрона старшего научного сотрудника ФИАН Юрия Юрьевича Ковалёва, эти наблюдения уже предварительно запланированы. В них примут участие наземные радиотелескопы из России (система 32-метровых телескопов "Квазар" Института прикладной астрономии РАН), Италии (Медичина и Ното), Германии (100-метровое зеркало в Эффельсберге) и США (100-метровый GBT в Грин-Бэнк и 300-метровое зеркало в Аресибо).
"После успешного детектирования лепестков диаграммы направленности - это очень важный результат, означающий появление действующего наземно-космического интерферометра 'Радиоастрон', - будем переходить к науке, к ранней научной программе", - объяснил Ю.Ю. Ковалёв.
Теперь предстоит юстировка - нужно окончательно выверить взаимное положение радиотелескопа и системы ориентации спутниковой платформы, к которой жёстко прикреплена обсерватория. Предполагается закончить этот этап в течение пары месяцев, наблюдая несколько стандартных радиоисточников на всех доступных для наблюдений длинах волн. Одновременно прояснится и острота "зрения" радиоантенны, а также её чувствительность. После этого можно будет начинать уже первые интерферометрические наблюдения.
Что и как сможет "Радиоастрон"
Учёные планируют использовать космическую обсерваторию, чтобы в небывалых прежде подробностях рассмотреть процессы, которые происходят в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр в центрах далёких и близких галактик и различить мельчайшие детали их магнитного поля. Они намерены разобраться в том, как в наши дни из разреженного газа образуются планеты и звёзды, и даже определить, из чего, наконец, состоит наша Вселенная, точнейшим образом измеряя расстояния до внегалактических объектов и их размеры. Кроме того, "Радиоастрон" поможет исследовать структуру плазмы, заполняющей нашу Солнечную систему и пространство между звёздами и галактиками, и уточнит глобальную систему координат. Он даже проверит современную теорию тяготения, Общую теорию относительности Эйнштейна, на расстояниях, которые прежде были недоступны для точных измерений.
Чтобы решить все эти задачи, телескоп готов наблюдать небо в четырёх диапазонах радиоволн - с длиной волны в 92, 18, 6,2 и 1,4 см, в каждом диапазоне - по два ортогональных направления круговой поляризации. Разработкой и изготовлением сверхчувствительных приёмников занимались не только отечественные учёные и инженеры, но и специалисты из Австралии, Германии, Индии, Нидерландов, США, и Финляндии, а Швейцария изготовила один из бортовых стандартов частоты. Всё это делает "Радиоастрон" по-настоящему международной обсерваторией. Правда, за четверть века, что прошли с начала работы над проектом, приёмники на 6 и 1,4 см успели устареть, и их пришлось заменить новыми. В конечном итоге вместо них в космос отправились созданные при участии американцев российские приёмники одни из самых современных и совершенных в мире на данный момент. Широкополосный малошумящий усилитель диапазона 1,2-1,9 см для "Спектра-Р" был создан в Национальной радиоастрономическойоОбсерватории США; такой же стоял на борту спутника WMAP.
Научные задачи есть для каждого из четырёх радиодиапазонов. Однако наиболее интересных, прорывных результатов - не в обиду другим диапазонам - учёные ждут именно от самого коротковолнового приёмника. Дело в том, что угловое разрешение интерферометра тем выше, чем больше расстояние между его самыми удалёнными элементами и чем меньше длина волны, на которой он работает. С первым инженеры постарались на славу, отправив "Радиоастрон" на орбиту высотой до 350 тысяч километров, которая ещё и слегка подрастёт за время работы миссии. А самую короткую длину волны обеспечивает именно российско-американский широкополосный приёмник на длине волны в 1,4 см и её окрестностях - на языке радиоастрономов это называется K-диапазон. K-приёмник "Радиоастрона" на самом деле сам может работать на восьми разных длинах волн, от 1,19 до 1,63 см, и каждый - в двух круговых поляризациях. Их можно включать одновременно произвольными парами.
Именно на самых коротких длинах волн можно достичь предельного разрешения, которое составит около 7 угловых микросекунд. Это в три раза меньше, чем диаметр сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики, так что "Радиоастрон", в принципе, способен разглядеть детали её поверхности! Впрочем, изображение нашей дыры в сантиметровом диапазоне может оказаться сильно замытым неоднородностями межзвёздной плазмы, поэтому астрономы пока возлагают большие надежды на чёрную дыру в центре гигантской эллиптической галактики М87 в скоплении Девы. Эта дыра в тысячу раз дальше, но и в тысячу раз крупнее, так что видимый диаметр её примерно такой же, а вот замыливание изображения в направлении Девы - не такое сильное.
Космическая криптография
Для получения самых подробный изображений телескоп "Радиоастрона" должен работать в интерферометрической паре с каким-нибудь наземным телескопом, а ещё лучше - несколькими. При этом наблюдения телескопов должны быть точнейшим образом синхронизованы. Интерферометрия в этом плане чем-то напоминает работу военных дешифровщиков прошлого века, которым приходилось сводить воедино сообщения, переданные противником в потоках ничего не значащих слов по двум разным каналам, когда один из каналов определяет, на какие слова обратить внимание в другом. Если дешифровщик сдвинет потоки друг относительно друга, никакого связного текста не получится, и пользы от такой дешифровки немного.
Телескоп передаёт свою часть космического послания на Землю на частоте 15 ГГц с помощью полутораметровой антенны ВИРК спутника, которую специально наводят на наземную станцию слежения. Одновременно с данными на другой несушей частоте, 8 ГГц передается сигнал от водородных часов на борту, и измерение параметров этого сигнала на Земле позволяет определить точную скорость движения спутника. Подобные атомные часы придётся использовать и всем наземным телескопам, которые будут участвовать в наблюдениях. В конечном итоге все части "шифровки" поступают в единый центр обработки данных, который способен справиться с одновременными наблюдениями сразу всех телескопов - одного космического и многих наземных. Желание участвовать в наблюдениях наземно-космического интерферометра уже выразили все крупнейшие радиотелескопы Северного полушария; большинство из них способны вести наблюдения в самом "лакомом" K-диапазоне.
В настоящий момент имеется только одна полностью оборудованная станция слежения, которая использует 22-метровый радиотелескоп Пущинской радиоастрономической обсерватории, оснащенный необходимым дорогостоящим оборудованием. Но Земля - круглая и вертится, а потому эта единственная станция слежения неспособна загрузить телескоп работой в непрерывном режиме. В то же время объём информации, которая снимается с приёмников в интерферометрическом режиме, столь велик, что хранить её на спутнике на потом и передавать во время сеансов связи не получится. Канал и так работает на пределе возможностей: передавать 144 МБ/с с расстояния в 350 тысяч километров в непрерывном режиме очень непросто.
Другие станции слежения
Для максимальной эффективности интерферометра, необходимо как минимум три подобных станции - в дополнение к Пущинской, нужно по станции в Южном и Западном полушариях Земли. При этом Роскосмос выделили необходимые средства на еще два комплекта необходимого оборудования. Наличие дополнительных станций дало бы астрономам возможность вести интерферометрические наблюдения почти непрерывно и подолгу копить информацию. При использовании самых удалённых друг от друга наземных телескопов наблюдениям мешает сама планета - пока на одном конце Земли объект едва показался из-за горизонта, на другом он уже заходит за её тело.
По словам Ю.Ю. Ковалёва, "история со станциями слежения, или сбора научной информации, для проекта Радиоастрон давняя и, как это ни странно звучит, достаточно успешная". Мало кто знает, но "именно - и только - для Радиоастрона при поддержке академика Сахарова в своё время удалось пробить серьезное финансирование станций слежения в NASA". Национальное аэрокосмическое агентство выделило около $100 млн на наземную поддержку Радиоастрона, и были созданы несколько станций - в частности, в США и Австралии.
"А дальше произошло то, о чем все знают. Развал Советского Союза и общий коллапс экономической ситуации в России привел к значительной задержке проекта", - говорит Ю.Ю. Ковалёв - "В результате, казалось бы, NASA выкинуло деньги на ветер? Ничего подобного! Все это было использовано, и успешно, для наземно-космического интерферометра японского проекта VSOP/Halca".
Пояснил он и текущую ситуацию: "Да, действительно, для наиболее эффективного использования 'Спектра-Р' необходимо три станции слежения: в дополнение к Пущинской хотелось бы иметь одну в Западном полушарии и одну в Южном. Активные работы в этом направлении ведутся давно, но успешно закончить их до запуска не удалось. Вопрос международных договоренностей - всегда политический, поэтому подробности мы сможем рассказать только по окончании переговоров. Могу только сказать, что у нас есть несколько реальных вариантов и есть причины надеяться, что в скором времени дорогостоящая электроника для станций слежения, разработанная и произведенная в России, будет использоваться для сбора научной информации со 'Спектра-Р' и за пределами нашей страны".
При этом ответственный за раннюю научную программу "Радиоастрона" специалист подчеркнул, что "высокоэллиптическая орбита спутника с апогеем в Северном полушарии и периодом 9 суток устроена так, что, как показывает компьютерное моделирование, даже единственная на сегодня станция слежения в Пущино позволит нам успешно провести раннюю научную программу".
Дальше - больше
Этап лётных испытаний Радиоастрона продлится примерно до конца 2011 года и плавно перейдёт в фазу сбора первой научной информации. Она будет интересна как инженерам для - проверки работы всех систем космической обсерватории, так и астрономам, которые уже тогда начнут получать данные небывалого прежде качества. Эта фаза продлится примерно один год. После этого телескоп начнёт работать по ключевым научным программам, а в оставшееся время попробовать загрузить уникальный телескоп своими задачами смогут все желающие - лишь бы предложения были по-настоящему привлекательны с научной точки зрения.
Минимальный ожидаемый срок работы спутниковой платформы, на которой установлен космический радиотелескоп, составляет пять лет, хотя сам телескоп способен проработать и дольше. Впрочем, аппарат будет часто попадать в радиационные пояса Земли, и как это отразится на его здоровье, пока никто не знает - просто потому, что подобного опыта у специалистов до сих пор не было. Орбита "Спектра-Р" тем временем будет меняться под влиянием притяжения Луны, плавно эволюционируя в пространстве. Это сделано намеренно, чтобы позволить телескопу пронаблюдать с предельным разрешением всё новые и новые объекты на небе; за время работы ему окажутся доступны около 80% небесной сферы. По расчётам специалистов по небесной механике, орбита должна остаться устойчивой (то есть не врежется в Землю) в ближайшие 9 лет.
Что обнаружит "Радиоастрон" за это время, какие открытия сделает, какие задачи решит, и какие новые вопросы поставит перед учёными пока никто предсказать не может. В том спектре чувств, которые ощущаются сейчас в настроении специалистов АКЦ ФИАН, с радостью от долгожданного запуска может сравниться лишь предвкушение чего-то неясного и нового, что должен принести Радиоастрон. Будут загадки, и будут трудности, и будет очень много работы - именно ради этого всё и затевалось в 80-х годах прошлого века.
Тем временем, у создателей "Радиоастрона" в работе новый проект - космический интерферометр "Миллиметрон". Как и следует из его названия, он замахивается на миллиметровый диапазон, что потребует раскрытия в космосе зеркала, сработанного с микронной точностью. По своим характеристикам он будет значительно превосходить летающий в настоящее время и очень успешный европейский проект Herschel. Вывести его планируется гораздо дальше Луны в одну из точек Лагранжа, в которой "Миллиметрон" будет сопровождать Землю в её движении вокруг Солнца на расстоянии в миллион с лишним километров. Запуск этого аппарата - скорее всего, дело уже следующего десятилетия.