Радиотелескоп FAST. «Небесный глаз» Китая

В китайской провинции Гуйчжоу введен в полноценную эксплуатацию радиотелескоп FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope), ставший крупнейшим цельноапертурным астрономическим инструментом планеты. Диаметр его рефлектора, построенного в карстовой впадине, достигает полукилометра. Зачем ученым такие большие телескопы? Какие сложности возникают при их создании?

Общий вид полукилометрового главного рефлектора китайского радиотелескопа FAST. Приемники излучения расположены в капсуле, подвешенной над рефлектором с помощью системы тросов, которые закреплены на шести башнях. Источник: FAST/National Astronomical Observatories of Chinese Academy of Sciences

Первые попытки зарегистрировать радиосигналы из космоса были предприняты вскоре после изобретения радио. В 1897 году британец Оливер Лодж (Oliver Lodge) впервые провел эксперименты по поискам радиоизлучения Солнца, а годом позже их повторили немецкие астрофизики Йоганнес Вилзинг и Юлиус Шайнер (Johannes Wilsing, Julius Scheiner) — с тем же отрицательным результатом. Сейчас мы знаем, что им просто не хватило чувствительности аппаратуры того времени. Но тогда все выглядело гораздо сложнее. В 1902 году по результатам изучения возможностей радиосвязи на больших расстояниях было предсказано существование ионосферы — верхнего слоя земной атмосферы, полностью отражающего радиоволны. Ученые начали подозревать, что мы не сможем услышать космос в радиодиапазоне, пока не поднимемся за пределы этого слоя.

Карл Янски со своей «карусельной» антенной, рассчитанной на прием радиоволн с частотой 20,5 МГц (это соответствует длине волны 14,5 м). Источник: www.cv.nrao.edu

С другой стороны, световые лучи, являющиеся разновидностью того же электромагнитного излучения, что и радиоволны, преодолевают ионосферу беспрепятственно, и вопрос заключался в том, где находится предел ее «непрозрачности». Пока астрономы искали этот предел, сотрудник компании Bell Telephone Laboratories американский инженер Карл Янски (Karl Jansky) в начале 1930-х годов проводил исследование «радиошумов», препятствовавших связи. Он заметил, что в определенном частотном диапазоне помехи периодически усиливались, достигая максимума примерно в одно и то же время суток. Более точные измерения показали, что на самом деле период максимальной интенсивности шумов составляет 23 часа 56 минут — именно столько длится один оборот нашей планеты вокруг собственной оси относительно звезд. Следовательно, неизвестный «радиошум» должен поступать из-за пределов Солнечной системы. Как выяснилось позже, этот шум представляет собой излучение, возникающее при падении вещества на сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики. Сейчас она известна как радиоисточник Стрелец A*.

Зачем нужны большие антенны?

Первые радиотелескопы имели очень низкое разрешение. Самые примитивные из них позволяли только узнать, находится ли источник радиосигнала над горизонтом. Но в результате быстрого усовершенствования конструкций антенн и приемной аппаратуры (во многом оно было вызвано Второй Мировой войной, когда соответствующими разработками активно занимались в интересах военных) этот показатель постепенно увеличивался, что означало возможность точнее определить положение радиоисточника на небесной сфере и «увидеть» раздельно два очень близких точечных объекта. Причем радиоастрономия имеет для этого больше возможностей, чем обычная оптическая астрономия.

Земная атмосфера практически прозрачна для излучения лишь в некоторых диапазонах электромагнитного спектра, главными из которых является видимый диапазон (с прилегающими к нему частями инфракрасного и ультрафиолетового) и радиоволны — от миллиметровых до декаметровых. Источник: www.cv.nrao.edu

Принцип действия телескопа — независимо от типа излучения, с которым он «работает» — заключается в преобразовании плоского фронта электромагнитной волны, поступающей от очень удаленного источника, в сферический и сведение его в одну точку (фокус). Там устанавливается регистрирующий прибор, а в случае визуального телескопа — окуляр. Проблема в том, что когда размер телескопического объектива оказывается меньше определенной критической величины, он начинает вносить дополнительные искажения в волновой фронт, что негативно влияет на качество изображения. Этот размер прямо пропорционален длине волны. Следовательно, чем длиннее волна электромагнитного излучения, на которой ведется наблюдение, тем больше должен быть размер объектива или приемной антенны для получения приемлемого разрешения.

Правда, радиоастрономия дает ученым еще одну интересную возможность — с помощью компьютерной обработки нескольких тщательно синхронизированных наблюдений, выполненных разными инструментами на одной и той же длине волны, можно создать «виртуальную антенну», размер которой равен расстоянию между двумя наиболее удаленными телескопами сети. Недавно таким путем удалось получить снимок «тени» от сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87 в созвездии Девы. Но обычно более качественные изображения, требующие значительно меньшей дальнейшей обработки, астрономы получают, используя «сплошные» антенны больших размеров. К тому же большая площадь собирающей поверхности позволяет получать на выходе более мощный сигнал и легче выделять его среди шумов.

Еще одно важное свойство «целостных» радиотелескопов — возможность использования их в «обратном» режиме (как передатчиков). Это позволяет проводить радарные исследования различных тел Солнечной системы, а также отправлять «радиограммы» гипотетическим внеземным цивилизациям. Первое такое послание было осуществлено с помощью телескопа Аресибо в 1974 году.

Сила тяжести нашей планеты ограничивает размеры подвижных рефлекторов, которые можно «разворачивать» в направлении объекта наблюдений и постоянно держать его «под прицелом»: они не могут иметь диаметр более сотни метров. Большие конструкции будут слишком сильно прогибаться под собственным весом. Поэтому до недавнего времени крупнейшим сплошным радиоастрономическим инструментом планеты был 305-метровый радиотелескоп Аресибо на острове Пуэрто-Рико с неподвижной главной антенной, построенной в карстовой воронке. Чтобы иметь возможность наблюдать небесные тела не только в зените, подвижным сделали приемник, подвешенный над антенной «чашей» на трех растяжках. Благодаря этому удалось охватить наблюдениями полосу небесной сферы шириной 40°. На полную мощность телескоп заработал в 1963 году. В 2017-м после двух ураганов у него начались серьезные технические проблемы, а 1 декабря 2020 года он окончательно разрушился.

Радиотелескоп Аресибо. Источник: SciTechDaily

С начала нынешнего столетия значительный прогресс в технологических и научных достижениях демонстрирует Китайская Народная Республика. Конечно, он коснулся и радиоастрономии. Страна начала активно участвовать в международных программах, а также создавать собственные мощные инструменты, одним из которых стал FAST. Его строительство началось в 2011 году, а первые тестовые наблюдения были проведены в 2016-м. В январе 2020 года представители Академии наук Китая, в распоряжении которой будет находиться новый радиотелескоп, объявили о завершении его предварительных испытаний и полноценном вводе в эксплуатацию. Огромная антенна уже получила неофициальное название «Тяньян», что в переводе значит «Небесный глаз».

Установка последних треугольных сегментов 500-метрового рефлектора

Главное «зеркало» FAST представляет собой сегмент сферы радиусом 300 м с диаметром по краю ровно 500 м, поверхность которого примерно равна площади 30 футбольных полей. Как и у телескопа Аресибо, он «вложен» в естественную карстовую впадину, но, в отличие от своего предшественника, рефлектор которого состоял из жестко соединенных в сплошную поверхность пластин перфорированного дюралюминия, в китайском радиотелескопе используются 4450 треугольных панелей. Каждая из них имеет свой поворотный механизм, управляемый центральным компьютером, что позволяет лучше «приспосабливать» антенну для нужд конкретных наблюдений. Такой подход позволил упростить конструкцию приемника и расширить доступную ему полосу качественного приема до угловых расстояний свыше 40° от зенита. Это очень важно, поскольку инструмент находится почти на 26° северной широты. Для Аресибо этот показатель составляет 18° с.ш., но он со своим меньшим «полем зрения» перекрывал практически всю полосу небесной сферы вблизи эклиптики.

Даже при наиболее благоприятном околозенитном положении радиоисточника из всей площади антенны будет работать только сегмент диаметром примерно 300 м. FAST должен вести наблюдения в диапазоне от 10-сантиметровых радиоволн (что соответствует частоте 3 ГГц) до 4,3-метровых (70 МГц). Это несколько меньше диапазона обсерватории Аресибо, однако позволяет решать большое количество научных задач. В первую очередь китайский радиотелескоп будет использоваться для поисков и исследований пульсаров — начиная с 2016 года в рамках тестовых наблюдений он уже открыл их более сотни.

Подвижные крепления, позволяющие изменять наклон отдельных сегментов

В будущем с помощью нового радиотелескопа китайские ученые планируют составить подробную карту распространения нейтрального водорода во Вселенной и регистрировать в межзвездном пространстве сложные молекулы по их характерным спектральным линиям. Определенный процент наблюдательного времени будет выделен специалистам по поиску внеземных цивилизаций — они попытаются найти «подозрительные» сигналы и проанализировать их на предмет искусственного происхождения. Конечно, телескоп собираются задействовать в экспериментах по созданию «виртуальных антенн» VLBI (так называемая интерферометрия со сверхдлинной базой), а также радиолокации планет, комет и астероидов.

Одна из башен обслуживания телескопа FAST

Стоимость проектирования и строительства FAST составила примерно 180 млн долларов США (начальный бюджет был почти вдвое меньше), и еще в полтора раза больше денег китайское правительство потратило на создание сопутствующей инфраструктуры и отселение местных жителей, чтобы обеспечить режим «радиомолчания» в ближайших окрестностях радиотелескопа. На данный момент никакая другая страна не сообщает о планах сооружения сплошных антенн такого же или большего размера: сейчас радиоастрономы сосредоточились на отработке техники синтетической апертуры, а также на совершенствовании приемников электромагнитного излучения. Еще одно перспективное направление — вывод приемной аппаратуры за пределы атмосферы и вообще на высокие околоземные орбиты, что позволит избежать помех, вносимых земной техникой, и создавать «виртуальные» антенны диаметром в сотни тысяч километров.

Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine

Как в ранней Солнечной системе были распределены металлы
Земная атмосфера способна защитить нас от близкой вспышки сверхновой
Они среди нас: ученые Гарварда предполагают, что пришельцы маскируются под людей
NASA потратит 19,5 млн долларов на запуск фальшивой звезды
Марсоход Perseverance доехал до Светлого ангела
Путешествие к Марсу ценой почек: организм человека не выдержит межпланетный перелет
В Англии экоактивисты облили краской древнюю обсерваторию
Кратеры и ржавчина: TGO сфотографировал богатый металлами участок на Марсе
Темой международного хакатона NASA в 2024 году станет Солнце
Красные и коричневые карлики: Очень Большой телескоп нашел скрытые спутники ярких звезд