Телескоп в полтора миллиона километров

Проекты «Радиоастрон» и «Миллиметрон»: как они устроены и для чего нужны
История: случайность, энтузиазм и Нобелевская премия
Как это работает: волны, антенны и главные характеристики
Радиоинтерферометр: телескопы, размеры и расстояния
«Радиоастрон»: пульсары, мазеры и квазары
«Миллиметрон»: лепестки, холод и точка Лагранжа
Научные задачи: тени чёрных дыр, внеземная жизнь и первые звёзды
Вячеслав Авдеев    

Современный телескоп — не всегда большая труба со стеклянными линзами. Это может быть антенна, улавливающая радиоволны из далёких галактик. И она не обязательно должна стоять на земле: из космоса вести наблюдения удобнее. Семь лет назад начал работать проект «Радиоастрон» — одна из самых крупных и удачных космических миссий России в области науки. Ему на смену может прийти ещё более продвинутая программа «Миллиметрон». Мы попросили сотрудника ФИАН Вячеслава Авдеева, который участвует в создании нового космического радиотелескопа, написать для нас статью. И вот что у него получилось.

История: случайность, энтузиазм и Нобелевская премия

История науки знает много примеров, когда открытия, перевернувшие представления человечества о мироздании, совершались почти случайно, в ходе рутинной работы. Так было и с радиоастрономией. Существование радиоволн предсказал ещё Джеймс Максвелл во второй половине XIX века, а открыл чуть позже Генрих Герц. В начале ХХ века предпринимались даже попытки поискать радиоизлучение Солнца, но они не увенчались успехом: приёмникам того времени не хватало чувствительности.

Вячеслав Авдеев
младший научный сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН)

Открытие случилось там, где его совсем не ждали. В начале 1930-х годов компания Bell Telephone Labs поручила молодому инженеру Карлу Янскому найти источник помех, возникающих при сеансах радиовещания через Атлантику. Янский создал самую чувствительную на тот момент радиоантенну и после нескольких месяцев наблюдений за небом смог выделить основные источники шумов. Большую часть помех давали грозы, близкие и далёкие.

Но вот другой источник определить никак не удавалось. Его интенсивность была непостоянной: она то росла, то уменьшалась с периодом в сутки. Сначала Янский подумал на Солнце. Однако после долгих месяцев исследований он заметил, что сутки были не солнечные, в 24 часа, а звёздные — 23 часа 56 минут и 4 секунды. Значит, Солнцем тут ни при чём.

И пришлось инженеру искать странный источник помех, обложившись астрономическими картами. Оказалось, что помехи исходят из созвездия Стрельца, а точнее, из центра Галактики. Это открытие осталось почти незамеченным. Компания Bell не желала тратить деньги на исследования загадочного космического радиоизлучения, и Янскому пришлось свернуть работу.

Карл Янский

Пожалуй, всерьёз открытием космического радиоизлучения заинтересовался в середине 1930-х годов всего один человек — Ребер Гроут. Будучи заядлым радиолюбителем, он построил на заднем дворе своего дома первый в мире полноценный радиотелескоп. Это была параболическая антенна диаметром 9,5 метра.

В 1944 году Гроут опубликовал первую радиокарту неба на частоте 160 МГц. Кроме максимума излучения в созвездии Стрельца он обнаружил локальные максимумы в созвездиях Лебедя, Кассиопеи, Большого Пса и Кормы. А также сообщил об обнаружении солнечного радиоизлучения.

Пусть не сразу, но Гроут всё-таки смог привлечь внимание астрофизиков к космическим радиоисточникам. После Второй мировой войны во многих странах были запущены исследовательские программы в области радиоастрономии и построены большие, в десятки метров, радиотелескопы. Новые открытия не заставили себя долго ждать. В конце 50-х обнаружили первые квазары, а в 1965-м Арно Пензиас и Роберт Вудроу Вильсон опять же случайно открыли реликтовое излучение, предсказанное теорией Большого взрыва, за что в 1978 году получили Нобелевскую премию по физике.

Первый радиотелескоп Карла Янского, 30-е годы XX века
Гроут Ребер

Как это работает: волны, антенны и главные характеристики

Пару слов о радиоволнах. Это электромагнитные колебания, как и видимый свет, ультрафиолет или рентген. Когда в глаз попадает свет с длиной волны примерно 550 нанометров, мы воспринимаем его как зелёный, если длина волны будет больше, цвет покажется более жёлтым или красным. Дальнейшее увеличение превратит свет из видимого в инфракрасный, который мы уже не видим, но воспринимаем кожей как тепло. Длины волн радио ещё больше, чем в инфракрасном диапазоне, и мы используем их, например, для связи на больших расстояниях.

В простейшем случае, чтобы поймать радиоволну, нужна приёмная антенна, в которой при попадании сигнала возникает переменный ток. Этот ток уже можно измерить и, скажем, преобразовать во что-то нужное нам — скажем, в звук, если мы хотим послушать радио.

Многие представляют себе радиотелескоп как подобие спутниковой тарелки, только очень большое. Это и правда довольно распространённый тип радиотелескопа, но далеко не единственный. По принципу действия он похож на зеркальный оптический телескоп. Роль зеркала выполняет тарелка-рефлектор, задача которой — собрать поток излучения и направить его в фокус. Там устанавливается облучатель — устройство, передающее принятую энергию на приёмники.

Ранние радиотелескопы по принципу действия чаще походили на ухо, чем на глаз. Они не строили непосредственно изображение, а лишь измеряли энергию излучения с нужного направления. Для построения картинки источника радиотелескоп должен был мерить поток его излучения в каждой точке. Правда, радиоухо можно превратить в радиоглаз просто поставив в фокус матричный приёмник.

Существуют и другие схемы радиотелескопов, например синфазные антенны, или, как их ещё называют, антенные решётки. Они состоят из множества отдельных элементов, которые принимают радиосигнал и направляют его в приёмник. Причём это нужно сделать так, чтобы радиоволны оказались на входе в приёмник одновременно. Похожим образом работает оптическая линза. Она собирает в фокус попавшие на неё под прямым углом лучи.

Среди множества параметров любых телескопов самые важные — это чувствительность и разрешающая способность. Чем выше чувствительность инструмента, тем более тусклые объекты он сможет зарегистрировать, использовав самый крупный по площади объектив: зеркало, линзу, параболическую антенну или зрачок глаза. Именно поэтому у ночных животных такие большие глаза.

Другое дело, если мы хотим рассмотреть мелкие детали объекта. Способность инструмента давать раздельные изображения двух близких точек называется разрешающей способностью. Она зависит от диаметра объектива и длины волны, на которой ведутся наблюдения. Чем больше диаметр и меньше длина волны, тем лучше разрешающая способность. Вот поэтому современные телескопы стараются делать как можно большего диаметра.

Увы, но делать радиоантенны бесконечно большими тоже не получится: чересчур громоздкие конструкции будут деформироваться под собственным весом или при порывах ветра. Выход нашли довольно быстро.

Антенна радиотелескопа «Спектр-Р», входящего в проект «Радио- астрон». Проверка в земных условиях.

Радиоинтерферометр: телескопы, размеры и расстояния

Представим ситуацию: мы хотим рассмотреть в хорошем разрешении довольно яркий объект. В этом случае можно пожертвовать чувствительностью — объект всё равно будет виден. Мысленно возьмём параболическую антенну и вырежем из неё кольцо, соответствующее максимальному диаметру. Такое кольцо будет фиксировать только относительно яркие источники, ведь у него маленькая площадь поверхности. Эта конструкция хоть и не заменит полноценную антенну эквивалентного размера по качеству получаемого изображения, но даст сравнимое с ней разрешение.

Такие кольца действительно существуют — например, радиотелескоп Специальной астрофизической обсерватории РАТАН-600 на Кавказе. Это составленный из отдельных щитов круг диаметром 576 метров. Он настолько огромен, что внутри вполне могло бы разместиться небольшое поселение.

Но давайте продолжим наш мысленный эксперимент. Представьте, что мы вырезали из кольца два элемента — максимально удалённые друг от друга. Если двумя получившимися радиотелескопами одновременно наблюдать один и тот же источник на небе, разрешение получится как у телескопа, диаметр которого равен расстоянию между выбранными элементами. Это расстояние между инструментами называется базой.

Правда, разрешение будет высоким только в одном направлении, которое определяется линией, проходящей через оба телескопа. Но и это не проблема: если источник светит более-менее постоянно, можно подождать, пока наша планета сделает пол-оборота и линия соединения телескопов также совершит пол-оборота по отношению к небу. Кольцо замкнётся.

На самом деле, чтобы получить изображение приемлемого качества, двух телескопов недостаточно. Наше кольцо способно видеть только очень маленькие детали, не замечая крупных. Это как если бы мы, разглядывая старую фотографию, видели бы только зёрна фотоэмульсии. Но выход есть: больше телескопов! Тогда с помощью вращения Земли мы получим уже не кольцо, а подобие виртуальной антенны. И чем больше телескопов мы задействуем в наблюдении, тем эффективнее будет виртуальная антенна. В идеале можно получить качество изображения почти как у настоящей антенны со сплошной поверхностью без дырок и вырезов.

Примерно по такому принципу работает радиоинтерферометр. У астрономов появилась возможность значительно повысить разрешение. Причём одновременно на источник излучения могут смотреть не два, а гораздо больше телескопов.

В 1965 году советские учёные Леонид Матвеенко, Николай Кардашёв, Геннадий Шоломицкий предложили независимо регистрировать данные на каждой антенне, а потом совместно их обрабатывать с помощью компьютера. Это позволило увеличить расстояния между антеннами до масштаба материков. Уже с 70-х годов все крупные радиотелескопы объединены в сеть для постоянных совместных наблюдений.

Этот метод получил название «радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ)». Он обеспечивает разрешение, сравнимое с тем, которое дал бы радиотелескоп размером с нашу планету. Но не больше. Поэтому единственный способ сделать радиоинтерферометр «глазастее» — это запустить одну из антенн в космос.

Антенна для проекта «Миллиметрон». Хотя дата запуска ещё не определена, учёные и инженеры сделали очень много.

«Радиоастрон»: пульсары, мазеры и квазары

В июле 2011 года в рамках миссии «Радиоастрон» в космос отправилась российская космическая обсерватория «Спектр-Р». Разработка проекта началась ещё в 1980-х, но вот реализовать его удалось только спустя 30 лет. Радиотелескоп работает уже более 7 лет, что делает его одним из самых долгоживущих аппаратов в истории отечественной космонавтики.

«Спектр-Р» — это космический радиотелескоп диаметром 10 метров. Он даже попал в Книгу рекордов Гиннесса как самый большой аппарат в своём классе. Но наблюдает он, конечно, не один. В рамках наземно-космического интерферометра одновременно с ним работают ещё десятки радиотелескопов в России, Европе, США, Австралии, Южной Корее и Китае.

Все данные, которые «Спектр-Р» передаёт на Землю, вместе с данными остальных телескопов, участвующих в наблюдении, попадают в центр корреляции, где их обрабатывают и анализируют. Таких центров несколько, главный — в Астрокосмическом центре ФИАН в Москве.

Радиотелескоп миссии «Радиоастрон». Уже летает.

«Радиоастрон» вращается вокруг Земли по вытянутой орбите, то приближаясь до расстояния в 600 километров, то отдаляясь до 350 тысяч. Таким образом достигается беспрецедентное угловое разрешение в 7,5 микросекунды дуги — это, как если бы мы видели черешню, находящуюся от нас на том же расстоянии, что и Луна.

«Радиоастрон» специализируется на трёх типах космических объектов. Во-первых, это пульсары — источники периодических импульсов излучения, связанные с нейтронными звёздами. Во-вторых, космические мазеры — по способу излучать эти источники похожи на лазеры, но светят не в оптическом диапазоне, а в радио-. Мазеры могут возникать в областях звёздообразования, в атмосферах старых звёзд-гигантов и даже в дисках вокруг сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. А в-третьих, квазары — ярчайшие радиоисточники, связанные с активными ядрами галактик и опять же со сверхмассивными чёрными дырами.

Наблюдения этих объектов в рамках миссии «Радиоастрон» принесли новые, порой весьма неожиданные результаты. Например, была открыта так называемая субструктура рассеяния пульсара. Это явление чем-то напоминает рябь на воде или дрожание воздуха над нагретым асфальтом и, по всей видимости, связанно с динамикой межзвёздной среды. Из-за него вместо одного большого, размытого рассеянием в межзвёздной среде пятна от пульсара наблюдается множество как бы отдельных его изображений. Опять же — как солнечные блики на волнах.

Также «Радиоастрон» обнаружил, что яркость большей части ядер активных галактик раз в десять интенсивнее, чем должна быть согласно теории. Так что наблюдатели опять подкинули работы теоретикам. В дальнейшем открытий будет ещё больше, ведь с апреля 2018 года значительная часть обработанных данных доступна для всеобщего пользования.

«Миллиметрон»: лепестки, холод и точка Лагранжа

Благодаря «Радиоастрону» российские инженеры и учёные получили огромный опыт в создании больших космических телескопов. И сейчас полным ходом идёт разработка космического телескопа нового поколения «Миллиметрон». Проект частично продолжает идеи, заложенные в «Радиоастроне», но во многом это совершенно иной инструмент.

Он будет изучать Вселенную в диапазоне длин волн от дальнего инфракрасного до миллиметрового. Диапазон выбран не случайно: ответы на самые интригующие вопросы современной астрофизики находятся, по всей вероятности, именно здесь.

Космический радиотелескоп, входящий в проект «Миллиметрон». Ждём, когда полетит.

Пожалуй, самый примечательный элемент конструкции «Миллиметрона» — его 10-метровое главное зеркало. Ракет такого диаметра в ближайшее время не предвидится, поэтому, как и в случае с «Радиоастроном», зеркало состоит из отдельных раскладывающихся элементов. Конструкция напоминает цветок с 24 подвижными лепестками, которые в свою очередь состоят из нескольких отдельных панелей. Поскольку телескоп должен наблюдать в дальнем инфракрасном диапазоне, поворотные лепестки зеркала требуется выставить с точностью в 6 микрон (что на порядок меньше толщины человеческого волоса), причём прямо в космосе. Поэтому у каждого лепестка имеется адаптивная система, которая сможет раскрыть главное зеркало и подправить его положение, если что-то разладилось.

Другой важный элемент конструкции «Миллиметрона» — система охлаждения. Вернее, их там две: пассивная и активная. Пассивная — это целая система из теплозащитных экранов, диаметром до 20 метров. Однако их охлаждения телескопу недостаточно. Поэтому между теплозащитными экранами и зеркалом разместят криоэкран, который с помощью специальных теплопроводов и криомашин обеспечит температуру всего на 4,5 градуса выше абсолютного нуля. А некоторые части детекторов придётся охлаждать ещё сильнее — до 1–2 градусов по Кельвину.

Пунктом назначения для нового телескопа будет так называемая точка Лагранжа L2 в полутора миллионах километров от нас. Это одна из пяти точек неустойчивого равновесия, которое образуется в поле тяготения двух больших тел, вращающихся по почти круговым орбитам. Точка Лагранжа находится как бы позади Земли на прямой, соединяющей Солнце и Землю.

Астрономы очень любят эту точку, потому что Солнце, Земля и Луна всегда находятся от неё по одну сторону. Правда, поскольку равновесие здесь неустойчивое, орбиту аппаратов нужно будет регулярно корректировать — для этого придётся везти с собой большой запас топлива.

Научные задачи: тени чёрных дыр, внеземная жизнь и первые звёзды

«Миллиметрон» будет работать в двух режимах: одиночном и совместном с земными установками.

В первом случае телескоп будет нацелен в основном на исследование холодного вещества, участвующего в образовании звёзд и планет. Также ему предстоит изучать многочисленные атомарные и молекулярные спектральные линии. Одна из основных задач — поиск в ядрах плотных молекулярных облаков пребиотиков. Так называются молекулы, которые могли бы стать основой для жизни, например аминокислоты. Обнаружение этих веществ в межзвёздной среде доказывало бы, что в галактиках есть универсальные условия для возникновения жизни по типу земной.

Интересной задачей будет поиск молекул воды в протопланетных дисках. Сейчас не совсем понятно, сколько воды образуется в так называемой зоне обитаемости изначально, а сколько попадает уже при миграции небесных тел из более холодных областей. В частности, мы до сих пор не знаем, как появилась вода на нашей планете.

Ещё «Миллиметрон» будет искать самые первые звёзды во Вселенной. Считается, что они образовались раньше галактик. Только это были не обычные звёзды, а гиганты массой в тысячи солнечных. Сейчас звёзд тяжелее 150 Солнц не существует, и виной тому химические элементы тяжелее водорода и гелия. Они ускоряют термоядерные реакции в недрах звёзд, из-за чего те светят ярче и при достижении некоторого порогового значения светимости просто разрывают себя излучением. Но в молодой Вселенной, когда тяжелее гелия ничего не было, звёзды были более тусклыми и могли вырасти до гораздо больших размеров. Обнаружение первых звёзд позволит ответить на многие вопросы современной астрофизики.

Не менее интересны задачи для режима совместной работы «Миллиметрона» с наземными телескопами. Имея базу наблюдений в 1,5 млн километров (фактически имея телескоп с таким диаметром), можно достичь разрешения менее одной микросекунды дуги, а это всё равно что увидеть с Земли зёрнышко гречки на Луне.

При такой разрешающей способности основной целью наблюдений станет изучение сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик. «Миллиметрон» сможет непосредственно наблюдать «тени чёрных дыр» — области, которые возникают, когда излучение от источников позади чёрной дыры искривляется в её сильном гравитационном поле. Размер и форма «тени» зависят от свойств дыры. Таким образом, у учёных появится возможность пощупать их, проверить теории и, быть может, обнаружить что-то новое.

Другая миссия — проверка гипотезы, согласно которой ядра некоторых галактик могут быть кротовыми норами, а не сверхмассивными чёрными дырами. Кротовая нора — это объект, теоретически предсказанный Общей теорией относительности ещё в начале ХХ века. Он состоит из двух входов — трёхмерных отверстий, соединённых туннелем, лежащим вне нашего пространства. Отверстия могут быть расположены очень далеко друг от друга, а длина коридора между ними, не исключено, окажется совсем небольшой. Теоретически отверстия-входы могут находиться даже в разных вселенных.

По своим проявлениям кротовые норы очень похожи на чёрные дыры. Но «Миллиметрон» сможет их различить, и вот как. Магнитное поле всегда имеет дипольную структуру, так что у любого магнита два полюса. Сколько человечество ни пыталось найти магнитный монополь — в космосе или на ускорителях частиц, — все попытки заканчивались ничем. А теперь представьте, что возле одного из отверстий кротовой норы будет установлен мощный источник магнитного поля. Тогда часть силовых линий неизбежно попадёт туда и пройдёт кротовую нору насквозь. И если мы с помощью «Миллиметрона» рассмотрим ядро галактики в хорошем разрешении и изучим магнитные поля, то обнаружим силовые линии, которые будут выходить из кротовой норы как монополь. Наличие магнитного поля с одним полюсом будет сильным аргументом в пользу кротовых нор. Это открытие означало бы переворот в современной астрофизике, доказывая существование принципиально новых объектов.

Космическая обсерватория «Миллиметрон» — международный проект. Она будет служить астрономам всего мира, помогая получать ответы на самые острые вопросы, которые стоят сегодня перед наукой. Но помимо решения фундаментальных задач у проекта есть ещё одна важная цель — развитие научно-технического потенциала нашей страны. Ведь создание такой сложной обсерватории требует огромного количества абсолютно новых технологий. Это и производство 10-метрового зеркала, и не имеющая аналогов система активного охлаждения, и создание интерферометра с базой в 1,5 млн километров, которая потребует колоссальной точности измерения времени… Многие из этих технологий, как уже неоднократно случалось, впоследствии найдут себе применение и в других областях человеческой деятельности.

Мне кажется, эта история не только про космос, но и про судьбу человеческую. Проект «Радиоастрон» начали ещё при Брежневе. Потом был Андропов, Черненко, Горбачёв, Ельцин, Путин… И всё это время разработчики не знали, когда же их детище отправят в космос. Вот лично вы могли бы так — годами работать над сложнейшим проектом, не понимая, запустят его при вашей жизни или нет? В этом мне видится героизм, жертвенность или как там это люди называют… Кстати, со сроками запуска «Миллиметрона» ясности тоже нет.

Источники

Спецномер научно-популярного журнала «Кот Шрёдингера», октябрь 2018

Иллюстрации

НПО С. А. Лавочкина. Фото из личного архива Вячеслава Авдеева / nrao.edu / iStock