Техническая сторона «РадиоАстрона»

Снимок звёздного неба «GLEAM» ^[1] сделанный в диапазоне радиоволн 70-230 МГц. В центре фото расположен Млечный путь ^[2], а по сторонам — около 300 тыс. других галактик.

Космический радиотелескоп «РадиоАстрон» ^[3] на данный момент имеет самое большое угловое разрешение среди всех телескопов, а также является пожалуй самым успешным научным проектом российской непилотируемой космонавтики.

^[4]
Разрешения РадиоАстрона достаточно чтобы различить спутники на противоположных сторонах НОО ^[5] наблюдая с Проксимы Центавра или различить сигналы двух объектов на концах орбиты Земли с другого конца нашей галактики.

Сегодня мы поговорим о технической стороне работы «РадиоАстрона» с Александром Плавиным, научным сотрудником лаборатории ^[6] внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории ^[7] исследований релятивистских объектов в МФТИ.

Радиотелескопы использующиеся для связи с РадиоАстроном.

Сколько в среднем РадиоАстрон производит научных данных за день? Сколь большие площади используются для её хранения и обработки?

Если кратко, то непосредственно со спутника — около 100 ГБайт в день, со всех совместно работающих телескопов — порядка 5 терабайт. Для обработки используется 1 ТФлоп/с-кластер на CPU, для хранения — совокупность HDD и лент, занимающая в основном одну комнату.

Более подробно: во время непосредственно наблюдений со спутника идёт поток научных данных в 128 МБит/с + дополнительные данные и + запас. И такая скорость стабильно достигается для любого положения спутника на орбите — от 600 км до 340 тысяч км. При этом большую часть времени телескоп на самом деле ничего не наблюдает. Основных причин этого три:

1) Радиоинтерферометр — это не одна антенна, а несколько совместно и одновременно работающих радиотелескопов. Поэтому в дополнение к летающему спутнику Спектр-Р необходимы наземные антенны, чем больше (по размеру и количеству) тем лучше. Соответственно, эти телескопы должны выделять своё время на совместную работу, а у них ведь есть и другие программы наблюдений. Причём нужно выбирать время, когда наблюдаемый объект виден как со спутника (это меньшая проблема, конечно) так и со всех участвующих телескопов — а Земля вращается.

2) Приём данных с РадиоАстрона осуществляется только через одну из двух антенн на Земле: в Пущино ^[8] (Московская область) и в Green Bank ^[9] (США). Соответственно, с одной из этих станций спутник должен быть виден весь период наблюдений, причём достаточно высоко над горизонтом.

3) Приёмная и передающая аппаратура на борту не рассчитана на многочасовую непрерывную работу — она перегревается, как непосредственно от своей работы, так и от Солнца, если оно попадает на аппарат в соответствующей ориентации. В большинстве случаев это ограничивает наблюдения не принципиально, но бывает, что какой-нибудь сеанс нужно укорачивать или отменять из-за технических ограничений такого рода.

Основной объём данных получается с наземных радио-телескопов, работающих совместно. Дело в том, что эффективная чувствительность всей совместно работающей системы (радиоинтерферометра) повышается с повышением чувствительности отдельных телескопов, поэтому данные с наземных станций записываются в максимально широкой полосе и соответственно с большим потоком. Типично — несколько ГБит/с от одного телескопа, которых одновременно работает до пары десятков, время сеанса — до нескольких часов. Все эти данные разными путями (специально выделенные интернет-каналы, пересылка HDD почтой, и даже перевозка HDD направляющимися в нужную сторону сотрудниками) попадают в отделы корреляционной обработки: основной в АКЦ ФИАН в Москве, также есть в Бонне (Германия).

Сейчас общий объём данных составляет ≈5 петабайт, они хранятся начиная с первых экспериментов, и удаление не планируется. Несмотря на то, что напрямую используются только данные, обработанные на корреляторе (который, по сути, и выделяет сигнал от источника, одинаковый для всех телескопов, от помех, которые везде разные) и имеющие на порядки меньший размер, исходные сырые данные могут использоваться и иногда используются для переобработки, в случае если что-то было улучшено/исправлено в алгоритмах, или получены более точные сведения об орбите спутника. Данные хранятся как на дисках, так и на лентах (архив), и занимают по сути одно помещение. Для обработки используется CPU-кластер с общей производительностью около 1 ТФлоп/с, ≈100 ядер. Этого с запасом хватает: для типичного наблюдения корреляция происходит в несколько раз быстрее реального времени, что позволяет спокойно сравнивать разные параметры и их влияние на результат.

Конструкция аппарата

РадиоАстрон находится на сильно вытянутой орбите: насколько я понимаю что кроме возможности проведения таким образом наблюдений в широком диапазоне условий это ещё позволяет большую часть времени использовать для связи тарелки размещённые в России?

Вообще, вытянутость орбиты и использование российских антенн особо никак не связано — Земля-то вращается. Тем более, что приём данных с одинаковым успехом может проводится любой из двух станций слежения — по одной в России и США. На обоих специально было поставлено соответствующее оборудование, как приёмное так и передающее.

Вытянутость орбиты даёт различные преимущества:

— Пара расположенных в фиксированных местах радиотелескопов даёт измерение по сути всего одной точки в области пространственных частот (Фурье-преобразование от наблюдаемого изображения); с учётом вращения Земли получается одна дуга эллипса. Чем больше таких точек/дуг измерено (причём для как можно большего диапазона расстояний), тем лучше для восстановления изображения. Поэтому вытянутая орбита позволяет измерять пространственные частоты не только на одном эллипсе с центром в Земле, как было бы для круговой орбиты, а на самых разных расстояниях — от нескольких тысяч километров (меньшие расстояния как раз покрыты парами телескопов, расположенных на Земле) до максимальных 300+ тыс километров, пусть и почти только в одном направлении. Такая возможность действительно часто используется — один и тот же источник наблюдается как при большом удалении спутника, так и когда он приближается к нам.

— С помощью спутника решаются и другие научные задачи, не связанные с радиоастрономией. Например, на нём находится самый точный из когда-либо запущенных в космос водородных стандартов (атомные часы), что позволяет с наивысшей точностью проверить наличие отклонений от замедления времени, предсказанного ОТО (пока расхождений не обнаружено). Для этого важно, чтобы орбита была сильно вытянутой.

^[10]
Самый дорогой наземных телескоп современности (цена ≈2 млрд $) — SKA ^[11] или «антенная решётка площадью в квадратный километр». В начале прошлого года был собран первый образец антенны ^[12] из которых он будет состоять, а уже в этом году должно начаться его строительство.

Для 3 из 4 диапазоном работы РадиоАстрона указывается одна конкретная частота работы: используется ли в качестве своеобразного «частотного модулятора» постоянно меняющаяся в ходе движения по орбите скорость радиотелескопа?

Скорость спутника настолько мала относительно скорости света, что никакой пользы для наблюдений это не даёт — частота изменяется на малые доли процента. Хотя, конечно, именно эффект Доплера используется для высокоточного измерения скорости аппарата — погрешность порядка миллиметров в секунду.

В этом неприметном здании РадиоАстрон появлялся на свет. Подробная фотоэкскурсия по Пущинской радиоастрономической обсерватории доступна здесь ^[13].

Насколько от общего времени примерно удаётся загрузить РадиоАстрон работой?

По факту, сейчас непосредственно наблюдения проводятся около 20% времени, не учитывая различных технических процедур: разгрузка маховиков ориентации, прогрев и охлаждение приёмников, передача команд и диагностика работы всех узлов, юстировка (уточнение ориентации) и т.п.

Орбита РадиоАстрона и радиационные пояса

РадиоАстрону приходится проводить большую часть времени за пределами магнитного поля Земли и проходить почти 100 раз за год через радиационные пояса: является ли накопленная солнечными батареями и электроникой радиация сдерживающим фактором для продолжения его работы, или срок его службы ограничивается ресурсом контролирующих его положение маховиков/другим фактором? Есть ли оценки того сколько он сможет проработать ещё?

Кстати, именно из-за прохождения через радиационный пояс оказалось полезным поставить на спутник ещё и различные приборы — датчики заряженных частиц для регулярного исследования такого окружения Земли.

Время работы может ограничиться любым устройством — хоть электроникой, хоть маховиком. Различные узлы постепенно выходят из строя, что ожидаемо — планируемый срок работы был 5 лет, а РадиоАстрон летает уже 6.5. Но на текущий момент возможно проводить (и проводятся) почти все типы наблюдений, без существенных потерь. Из последнего — летом 2017 на борту закончился водород для водородного стандарта (атомные часы), поэтому теперь наблюдения проводятся в режиме синхронизации с Земли. В этом ничего плохого нет — собственно, именно такой метод и был изначально запланирован вообще для всех наблюдений. Водородный стандарт был скорее экспериментальным оборудованием, но оказалось, что он работает безо всяких проблем и обеспечивает требуемую высокую постоянность хода. Соответственно, его и использовали для наблюдений в течение 6 лет; среди прочего это более удобно организационно: например, не требуется излучение с Земли и его не нужно согласовывать.

Есть также узлы, которые изначально были резервированы 2-3 раза, и 1-2 из этих копий вышли из строя. Например, маховики, которые вращают и стабилизируют аппарат — сейчас достижимая скорость вращения существенно ниже той, которая была возможна в начале работы, но она всё равно находится в расчётных пределах. Что-то утратило часть функциональности — например, для наблюдений недоступна одна из поляризаций в некоторых диапазонах.

Всё вышеупомянутое не мешает проведению наблюдений и приёму заявок на них — основные характеристики в норме. Остаток времени работы особо никто не берётся предсказывать, потому что почти невозможно определить когда выйдет из строя какой-нибудь жизненно важный узел, оставшийся в единственном экземпляре.

В середине 2016 года РадиоАстрон завершил свою основную 5-летнюю миссию и приступил к расширенной.

Какие на ваш взгляд самые крупные научные открытия РадиоАстрона на данный момент?

Я бы выделил такие самые значимые вещи:

— Открытие того, что эффект рассеяния излучения на межзвёздной среде заключается не только ожидаемом «размытии» изображения, но при этом также появляются мелкие детали, этакая «рябь». С одной стороны, это позволило увидеть с РадиоАстроном различные объекты типа пульсаров, которые иначе не были бы видны (интерферометр принципиально не чувствителен к однородной протяжённой/размытой структуре), а с другой — теперь этот эффект обязательно надо учитывать например при работе Event Horizon Telescope ^[14], который пытается «увидеть» тень от чёрной дыры в центре нашей галактики. Собственно, мы с командной EHT достаточно плотно сотрудничаем по этим вопросам.

— Детектирование крайне высокой яркости в центрах активных галактик. Раньше считалось (не только из наблюдений — есть разумные физические теории, которые это предсказали), что они на порядок-два менее яркие, и соответственно такое открытие существенно дополнило наше понимание этих объектов, и некоторые предположения теорий оказались опровергнуты.

— Непосредственно по изображениям с высоким разрешением удалось впервые исследовать внутреннюю структуру струй (выбросов) из активных галактик, мазеров (microwave laser) в пылевых дисках в нашей галактике, и многое другое.

Преимущества применения интерферометрии на примере пары 8-метровых телескопов комплекса VLT ^[15].

У РадиоАстрона в несколько раз большее разрешение по сравнению с наземными радиотелескопами: удалось ли таким образом обнаружить какие-то двойные или визуально-двойные системы радиоисточников?

На одной и той же длине волны разрешение в десятки раз больше: сравним 12 тыс км диаметр Земли и 340 тыс км апогей орбиты. Пока конкретных детектирований двойных систем на РадиоАстроне нет, по сути до недавнего времени этой задачей никто не занимался — не хватает рук. Есть ожидания, что получится на основе уже имеющихся данных наблюдений что-то такое найти.

Сравнение снимков в видимом и инфракрасном спектре туманности Орла ^[16]: здесь хорошо видно как большая длинна волны позволяет заглядывать дальше вглубь молекулярного облака ^[17].

Сейчас указывается что Китай собирается вывести на орбиту два своих аппарата подобных РадиоАстрону: рассматриваются ли сейчас какие-то планы по завершению работы нашего телескопа по запуску нового аппарата с лучшими характеристиками или уже на солнечную орбиту?

Китайский проект не «лучше» РадиоАстрона, он просто несколько другой: нацелен на более высокочастотные диапазоны волн, 8, 22 и 43 ГГц. РадиоАстрон, для сравнения, работает на 0.3, 1.6, 5, 22 ГГц — то есть совпадает только один диапазон. На разных частотах излучают различные объекты, и свойства межзвёздной среды тоже отличаются, поэтому научные данные этих проектов будут хорошо дополнять друг друга.

Выводить радиоинтерферометр на солнечную орбиту смысла не так много, если он будет наблюдать совместно с земными телескопами — кроме очевидных проблем высокоточного определения его положения тут играет роль то, о чём я выше писал — очень желательно иметь как можно более плотное покрытие области пространственных частот измерениями. А если одна антенна будет на расстоянии порядка 1 а.е., а все остальные телескопы на Земле, то пользы намного меньше.

Ближайшая перспектива — почти готовый телескоп Спектр-РГ (рентген-гамма), запуск которого планируется на начало 2019 года. Это единственный проект рентгеновского космического телескопа в мире на ближайшие годы, и он тоже (как и РадиоАстрон, Спектр-Р) даст существенные наблюдательные улучшения по сравнению с имеющимися инструментами.

Большое спасибо Алексею Плавину за предоставленное интервью. Если вы также хотите поблагодарить его или задать ему свои вопросы, то вот его ник: chersanya ^[18]

Автор: Денис Нырков

Источник ^[19]