Технологии, перспективы и надежды РадиоАстрона

Продолжаем беседу с заведующим лаборатории внегалактической радиоастрономии Физического института имени П. Н. Лебедева Российской академии наук Юрием Ковалевым. Сегодня речь о технологиях обработки данных, которые позволяют получать уникальные знания о межзвездном и межгалактическом пространстве, о Нобелевском потенциале, о взаимоотношениях с Китаем, и перспективах отечественной радиоастрономии.

Проект РадиоАстрон — это радиоастрономический эксперимент на основе метода радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Суть этого метода в том, что два и более радиотелескопа работают как элементы одной большой антенны. Это позволяет вести наблюдения с очень высоким (рекордным) угловым разрешением, которое зависит от того как далеко разнесены телескопы. При наземных наблюдениях невозможно увеличить размер РСДБ сети свыше диаметра планеты Земля. Повысить разрешение можно вынесением одного из телескопов в космос. Таким телескопом и стал 10-метровый российский «Спектр-Р». Ограничением такого метода является то, что так наблюдать можно только яркие источники радиоизлучения: квазары, пульсары и др. Расстояние между Землей и космическим аппаратом называется «проекция базы» и считается в диаметрах Земли. Чем больше проекция — тем выше разрешение.

В первой части интервью мы поговорили о достигнутых результатах. Сегодня говорим о будущем.

— Я думаю, многих заинтересует вопрос: есть ли в той программе РадиоАстрона какие либо направления, обладающие потенциалом на Нобелевскую премию?

— Вопрос хороший и правильный. Проблема заключается в том, что ответ на него в бОльшей степени характеризует отвечающего, чем сам проект. Поэтому, мне несколько сложно. Но почему бы нам не попытаться быть с одной стороны аккуратными, чтобы не обвинили в излишней “попсовости”, а с другой близкими к теме. Попытки провести картографирование центра нашей Галактики и восстановить его истинное изображение, это очевидный потенциал на Нобелевскую премию. Если нам удастся… Если хоть когда-то будет дана Нобелевская премия за наиболее прямое или наименее косвенное открытие черной дыры… так называемой «тени черной дыры» — такого кружка или полумесяца на расстоянии нескольких горизонтов событий черной дыры — предсказываю, что сделать это без учета эффекта открытой нами субструктуры пятна рассеивания просто невозможно. Поэтому будет ли за РадиоАстроном Нобелевская премия или нет, наш вклад в Нобелевскую премию по данной проблеме обязан войти. И он уже входит в том смысле, что все публикации последние 1-2 года по этой тематике обязательно этот эффект обсуждают, учитывают, анализируют.

Если же говорить про премию для нас, то соответствующий эксперимент мы провели в сентябре 2015 года. Картографирование центра нашей Галактики на длине волны 1.3 сантиметра проведено с использованием космического радиотелескопа и примерно двадцати антенн на Земле — американских, австралийских, корейских, китайских. Если нам удастся, проведя восстановление истинного изображения центра Галактики, получить информацию про тень черной дыры, то это очевидно потенциал на Нобелевскую премию.

— То есть, фактически, вы можете увидеть черную дыру? По крайней мере то, что в ней вообще можно увидеть.

— Да, это то, о чем говорил до запуска руководитель проекта Николай Семёнович Кардашев. Я был более консервативен в предсказаниях… Главным образом, пытался оценить минимальный «гарантированный» список результатов, который способен дать РадиоАстрон. Николай Семенович всегда широко смотрит на проблемы и, нередко, своим гением, не побоюсь этого слова, может предсказать вещи, которые многим другим кажутся чересчур смелыми. Он говорил до запуска «Спектра-Р» в космос, что РадиоАстрон увидит черные дыры.

Мы попытались сделать это при наблюдении центра галактики в созвездии Девы (Дева А или М 87). Технически, у нас есть такая возможность при существующей орбите и работающем приемнике на самой короткой длине волны 1.3 сантиметра. Нам должно было повезти в том смысле, что условия на поглощение (иногда его еще называют синхротронным самопоглощением)и рассеяние излучения должны были быть достаточно мягкими, чтобы увидеть тень черной дыры. Не удалось. Вполне возможно, что из-за синхротронного самопоглощения. Понятно, куда надо двигаться — на более короткие волны, на которых эти эффекты слабее.

По центру Галактики не собирались работать, потому что знали о рассеивании на плотных облаках. Наше открытие эффекта субструктуры рассеяния дало надежду восстановить истинное изображение центра Галактики за счет учета этого эффекта. Может быть нам это удастся. Это будет результат близкий к уровню Нобелевской премии… Опять же, если быть оптимистом, если нам повезет. Мы работаем в этом направлении, первые результаты положительные, безумно интересные и уже большое количество статей на эту тему опубликовано. В любом случае РадиоАстрон значительно продвинул мировую науку в этом направлении, даже если премия достанется не нам.
(Ссылки: раз, два, три, четыре, пять. Все публикации по проекту РадиоАстрон: тут).

Что касается других направлений, сложнее предсказать. Есть немало интересных результатов по квазарам, однако насколько у них есть потенциал на Нобелевскую премию, мне достаточно сложно судить, буду здесь аккуратен.

— Как вы считаете, данные РадиоАстрона, результаты его работы смогут как-то оказать существенную корректировку или влияние на изменение современной космологической картины Вселенной?

— Если быть реалистичным, то вряд ли. Космологические задачи не стояли перед проектом РадиоАстрон. Наверное, единственное направление, которое потенциально может дать вклад в понимание темной энергии — это изучение мегамазеров [облаков звездообразования в других галактиках] за счет возможности независимой оценки расстояний до них.

— Вернемся к Земле. Вы упомянули участие китайских ученых в проекте. Они построили новый телескоп. Его планируется задействовать в программе РадиоАстрон?

— Несомненно, когда он начнет работать в режиме интерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), сможет стать элементом наземно-космического интерферометра, и мы обязательно задействуем его в проекте РадиоАстрон. У меня нет абсолютно никаких сомнений. Мы работаем со всеми крупнейшими радиотелескопами мира, которые проводят эксперименты по РСДБ астрофизике. РадиоАстрон не накладывает каких-то особых требований на наземные телескопы для работы в своей моде. Более того, говоря про Китай, у нас есть меморандум о взаимопонимании между Астрокосмическим центром ФИАН и Шанхайской обсерваторией. Очевидно, что любому радиотелескопу будет почетно политически и научно интересно участвовать в наблюдении с РадиоАстроном. Никогда проектов такого класса в сантиметровой и дециметровой космической радиоастрономии не было и в ближайшее время, к сожалению, не предвидится. Например, именно наш успех привел к тому, что китайский проект наземно-космического интерферометра, к сожалению, не случился — это мое прочтение ситуации. Китайское космическое агентство его не поддержало. Мы – единственный шанс наземных телескопов на участие в подобных экспериментах в ближайшие годы. И я надеюсь, что телескоп FAST — 500-метровый телескоп — как можно скорее введет у себя интерферометрическую моду наблюдений, чтобы работать с РадиоАстроном. Существуют немало примеров телескопов, которые стартовали работу с нами будучи только-только построенными и запущенными. Например, 65-метровый телескоп с активной поверхностью под Шанхаем, 64-метровый телескоп с активной поверхностью в Сардинии. Незамедлительно после возвращения в строй стал с нами работать и восстановленный латышскими коллегами 32-м телескоп в Ирбене.

— А габариты и возможности китайского FAST обещают увеличение качества наблюдений?

— Конечно обещают. Здесь такая красивая ситуация: чувствительность интерферометра равна корню из произведения чувствительностей двух телескопов, формирующих его. В космос вы не можете тарелку 500 метров запустить, в космосе вы не можете долгие годы охлаждать до очень малых температур усилители… Либо вы охлаждаете в течение короткого времени, либо вы посылаете “теплые” приемники. У нас 10-метровый космический телескоп, это самый крупный телескоп в космосе, у нас есть даже сертификат книги рекордов Гиннесса. Приемники у РадиоАстрона охлаждаются пассивно. Если же у вас телескоп на Земле побольше, то он вам дает возможность улучшить чувствительность интерферометра как целого. На сегодняшний день самый крупный телескоп, работающий с нашим, это 300-метровый аналог FAST, антенна Arecibo в Пуэрто Рико, США. В Arecibo прекрасно понимают, насколько мы великолепно друг друга дополняем, поэтому наблюдения с РадиоАстроном для телескопа Arecibo являются одними из самых приоритетных. Мы получаем возможность исследовать более слабые космические сигналы, большее количество объектов, находящихся дальше, а также более тонкие эффекты, включая эффект субструктуры пятна рассеяния и многое другое.

— Я думаю многим будет интересно где и как происходит обработка данных, получаемых РадиоАстроном. На каких мощностях?

— Да, давайте поговорим об этом. При обработке происходит следующее. Предположим, мы проводим типичный эксперимент РадиоАстрона. Обычно от 3-х до 30-ти радиотелескопов работает на Земле, а также космический телескоп «Спектр-Р». Одновременно, с точностью до водородных стандартов частоты проводятся наблюдения. [Водородный стандарт частоты — это сверхточные атомные часы — прим.] Соответственно, наземные телескопы записывают данные у себя на месте. Космический сбрасывает в режиме реального времени на Землю через станции слежения и сбора в Пущино (Московская область) и Грин Бэнк (штат Западная Вирджиния, США). Потом эти данные сводятся в центр корреляции обычным электронным способом, то есть передаются по интернету. Выделенными каналами, на самом деле.

Первый шаг обработки это так называемая «корреляционная обработка». Она проводится на одном из трех корреляторов. Это компьютерные кластеры на сотню-другую ядер. Их используют для проведения корреляции всех потоков данных, записанных с каждого телескопа, друг с другом. В результате, если сильно упрощенно, на выходе у нас получается величина коэффициента корреляции в зависимости от времени между каждой парой телескопов.

Второй шаг это уже «пост-корреляционная обработка», когда мы убираем и исправляем все эффекты, которые в данные внесла измерительная система — интерферометр, и атмосфера Земли. Мы компенсируем задержку фазы сигнала, на каждом телескопе. Фаза так же портится, проходя через атмосферу, ионосферу, тропосферу Земли… Неидеальные часы на каждом телескопе, задержки в электронике. Это совершенно нормально, тут нет проблемы, это реальный эксперимент. Что-то идеальное бывает только на бумаге, а в жизни нужно все эти эффекты калибровать. Амплитуду мы переводим из внутренних единиц используемой электроники в физические единицы. На выходе получаем комплексный сигнал с уже исправленными, или, правильно говорить, калиброванными амплитудой и фазой. Вот это второй шаг обработки.

Дальше идет анализ данных в зависимости от того, какой мы проводили эксперимент. Бывают очень разные типы анализа. Если вы строите изображение квазара, то это так называемое «гибридное картографирование». Из набора полученных данных восстанавливаем изображение объекта. Может проводиться спектральный анализ, если вы занимаетесь спектроскопией, изучаете мазер, соответственно вы ищете спектральную линию в данных. Занимаетесь пульсарами — вам нужно выделить импульсы из всего потока данных. Это уже последний шаг. Назовём «пост-корреляционный анализ».

Теперь, где они проводятся. Как я сказал, первый шаг — корреляция — проводится на трёх корреляторах. Один находится в Москве в Астрокосмическом центре ФИАН. Это основной коррелятор проекта РадиоАстрон. На нём обрабатывается около 85% данных. Остальные около 15% корреллируются в Бонне, в институте радиоастрономии общества Макса Планка, и в Joint Institute for VLBI in Europe, Нидерланды. Эти три коррелятора разные, железо, программы корреляции — отличаются. Одна из наших гордостей, заключается в том, что выходы этих корреляторов совпадают. Если вы будете обрабатывать одни и те же данные эксперимента на этих трех супер-компьютерах, результат с точностью до ошибок совпадет. Это очень здорово. Естественно, было безумно важно в течении первого года убедиться в том, что мы все согласуемся друг с другом и независимый анализ данных, дающий одно и то же — это ли не счастье?.. Это, знаете, как у финансистов дебет с кредитом сходится.

Пост-корреляционной обработкой и анализом занимаются научные группы проекта, которые включают в себя соавторов из примерно двадцати стран мира. Какие-то их задачи требуют супер-компьютеров, каким-то достаточно мощных рабочих станций, какие-то и на ноутбуке могут быть сделаны.

— Как вы считаете, сколько еще сможет проработать РадиоАстрон?

-Частый вопрос, если бы я был политиком, то сказал «Российское космическое агентство на основе решения государственной комиссии продлило проект РадиоАстрон до конца 2018 года». Истинная правда. Решение было принято весной 2016 года. Что касается технических возможностей… Да, мы видим деградацию оборудования на борту. Однако, у нас и НПО Лавочкина все системы дублированы или троированы. Некоторые на сегодня остались в одной или двух копиях. Мы с самого начала запуска космического проекта в космос живем с пониманием, что сегодня может быть наш последний день, а может проживем еще многие годы.

— По поводу вот деградации. Можно сказать, что детские болезни прошли, и все сейчас работает в штатном режиме?

— Это мы могли сказать на первом годе полета. Детские болезни были, и на Земле, и в космосе. Я вам могу сказать дату, когда мы закончили с последней серьезной детской болезнью. 15 марта 2012 года. С того момента мы работаем в штатном режиме во всех модах. Четыре диапазона длин волн, полная интенсивность и поляризация, мазеры, пульсары, квазары — это всё разные моды. Многочастотная мода в широком диапазоне от 18 до 25 ГГц.

Работая в штатном режиме, у нас бывает, что какое-то оборудование выходит из строя. НПО Лавочкина либо переключает на запасные системы, либо решает проблему. На сегодняшний день характеристики аппарата «Спектр-Р» и его возможности решать научные задачи находятся примерно на том же уровне, как и весной 2012 года, когда мы вышли в полноценный боевой режим. У нас появились определенные новые ограничения. Например, ситуация с гиродинами. Но ничего вплоть до сегодняшнего дня существенно не повлияло на возможность продолжать выполнение научной программы, которая формируется каждый год на основе открытого конкурса заявок.

— Совсем попсовый вопрос: Можем мы при помощи РадиоАстрона найти инопланетян?

— Инопланетян можно найти, как вы понимаете при помощи очков, если они высадятся рядом с вашим домом и зайдут к вам в квартиру. Соответственно, можем. Например, если увидим “космическое чудо”, которое невозможно объяснить никакими современными законами физики.

— Если мы при помощи РадиоАстрона с какого-либо расстояния наблюдали Землю, мы бы смогли определить ее некое аномальное поведение? В том числе в радиодиапазоне. Если бы могли, то с какого расстояния?

— Я не думаю, что вам нужен для этого РадиоАстрон, так как Земля очень маленькая и в любом случае выглядела бы как точка. В этом смысле Вам нужен очень большой и, соответственно, чувствительный телескоп, типа того же FASTa. Он один из прототипов Square Kilometre Array (проект телескопа с собирающей поверхностью размером в квадратный километр). SKA сейчас строится в южном полушарии, часть в Африке, часть в Австралии. Фактически, если построить громадный очень высокочувствительный телескоп, то можно зарегистрировать излучение органических молекул от далеких планет. Соответственно, жизнь, хоть и не разумную. Эта задача стоит перед многими наземными телескопами. Тот же самый космический Миллиметрон, который мы разрабатываем, будет иметь необходимое угловое разрешение, чтобы увидеть тень черной дыры, будет работать на высоких частотах, чтобы победить проблему с поглощением. А с третьей стороны будет иметь высокую чувствительность и работать на радиочастотах, которые позволят исследовать излучение органических молекул.

— Мой вопрос касался не сколько излучения органики, сколько нашей хозяйственной деятельности. Например, радаров и тому подобное.

— Самому «Спектру-Р» — 10-метровое зеркало в космосе — тягаться с чувствительностью наземных телескопов сложно для решения этой задачи. Что касается интерферометрии… Предположим, нашли какой-то подозрительный кандидат, который вам нужно исследовать с экстремальным угловым разрешением, при этом чувствительности интерферометра хватит. Тогда РадиоАстрон может подключиться и найти аномалии. Вы понимаете, попсовый вопрос — частично попсовый ответ. Да, если мы увидим аномалии, мы можем открыть инопланетян. Пока подобных аномалий во Вселенной мы не видим.

— Вы начали отвечать на еще не заданный мною вопрос по поводу Миллиметрона и по поводу перспектив российской радиоастрономии на ближайшие годы. Что вы ожидаете, что хотелось бы ожидать? Какая работа в настоящее время уже ведется на будущее?

-Мы говорим только про космос или про Землю тоже?

-Можно и про Землю, мы говорим про науку в принципе.

-Хорошо. Начну с Земли. На протяжении предыдущего года межведомственная рабочая группа экспертов проводила сбор и анализ предложений развития наземной астрономической инфраструктуры (телескопов) в РФ. Речь шла про постройку новых или завершение строительства начатых. Обсуждения проводились широко и открыто. Группа экспертов сформировала рекомендации с рейтингами и передала их в соответствующие исполнительные органы власти России. Что касается радиоастрономии, то в финал вышли один международный проект и два российских. Международный проект – участие России в Square Kilometre Array (SKA). Рекомендация была следующая: SKA это важно, здорово, участие в этом проекте — будущее нашей страны. При этом участие России в SKA рекомендовано после положительного решения по участию в Европейской Южной Обсерватории (ESO). Причина проста — количество российских астрономов, которые смогут использовать ресурсы ESO, значительно больше тех, кто сможет использовать SKA.

Среди Российских проектов в области радиоастрономии отмечены два. Первый — завершение строительства на плато Суффа в Узбекистане 70 метрового зеркала с активной поверхностью.

Второй — постройка длинноволнового цифрового радиотелескопа нового типа на базе опыта Пущинской обсерватории.

Почему отобраны эти проекты, одновременно с модернизацией РАТАН-600 в САО РАН? Сейчас длинные и короткие волны получили серьезный толчок вперед благодаря внедрению цифровых методов радиоастрономии и развития технологий. И что касается коротких волн, то наиболее серьезный пример из последних прорывов — интерферометр ALMA, находящийся в Чили. Длинные волны — LOFAR в Нидерланлах.

Миллиметрон, в этом смысле, — аналогичный шаг в динамике развития миллиметровой и субмиллиметровой астрономии. Миллиметрон может расширить современные возможности, доступные благодаря ALMA. Последняя наблюдает только в определенных диапазонах частот из-за частичной непрозрачности атмосферы. Миллиметрон, находясь в космосе, выигрывает. Он может наблюдать во всем диапазоне миллиметров и субмиллиметров. Его чувствительность будет увеличена благодаря тепловому щиту и активному охлаждению поверхности зеркала.

При этом Миллиметрон, как наземно-космический интерферометр, даст абсолютно запредельное угловое разрешение при минимизации проблем рассеяния и самопоглощения излучения. Это следующий шаг после РадиоАстрона.

Что касается длинных волн, то про LOFAR очень много известно. Россия пока отстает. Мы в LOFAR не участвуем, но длинноволновая радиоастрономия оказывается крайне интересной. Мы — радиоастрономы — смогли побороть две проблемы. Одна — это проблема, связанная с ионосферой и с жутким рассеянием, фактически порчей фазы приходящего радиоизлучения. А с другой стороны — кошмарные помехи. Новые технологии по чистке помех активно разрабатываются и внедряются, позволяют нам чистить данные от помех в автоматическом режиме, теряя примерно 10% данных.

Еще можно упомянуть, что, по предложению Института космических исследований, мы обсуждаем возможность строительства ультра-длинноволнового радиотелескопа на Луне. Если Россия, конечно, будет выходить на Луну.

О значении Луны для российской и мировой радиоастрономии мы продолжим разговор в следующем выпуске, следите за обновлениями.

Чтобы не пропускать самое интересное в космосе, добавьте меня в ЖЖ или соцсетях:
Вконтакте, Facebook, Twitter, Одноклассники, Pikabu.