Текст уведомления здесь

Самый «острый» взгляд на Вселенную

Почему космос лучше всего видно в радиодиапазоне

Как радиотелескопы помогли спасти данные зонда «Гюйгенс», каким образом можно использовать самый чувствительный радиотелескоп в мире для изучения далеких объектов во Вселенной и выращивания картошки одновременно, и как увлечь школьников астрофизикой при помощи ненужного в хозяйстве радиотелескопа.
Добавить в закладки
Комментарии

Астрофизики утверждают, что наблюдения в радиодиапазоне дают человеку самую детальную картину Вселенной. Это может показаться нелогичным, так как разрешение телескопа зависит от двух параметров: длины волны, на которой ведется наблюдение, и размера принимающей поверхности. Чем длина волны меньше, а зеркало телескопа больше, тем мельче детали, которые он сможет различить. В радиодиапазоне волны намного длиннее, чем, например, в оптическом: самые короткие волны измеряются в миллиметрах, а самые длинные — в километрах, в то время как в оптическом диапазоне речь идет о долях микрона. Поэтому если разрешение оптического телескопа легко превосходит возможности, например, человеческого глаза (достаточно посмотреть в бинокль, чтобы в этом убедиться), то антенна радиотелескопа, который «видел» бы так же четко, как глаз человека, должна быть огромной — 10—100 километров.


Радиотелескопы в Вестерборке, фото автора

Построить такой телескоп невозможно, но астрофизики нашли выход — метод радиоинтерферометрии. Он позволяет, собирая данные с разных радиотелескопов, обрабатывать их так, как будто это сигнал одного огромного телескопа. Исходную картину можно восстановить с высокой четкостью, если знать разницу во времени и частоте, с которой сигнал от одного и того же объекта улавливает каждый из телескопов. Разрешение при этом зависит от расстояния между отдельными телескопами. Если поставить их как можно дальше друг от друга, например на разных континентах, или даже вынести в космос, можно получить виртуальный радиотелескоп с очень высоким разрешением, которое на порядки превышает возможности человеческого глаза. Это называется радиоинтерферометрией со сверхдлинными базами, РСДБ или VLBI (Very Long Baseline Interferometry).

Идея такого интерферометра была предложена советскими учеными в первой половине 60-х годов прошлого века и впервые реализована американскими и канадскими радиоастрономами в 1967 году. В настоящее время почти все радиотелескопы мира объединены в сети РСДБ. Одна из них объединяет европейские радиотелескопы, и центр обработки данных этой сети находится в Объединенном европейском институте РСДБ (Joint Institute for VLBI in EuropeJIVE), неподалеку от поселка Двингелоо в Нидерландах.


Раритетное оборудование для астрономических вычислений, сейчас не используется. Фото автора

«Межпланетный GPS»

Высокое разрешение, которое дают сети РСДБ, позволяет с большой точностью определять положение в космосе радиоизлучающих объектов, например космических аппаратов. Для этого ученые используют эффект Допплеровского смещения частоты радиосигнала при движении объекта, который испускает сигнал, относительно наблюдателя. В шутку радиоастрономы говорят о «точности GPS во всей Солнечной системе».

Отметим, что в повседневной жизни человек имеет дело и с интерферометрией, и с эффектом Допплера. Первая позволяет нашему мозгу объединять оптические сигналы, принятые двумя глазами, и получать единую картинку. А эффектом Допплера объясняется повышение и понижение тона сирены автомобиля скорой помощи при приближении к слушателю и удалении от него, соответственно.

В JIVE методами РСДБ применительно к планетным исследованиям занимается интернациональная группа ученых под руководством Леонида Гурвица, в ее составе — Сергей Погребенко и Дмитрий Дуев, все трое — выпускники московских вузов. В 2005 году работа этой группы помогла «спасти» один из наиболее ценных экспериментов европейского зонда «Гюйгенс» во время его посадки на поверхность Титана. Этот эксперимент позволил измерить силу ветра на разных высотах в атмосфере Титана. Как полагают планетологи, Титан представляет собой «замороженную» копию Земли. Исследуя Титан сегодня, мы как бы заглядываем в далекое прошлое нашей планеты. Такие исследования важны, в частности, для понимания процессов формирования планет, в том числе и в других звездных системах, где может существовать жизнь. Благодаря РСДБ-сети ученые смогли улавливать с Земли сигналы «Гюйгенса» и определять его траекторию с точностью около одного километра. Сам аппарат при этом находился на расстоянии 1,2 млрд километров от Земли.


Дмитрий Дуев на фоне радиотелескопа, фото автора

Сейчас в JIVE идет обработка данных РСДБ-наблюдений европейского аппарата «Марс-Экспресс», который в 2010 и 2013 годах пролетел мимо спутника Марса Фобоса. С помощью радиотелескопов ученые следили за отклонением траектории «Марс-Экспресса» в гравитационном поле Фобоса. По этим отклонениям ученые могут сделать выводы о внутреннем строении небесного тела, а это, в свою очередь, может рассказать о том, как он сформировался. Есть гипотеза, что Фобос — это астероид, захваченный гравитационным полем Марса в начале существования Солнечной системы. Так ли это, можно будет судить по внутреннему строению спутника.


Современные диски с данными, фото автора

Европейский космический зонд «Гюйгенс» отправился в космос в 1997 году как меньший по размеру партнер и «пассажир» американского космического аппарата «Кассини». Почти через семь лет, в июле 2004 года, связка «Кассини — Гюйгенс» добралась до своей цели, системы планеты Сатурн. В конце 2004 года зонд «Гюйгенс» отделился от автоматической станции «Кассини» и начал автономный полет к Титану. 14 января 2005 года «Гюйгенс» вошел в атмосферу Титана и, опускаясь на его поверхность на парашюте, передавал на Землю через «Кассини» изображения поверхности Титана и данные физических измерений. Радиопередача с «Гюйгенса» велась на двух слегка разнесенных по частоте каналах. Один из них поддерживался сверхстабильными бортовыми осцилляторами, предназначенными для измерения скорости ветра. На «Гюйгенсе» радиоаппаратура этого канала работала штатно, а вот соответствующий приемник на «Кассини» оказался обесточенным из-за ошибки в командной последовательности, заложенной в бортовую аппаратуру управления. Казалось, что эксперимент потерян. Но здесь на помощь пришли наземные радиотелескопы, которые смогли «расслышать» сигнал «Гюйгенса», шедший на Землю с гигантского расстояния, на четыре порядка превышающего то, для которого были рассчитаны штатные радиосистемы проекта «Кассини-Гюйгенс». Несмотря на ничтожную интенсивность этого сигнала (наземные телескопы регистрировали всего 20 радиофотонов в секунду), его обработка, проведенная в JIVE, позволила провести «ветровой» эксперимент в полном объеме и даже превзойти его проектные характеристики.

Космос и картошка

В европейскую сеть РСДБ входит расположенный неподалеку от JIVE Вестерборкский радиотелескоп апертурного синтеза (WSRT), которым владеет Нидерландский радиоастрономический институт Астрон. Радиотелескоп состоит из четырнадцати 25-метровых параболических антенн — именно так мы обычно и представляем себе телескопы. Однако самые современные радиотелескопы выглядят совсем не так.

Несколько лет назад неподалеку от Вестербока был построен LOFAR (LOw Frequency ARray) — самый чувствительный на сегодняшний день радиотелескоп для наблюдений на низких (для радиоастрономии) частотах, от нескольких десятков до 300 мегагерц.

Центральная станция LOFAR представляет собой поле размером 320 гектаров, по которому — и это одно из обязательных условий государственного финансирования проекта — могут свободно разгуливать все желающие, за исключением крупного рогатого скота, от которого телескоп защищает небольшой ров по периметру.

На поле установлено множество шестов в метр высотой, от каждого из которых к земле тянутся по четыре непритязательных провода. Это — низкочастотные антенны телескопа. Работа на низких частотах позволит астрономам слушать Вселенную на частоте ниже 250 МГц, а значит, изучать в радиодиапазоне и наиболее древние ее объекты. Они являются одновременно и самыми удаленными от нас, потому что Вселенная расширяется. При этом волны, которые излучают космические тела, растягиваются, и чем дальше и древнее объект, тем ниже частота его излучения.


Антенны телескопа LOFAR, фото автора

Возраст Вселенной, по последним данным космического телескопа «Планк», оценивается в 13,82 млрд лет. С помощью LOFAR астрономы смогут наблюдать радиолинию нейтрального водорода космологической эпохи реионизации — времени появления первых звезд в промежутке от 300 тысяч до 1 млрд лет после Большого взрыва.

Водород — самый распространенный элемент во Вселенной, основная составляющая звезд и межзвездного вещества. В космосе он в основном существует в нейтральном состоянии: не будучи ионизирован излучением звезд, он ничего не излучает и невидим для телескопов. Так считалось до середины XX века, когда нидерландский студент Хендрик ван де Хюлст (Hendrik C. van de Hulst) предсказал существование радиолинии нейтрального водорода, которую радиоастрономы открыли 10 лет спустя. Нейтральный атомарный водород — это один атом, состоящий из ядра (протона) и электрона. Примерно раз в 11 млн лет электрон может спонтанно менять спин, излучая при этом квант с длиной волны 21,1 сантиметра. Несмотря на то что это происходит невообразимо редко, водорода во Вселенной так много, а существует она столь долго, что это излучение можно регистрировать и делать по нему выводы о распределении вещества во Вселенной на разных стадиях ее существования.

По принципу действия LOFAR похож на РСДБ-сеть. Антенны телескопа получают сигнал со всей небесной сферы одновременно. Чтобы «посмотреть» в определенную точку, астрономы вычисляют, с какой задержкой сигнал дойдет до каждой из антенн, и сопоставляют полученные данные. Поток данных со всех станций LOFAR составляет десятки гигабит в секунду. Кроме астрономических наблюдений практичные европейцы применяют LOFAR и для других целей. Например, инфраструктура передачи данных телескопа используется в сельском хозяйстве для сбора информации о температуре, влажности и других параметрах, важных для выращивания картошки, с датчиков, расположенных на картофельных полях.

Примерно через 10 лет LOFAR должен будет уступить звание самого чувствительного радиотелескопа другому, более совершенному инструменту, SKA (Square Kilometre Array), который строится в Африке и Австралии. LOFAR во многом служит для отработки необходимых для SKA технологий. После его постройки LOFAR будет демонтирован, а земля, аренда которой составляет большую часть стоимость проекта, вернется сельскому хозяйству.

Звук далекого пульсара

Из окон JIVE виден и еще один 25-метровый радиотелескоп, так называемый телескоп Двингелоо. Когда-то его рефлектор был самой большой полноповоротной антенной в мире. Но постепенно он стал сдавать свои позиции более совершенным радиотелескопам, и в 1996 году перестал использоваться как профессиональный инструмент. Его удалось спасти от сдачи в утиль, предоставив любителям и школьникам. Школьные экскурсии на телескопе проходят увлекательно. Здесь можно увидеть как раз ту астрономию, которая с развитием технологий уже становится историей: огромную антенну, кабину управления, в которую нужно подниматься по лесенке, старые приборы со множеством ручек и кнопок, машинное отделение с мотором для поворота антенны.


Телескоп Двингелоо уж не используется профессиональными астрономами, но доступен для любителей, фото автора

В этот раз на телескоп пришли две девочки со своим учителем для выполнения школьного исследовательского проекта — получения экспериментальных данных о пульсаре PSR B0329+54, по которым они должны были измерить расстояние до пульсара и оценить параметры его радиоизлучения. Когда школьники вводят в компьютер координаты пульсара, телескоп поворачивается вместе с кабиной управления, и все присутствующие могут услышать через динамики сигнал пульсара, напоминающий равномерный стук дятла. Данные наблюдений архивируются и становятся доступны всем желающим через специальный сайт.


Внутри кабины управления телескопом Двингелоо, фото автора

Экскурсии по телескопу Двингелоо проводит Пол Бовен (Paul Boven), в JIVE он разрабатывает и эксплуатирует цифровую электронику для радиоастрономических исследований, однако «домашний» телескоп находится в его ведении. Объясняя, что такое пульсары, он делает это так доходчиво, как только это может делать человек, очень хорошо разобравшийся в предмете. На вопрос: «Пол, вы астрофизик?» он отвечает: «Официально — нет».

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы