С помощью трех российских телескопов, расположенных в вершинах гигантского треугольника, можно составить трехмерную карту земной поверхности с точностью до одного миллиметра.
В обсерватории Светлое Института прикладной астрономии (ИПА) РАН под Петербургом 4 декабря сдан в эксплуатацию радиотелескоп РТ-13. Вместе с построенными в 2014 и 2015 годах аналогичными антеннами в Иркутской области (обсерватория Бадары) и в Карачаево-Черкесии (обсерватория Зеленчукская) он образовал гигантский треугольник со сторонами 2015, 4282 и 4405 километров. Все три телескопа объединены в единую систему под управлением суперкомпьютера, входящего в сотню самых мощных в стране, в каждой обсерватории установлен водородный эталон времени. Всё это вместе представляет собой уникальную научную установку — интерферометр.
Все три телескопа построены в рамках проекта «Квазар-КВО» (координатно-временное обеспечение), который реализуется для обеспечения страны фундаментальными системами координат. Подобные постоянно действующие радиоинтерферометры есть всего у двух стран мира — России и США, обладание ими является элементом государственного суверенитета. В американской системе сейчас работает десять радиотелескопов.
Интерферометр принимает сигналы, которые приходят от самых удаленных объектов — остатков сверхновых звезд, активных ядер далеких галактик, квазаров, расположенных на таком непостижимо огромном расстоянии от наблюдателя на Земле — миллиарды световых лет, — что скорость их движения с Земли кажется близкой к нулю, ею можно пренебречь и считать, что эти объекты неподвижны.
Квазары часто называют маяками Вселенной. Это квазизвездные радиоисточники. Астрономы всего мира используют их как точки отсчета для построения небесной и земной систем координат. Прежде той же цели служили вначале Солнце, потом звезды.
Немецкие производители предложили впятеро более низкую цену, чем Обуховский завод в Санкт-Петербурге, втрое более низкую, чем завод в Сызрани, вдвое более низкую, чем петербургский завод «Барс»
Когда три одинаковых радиотелескопа идеально синхронно (это обеспечивают водородные стандарты частоты) наводятся на определенный квазар, для каждой пары радиотелескопов суперкомпьютер выполняет корреляцию — накладывает сигналы квазара, записанные на станциях, друг на друга, с учетом смещений, вызванных вращением Земли, и вычисляет задержку — разность времени прихода одного и того же радиокванта на радиотелескоп.
«Точность вычисления задержки составляет единицы-десятки пикосекунд (одна пикосекунда составляет одну триллионную секунды)», — пояснил «Стимулу» Игорь Суркис, заведующий лабораторией корреляционной обработки ИПА РАН.
По полученным задержкам выполняется построение трехмерного объекта в пространстве. Ученые вычисляют координаты самого квазара, координаты радиотелескопов и координаты небесного полюса. Это и есть фундаментальные координаты, по которым можно составить трехмерную карту земной поверхности с точностью до миллиметра. А это уже задача Роскартографии, которая решается с помощью российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, состоящей из группировки спутников на орбите и сети наземных станций. Но без фундаментальных координат глобальная навигационная система функционировать не может.
Использовать в качестве точек отсчета для построения карты такой высокой точности какой-либо объект на Земле нельзя, поскольку Земля вращается неравномерно, а также не является геометрически точным шаром. Интерферометр ИПА РАН позволяет учесть эти особенности без потери точности исходных (фундаментальных) координат.
ОТ БЛОКАДНОГО РАДАРА К РСДБ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Радиоастрономия пережила период бурного развития в XX веке. Как заметил вице-президент РАН академик Юрий Балега, толчком к этому послужило военное противостояние фашизму. Во время Великой Отечественной войны от качества радара зависело, прорвется ли вражеский самолет бомбить советский город. В Ленинградском Физтехе создали такой радар, который позволял засечь противника задолго до подлета к Ленинграду и послать эскадрилью навстречу. Благодаря этому изобретению блокадный город меньше бомбили, чем обстреливали из артиллерийских орудий с Пулковских высот.
После войны астрономическая наука, и радиоастрономия в том числе, активно развивалась благодаря освоению космоса. В постсоветское врем вслед за сокращением активности в сфере освоения космоса последовал и спад в астрономии. Но в ИПА этого словно не замечают. Кто-то считает, что радиоинтерферометрии повезло, она оказалась счастливым исключением; другие видят, каких усилий институту и его сотрудникам стоит держаться принятого курса и строить телескопы, несмотря ни на что.
После войны астрономическая наука, и радиоастрономия в том числе, активно развивалась благодаря освоению космоса. В постсоветское врем вслед за сокращением активности в сфере освоения космоса последовал и спад в астрономии. Но в ИПА этого словно не замечают .
Система обеспечения страны фундаментальными координатами создается более тридцати лет.
«Она появилась у радиоастрономов, научных сотрудников Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН, на тот момент Академии наук СССР, Андрея Финкельштейна и Александра Ипатова», — рассказал «Стимулу» Юрий Балега. Для решения этой прикладной задачи в 1987 году из состава САО была выделена особая научная группа, которая образовала новый академический институт — Институт прикладной астрономии.
«Первоначально проект назывался “Квазар”. Он предполагал строительство системы из двенадцати обсерваторий: девять на территории СССР, включая союзные республики, например Туркмению, и три за рубежом, в том числе в Китае, — рассказал научный руководитель Института прикладной астрономии Александр Ипатов. — Построить удалось три обсерватории — в Светлом (Ленинградская область), в станице Зеленчукская (Карачаево-Черкесия) и в урочище Бадары (Бурятия). Остальные объекты были заморожены на разных стадиях — от проектной до сборочной. Сейчас расширить систему поможет недавнее включение в состав института Уссурийской астрофизической обсерватории».
Новая площадка сделает уникальную научную установку еще масштабнее, так как Уссурийск удален от Петербурга уже не на четыре тысячи, а на все десять тысяч километров, а чем больше расстояние между синхронно работающими радиотелескопами, тем выше точность их совместных измерений.
Первый отечественный интерферометр состоял из трех антенн с диаметром зеркал 32 метра. Они были построены на территории обсерваторий Бадары, Зеленчукская и Светлое в начале 2000-х. В 1997 году заработал радиотелескоп в Светлом, в 2001-м — в Зеленчукской, в 2005-м — в Бадарах; таким образом, первый отечественный интерферометр работает с 2005 года. Тридцатидвухметровые радиотелескопы были включены в международную сеть радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).
«Мы обмениваемся данными с NASA в соответствии с договором, который действует до 2021 года», — уточнил Александр Ипатов.
Обмен данными необходим для своевременного обнаружения возможных ошибок в одной из систем.
Однако по мере бурного развития радиоэлектроники ученым становилось очевидно, что можно серьезно усовершенствовать систему. Александр Ипатов вместе с американским радиоастрономом Томом Кларком из Годдардского центра космических полетов NASA и другими специалистами в области РСДБ-интерферометрии разработали требования к созданию радиотелескопов с оптимальными характеристиками
По этим требованиям немецкая компания Vertex построила в Баварии парный радиотелескоп. Он был значительно компактнее: диаметр зеркала составил не 32, а всего 13 метров. Компактность позволила сделать радиотелескоп более независимым от деформаций под воздействием собственной тяжести, а также более скоростным в перенастройке с одного объекта на другой.
В 2012 году Институт прикладной астрономии начал строить радиоинтерферометр второго поколения, используя для новых антенн единый проект и расставив их по старым точкам — в Зеленчукской, Бадарах и Светлом, недалеко от 32-метровых радиотелескопов.
Каждый радиотелескоп обошелся российскому бюджету примерно в 500 млн рублей. Металлоконструкции для первых двух антенн, в Бадарах и Зеленчукской, заказали в Германии, так как, по словам Александра Ипатова, немецкие производители предложили впятеро более низкую цену, чем Обуховский завод в Санкт-Петербурге, втрое более низкую, чем завод в Сызрани и вдвое более низкую, чем петербургский завод «Барс».
Металлоконструкции для третьей антенны, установленной в Светлом, были изготовлены в Эстонии и частично в Финляндии по той же самой причине: это обходится дешевле, чем в России. Зеркала для всех трех антенн изготовлены в Италии, так как там за счет специальных клеев научились обеспечивать точность их поверхности и отсутствие деформации на протяжении длительного времени. А вот «начинку» всех антенн — программное обеспечение, приемные устройства, датчики и так далее — разработали ученые ИПА РАН.
Тринадцатиметровая антенна в Светлом проектировалась, строилась и налаживалась три года.
Закладка телескопа в Светлом состоялась 17 апреля 2017 года в рамках VII Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение», став ярким моментом научного форума. В бронзовую капсулу представители РАН, Росстандарта, который выступает в качестве заказчика антенн, научных институтов России заложили грамоту с обращением к потомкам, в которой обозначены цели строительства телескопа.
Обработку информации с каждой из трех работающих синхронно антенн суперкомпьютер ведет с рекордной скоростью. Ресурсы системы позволяют обрабатывать потоки данных до 16 Гбит/с от станции, суммарно — 48 Гбит/с от трех станций. Максимальная пропускная способность системы — 96 Гбит/с .
Монтаж телескопа осуществлен с задержкой — не в конце 2017-го, а в самом начале 2018 года — из-за сложностей на таможне. Сорокатонную вилку телескопа — опору, которая крепится к бетонному фундаменту и на которую устанавливается зеркало — рабочая поверхность радиотелескопа, задержали на таможне при пересечении российской границы на десять дней. В итоге не только был отсрочен монтаж антенны, но и два большегрузных автомобиля десять дней простаивали на таможне, а в обсерватории на стройплощадке РТ-13 простаивал 130-тонный кран, что привело к увеличению расходов примерно на 50 тысяч евро за длительную аренду большегрузного транспорта.
Девятнадцатого сентября 2018 года состоялся первый пуск антенны телескопа РТ-13 в обсерватории Светлое. Такое событие астрономы называют инаугурацией, а с 4 декабря 2020-го новый телескоп работает в штатном режиме.
«Четвертую антенну для Уссурийской обсерватории будем строить полностью в России», — говорит Александр Ипатов.
Есть и более дальние планы. С кубинским Институтом радиофизики и астрономии ИПА РАН ведет переговоры о строительстве еще одного российского радиотелескопа на Кубе.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии