Найбільший астрономічний інструмент України — це система радіоінтерферометрів УРАН. Вона настільки велика, що її станції є і на Харківщині, й під Одесою, й біля Шацьких озер на Волині. Про те, як працюють ці радіотелескопи, ми поговорили з директором Радіоастрономічного інституту НАН України Вячеславом Захаренком.
Найбільший радіоінтерферометр України
Чи знаєте ви, що в Україні є система, подібна до Телескопа горизонту подій, за допомогою якого кілька років тому отримали перше в історії зображення чорної діри? Йдеться про УРАН — Український радіоінтерферометр Академії наук.
Система складається з найбільшого декаметрового радіотелескопа світу УТР-2 та чотирьох обсерваторій (УРАН-1 —- УРАН-4), розкиданих по різних куточках України. Кожна з них являє собою антенне поле з майже сотні чи сотень схрещених диполів, що працюють як один інструмент. А всі разом вони здатні працювати у режимі інтерферометра. В цьому випадку кілька сигналів від телескопів, що розташовані на відстані сотень кілометрів один від одного, «складаються» (точніше, помножуються і складаються), дозволяючи отримати дані, які міг би зібрати інструмент набагато більших розмірів.
На жаль, зараз до них не може приєднатися найбільший радіотелескоп УТР-2, що розташований на південний схід від Харкова. Минулого року він побував під російською окупацією та був пограбований і зруйнований. Зараз іде процес його відновлення.
Про систему в цілому
УРАН — це система інтерферометрів, що містить радіотелескоп УТР-2 й охоплює всю Україну. Від Харкова — точніше, від обсерваторії ім. Семена Яковича Брауде — до Шацьких озер на Волині. Це складає приблизно 950–960 км. З півночі на південь вона простягнулася від тих-таки Шацьких озер до Одеси. Антени УРАН-1 та УРАН-4 належать Радіоастрономічному інституту НАН України, УРАН-2 — Полтавській гравіметричній обсерваторії Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, а УРАН-3 — Фізико-механічному інституту ім. Г. В. Карпенка НАН України.
Найбільша станція, якщо не рахувати УТР-2, — це УРАН-2, розташований під Полтавою біля села Степанівка. Саме на цей радіотелескоп було покладено більшість завдань, які виконував УТР-2. Співробітники Полтавської гравіметричної обсерваторії з початку війни провели багато додаткової роботи, пов’язаної з розширенням кола дослідницьких задач, обробкою та архівацією даних та підтримкою співробітників інституту.
На дуже низьких, навіть для радіоастрономії, частотах (15–25 МГц) через розсіювання радіовипромінювання у міжзоряному середовищі досягти кращої «точності», ніж одна кутова секунда, неможливо. І система УРАН має дуже близьку до цього роздільну здатність, що складає кілька кутових секунд.
Це роздільна здатність системи в цілому, коли всі станції працюють разом. Принцип той самий, що і принцип роботи Телескопа горизонту подій, за допомогою якого отримали перше зображення чорної діри. Там сигнал також збирався з кількох окремих радіотелескопів — семи, восьми чи десяти, залежно від умов приймання.
У нас аналогічна ситуація. Ми маємо п’ять станцій: УТР-2 та чотири УРАНи. Останні мають трохи кращу антену, ніж великий телескоп, у тому сенсі, що там є дві поляризації, а це важливо для багатьох досліджень. Проте їхні антенні поля значно меншого розміру, тому їхня ефективна площа, тобто сумарна площа поверхні, що може приймати сигнал, також значно скромніша. УТР-2 — це 150 тис. м², а всі УРАНи разом — тільки 50 тис. м². Тобто загалом вони мають ефективну площу близько 200 тис. м².
Станції УРАН будувалися не одночасно, а одна за одною. Однак їхні номери не збігаються із цим порядком. Якщо дозволяло місце розташування, антени намагалися зробити все більше та досконаліше. Серед УРАНів найпізніше побудований УРАН-2 і є найбільшим. Він складається з 512 схрещених дипольних антен.
За своєю конструкцією антени схожі на ті, що використовуються на телескопі УТР-2, тільки кожна з них містить не один, а два диполі. Таким чином, на УРАН-2 загальна кількість диполів складає 1024, а на УТР-2 — 2040.
УРАН-2 — найбільша станція системи
На УТР-2 диполів удвічі більше і він приблизно в 5 разів чутливіший (~150 000 у порівнянні з ~30 000 м2 ефективної площі) за станцію у Степанівці, але для дослідження поляризації хвиль УРАН-2 (що важливо для вивчення випромінювання Юпітера, Сонця та деяких інших космічних об’єктів) підходить краще. УТР-2 не може приймати один із напрямків поляризації й під час роботи на ньому доводиться її «дораховувати».
При цьому всі антенні поля радіотелескопів належать до типу заповнених. Завдяки цьому вони мають набагато кращу форму променя, тобто зону, в якій вони можуть сприймати сигнали. У них низький рівень бокових «пелюсток». Крім того, заповнені антени не мають і цілої низки негативних ефектів, пов’язаних із так званими дифракційними пелюстками (такими ж за рівнем, як і основна), які не завжди вдається достатньо придушити за рахунок інших параметрів телескопа. За своєю формою поле УРАН-2 є прямокутником 240×120 м (32х16 диполів через 7,5 м), витягнутим зі сходу на захід.
Оскільки у цій місцевості достатньо близько до поверхні підходять ґрунтові води, будувати великі підземні кабельні тунелі, як в УТР-2, було недоцільно. Тож вирішили (як і для всіх інших менших за розміром УРАНів) прокласти кабелі у траншеях, а їхню комутацію зробити у вертикальних колодязях. Прямокутники, які видно на фотографіях УРАН-2, зроблених згори, — це їхні кришки, потрібні для того, аби туди не потрапляли вода та сміття.
Повертаючись до характеристик системи. Промінь УРАН-2 приблизно у 8 разів ширший, ніж в УТР-2. В останнього на центральній частоті діапазону він складає ~0,5°, а у станції під Полтавою — приблизно 4°, хоча точне значення залежить (зворотно пропорційно) від частоти, на якій він працює. І ці значення є достатніми для виконання багатьох задач, якими ми зараз займаємося.
Наприклад, цей радіотелескоп використовується, коли потрібно супроводжувати космічний апарат Juno, який обертається навколо Юпітера — для широкосмугового дослідження його радіовипромінювання, чи зонди Solar Orbiter і Parker Solar Probe. Останні досліджують сонячний вітер і радіовипромінювання, перебуваючи безпосередньо поряд із нашим світилом на відстані кількох його радіусів.
На «декаметровому» радіонебі не так багато потужних джерел, які були б видимі на тлі яскравого синхротронного випромінювання релятивістських електронів у магнітних полях нашої Галактики з яскравісною температурою десятки та сотні тисяч градусів. Але навіть попри те, що ефективна площа УРАН-2 помітно менша за УТР-2, на ньому виконується широке коло завдань. Це не тільки наземна підтримка космічних місій, а й постійний моніторинг сонячної корони (реєстрація сонячних спалахів усіх типів) та дослідження радіобур Юпітера; огляд радіорекомбінаційних ліній вуглецю та дослідження пульсарів і транзієнтів. Пошук радіовипромінювання блискавок в атмосфері Сатурна та інших планет Сонячної системи.
Проводяться й інтерферометричні дослідження з іншими трьома радіообсерваторіями УРАН.
Про три інші станції
УРАН-3, розташований поблизу Шацьких озер, має 256 дипольних антен, УРАН-4, розташований біля Одеси — 128, а УРАН-1 у Змієві на Харківщині — 96. Остання станція була найпершою, і там, де її збудували, просто немає місця для більшої їхньої кількості.
Усі три станції зараз працюють, і на них продовжуються дослідження. Однак варто зазначити, що всі потужні джерела, які випромінюють у відповідному діапазоні, вже були записані раніше за допомогою також і УТР-2. Тому зараз наші інтерферометристи, працюючи без УТР-2, займаються тим, що перевіряють та удосконалюють моделі космічних джерел, користуючись цими архівними даними, та вивчають великі за кутовими розмірами об’єкти, такі як, наприклад, Сонце, залишок наднової Кассіопея-А, радіогалактика Лебідь-A, в режимі інтерферометра з короткою базою, коли радіотелескоп використовують як кілька радіотелескопів менших розмірів. Усі УРАНи, крім класичної інтерферометрії, використовуються у дослідженнях міжпланетної плазми та іоносфери методом мерехтінь, моніторингу змінності радіовипромінювання обраних джерел та у вивченні великомасштабної структури галактичного фону.
Parker Solar Probe і Телескоп горизонту подій
Чим нижча частота, тим більш розріджені шари плазми може спостерігати радіотелескоп, який на ній працює. Parker Solar Probe реєструє більш високі частоти й досліджує переважно видиму поверхню нашого світила. А ми спостерігаємо за тим, що відбувається у найвіддаленіших областях корони, й таким чином суттєво доповнюємо його дані.
Використання приладів, які працюють на різних частотах, дозволяє простежити шлях корональних викидів маси на великій відстані та зрозуміти, куди вони летять. Хоча дані, які ми отримуємо, для цього ще треба «розшифровувати» — зіставляти з іншими сонячними радіотелескопами світу, які працюють в інших діапазонах частот.
Комп’ютерна обробка даних інтерферометричних спостережень через те, що ми маємо 5 станцій, не така вимоглива до ресурсів, як у Телескопа горизонту подій або в інших світових радіоінтерферометричних мереж світу (американська VLBI чи Європейська EVN). Їм доводилося проводити значно більшу роботу для отримання зображень.
Треба сказати, що зараз у всьому світі дуже потужно розвивається низькочастотна радіоастрономія. Це стосується і найбільшого інтерферометра LOFAR у Нідерландах та низці Європейських країн, який працює на достатньо близьких частотах до УРАНів. Попри низькі частоти (роздільна здатність падає з частотою), завдяки великій кількості станцій (зараз більше п’ятдесяти у 8 країнах) радіозображення виходять достатньо детальними.
Для того, аби за даними системи згенерувати зображення об’єкта, схоже на отримане Телескопом горизонту подій, треба отримати дані як із високою, так і з низькою роздільною здатністю. Для цього потрібні й великі, й маленькі бази, тобто відстані між станціями. Якби у нас було більше станцій на відстанях від кількох сотень метрів до 400–500 км одна від одної, це було б можливо. На малій кількості телескопів можна побудувати лише модель або невеличкі розрізи об’єкта.
Яке майбутнє у системи УРАН
Тому важливою є сумісна робота радіотелескопів системи УРАН разом з LOFAR. Це дасть нам змогу брати участь у побудові високоякісних низькочастотних радіозображень, а LOFAR отримає найбільш віддалені станції, що дозволить додатково підняти роздільну здатність. Це потребує узгодження формату даних та було б доцільним дещо розширити смугу робочих частот УРАН до 40 або 50 МГц.
Ми говорили про зображення, тобто про дві координати, але є ще третя — відстань, і це часто пов’язане з шириною частотного діапазону. Дуже часто так виходить, що для побудови якісного зображення треба звужувати смугу частот. Це пов’язано з тим, що отримане на одній конкретній частоті це зображення буде чітким, а варто лише розширити смугу — і воно буде розпливатися. Це зумовлено характеристиками джерела випромінювання. І дослідження зовсім не обмежуються отриманням «картинки».
Зараз розширення смуги частот при радіоастрономічних дослідженнях досягається за рахунок використання секцій нового радіотелескопа ГУРТ (Гігантський український радіотелескоп). Його діапазон частот 8–80 МГц, але поки що побудовані тільки окремі секції, котрі мають ефективну площу ~500 м2. Використовуючи в діапазоні 8–33 УРАН, а вище — ГУРТ, можна отримати набагато більше інформації про фізичні події у космічних джерелах.
Можна зосередитися на вивченні всього спектра та застосувати цю техніку для дослідження Сонця. Наприклад, ми можемо побачити початок якоїсь події на частоті 80 МГц і на відстані у частині сонячного радіуса від поверхні, а потім спостерігати його на менших частотах, у міру того, як корональний викид маси віддаляється від нашого світила. Іноді ми бачимо, як потоки частинок у сонячній короні розвертаються і падають назад.
Тобто дослідження всього спектра дає можливість дізнатися, як розвиваються події. Якщо відомі дві координати джерела сигналу та характеристики його спектра, то можна розрахувати третю й отримати тривимірне уявлення про процес.
Про Нацнадбання «УТР-2 — УРАН» загалом
І все-таки система УРАН є неповною без свого найбільшого телескопа. Саме тому ми намагаємося якнайшвидше відновити УТР-2. Нові розробки у підсилювальній та приймальній техніці дозволять суттєво збільшити його чутливість. Нові цифрові схеми фазування дозволять отримати можливості картографування й інтерферометрії з великою кількістю малих баз (у межах відстаней субсекцій УТР-2). Йдеться про розділення УТР-2 на 68 30-елементних секцій, що дозволить гнучко змінювати конфігурацію та проводити картографування. Напрацювання щодо відновлення УТР-2 будуть потім перенесені в радіотелескопи системи УРАН для збільшення її чутливості в цілому.
Завдяки своїм характеристикам, насамперед гігантській ефективній площі, система УРАН може стати дуже важливою частиною великого Європейського низькочастотного радіотелескопа.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
