Техническая сторона «РадиоАстрона»

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

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


Разрешения РадиоАстрона достаточно чтобы различить спутники на противоположных сторонах НОО 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 внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории 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 (Московская область) и в Green Bank (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.


Самый дорогой наземных телескоп современности (цена ≈2 млрд $) — SKA или «антенная решётка площадью в квадратный километр». В начале прошлого года был собран первый образец антенны 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.

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, 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.

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: здесь хорошо видно как большая длинна волны позволяет заглядывать дальше вглубь молекулярного облака.

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.

источник