zelenyikot (zelenyikot) wrote in engineering_ru,
zelenyikot
zelenyikot
engineering_ru

Радиоастрон рвет шаблоны

18 июля – ровно два года как на орбите находится космический аппарат «Спектр-Р». И можно утверждать, что это самый успешный беспилотный космический проект России XXI века.



После первых наблюдений прошло уже полтора года. Все это время телескоп был занят ранней научной программой. Фактически первые исследования состояли в том, что ученые определяли пределы возможностей «Радиоастрона» и ставили такие научные задачи, которые имели высокую научную важность и вероятность успеха. Эта программа координировалась Астрокосмическим центром (АКЦ) ФИАН, руководитель программы Ю.Ю. Ковалев, выполнялась международными группами ученых при лидирующей роли АКЦ.
Юрий Юрьевич помогал в подготовке этого материала, за что ему большое спасибо.

Что же узнали ученые, за время работы проекта «Радиоастрон»?

Во-первых, они узнали возможности своего аппарата, а во-вторых, узнали какие знания, в перспективе, способны обеспечить эти возможности.

Если у кого-то возникнут сложности с пониманием процесса работы «Радиоастрона», я рекомендую ознакомиться с предыдущей статьей на эту тему, где я постарался изложить основные принципы радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами.

В ходе научного поиска ученые выстраивают теоретические модели, или просто обоснованные предположения, которые призваны заполнять пробелы в знаниях. Основываются эти модели на уже известных фактах и математических расчетах, и каждый вновь открытый факт позволяет перепроверить достоверность модели и точность расчетов. Так вот теоретические модели позволяли предполагать какие результаты даст «Радиоастрон» на базах до 10 диаметров Земли – примерно 130 тыс. км. Что будет дальше, никакие модели не могли предсказать – это можно было только проверить.


Схема expert.ru (большой размер на сайте).

Вопросов было несколько. Первый – в яркости и компактности далеких галактик. Если ядра галактик недостаточно компактны, при высоком угловом разрешении «Радиоастрона» мы ничего бы не «увидели». Один шум. Второй важный вопрос – в свойствах межзвездной среды – ее плотность и строение. Несмотря на иллюзию пустоты, практически все пространство в нашей Галактике заполнено газом и пылью. Хотя доля их ничтожна, на больших расстояниях они начинают влиять на проходящее через них радиоизлучение подобно земной атмосфере. Это влияние тем сильнее чем длиннее волна, на которой проводится наблюдение. Предполагалось, что компактные объекты, которые еще возможно различить на длине 1,3 и 6 см, на 18 и 92 см уже будут выглядеть размытыми. Подобно тому, как можно взять оптический телескоп любой мощности, но в тумане он все равно ничего не разглядит.

Ранняя научная программа получила положительные результаты, для волны 92 см, на базах интерферометра с расстоянием до 20 диаметров Земли (то есть в два раза лучше чем предсказывалось).


Это тот самый сигнал. Обратите внимание, что космический телескоп "Спектр-Р" практически не регистрирует импульс, но в паре с Аресибо, они дают более четкий сигнал, т.е. обеспечивают более высокое разрешение, в чем и состоит смысл проекта "Радиоастрон".
Изображение подготовлено АКЦ ФИАН

Для волны 18 см были получены данные на расстоянии до 16 диаметров Земли. 19 диаметров для волны 16 см и 8 диаметров на волне 1,3 см. Здесь даже не столь важно, какие результаты получили на этих расстояниях, сколько сами расстояния. Ждали «туман», а его не оказалось. Точнее, туман был, но не с теми свойствами, как предсказывала теория. Совсем не той структуры.

Отдельный предмет гордости наших астрофизиков и инженеров – это угловое разрешение, которое они получили на волне 1,3 см на базах наземно-космического интерферометра в 8 диаметров Земли. Результат – 27 микросекунд дуги или угловых микросекунд. Это самое высокое разрешение, которое было получено какими-либо инструментами за всю историю наблюдений человеком Вселенной. Чтобы лучше понять масштабы этой цифры, сравним с результатами Hubble. Напомню, его разрешение – это 0,05 угловых секунд. «Радиоастрон» показал 0,000027.



Но противопоставлять эти два инструмента нельзя, т.к. они слишком отличаются. Они работают в разных диапазонах, и на различных принципах выстраивают изображения. Поэтому сказать «Радиоастрон круче Хаббла», равносильно фразе: «Наш кран быстрее их бульдозера». Образно телескопы можно сравнить со строительной техникой: каждый аппарат занят своим делом, но вместе они строят одну дорогу к знаниям.

Теперь, собственно о результатах наблюдений.

Значительную часть рабочего времени «Радиоастрон» посвятил квазарам. Квазары это активные галактики, высокой плотности, которые формируются вокруг сверхмассивных черных дыр. До нас долетает свет аккреционного диска (обычно его изучают в рентгеновском диапазоне), в который собираются звезды и межзвездный газ под действием силы притяжения черной дыры. Под давлением в диске выделяется колоссальная энергия, которую мы воспринимаем в виде электромагнитного излучения. Внутренние процессы формируют мощнейшие струи вещества со стороны полюсов вращающихся черных дыр. Эти потоки называют джеты или релятивистские струи, т.к. скорость распространения из них вещества вплотную приближается к скорости света, что возможно только при воздействии мощнейшей энергии.



Квазары располагаются от нас на значительных расстояниях в миллиарды световых лет. Будь они хотя бы в миллионах световых лет от нас, ночи у нас были бы гораздо светлее. Но сожалеть бы об удаленности квазаров я бы не стал – попади Солнечная система в джет, он бы быстро продезинфицировал ее и никакие бункеры нас бы не спасли.


Это не квазар, но джет из центра одной из самых больших галактик М87. Фото Hubble.

Квазары открыли в конце 50-х гг. ХХ века, но и сегодня ученые задаются вопросом, что творится в их центре.
По скорости переменности их блеска предположили, что ядро одной из активных галактик должно быть размером не более Солнечной системы, но точных масштабов ранее определить не могли. До тех пор, пока не пришел «Радиоастрон».
Вообще переменность блеска квазара может возникать и от независящих от него причин – например от газопылевого облака, которое оказалось между нами и ним. Но если он мерцает одновременно во всех или в нескольких диапазонах, то наиболее вероятны внутренние причины. Один из таких объектов, чья переменность излучения в оптическом и радиодиапазоне совпала, ранее внимательно наблюдали с Земли и пришли к выводу, что дело не в межпланетной пыли, а внутренних процессах.

Именно его, выбрали в качестве «пристрелки» для «Радиоастрона». Квазар 0716+714 стал первой активной галактикой, которая была картографирована с наивысшей точностью, недоступной ранее. Оказалось, что диаметр «сопла» из которого вылетает релятивистская струя составляет величину около одного светового года. Любопытно, что эти наблюдения опровергли раннюю гипотезу, что быстрая переменность излучения ядра галактики связана с внутренними процессами. То есть в очередной раз «Радиоастрон» нарушил раннюю модель и заставил ученых искать другое решение.


Изображение подготовлено АКЦ ФИАН

Для сравнения возможности «Радиоастрона» и его предшественников – наземных интерферометров со сверхдлинной базой, я совместил снимки сделанные американской сетью VLBA (Very Long Baseline Array).



Более высокое разрешение «Радиоастрона» делает изображение ядра квазара меньше, поскольку выявляет именно его детали, а не фон, который видит VLBA.



Еще одно направление работы телескопа в исследовании квазаров – это регистрация температуры излучения их ядер или, другими словами, их яркости. Этот поиск важен для понимания физики излучения джетов. Нынешняя популярная модель, объясняющая формирование релятивистских струй предполагает, что это поток очень быстрых электронов. Если это так, то у потока должна быть яркость в строго определенном диапазоне – не выше определенного предельного значения. Однако есть альтернативная теория, которая предполагает, что в этих потоках могут излучать релятивистские протоны. А протоны в 1000 раз тяжелее электронов, соответственно для их «запуска» требуется гораздо больше энергии и яркость джетов окажется намного выше. И чтобы объяснить эту энергию, ученым придется пересмотреть очень многие сложившиеся взгляды на физику квазаров, поэтому «протоновая» гипотеза астрофизикам не комфортна. Но подтвердить или опровергнуть с Земли ее не удается из-за недостаточного разрешения наземных интерферферометров.

«Радиоастрон» провел успешные наблюдения нескольких десятков квазаров и результаты его наблюдений уже «с трудом» вписываются в современную популярную модель джетов. При этом, по мере продолжительности работы, качество и диапазон наблюдений увеличивается, потому что в своей работе «Радиоастрон» пошагово увеличивает размер базы интерферометра, и данные будут еще прибывать и открывать новые подробности и свойства Вселенной.

Еще один существенный вклад в науку «Радиоастрон» вносит изучая пульсары. Пульсары – нейтронные звезды – «недочерные дыры». Микроскопические, в звездных масштабах, объекты с нейтронной материей высочайшей плотности. К примеру, пульсар в полторы массы Солнца может быть 10 км в диаметре и вращаться со скоростью до 700 оборотов в секунду. Особенность пульсара, по которому он и получил название – высокая частота импульсов в радио или рентгеновском диапазоне регистрируемые с Земли. Когда ученые впервые зафиксировали такой радиосигнал, то решили, что это инопланетный маяк. Первый пульсар был открыт в 1967 году и получил рабочее название LGM-1 - сокр. от Little Green Men.


Крабовидная туманность, в центре которой находится пульсар.

К июлю 2013 года открыто 2267 пульсаров, постоянно определяют новые, но «ближе» всего подобраться к ним может только «Радиоастрон». Хотя предварительные расчеты ничего перспективного не обещали – грозили все тем же межзвездным «туманом».

С пульсарами связано два основных направления работы проекта.
Первое: использование яркого и компактного пульсара для просвечивания межзвездной среды и изучения ее свойств.
Второе: локализация источника излучения пульсара. Пульсар «работает» по принципу автомобильного проблескового маячка. Один импульс – это один оборот пульсара и одна вспышка, которая долетает до нас от некоего источника порождаемого магнитным полем нейтронной звезды. Но, что это за источник пока не известно. По общепринятой теории источники излучения находятся на магнитных полюсах пульсара, т.е. это такие «радиоджеты» (термин не научный, я придумал, чтобы показать сходство с квазарами, где джеты тоже формируются магнитным полем). Импульсы возникают, если географический полюс пульсара не совпадает с магнитным, и «радиоджет» описывает окружность, подобно прожектору, за каждый оборот тела вокруг своей оси. Когда такой прожектор «освещает» Землю, то наши радиотелескопы регистрируют радиоимпульс. Подробнее про радиопульсары.



Но ученые не исключают и другой природы импульсов, поэтому, чтобы определить точно, необходимо наблюдать пульсар с высочайшим разрешением. Причем с таким, которое даже «Радиоастрон» не обеспечит. Но аппарат можно использовать для освоения еще более прогрессивного метода исследования: использовать межзвездную плазму в качестве интерферометра. Если такое получится, то будет достигнуто разрешение, которое обеспечила бы «тарелка» диаметром… 10 миллиардов километров – с Солнечную систему. Ничего подобного в истории еще не совершалось, но теоретические основы для такой попытки есть – осталось только попробовать. И никакой аппарат кроме «Спектр-Р» сегодня не позволит провести такой эксперимент. Ученые говорят: «Анализ начат. Результатов пока нет, но ждем с надеждой».

Наблюдения по ранней научной программе закончились в июне 2013 года, а с июля, т.е. буквально пару недель назад, стартовала так называемая открытая ключевая научная программа. С самых первых дней работы проекта его деятельность носила международный характер. Практически все крупнейшие радиотелескопы мира участвуют в нем. Поэтому «Радиоастрон» открыт для заявок всего международного сообщества, включая, естественно, Россию. На первый год открытой программы заявки направили более 30 научных групп со всего мира от более 200 соавторов – примерно половина всех радиоастрономов планеты, занимающихся вопросами интерферометрии со сверхдлинной базой.

Перспективных направлений исследований «Радиоастрона» выделено несколько:
1. Ядра активных галактик (квазаров), измерение яркости, размеров, внутренней структуры, исследование непосредственной окрестности сверхмассивных черных дыр.
2. Картографирование джетов галактик.
3. Пульсары, характеристики и строение межзвездной среды.
4. Области формирования звезд и планет.
На первый год работы в рамках открытого конкурса отобрано семь ключевых проектов, астрономы России ведут или участвуют в реализации каждой из этих программ.
По всем направлениям телескоп может проводить изучение как ни один другой прибор на Земле. Фактически, благодаря «Спектру-Р», Россия сделала колоссальный рывок вперед, хотя бы на узком направлении, и оказалась бесспорным лидером в мировой радиоастрономии. Она как Галилей со своим телескопом, готова дать посмотреть через него каждому, но ни у кого больше такого нет.



Разумеется, не все идеально в таком сложном проекте. Существуют и технические проблемы аппарата, и сложности в обеспечении наземной составляющей работы. Официально общественности об этом никто не рассказывает, поэтому бродят слухи один страшнее другого. Не исключено, что какие-то основания под ними есть, но пересказывать их – только преумножать. Пусть Роскосмос сам учится искренности. Когда к работе приглашались иностранные ученые, им честно рассказали все. Но, как видите, и они держат информацию при себе. Аппарат работает, науку делает – это главное.

А вот на месте РАН и Роскосмоса я бы отправился прямо сейчас просить деньги на «Радиоастрон-2». Сейчас НПО Лавочкина собирается строить следующий прорывной аппарат «Миллиметрон», но «Радиоастрон-2», с исправленными «детскими болезнями» и повышенным ресурсом, надолго закрепил бы позиции России в мировой астрофизике. И строить его не пришлось бы 30 лет, поскольку остался задел по первому аппарату. Так же как NASA сейчас строит новый марсоход на основе Curiosity и он выходит почти в два раза дешевле. Хотя РАН сейчас, кажется, не до космической экспансии, но я надеюсь на лучшее.


В любом случае будем следить за деятельностью нашего аппарата, и рассказывать о результатах.
Tags: космос
Subscribe
promo engineering_ru апрель 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 7 comments