Космическая обсерватория радиоастрон доклад

Обновлено: 16.05.2024

Напомним коротко о проекте и некоторых полученных результатах. Заметим, что обработка интерферометрических данных — процесс длительный и трудоемкий. Потребуется еще как минимум пять лет для завершения полноценного анализа и интерпретации накопленного на сегодня объема данных.

Некоторые научные открытия

Экстремальная яркость квазаров

Рис. 1. Джет активного галактического ядра 3С84. Вверху: источник джета, сверхмассивная черная дыра (Giovannini и др., 2018, Nature Astronomy, 2, 472)

Впервые удалось зарегистрировать экстремально большую яркость квазаров — ядер активных галактик — на расстоянии в миллиарды световых лет, которая в несколько десятков раз превышает теоретически допустимую. Известные сегодня механизмы не позволяют объяснить причины поддержания аномальной яркости. Высказываются следующие предположения.

Высокое релятивистское усиление излучения. Однако это противоречит наблюдаемым скоростям течения плазмы.
Постоянное ре-ускорение частиц, например, как результат магнитного пересоединения. Но в этом случае излучение в рентгеновском и гамма-диапазонах должно быть выше из-за интенсивного обратного комптоновского рассеяния.
Излучение релятивистских протонов. Однако еще предстоит решить проблему построения модели их ускорения до скорости света. Заметим при этом, что открытие нейтрино от квазара в 2018 году предоставляет дополнительные аргументы в пользу этого сценария, ранее казавшегося многим экстремальным.

Механизм формирования джета в галактиках

Рис. 2. Изображение BL Lac. Контурами представлено изображение в полном потоке, палочки показывают направление линейной поляризации, цветом выделена величина фарадеевского вращения. Обратите внимание на градиент фарадеевского вращения в начале струи, позволивший однозначно восстановить структуру магнитного поля (Gomez и др., 2016, ApJ, 817, 96)

Магнитное поле в струях галактик

Нестабильности в плазменных выбросах квазаров

Наблюдение космических мазеров с высоким разрешением

В области звездообразования Цефей А, находящейся на расстоянии около 2 тыс. световых лет от Земли, впервые удалось разглядеть мельчайшие, сравнимые по размеру с Солнцем, источники мазерного излучения водяного пара. Предполагается, что эти мазеры связаны с турбулентными вихрями в потоке газа от формирующейся массивной звезды.

Субструктура пятна рассеяния

Рис. 4. Результат рассеяния радиоволн на неоднородностях межзвездной среды (Johnson и др., 2016, ApJ, 820, L10)

Проверка ОТО: работа продолжается

РАЗГЛЯДЕТЬ НЕИЗВЕДАННОЕ

- Но радиоастрономы могут успешно работать с Земли. Зачем запустили радиотелескоп в космос?

- Берут крупные радиотелескопы на Земле, которые расположены на больших расстояниях друг от друга, например, на разных континентах. На каждый из них помещают атомные часы, чтобы синхронизировать время работы. Такой же атомный стандарт частоты находится и на нашем космическом телескопе. Результаты наблюдений собирают в центре обработки. Там суперкомпьютер обрабатывает полученные данные.

- Если наш телескоп такой крутой, значит, в будущем все самые больше открытия от него нужно ожидать?

- А когда даст?

- Сколько аппарат пробудет на орбите?

МОНСТРЫ ГАЛАКТИКИ

- Как телескоп провел год на орбите?

- Рядом с Землей черных прожорливых черных дыр не замечено?

- Нет, они находятся далеко от нас.

- К тайне темных материи и энергии еще не подобрались?

- Эта задача требует долговременного накопления наблюдательных данных.

КСТАТИ

НАСКОЛЬКО ТЕЛЕСКОП РОССИЙСКИЙ?

ВОПРОС РЕБРОМ

А БРАТЬЕВ ПО РАЗУМУ НАЙДЕМ?

Академик Николай Кардашев, директор Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН:

ВМЕСТО ПОСЛЕСЛОВИЯ

Новые открытия астрофизики

Астрономия стала всеволновой за последние 50 лет. Колоссальным образом расширился объем информации, обнаружены принципиально новые объекты во Вселенной, новые состояния вещества и даже принципиально новые виды материи. Остановимся на некоторых научных проблемах, новых методах космических исследования и ожидаемых результатах, которые могут быть получены в ближайшее время.

Рис. 1 - Усреднённый спектр электромагнитного излучения неба во всех диапазонах.

Планируемые эксперименты в радиоастрономии

Этот космических радиотелескоп предполагается вывести на эллиптическую орбиту с периодом около 9,5 суток и максимальным удалением от Земли 350 тыс. км, т.е. близким к орбите Луны (рис. 3).

Рис. 3 - Орбита космического радиотелескопа - интерферометра.

Рис. 4 - Космический радиотелескоп во время испытаний на обсерватории ФИАН в Пущино

Рис. 5 - Радиотелескоп РТ-64 около г. Калязин (радиообсерватория АКЦ ФИАН и ОКБ МЭИ).

Рис. 8 - Аккреционный диск и релятивистские струи около сверхмассивной черной дыры в центре галактики

Рис. 9 - Радиоизображение близкой галактики М87 с сверхмассивной чёрной дырой (получено в США с помощью 27-элементного радиоинтерферометра VLA ). На врезке – радиоизображение центральных областей той же галактики, полученное с участием японского космического радиотелескопа VSOP.

Рис. 10 - Радиоизображение экзотического двойного объекта 3С 343.1. Два близких источника разлетаются друг от друга со скоростью в половину скорости света (получено с помощью системы VLA в США).

Рис. 11 - Модели Большой Вселенной с тоннелями – справа, без тоннелей – слева

Рис. 16 - Концепция многолучевого космического радиотелескопа с диаметром антенны в несколько километров.

Космическая радио обсерватория работает как гигантский интерферометр с базой между спутником и системой наземных радиотелескопов. Используя такой интерферометр, мы можем получить исключительно высокое угловое разрешение и построить изображения небесных объектов с высочайшей детальностью. Ширина лепестка интерферометра на самых коротких длинных волнах будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что при отношении сигнала к шуму около 10 позволит проводить измерения до микросекунды дуги, что примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза.

Действующий макет космического радиотелескопа изготовлен в НПО им. С.А. Лавочкина, укомплектован высокочувствительной приёмной аппаратурой и испытан на обсерватории ФИАН в г. Пущино, где было подтверждено, что все основные параметры (эффективная площадь антенны и диаграммы направленности) соответствуют техническим требованиям (рис. 4).

Для космического радиотелескопа была специально найдена необычная орбита полета у которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около большой её оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от спутника, на расстоянии более 50 тыс. км, тем не менее она оказывает постоянное слабое гравитационное воздействие на него. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.

Все наземные радиотелескопы, задействованные в системе интерферометра, будут принимать сигналы от исследуемого источника одновременно с космическим радиотелескопом. Прием информации со спутника предполагается получать со скоростью 128 Мбит/с. Приемные станции находятся в США (Грин Бэнк), в Пущино под Москвой и в Австралии (Тидбинбилла). С такой же скоростью будет регистрироваться информация всеми крупнейшими радиотелескопами, в том числе и отечественными. Это 70-м радиотелескопы в Евпатории и Уссурийске, а также 64-м – в Калязине (рис. 5).

В создании бортового комплекса аппаратуры учасвуют многие международные институты.

Станции приёма информации и синхронизации разработаны в НАСА и Национальной Радиоастрономической Обсерватории США. Крупнейшие радиотелескопы мира предполагают участвовать в проекте (рис. 6).

Дальнейшим развитием этого направления будет подготовка аналогичного проекта для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (включающих весь пик реликтового космологического излучения – рис. 1).

Изучение необычных объектов

Сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и других галактик, выбрасываемые вдоль их оси вращения струи релятивистских частиц и аккреционные диски захваченного вещества в экваториальной плоскости обнаружены и активно исследуются. Изображения таких объектов, полученные с помощью наземной системы радиоинтерферометров, показывают, что центральный объект является сверхмощным ускорителем. Ускоренные частицы с околосветовыми скоростями образуют два тонких луча, а на больших расстояниях релятивистские частицы накапливаются в виде двух облаков. Ближайшей задачей является исследования принципа работы этого ускорителя, величины и структуры электрических и магнитных полей около черной дыры. Современные теоретические модели сводятся к следующему. Вокруг центральной черной дыры вращается диск с очень сильным магнитным полем (рис. 8), однако оно до сих пор не измерено и представляет собой одну из основных задач будущего.

Предполагается, что измерить величину магнитного поля можно с помощью эффекта Фарадея (регулярный поворот плоскости поляризации изучения с изменением длины волны при прохождении поляризованного излучения через плазму с магнитным полем в аккреционном диске).

Если смотреть с полюса на чёрную дыру и вращающийся аккреционный диск с магнитным полем, то область свечения в виде кольца будет соответствовать ускорению частиц подобно ветерку от вентилятора (механизм Блендфорда-Знаека), а если будет обнаружено излучение только вблизи оси вращения, то скорее всего ускорение частиц происходит в условиях высокого вакуума под действием сильного электрического поля.

С помощью этого интерферометра наблюдалось множество других объектов.

Недавно Дж. Бэрбиджем было обращено внимание на необычный двойной квазар 3C 343.1 (рис. 10)

Он сначала был найден в радиодиапазоне, а потом исследовался в оптическом. Оказалось, что объект состоит из двух источников, имеющих различные скорости движения, отличающиеся почти на половину скорости света (красные смещения 0,34 и 0,75), в тоже время расстояние между двумя источниками соответствует четверти угловой секунды, т.е. кажется, что они находятся очень близко друг от друга. Случайное совпадения двух источников находящихся на разных расстояниях невероятно. Объяснить, что внутри одного малого объёма имеются предположительно две сверхмассивные чёрные дыры, движущиеся со столь большой скоростью друг относительно друга, пока невозможно и требуется тщательное изучение этих объектов. В частности, необходимо получить более детальное изображение и его изменение со временем, чтобы определить стуктуру компонент и измерить скорости их поперечного движения.

Мазеры и Мегамазеры

Предложен еще один оригинальный метод, который предполагается использовать для изучения небесных источников с помощью космического интерферометра. Радиоволны существенным образом взаимодействуют со средой, в которой они распространяются, в том числе и с межпланетнной и межзвездной плазмой. Причём космическая плазма неоднородна – имеет облачную структуру. Поэтому статистически от удалённого радиоисточника радиоволны по одному пути приходят быстрее на Землю быстрее, чем по другому.

Таким образом возникает естественный интерферометр. Два луча взаимодействуют и создают периодическую картину. Но в этом случае угловое разрешение получается даже много выше, чем у космического интерферометра (до нано секунд дуги !). Эффект тем сильнее, чем ниже частота. Это явление обнаружено при исследовании пульсаров. Было открыто, что их радио спектры иногда имеют периодическую структуру, которая случайным образом появляется и изменяется со временем (рис. 13).

Астрометрия и гравиметрия

Описанные выше потенциальные возможности наземно-космического радиоинтерферометра СПЕКТР-Р и поисковые проблемы позволяют поставить следующие научные задачи.

Исследование природы источника энергии в ядрах активных галактик.

Изучение структуры и динамики изображений близких мощных внегалактических источников для понимания физических процессов вблизи горизонта событий.
Измерение яркостных температур центральных компонент в сравнении с комптоновским пределом для однородного синхротронного источника.
Измерение размеров компонент вдоль и поперек струи и иисследование их переменности.
Измерение распределения яркости в центральных компонентах на масштабах меньше одного парсека в спокойной фазе радиоизлучения и во время вспышки.
Определение структуры радиовыброса у его основания в момент зарождения.
Определение скоростей движения и расширения выбросов с целью выявления и интерпретации сверхсветовых движений.
Проведение всех перечисленных измерений одновременно на двух частотах с целью изучения спектральных свойств радиоизлучения.
Проведение всех перечисленных выше измерений в двух поляризациях с целью изучения структуры магнитного поля в центральных компонентах и в выбросах.
Исследование двойных ядер.
Проведение всех перечисленных измерений для гравитационных линз и темной материи.
Выявление объектов с компонентами, неразрешенными с самой большой базой.

Исследование космологической эволюции компактных внегалактических источников.

Статистический анализ измерений выполненных в предыдущем пункте в зависимости от красного смещения исследуемых объектов с целью выявления закономерностей эволюции ядер галактик и определения основных космологических параметров Вселенной.

Изучение процесса образования звезд и планетных систем.

Измерение структуры и динамики мазерных исочников в областях звездообразования.
Изучение структуры и динамики источников в мегамазерах.

Исследование пульсаров (нейтронных и странных звезд и магнетаров).

Микроквазары и радиозвезды.

Изучение структуры и динамики выбросов в активной фазе микроквазаров.
Изучение структуры радиовспышек в звездах.

Космическая баллистика и гравиметрия.

Построение и прогнозирование орбиты КА и ее эволюции.
Построение гравитационного потенциала Земли на больших расстояниях и построение новой модели ее строения.
Измерение эффектов ОТО.

Фундаментальная астрометрия.

Построение небесной системы координат нового поколения.
Уточнение взаимной ориентации международной небесной и динамической систем координат.
Определение координат наземных радиотелескопов в системе, связанной с центром масс Земли.
Уточнение фундаментальных астрометрических постоянных и постоянных движения Солнечной системы.

Научная программа проекта состоит из трех главных частей: ранняя научная программа (РНП), ключевая научная программа (КНП) и общее наблюдательное время (ОНВ).

"Ранняя научная программа проводится в настоящее время и запланирована до середины 2013 года. После ее завершения начнутся наблюдения по ключевой научной программе. Главным направлением КНП будут области, в которых "Радиоастрон" даст наибольший научный результат, и которые имеют потенциал на важные научные открытия", - уточняет Роскосмос.

В настоящий момент объявляется открытый конкурс заявок на эксперименты в рамках Ключевой научной программы.

Обсерватория "Радиоастрон" стала первым за многие годы космическим астрофизическим инструментом, созданным российскими специалистами. Радиотелескоп предназначен для работы совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов, образуя единый наземно-космический интерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ) очень высокого углового разрешения - до семи микросекунд.

В ноябре 2011 года ученые провели первые наблюдения в режиме интерферометра - "Радиоастрон" работал в паре с российскими телескопами Института прикладной астрономии РАН, украинским телескопом в Евпатории, немецким телескопом в Эффельсберге (Институт радиоастрономии Общества Макса Планка). В январе 2012 года "Радиоастрон" провел наблюдения в связке с наземными радиотелескопами в самой дальней точке своей орбиты, образовав виртуальный радиотелескоп с рекордным диаметром зеркала - 220 тысяч километров.

В первой части интервью мы поговорили о результатах, достигнутых РадиоАстроном на сегодняшний день, и обсудили ближние перспективы.

— Юрий, надо вас поздравить с пятилетием, серьезный возраст, скоро в школу. Первый вопрос у меня очевидный: что бы вы назвали самыми значимыми результатами и самыми важными открытиями проекта РадиоАстрон за прошедшие пять лет?

Квазар PG 0052+251, съемка телескопа Hubble

Что-то не так. Возможно, излучают релятивистские протоны. Многие ученые, которые сейчас занимаются тематикой космической лучей, очень заинтересовались данной возможностью. Если излучают релятивистские протоны, то это означает, что активные ядра галактик могут ускорять протоны до релятивистских скоростей, а протоны, я напоминаю, в две тысячи раз тяжелее электронов. Возможно существуют другие механизмы, которые могли бы это объяснить. В любом случае, согласованная картина нашего понимания природы излучения ядер квазаров рассыпалась.

Это первый интересный результат, который мы получили практически сразу. Считалось, что если предел на обратный Комптон не нарушается, то мы смогли бы зарегистрировать излучение всего несколько квазаров в небе на длинных наземно-космических базах РадиоАстрона. Поскольку у нас очень высокое угловое разрешение и мы видим только наиболее яркие и наиболее компактные детали изучаемых объектов. Мы на сегодня не только успешно пронаблюдали, но и измерили значимые сигналы для более ста пятидесяти ядер активных галактик. Это совершенно потрясающий результат, в который мало кто верил, переворачивающий наши представления о квазарах, которые сохранялись на протяжении сорока лет. Никакие предыдущие наземные эксперименты, в том числе интерферометрические, а также наземно-космические, например, с японским спутником VSOP, не показывали систематического нарушения этого предела.

— Я правильно понимаю, что пульсар – это нейтронная звезда, которая бьет в сторону Земли релятивистской струей?

Более того, буквально пару дней назад мне написал коллега, который сообщил, что завершает разработку специфической методики обработки интерферометрических данных, которая позволяет восстановить истинное изображение объекта, спрятанного от нас за этим рассеивающим облаком, с помощью восстановления информации о характеристиках межзвездной среды. То есть это открытие позволяет не только оценить параметры межзвездной среды, но и, используя данные о субструктуре рассеяния, определить внешний облик объекта, скрывающегося за ней.

Данный результат нам особенно приятен, поскольку мы его совершенно не ожидали. Тут сработал известный подход, что если ты построил телескоп, улучшив какой-то из его ключевых параметров на порядок по сравнению с предыдущими, то сможешь открыть что-то принципиально новое. И совсем не обязательно, что ты будешь заранее знать, что именно.

— Хотел уточнить, если вы говорите, что эффект наблюдается приборами с Земли, почему никто не обращал на него внимание? Они воспринимали рассеяние как простое пятно?

— Совершенно точно. Наблюдали мы пульсары, наблюдали центр нашей Галактики в виде большого пятна. И рассеяние считалось классическим. Угловой размер пятна прямо пропорционален длине волны, на которой осуществлялось наблюдение, в степени около двух. Результаты РадиоАстрона позволили скорректировать методику наблюдения наземными радиотелескопами и мы увидели эту субструктуру как в космосе, так и на Земле. До нас десятки лет наблюдали центр Галактики и никто не был в состоянии зарегистрировать этот эффект. Замечу, для пульсаров и квазаров все-таки нужен наземно-космический интерферометр.

Смоделированные изображения одиночного источника, показывающие эффекты рефракционной субструктуры на длинах волн 18, 6 и 1.3 см.

История проекта

Транспортировка телескопа на Байконур

Конструкция аппарата и научные цели

Длина волны, см	92	18	6,2	1,2-1,6
Частота, МГц	316-332	1636-1692	4804-4860	18372-25132
Разрешающая способность, микросекунд	540	106	37	7

*Разрешение космического телескопа Хаббл и лучших наземных телескопов для сравнения составляет около 100 микросекунд.

Так как этот телескоп получил самое большое разрешение среди всех современных телескопов, его основная научная программа предусматривала наблюдение самых компактных объектов во Вселенной: нейтронных звёзд, квазаров и облаков межзвёздного газа (так называемых мегамазеров переизлучающих свет в радиодиапазоне по принципу лазера).

Запуск и научные результаты

Телескоп в сложенном и раскрытом положении в ходе наземных испытаний

Процесс раскрытия телескопа

Первые наблюдения.

… и первые научные результаты.

Тесты трёх приёмников более длинных волн прошли без осложнений, а вот с началом работ в самом коротком диапазоне в 1,3 см пришлось около полгода подождать по независящим от РадиоАстрона причинам: в отличие от космического телескопа, у его наземных собратьев возможность работы в этом диапазоне сильно зависела от погоды (точнее от содержания паров воды в атмосфере). А кроме этого также сбоил атомные часы у американского телескопа, работавшего в тот момент в паре с РадиоАстронам, поэтому первые научные результаты на этой длине волны удалось получить только с 6 попытки и уже совместно с другим телескопом — 100-метровым радиотелескопом в Эффельсберге, Германия. Но несмотря на это к ранней научной программе аппарат приступил уже 10 декабря, а к основной — в июле 2013 года, при этом уже в конце 2012 года телескоп перешёл на принятие заявок по открытому конкурсу (в первом этапе могли участвовать только учёные из стран участниц проекта) в котором раз в год может принять участие любой желающий. В результате все полученные заявки оцениваются советом учёных, после чего сам Николай Кардашёв (стоявший у истоков этого проекта) принимает решение о том какие заявки будут приняты в работу.

А теперь перейдём к вопросам непосредственному участнику проекта:

На вопросы отвечает Александр Плавин, научный сотрудник лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории исследований релятивистских объектов в МФТИ.

Какие обсерватории и страны участвуют в интерферометрических наблюдениях вместе с РадиоАстроном?

Практически все большие телескопы в мире участвовали хотя бы раз в наблюдениях совместно с РадиоАстроном, вплоть до ~40 телескопов одновременно. Множество стран и несколько континентов: Европа/Азия, Америка, Африка, Австралия. Среди регулярно наблюдающих, к примеру, самые большие в мире поворотные антенны диаметром 100 метров — в Green Bank (США) и Effelsberg (Германия), а также многие другие телескопы.

Используются ли иностранные вычислительные мощности для обработки и сравнения результатов интерферометрических наблюдений?

Насколько число заявок на работу с телескопом превосходят его возможности? Как распределяется время между отечественными и иностранными научными организациями?

Спектр-РГ (Спектр-Рентген-Гамма)

Спектр-М (Миллиметрон)

В очередной раз спасибо Александру Плавину за предоставленные ответы, а здесь можно увидеть предыдущего его интервью.

Будущее проекта

Эволюция орбиты телескопа под действием Луны

Ссылки

Читайте также: