Самый большой астрономический инструмент Украины — это система радиоинтерферометров УРАН. Она настолько огромна, что ее станции есть в Харьковской области, и под Одессой, и возле Шацких озер на Волыни. О том, как работают эти радиотелескопы, мы поговорили с директором Радиоастрономического института НАН Украины Вячеславом Захаренко.
Самый большой радиоинтерферометр Украины
Знаете ли вы, что в Украине существует система, подобная Телескопу горизонта событий, с помощью которого несколько лет назад было впервые получено первое в истории изображение черной дыры? Речь идет об УРАН — Украинском радиоинтерферометре Академии наук.
Система состоит из крупнейшего декаметрового радиотелескопа в мире УТР-2 и четырех обсерваторий (УРАН-1 — УРАН-4), разбросанных по разным уголкам Украины. Каждая из них представляет собой антенное поле из почти сотни или сотен скрещенных диполей, работающих как один инструмент. А все вместе они способны работать в режиме интерферометра. В этом случае несколько сигналов от телескопов, находящихся на расстоянии сотен километров друг от друга, «складываются» (точнее, умножаются и складываются), позволяя получить данные, которые мог бы собрать инструмент гораздо больших размеров.
К сожалению, сейчас к ним не может присоединиться крупнейший радиотелескоп УТР-2, который расположен на юго-востоке от Харькова. В прошлом году он побывал под российской оккупацией и был разграблен и разрушен. Сейчас идет процесс его восстановления.
О системе в целом
УРАН — это система интерферометров, включающая в себя радиотелескоп УТР-2 и охватывающая всю Украину. От Харькова — точнее, от обсерватории им. Семена Яковлевича Брауде — до Шацких озер на Волыни это составляет примерно 950–960 км. С севера на юг она протянулась от тех же Шацких озер до Одессы. Антенны УРАН-1 и УРАН-4 принадлежат Радиоастрономическому институту НАН Украины, УРАН-2 — Полтавской гравиметрической обсерватории Института геофизики им. С. И. Субботина НАН Украины, а УРАН-3 — Физико-механическому институту им. Г. В. Карпенко НАН Украины.
Самая большая станция, если не считать УТР-2, — это УРАН-2, расположенный под Полтавой возле села Степановка. После временной потери УТР-2 именно на этот радиотелескоп было возложено большинство задач, которые выполнял УТР-2. Сотрудники Полтавской гравиметрической обсерватории с начала войны провели много дополнительной работы, связанной с расширением круга исследовательских задач, обработкой и архивацией данных и поддержкой сотрудников нашего института.
На очень низких даже для радиоастрономии частотах (15–25 МГц) из-за рассеивания радиоизлучения в межзвездной среде достичь лучшей «точности», чем одна угловая секунда, невозможно. И система УРАН имеет очень близкое к этому разрешение, составляющее несколько угловых секунд.
Это разрешающая способность системы в целом, когда все станции работают вместе. Принцип тот же, что и принцип работы Телескопа горизонта событий, с помощью которого было получено первое изображение черной дыры. Там сигнал также собирался с нескольких отдельных радиотелескопов — семи, восьми или десяти, в зависимости от условий приема.
У нас аналогичная ситуация. Мы имеем пять станций: УТР-2 и четыре УРАНа. УРАНы имеют немного лучшую антенну, чем большой телескоп, в том смысле, что там есть две поляризации, а это важно для многих исследований. Однако их антенные поля значительно меньшего размера, поэтому их эффективная площадь, то есть суммарная площадь поверхности, которая может принимать сигнал, также значительно скромнее. УТР-2 — это 150 тыс. м², а все УРАНы вместе — только 50 тыс. м². То есть вместе они имеют эффективную площадь около 200 тыс. м².
Станции УРАН строились не одновременно, а одна за другой. Однако их номера не совпадают с этим порядком. Если позволяло местоположение, антенны пытались сделать все больше и совершеннее. Среди УРАНов позднее всего построен УРАН-2 и является самым большим. Он состоит из 512 скрещенных дипольных антенн.
По своей конструкции антенны похожи на те, что используются на телескопе УТР-2, только каждая из них содержит не один, а два диполя. Таким образом, на УРАН-2 общее количество диполей составляет 1024, а на УТР-2 — 2040.
УРАН-2 — самая большая станция системы
На УТР-2 диполей вдвое больше и он примерно в 5 раз чувствительнее (~150 000 по сравнению с ~30 000 м² эффективной площади) станции в Степановке, но для исследования поляризации волн УРАН-2 (что важно для изучения излучения Юпитера, Солнца и некоторых других космических объектов) подходит лучше. УТР-2 не может принимать одно из направлений поляризации и при работе на нем приходится ее «досчитывать».
При этом все антенные поля радиотелескопов относятся к типу заполненных. Благодаря этому они имеют гораздо лучшую форму луча, то есть зону, в которой они могут воспринимать сигналы. У них низкий уровень боковых «лепестков». Кроме того, заполненные антенны не имеют и целого ряда негативных эффектов, связанных с так называемыми дифракционными лепестками (такими же по уровню, как и основной), которые не всегда удается достаточно подавить за счет других параметров телескопа. По своей форме поле УРАН-2 является прямоугольником 240×120 м (32х16 диполей через 7,5 м), вытянутым с востока на запад.
Поскольку в этой местности достаточно близко к поверхности подходят грунтовые воды, строить большие подземные кабельные тоннели, как в УТР-2, было признано нецелесообразным. Поэтому решили (как и для всех других меньших по размеру УРАНов) проложить кабели в траншеях, а их коммутацию сделать в вертикальных колодцах. Те прямоугольники, которые видны на фотографиях УРАН-2, сделанных сверху — это их крышки, нужны для того, чтобы туда не попадали вода и мусор.
Возвращаясь к характеристикам системы. Луч УРАН-2 примерно в 8 раз шире, чем у УТР-2. У последнего на центральной частоте диапазона он составляет ~0,5°, а у станции под Полтавой — примерно 4°, хотя точное значение зависит (обратно пропорционально) от частоты, на которой он работает. И эти значения являются достаточными для выполнения многих задач, которыми мы сейчас занимаемся.
Например, этот радиотелескоп используется, когда нужно сопровождать космический аппарат Juno, который вращается вокруг Юпитера — для широкополосного исследования его радиоизлучения, или зонды Solar Orbiter и Parker Solar Probe. Последние исследуют солнечный ветер и радиоизлучение, находясь непосредственно рядом с нашим светилом на расстоянии нескольких его радиусов.
На «декаметровом» радионебе не так много мощных источников, которые были бы видимы на фоне яркого синхротронного излучения релятивистских электронов в магнитных полях нашей Галактики с яркостной температурой десятки и сотни тысяч градусов. Но даже несмотря на то, что эффективная площадь УРАН-2 заметно меньше УТР-2, на нем выполняется широкий круг задач. Это не только наземная поддержка космических миссий, но и постоянный мониторинг солнечной короны (регистрация солнечных вспышек всех типов) и исследование радиоволн Юпитера; обзор радиорекомбинационных линий углерода и исследование пульсаров и транзиентов. Поиск радиоизлучения молний в атмосфере Сатурна и других планет Солнечной системы.
О трех других станциях
УРАН-3, расположенный вблизи Шацких озер, имеет 256 дипольных антенн, УРАН-4, расположенный возле Одессы — 128, а УРАН-1 в Змиеве Харьковской области — 96. Последняя станция была самой первой, и там, где ее построили, просто нет места для большего их количества.
Все три станции сейчас работают, и на них продолжаются исследования. Однако следует отметить, что все мощные источники, которые излучают в соответствующем диапазоне, уже были записаны ранее с помощью также и УТР-2. Поэтому сейчас наши интерферометристы, работая без УТР-2, занимаются тем, что проверяют и совершенствуют модели космических источников, пользуясь этими архивными данными, и изучают большие по угловым размерам объекты, такие как, например, Солнце, остаток сверхновой Кассиопея-А, радиогалактика Лебедь-А, в режиме интерферометра с короткой базой, когда радиотелескоп используют как несколько радиотелескопов меньших размеров. Все УРАНы, кроме классической интерферометрии, используются в исследованиях межпланетной плазмы и ионосферы методом мерцаний, мониторинга изменчивости радиоизлучения выбранных источников и в изучении крупномасштабной структуры галактического фона.
Parker Solar Probe и Телескоп горизонта событий
Чем ниже частота, тем более разреженные слои плазмы может наблюдать радиотелескоп, который на ней работает. Parker Solar Probe регистрирует более высокие частоты и исследует преимущественно видимую поверхность нашего светила. А мы наблюдаем за тем, что происходит в самых отдаленных областях короны, и таким образом существенно дополняем его данные.
Использование приборов, работающих на разных частотах, позволяет проследить путь корональных выбросов массы на большом расстоянии и понять, куда они летят. Хотя данные, которые мы получаем, для этого еще надо «расшифровывать» — сопоставлять с другими солнечными радиотелескопами мира, работающими в других диапазонах частот.
Компьютерная обработка данных интерферометрических наблюдений из-за того, что мы имеем 5 станций, не такая требовательная к ресурсам, как у Телескопа горизонта событий или у других мировых радиоинтерферометрических сетей мира (американская VLBI или Европейская EVN). Им приходилось проводить значительно большую работу для получения изображений.
Надо сказать, что сейчас во всем мире очень мощно развивается низкочастотная радиоастрономия. Это касается и крупнейшего интерферометра LOFAR в Нидерландах и ряде Европейских стран, который работает на достаточно близких частотах к УРАНам. Несмотря на низкие частоты (разрешение падает с частотой), благодаря большому количеству станций (сейчас более пятидесяти в 8 странах) радиоизображения получаются достаточно детальными.
Чтобы по данным системы сгенерировать изображение объекта, похожее на полученное Телескопом горизонта событий, надо получить данные как с высоким, так и с низким разрешением. Для этого нужны и большие, и маленькие базы, то есть расстояния между станциями. Если бы у нас было больше станций на расстояниях от нескольких сотен метров до 400–500 км друг от друга, это было бы возможно. На малом количестве телескопов можно построить только модель или небольшие разрезы объекта.
Какое будущее у системы УРАН
Поэтому важна совместная работа радиотелескопов системы УРАН вместе с LOFAR. Это даст нам возможность принимать участие в построении высококачественных низкочастотных радиоизображений, а LOFAR получит наиболее удаленные станции, что позволит дополнительно поднять разрешение. Это требует согласования формата данных и было бы целесообразным несколько расширить полосу рабочих частот УРАН до 40 или 50 МГц.
Мы говорили об изображении, то есть о двух координатах, но есть еще третья — расстояние, и это часто связано с шириной частотного диапазона. Очень часто так получается, что для построения качественного изображения надо сужать полосу частот. Это связано с тем, что полученное на одной конкретной частоте это изображение будет четким, а стоит лишь расширить полосу — и оно будет расплываться. Это обусловлено характеристиками источника излучения. И исследования вовсе не ограничиваются получением «картинки».
Сейчас расширение полосы частот при радиоастрономических исследованиях достигается за счет использования секций нового радиотелескопа ГУРТ (Гигантский украинский радиотелескоп). Его диапазон частот 8–80 МГц, но пока что построены только отдельные секции, которые имеют эффективную площадь ~500 м2. Используя в диапазоне 8–33 УРАН, а выше — ГУРТ можно получить гораздо больше информации о физических событиях в космических источниках.
Можно сосредоточиться на изучении всего спектра и применить эту технику для исследования Солнца. Например, мы можем увидеть начало какого-то события на частоте 80 МГц и на расстоянии в части солнечного радиуса от поверхности, а затем наблюдать его на меньших частотах, по мере того, как корональный выброс массы удаляется от нашего светила. Иногда мы видим, как потоки частиц в солнечной короне разворачиваются и падают обратно.
То есть исследование всего спектра дает возможность узнать, как развиваются события. Если известны две координаты источника сигнала и характеристики его спектра, то можно рассчитать третью и получить трехмерное представление о процессе.
О Нацдостоянии «УТР-2 — УРАН» в целом
И все-таки система УРАН является неполной без своего самого большого телескопа. Именно поэтому необходимо как можно быстрее восстановить УТР-2. Новые разработки в усилительной и приемной технике позволят существенно увеличить его чувствительность. Новые цифровые схемы фазирования позволят получить возможности и картографирования, и интерферометрии с большим количеством малых баз (в пределах расстояний субсекций УТР-2). Речь идет о разделении УТР-2 на 68 30-элементных секций, что позволит гибко менять конфигурацию и проводить картографирование. Наработки по восстановлению УТР-2 будут затем перенесены в радиотелескопы системы УРАН для увеличения ее чувствительности в целом.
Благодаря своим характеристикам — прежде всего гигантской эффективной площади — система УРАН может стать очень важной частью большого Европейского низкочастотного радиотелескопа.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
