Космонавтика

Радиоинтерферометрическая сеть "Квазар"

Первый этап крупнейшего научного проекта "Квазар", который открывает новые перспективы в изучении Вселенной, реализован в ИПА. Уже через 20-30 лет, по мнению автора статьи, мы будем знать о ней практически все.

Используя эту технологию, можно не только проникнуть в ядро галактики, центр квазара и исследовать самое раннее состояние Вселенной, но и заглянуть глубоко внутрь Земли, и создать высокоточную теорию движения тел Солнечной системы. Значимость достигнутого отмечена главой государства В. В. Путиным, одним из первых поздравившим РАН с успешным завершением этого чрезвычайно важного эксперимента. Он, в частности, подчеркнул: "ученые получили уникальный инструмент для проведения исследований в интересах фундаментальной и прикладной науки".

Прежде всего - точность измерений

Если рассматривать астрономию в самом общем виде, то условно ее можно разделить на две области - астрономию изображений и астрономию положений.

К первой относятся астрофизика и космология, в основном занимающиеся рождением и эволюцией небесных объектов. Здесь аккумулированы самые яркие в теоретическом плане и сложные с точки зрения наблюдений задачи. Речь идет об источниках энергии ядер галактик и квазаров; о механизмах возникновения крупномасштабной структуры Вселенной и природе ее начального состояния * . Здесь быстрее всего меняются теоретические концепции, привлекаются наиболее изощренные физические теории, используются предельно допустимые дорогостоящие астрономические и космические технологии.

Вторая область изучает геометрические свойства Вселенной.

Это значительно более традиционная и даже консервативная сфера научных исследований. Основные ее задачи - построение высокоточных радиоастрономических и оптических инерциальных небесных и земных систем отсчета и определение параметров ориентации между ними, динамическое моделирование Солнечной системы и нашей планеты. Эти проблемы кажутся внешне весьма обычными и, возможно, даже несколько скучноватыми. Однако при их решении встречается не меньше "белых пятен" и "черных дыр", чем в астрофизике и космологии. Среди них такие, как предсказание землетрясений ** ; изучение циркуляции воздуха в атмосфере и водных масс в Мировом океане, а также явлений, происходящих в литосфере Земли, тектоники плит, определение изменений уровня океана и т. д. К ним примыкают исследования гравитационного поля Земли *** , динамики ее ядра, твердотельных и океанских приливов. А что говорить о таких прикладных задачах, как навигация космических аппаратов в дальнем космосе и баллистическая поддержка спутниковых навигационных систем, высокоточная синхронизация атомных шкал времени. Наконец, среди современных фундаментальных проблем важнейшее место занимает тестирование ряда физических теорий, и прежде всего - общей теории относительности.

Все перечисленное предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности измерений, которые в относительных единицах составляют 5-10 -9 - 5-10 -12 . Именно на этом уровне проявляют себя все наиболее интересные и загадочные физические явления.

В арсенале используемых различных технических средств самыми эффективными являются развиваемые в последние 20 лет новые методы координатно-временных измерений. Среди них лазерная локация искусственных спутников Земли и Луны, радиолокация больших и малых планет, радиотехнические наблюдения спутников глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, спутниковая запросная система DORIS и, наконец, наблюдения внегалактических радиоисточников, планет и космических аппаратов методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Особое место здесь занимают оптические астрометрические спутники - с их помощью с очень высокой точностью определяют взаимные угловые расстояния между оптическими космическими источниками. А если сравнивать все эти средства, то, несомненно, выиграет РСДБ как наиболее универсальная технология, обеспечивающая комплексное решение всех задач с максимально высокой точностью. Важную роль она играет и при изучении тонких эффектов во вращении Земли, которые, в свою очередь, связаны с многочисленными физическими феноменами и прежде всего с ее внутренним строением. Именно по этой причине РСДБ используют в качестве базовой технологии для решения широкого класса координатно- временных задач.

Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами

История радиоастрономии, как впрочем, и астрономии вообще - это одновременное достижение высокой чувствительности и высокого углового разрешения телескопов.

Первый параметр характеризует способность последних регистрировать слабые сигналы, т.е. идущие от все более далеких источников, или (если говорить терминами времени) источников, свидетельствующих о ранних этапах эволюции Вселенной и объектах, ее населяющих. Второй параметр показывает возможности радиотелескопов детально исследовать структуру космических источников, а также точно определять их положение в пространстве.

Любой радиотелескоп представляет собой аналоговую вычислительную машину, предназначенную для выполнения простой школьной операции с полями, возбуждаемыми космическим излучением и собираемыми в его фокусе. Он складывает поля, возводит их в квадрат и осредняет по времени:

radiointerferometricheskaya-set-kvazar

Первый член в правой части формулы определяет общую мощность, принимаемую телескопом, которая пропорциональна его собирающей поверхности или квадрату диаметра (D 2 ); он несет информацию о потоке, исходящем от источника, и его переменности. Второй член - кросс-корреляционная функция - содержит данные об изображении источника и, следовательно, его внутренней структуре и положении на небесной сфере. Он обратно пропорционален диаметру радиотелескопа и прямо пропорционален длине волны принимаемого радиоизлучения -

radiointerferometricheskaya-set-kvazar

Словом, чтобы успешно решить обе задачи, необходимо увеличивать диаметр радиотелескопа.

Именно по этому пути шли ученые до 1932 г., когда инженер К. Янский (США) впервые обнаружил радиоизлучение от космического источника - галактики и, тем самым, заложил основы новой области наблюдательной астрономии - радиоастрономии (с ее возникновением связаны открытия радиогалактик, квазаров, реликтового излучения и пульсаров).

Радиотелескопы долгие годы создавали по принципу увеличения диаметра зеркал. В настоящее время самый мощный из них - с диаметром зеркала 100 м - в Эффельсберге (Германия). Этот параметр практически предельный для полноповоротных радиотелескопов, поскольку его превышение ведет к деформации металлоконструкций, "разрушающих" поверхность и систему фокусировки всей установки.

Некоторое время специалисты считали: дальнейшее повышение чувствительности и углового разрешения напрямую будут связаны с созданием антенных систем переменного профиля. В них собирающая поверхность формируется из отдельных щитов, выставленных относительно друг друга с высокой точностью геодезическими, радиотехническими или радиоастрономическими методами. По такому принципу, предложенному пионерами российской наблюдательной радиоастрономии С. Э. Хайкиным и Н. Л. Кайдановским, бьии построены в нашей стране Большой пулковский радиотелескоп и 600-метровый радиотелескоп РАТАН-600 (последний в настоящее время - крупнейший в мире).

Однако установки такого типа принципиально ограничены в возможности длительного сопровождения источников. Эта особенность сильно сужает область их применения, поскольку, с одной стороны, уменьшается время накопления сигналов от слабых космических источников, а с другой - не обеспечивается возможность наблюдать за ними в разных часовых углах.

Идеей, определившей наиболее эффективный путь развития радиоастрономии высокого углового разрешения, и стала технология РСДБ. Суть ее в том, что телескопы, разнесенные на большие расстояния и не связанные друг с другом кабельными линиями, синхронно принимают высокочастотные сигналы от космических радиоисточников, которые далее преобразуются в видеочастоты, регистрируются в цифровом виде на магнитных лентах или передаются по специальным каналам связи, после чего производится вычисление кросскорреляционной функции с помощью специальной вычислительной машины.

Чувствительность по потоку данной системы определяется обычно площадью входящих в нее радиотелескопов, полосой регистрации и временем когерентного накопления, а угловое разрешение - расстоянием между инструментами, базой интерферометра. Последняя, играющая роль эффективного диаметра такой глобальной сети, ограничена лишь диаметром Земли. А это позволяет повысить точность определения положений космических радиоисточников по сравнению с отдельно взятым радиотелескопом почти на пять порядков - от нескольких угловых минут до долей миллисекунды дуги.

Радиоинтерферометрическая сеть "Квазар"

В настоящее время в мире - более ста радиотелескопов, время от времени или постоянно работающих в режиме радиоинтерферометра. Они установлены на всех континентах, включая Антарктиду. Появление такой планетарной системы стало следствием того, что в конце 70 - начале 80-х годов XX в. рядом радиоастрономических коллективов США, СССР, Европы, Канады, Японии и Китая были разработаны национальные постоянно действующие астрофизические и астрометрические РСДБ-сети. В СССР этот проект получил название "Квазар-КВО". В аббревиатуре КВО (координатно- временное обеспечение) отражена основная научная направленность вновь создаваемого инструмента для решения задач астрометрии, геодинамики и эфемеридной астрономии.

Вначале по проекту предполагалось возведение 5- элементного радиоинтерферометра. Однако после распада СССР и расширения международной кооперации в этой области было решено ограничиться строительством трех радиотелескопов - их оказалось достаточно для обеспечения независимости от других стран при решении национальных задач и для эффективного включения сети в международное радиоинтерферометрическое сообщество.

Новые радиоастрономические обсерватории должны появиться в поселке Светлое (Ленинградская область), вблизи станицы Зеленчукс-кая (Карачаево-Черкесская Республика) и в урочище Бадары (Республика Бурятия). В результате образуется РСДБ-сеть "с длиной сторон треугольника" - 2015х4282х4405 км, объединенная центром управления и обработки в Санкт-Петербурге, где установлен коррелятор. Перечисленные "точки" выбраны исходя из соображений, напрямую вытекающих из содержания астрономических и геодинамических задач: наличие значительных экваториальных и полярных проекций баз; большая общая зона видимости радиотелескопов сети для источников с широким диапазоном склонений. Существенное значение сыграло и требование к "радиоклимату", предполагающее минимальный уровень помех технологического происхождения. Наконец, учитывалось и то обстоятельство, что в этих местах уже давно функционировали другие астрономические установки (6- метровый оптический и 600-метровый радиотелескоп в Зеленчукской и солнечный радиотелескоп в Бадарах).

Основные параметры радиотелескопа сети "Квазар":

Главное зеркало:

диаметр

32м

форма

квазипараболоид

Вторичное зеркало:

диаметр

форма

квазигиперболоид

Фокусное расстояние

11,4м

Монтировка

азимутальная

Переделы вращения:

по азимуту

+/- - 240

по углу места

-5 - +95

Скорость движения (быстрая/медленная):

по азимуту

1,5/сек/1,57сек

по углу места

0,8/сек/1,07сек

Точность поверхности

0,5 мм

Точность наведения

10''

Сейчас уже действуют две обсерватории сети "Квазар" - "Светлое" и "Зеленчукская", объединенные в двухэлементный интерферометр; завершается создание третьей - "Бадары". Все они спроектированы единообразно. Главным элементом является полноповоротный радиотелескоп нового поколения с диаметром зеркала 32 м. Он специально рассчитан для работы в составе сети "Квазар", поскольку астрометрические и геодинамические задачи предъявляют особые требования к конструкции и динамическим качествам этого, по существу, прецизионного астрометрического инструмента.

Радиотелескоп построен по схеме Кассегрена **** с основным квазипараболическим зеркалом с фокусным расстоянием 11,4 м и вторичным зеркалом, представляющим модифицированный гиперболоид вращения диаметром 4 м. Он оснащен высокочувствительными охлаждаемыми радиометрами с транзисторами на гетероструктурах (НЕМТ- транзисторах) на длины волн - 1,35; 2,6; 3,5; 6,0; 13 и 18/21 см, позволяющими вести одновременный прием двух круговых ортогональных поляризаций.

Для реализации шумовых температур системы "радиотелескоп-радиометр" не выше 50 К малошумящие устройства всех диапазонов, а также часть входных трактов до 20 К (водородный уровень) охлаждают специальные микрокриогенные системы замкнутого типа. В результате можно уверенно регистрировать слабые источники. Это, в свою очередь, позволяет создавать каталоги равномерно распределенных на небесной сфере радиоисточников и эффективно использовать последние при дифференциальных измерениях для подавления влияния эффектов турбулентной тропосферы и нестабильности аппаратуры. Уже первые измерения показали: шумовые характеристики радиотелескопов системы "Квазар" на разных длинах волн - одни из лучших в мире.

Для осуществления одновременного приема на волнах 3,5 и 13 см (чтобы исключить влияние ионосферы), которые являются основными диапазонами для астрометрических и геодинамических исследований, предусмотрен совмещенный облучатель. Для быстрого перехода с одного диапазона на другой и, тем самым, обеспечения многоволновых измерений в режиме квазиодновременного приема, в инструментах реализована система двухзеркального облучения с расположением вторичных фокусов не на оси главного зеркала, а на некоторой окружности с центром на этой оси. Такой переход осуществляется поворотом вторичного зеркала на соответствующий угол вокруг его оси.

Второй существенный элемент обсерваторий сети "Квазар" - система частотно-временной синхронизации, состоящая из четырех водородных и двух цезиевых стандартов с очень высокими метрологическими параметрами. Она выполняет множество важнейших функций: вырабатывает гетеродинные (высокочастотные) сигналы; хранит точное время для синхронизации записей на различных пунктах; формирует опорное напряжение для систем таких записей. В систему входят также средства, позволяющие осуществить предварительную временную синхронизацию разнесенных на тысячи километров атомных шкал времени с погрешностью не более 0,1 мс. По существу, все это обеспечивает превращение отдельных радиотелескопов в интерферометр - единый глобальный радиотелескоп.

Наконец, третий элемент обсерватории - спутниковые системы передачи данных, простроенные на основе приемопередающих антенн диаметром 4 м, работающих в диапазоне 14/11 ГГц. С их помощью можно передавать радиоастрономические и управляющие сигналы со скоростью до 4,5 Мбит/с для обеспечения режима реального времени по каналам управления и обработки. Эта же система позволяет сводить атомные шкалы времени с погрешностью в 1 не путем передачи сигналов через спутниковый канал дуплексным методом.

Создание РСДБ-систем реального времени - стратегическая техническая задача для многих стран мира. На сегодняшний день она оказалась по плечу лишь Японии, где ее построили на оптоволоконных линиях связи для решения такой актуальной задачи, как предсказание землетрясений. Возможность объединения европейских радиотелескопов оптоволоконными линиями связи с пропускной способностью более 1 Тбит/с в единую систему реального времени рассматривается РСДБ-сообществом как наиболее перспективная технология. Мы же в качестве первого шага в этом направлении собираемся подключить обсерваторию "Светлое" к высокоскоростной оптической линии связи "Лаппеенранта - Санкт-Петербург с потоком около 1 Гбит/с, что позволит напрямую соединить ее с коррелятором.

Коррелятор, куда поступают первичные данные из обсерваторий, является в определенном смысле фазовым центром сети "Квазар", ибо там когерентно складываются сигналы и вычисляются автокорреляционные и кросскорреляционные функции видеосигналов, амплитуды функции видности, дающие информацию о структуре радиоисточника и др. Сейчас коррелятор обрабатывает данные систем регистрации MkIII, поступающие одновременно с трех пунктов с общей скоростью 384 Мбит/с.

В связи с перспективой ввода в действие системы регистрации MkV и установкой ее при поддержке НАСА на радиотелескопах сети "Квазар", в нашем институте начали разрабатывать коррелятор нового поколения на программируемых логических интегральных схемах, способный обрабатывать данные всех стандартов записи, используемых международным РСДБ-сообществом - MkIII - МкР/ (США), SII - SV(Канада), KIll - KIV (Япония).

Вся аппаратура обсерваторий сети "Квазар" - радиотелескоп, радиометры, системы частотно-временной синхронизации и регистрации сигналов на магнитные ленты - управляется центральным компьютером с инсталлированной на нем программной системой MkIV Filed System, являющейся международным стандартом для РСДБ-станций. Эта система была адаптирована для управления разработанной в России аппаратурой. Таким образом, в настоящее время радиотелескопы сети "Квазар" способны воспринимать управляющие файлы международных РСДБ-сетей и, как следствие, без труда вписываются в международные наблюдательные программы.

Первоклассные геодинамические РСДБ-станции, которых сейчас в мире около двух десятков, помимо чисто радиоинтерферометрических средств, содержат и радиотехнические и светодальнометрические системы ГЛОНАСС/GPS и ЭТАЛОН/ LAGEOS для наблюдений навигационных и геодезических искусственных спутников Земли, что позволяет взаимно калибровать различные средства измерений, уменьшать влияние систематических ошибок, расширять класс исследуемых задач и изучать явления с различными временными масштабами. При проектировании системы "Квазар" это было учтено, и сейчас обсерватории "Светлое" и "Зеленчукская" оборудованы приемоиндикаторами системы ГЛОНАСС и геодезическими приемниками системы GPS, а "Бадары" - системой DORIS. При поддержке НАСА планируется установить в ближайшие годы на "Зеленчукской" и "Бадарах" лазерные дальномеры пятого поколения.

В заключение хотелось бы подчеркнуть: фундаментальные задачи астрометрии и геодинамики - такой тип научных задач, для которых "инфляционные" тенденции выражены значительно слабее, чем для многих из весьма ярких, решаемых астрофизикой и космологией. Все они связаны с крупными и долговременными региональными и глобальными наблюдательными программами, где РСДБ-технология играет решающую роль. В настоящее время эти программы координирует международная научная организация IVS (International VLBI Service for Geodesy and Astrometry), объединяющая технические ресурсы 75 организаций из 15 развитых стран Америки, Европы, Азии и Австралии. Наиболее значительная из них, рассчитанная, по крайней мере, на два десятилетия, - глобальная программа непрерывного мониторинга вращения Земли CORE (Continuous Observations of the Rotation of the Earth). Она проводится под научно-техническим руководством НАСА и в нее вовлечены несколько десятков стран. В рамках данной программы развернут интенсивный обмен результатами наблюдений и новыми технологиями. Создание сети "Квазар", чья первая очередь уже начала активно функционировать, позволяет России, до недавнего времени находившейся в роли стороннего наблюдателя, достойно и активно включиться в этот процесс.

* См. статью "Солнечная система и ее звездные аналоги" в этом номере журнала.

** См.: В. В. Муравьев, Г. В. Краснопевцева. Предсказуемость мест сильных землетрясений. - Наука в России, 2000, N 6.

*** См. статью "Гравитация небесных тел и нейтронные потоки" в этом номере журнала.

**** Н. Кассегрен - французский физик XVII в., предложивший схему телескопа.


Финкельштейн А. М.

Электродвигатели ATB Sever
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD