FAQ
FAQ: Радиотелескопы на Земле и в космосе
АНАТОЛИЙ ЗАСОВ
фактов о развитии радиоастрономии и будущем радиотелескопов.
Радиоастрономия получила бурное развитие в 50–70-е годы ХХ века, когда стало очевидным, что на небе находится много радиоисточников, в большинстве своем — неизвестной природы. С той поры для изучения космических радиоисточников начали строить инструменты с приёмными антеннами все большего и большего размера, и на сегодняшний день мы имеем целый ряд гигантских радиотелескопов, как правило, объединенных в системы радиоинтерферометров.
1. С радиотелескопами связана одна проблема — одиночные антенны, даже очень большие, не позволяют получать столь же резких изображений в радиолучах, какие, скажем, мы имеем на фотографиях, сделанных с помощью оптических телескопов. Поэтому антенны радиотелескопов стараются сделать как можно большего размера. Чем больше размер антенны, тем точнее можно определить координаты источника, больше узнать о его форме, структуре и других характеристиках. Сегодня работает целый ряд радиотелескопов с гигантскими параболическими чашами антенн. Список радиотелескопов с поворотными антеннами возглавляют два телескопа с чашами размером около 100 метров, это примерно как поле стадиона. Один из них был построен в Германии в 70-х годах около города Бонн, он так и называется — Боннский радиотелескоп; а другой телескоп — Гринбэнк в США.
2. Строить огромные радиотелескопы — технически очень сложная задача, ведь они должны иметь и сохранять при поворотах математически точную форму отражающей поверхности. В некоторых случаях при строительстве приходится учитывать даже кривизну поверхности земного шара на участке, где располагается телескоп. Самая большая в мире — трехсотметровая — чаша телескопа не поворачивается, а лежит на земле в естественной выемке. Этот гигант построен американцами на острове Пуэрто-Рико. На высоте 150 метров, то есть на высоте здания в 30 этажей, над чашей на стальных тросах подвешена платформа с приемниками излучения. Этот радиотелескоп может использоваться и как приемник радиоволн, и как передающая антенна.
3. Чтобы получать более резкие радиоизображения, радиотелескопы начали объединять в системы. Антенны могут находиться как на расстоянии нескольких десятках метров, так и нескольких тысячах километров друг от друга. Если они одновременно работают по одному источнику, то можно, применив определенные методы обработки, получить карту этого источника настолько же резкую, как если бы он наблюдался на радиотелескопе размером, равном расстоянию между антеннами. Такие системы называются радиоинтерферометрами. Далеко расположенные антенны позволяют реализовать угловое разрешение (то есть резкость картинки) в сотни раз лучшее, чем самые лучшие оптические телескопы. Так была преодолена самая большая проблема радиоастрономии — невозможность получить резкую радиокартинку с одиночного радиотелескопа из-за большой длины волны радиоволн.
4. Самый крупный телескоп на территории России — «Ратан-600», что расшифровывается как «радиотелескоп Академии Наук», цифра же 600 обозначает примерное значение диаметра антенны в метрах. Телескоп был построен в СССР ещё в 70-е годы. Его антенна состоит из почти 900 отдельных металлических щитов высотой 11 метров каждый, расположенных по кругу, и нескольких металлических отражателей внутри круга. «Ратан-600» находится на Северном Кавказе в Карачаево-Черкессии, в Специальной астрофизической обсерватории Академии Наук. Есть в нашей стране и ряд телескопов с размером параболической антенны в несколько десятков метров. Ближе всего к Москве — радиотелескоп вблизи города Калязин, к северу от столицы, и несколько радиотелескопов, расположенных в Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института РАН им. Лебедева — в 90 км к югу от Москвы (г. Пущино). Уникальный радиоинтерферометр из 256 параболических антенн диаметром 2.5 м для наблюдений за атмосферой Солнца расположен в 220 км от Иркутска.
5. Многие радиоисточники настолько компактны, что даже с помощью интерферометров, находящихся на Земле, невозможно оценить их угловой размер; они воспринимаются как точечные объекты. Поэтому, чтобы различить их внутреннюю структуру, необходимо сделать как можно больше расстояние между отдельными антеннами радиотелескопов, объединенных в радиоинтерферометр. Но, так как Земля имеет конечный размер, ученые обратились к возможности вынести одну из антенн в космос. Самый крупный на сегодня проект космического радиотелескопа был реализован в России — это запуск на орбиту радиотелескопа «Радиоастрон» с десятиметровой раскрывающейся антенной, осуществленный в 2011 г. Он установлен на космическом аппарате «Спектр-Р» (изготовлен в НПО им. Лавочкина), и в настоящее время работает на околоземной орбите. Орбита его сильно вытянута, и на самом большом расстоянии от Земли аппарат удаляется от планеты более чем на 300 тысяч километров, что делает любые помехи, исходящие от Земли, несущественными. Этот радиотелескоп в совокупности с наземными антеннами, находящимися в различных странах, работает как интерферометр со сверхдлинной базой. Он может реализовать рекордное угловое разрешение, вплоть до нескольких угловых микросекунд. Для сравнения: 10 микросекунд — это тот угол, под которым толщина человеческого волоса видна с расстояния 1000 километров.
Перед этим космическим экспериментом поставлены уникальные задачи. Некоторые из них связаны с изучением компактных радиоисточников в самом центре галактик, где находятся сверхмассивные черные дыры, некоторые — с наблюдениями радиоисточников, находящихся поближе, в нашей Галактике, например, наблюдениями радиоизлучающих нейтронных звезд или источников мазерного излучения в областях звездообразования. Проект фактически является международным, поскольку он использует наземные телескопы на различных континентах. Заявки на наблюдения принимаются от ученых разных стран.
6. Радиотелескопы, работающие на поверхности Земли, имеют свои преимущества — они дешевле и могут иметь очень большие площади антенн, достигая при этом достаточно высокого углового разрешения на очень коротких радиоволнах миллиметрового диапазона. В ближайшее время будут реализованы несколько блестящих наземных проектов. Например, начата работа недавно построенного комплекса ALMA, включающего 66 параболических антенн размером по 7 и 12 метров, объединенных в единую систему и управляемых суперкомпьютером. Этот комплекс создан в высокогорной пустыне на высоте 5 километров над уровнем моря, в безводной пустыне Атакама в Чили. Почему выбрано столь неудобное место? Во-первых, там, в силу удаленности от цивилизации, нет помех индустриального характера. Во-вторых — и это главное — пары воды очень сильно мешают радионаблюдению на волнах миллиметрового диапазона, а из-за большой высоты и пустынного климата на месте ALMA почти нулевая влажность. Эта система будет работать как интерферометр: минимальное расстояние между антеннами составляет десятки метров, максимальное — больше десяти километров. В этом году радиоинтерферометр ALMA уже начал получать реальные результаты наблюдений космических радиоисточников.
7. Другой еще более впечатляющий проект называется SKA, Square Kilometer Array — в переводе «решетка в квадратный километр». Он предусматривает создание радиоинтерферометра из многих тысяч антенн, расположенных в Австралии и Южной Африке. Их суммарная площадь поверхности будет приблизительно равна одному квадратному километру, или миллиону квадратных метров, что гарантирует рекордную чувствительность и возможность наблюдать в десятки раз более слабые радиоисточники, чем на любом другом радиотелескопе. Это международный проект — в нем участвуют 20 стран, в том числе и Россия. Уже сейчас он обошелся создателям в полтора миллиарда долларов. Подобные проекты в одиночку не осилит ни одна страна, поэтому обычно организуются международные консорциумы. Наблюдения со SKA позволят исследовать не только активные ядра галактик, но и галактики на таком большом расстоянии, с которого мы сможем увидеть их ещё на стадии зарождения. Его строительство должно начаться через пару лет. Планируется начать наблюдения на этом радиотелескопе к 2020 году, а выход на полную мощность — к 2024 году.