Рсдб в России — история, современность, перспективы - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Политические партии России: история и современность 3 1203.15kb.
«История и культура поволжского села: традиции и современность»:... 1 82.15kb.
Информационная деятельность Русской Православной Церкви на Северном... 1 144.27kb.
2006 год Арабское коневодство в России. История и перспективы 1 150.74kb.
Государственное регулирование этноконфессиональных отношений в россии... 1 189.92kb.
История, современное состояние, проблемы, перспективы развития 18 6036.45kb.
Современное состояние политической науки: проблемы и перспективы... 1 10.21kb.
М. Ю. Зеленков мировые религии: история и современность Учебное пособие 17 3268.83kb.
Славнитский Н. Р. Оборона Петербурга и Кроншлота в 1704-1705 гг. 1 182.14kb.
Учебник А. Ф. Киселев, В. П. Попов «История России XX начало XXI вв. 1 198.11kb.
В этом учебном году вы начинаете изучать новый предмет история России 1 549.5kb.
Национальная библиотека 1 83.98kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

Рсдб в России — история, современность, перспективы - страница №1/1

РСДБ в России — история, современность, перспективы


В. Самодуров

Рекордсмен по разрешению


Как вы думаете, какой астрономический инструмент является рекордсменом по четкости изображения? Космический телескоп им. Хаббла? Ошибаетесь! Самые качественные изображения получаются при помощи метода радиоинтерферометрии на сверхдлинных базах (сокращенно РСДБ).

Радиотелескопы работают на больших длинах волн — от 1 мм до 10 м. Особенность такого длинноволнового излучения в том, что свойства волны в нем преобладают над свойствами частицы (мы помним, что свет проявляет себя и как волна, и как поток частиц). Это качество радиоволн позволяет связать в единую сеть отдельные радиотелескопы, расположенные далеко друг от друга. После специальной обработки сигналов с разных инструментов такой сети (их взаимодействие называется интерферометрией) мы получим эквивалент радиотелескопа размером со всю сеть. Из теории мы знаем, что разрешение телескопа пропорционально /D, где  — длина волны, D — диаметр апертуры. Например, теоретическое разрешение «Хаббла» (диаметр зеркала — 2,4 м, диапазон 4000–7000 Å) составляет примерно 0,05. Каким же должно быть разрешение системы с многокилометровым объективом!

Собственно, теоретически даже одиночный радиотелескоп можно рассматривать как интерферометрическую систему, состоящую из участков его собственного зеркала — т.н. заполненную апертуру. Если же у нас имеется набор удаленных друг от друга телескопов с большими пробелами между ними, то перед нами классическая интерферометрическая система с незаполненной апертурой (последнее уточнение обычно молчаливо опускается). Если «прогалы» в схеме расположения телескопов велики, вы рискуете потерять важные детали в итоговом изображении.

Интерферометрическую систему из нескольких инструментов можно построить, разумеется, не только в радиодиапазоне. Но именно в нем в силу более волновой, чем корпускулярной, природы излучения такие устройства реализуются проще всего. Волновые свойства позволяют преобразовать электромагнитные колебания, принимаемые радиотелескопом, в электрические, которые распространяются уже в обычных электрических цепях приемной и усилительной систем радиотелескопа. А уж с электрическими-то колебаниями мы можем сделать вообще все что угодно: усиливать, смешивать, синхронизировать — в нашем распоряжении мощнейший арсенал современной радиотехники и электроники.

В оптике такого богатого арсенала нет, поэтому для усиления и смешивания слабых оптических сигналов (а сильных в астрономии практически не бывает!) приходится применять значительно более тонкие и сложные методы, зачастую разрабатывая их «с нуля». А вот радиотелескопы вполне можно связать в сеть при помощи простого кабеля, радиорелейных каналов или… не связывать вовсе! Достаточно записать на специальный регистратор сигнал от каждого радиотелескопа (стабилизировав его с помощью атомного стандарта частоты и снабдив метками точного времени). А потом «проиграть» сигналы от всех радиотелескопов на специальном приборе — корреляторе, который и превратит несколько инструментов в один огромный радиотелескоп. Поскольку радиотелескопы в таком случае уже не требуют никакой связи друг с другом, то они могут быть разнесены на сколь угодно большие расстояния. Поэтому данный метод и получил название радиоинтерферометрии на сверхдлинных базах.

Что же можно получить методом РСДБ? На длине волны в 1 см при размере инструмента 10 тыс. км (максимально возможное расстояние между наземными инструментами) мы способны реализовать разрешение в 0,0002, т.е., в 250 раз лучше, чем на телескопе Хаббла! При хороших условиях наблюдений разрешение может быть еще выше, до 0,0001. А если мы уменьшим длину волны до нескольких мм (это сложно, но уже делается) или вынесем одну из антенн в космос, например, к орбите Луны? Теоретически тогда можно достичь разрешения в миллионные доли угловой секунды, что необходимо для изучения окрестностей черных дыр в центрах галактик и квазаров на масштабах, в тысячу раз более мелких, чем возможно сейчас.

Итак, значение сверхдлинной радиоинтерферометрии для астрономии трудно переоценить. Каково же участие российских астрономов в этой уникальной отрасли — в прошлом, настоящем и будущем?

История РСДБ


Идея радиоинтерферометрии на сверхдлинных базах впервые была высказана именно в СССР Н.С. Кардашевым, Л.И. Матвеенко и ?.?. Шоломицким — в работе 1965 г. Приоритет наш здесь признан, но… у нас в стране она так и не реализовалась. Правда, первые межконтинентальные РСДБ-наблюдения в 1969 г. проводились с использованием советского радиотелескопа РТ-22 в Симеизе (Крым). В начале 70-х гг. удачная серия радиоинтерферометрических наблюдений на метровых волнах прошла в Пущинской обсерватории. Тогда передвижная антенна перемещалась тракторным тягачом на несколько десятков км по территории Московской и Тульской областей. Правда, она все же была связана с основной антенной радиорелейным каналом, т.е., это был классический метод «апертурного синтеза», а не РСДБ. В этих наблюдениях была достигнута рекордная на тот момент разрешающая способность в данном диапазоне, но увы, это были единичные случаи.

Препятствием для развития радиоинтерферометрии стала сложность аппаратуры и потребность не только в самых современных технологиях, но и в значительных финансовых вливаниях.

Что же необходимо для проведения наблюдений РСДБ?


  1. Крупные радиотелескопы, способные работать в требуемых диапазонах волн и обладающие системой наведения и возможностью постоянного слежения за объектом (т.н. полноповоротные инструменты).

  2. Атомные стандарты частоты, «питающие» опорным сигналом весь комплекс приемно-регистрирующей аппаратуры.

  3. Радиоприемники в нужных диапазонах волн с широкой частотной полосой и низким уровнем шума.

  4. Стандартная регистрирующая аппаратура, соответствующая данной сети радиотелескопов.

Телескопов, удовлетворяющих первому требованию, в России очень мало. Знаменитый РАТАН-600 (САО РАН) является инструментом меридианного типа, т.е., способен наблюдать источники только в плоскости небесного меридиана. Поэтому время наблюдений одного источника на нем не превышает нескольких минут. К аналогичной проблеме у основных инструментов Пущинской обсерватории добавляется их узкая специализация — они сделаны для наблюдений лишь в метровом диапазоне, тогда как большинство РСДБ-наблюдений проводятся на сантиметровых волнах.

Правда, в России насчитывается около 400 (!) полноповоротных антенн диаметром 10 м и более. Но подавляющее большинство из них находится в ведении Министерства обороны РФ, и доступ к ним ученых, хотя и возможен, но затруднен. Реально же в ведении ученых на середину 90-х находилось не более десятка инструментов, а радиотелескопы диаметром более 20 м и вовсе пересчитывались по пальцам одной руки (РТ-22 в Пущино, РТ-64 в Медвежьих озерах и РТ-64 в Калязине — числа означают диаметр антенны в метрах).

Наличие высокоточных атомных стандартов частоты для советских и российских радиоастрономов представляло лишь финансовую проблему. Стоимость их высока (порядка ста тысяч долларов), но они выпускаются??? в Нижнем Новгороде с 70-х гг., причем на уровне лучших мировых образцов.

Третья проблема — наличие приемников — также была вполне решаема, поскольку и в СССР, и в России всегда были сильные коллективы разработчиков радиоаппаратуры. Правда, приемники с нужными характеристиками стоят десятки тысяч долларов для одной избранной частоты, тогда как современные наблюдения обычно проводятся на 3–4 частотах.

Самой тяжелой проблемой для советских радиоинженеров оказалось создание регистрирующей аппаратуры. Что от нее требуется? Получив сигнал шириной в десятки и сотни мегагерц, его необходимо преобразовать в видеочастоту, оцифровать и записать этот поток данных (сотни мегабит в секунду!) на специальные магнитные ленты или (в наши дни) на компьютерные дисководы сверхбольшой емкости. Каждая фаза требует современнейших технологий, искусства разработчиков и — что нам было недоступно — самой совершенной элементной базы. В результате лишь в конце 80-х гг. в России были разработаны регистраторы, повторяющие формат Mark-II 15-летней давности (ширина полосы записи 2 МГц). Для сравнения: разработанный недавно формат Mark-IV способен работать с полосой 1 ГГц.

Не было в СССР и корреляторов. Для них отсутствие элементной базы и опыта работы с большими потоками информации было критическим. Здесь наши усилия вообще не дали конечного результата. Это тем более обидно, что некоторые российские разработчики корреляторов, перебравшись за рубеж, впоследствии возглавили соответствующие проекты в западных коллективах…

В силу этих причин российские РСДБ-наблюдения в 70-х и 80-х годах практически не велись. Тем временем в США, начиная с 60-х гг, методика таких наблюдений и их обработки была выверена до мелочей. В конце 70-х гг были запущены система апертурного синтеза VLA поперечником более 20 км из 27 радиотелескопов, связанных кабельной системой, и постоянно работающая национальная система РСДБ, называемая английской аббревиатурой VLBA. В ней сейчас участвует 14 телескопов, разбросанных по всей территории США (один из них — на Гавайских о-вах).

Стараются не отстать от своих американских коллег и европейцы. В конце 80-х годов заработала система EVN, которая сейчас включает до 12 радиотелескопов Старого Света и… Китая. Качество изображений на этой системе постоянно растет, хотя в целом оно похуже, чем на VLBA — из-за некоторой неравномерности распределения телескопов и меньшей «вылизанности» аппаратуры.

В Великобритании с начала 80-х гг. работает аналогичная американской VLA система MERLIN из 6 телескопов, связанных радиорелейными линиями. В Австралии в 90-х гг. создана система???, аналогичная VLBA и EVN. Китай также подумывает о своей РСДБ-системе.

Неужели мы отстали навсегда? К счастью, начиная с 90-х гг., ситуация в России начала медленно выправляться.


Развитие РСДБ в России


К концу 80-х – началу 90-х гг. российские радиоастрономы наконец осознали, что раз не удается сформировать собственную РСДБ-систему, то, возможно, стоит включиться в международные сети. Начиная с 1993 г., и по настоящее время эпизодически проводятся отдельные сеансы наблюдений с зарубежными радиотелескопами. Иностранных ученых всегда интересовала (и интересует до сих пор!) антенна дальней космической связи РТ-70 под Уссурийском. Дело в том, что в этой части Земли нет других крупных радиотелескопов. Поэтому качество изображений всемирной сети РСДБ (в которую иногда объединяются отдельные радиотелескопы VLBA, EVN и Австралии) хуже, чем могло бы быть в идеале. В начале 90-х зарубежные партнеры одолжили нам регистрирующую аппаратуру, российская сторона оснастила РТ-70 приемниками, и в 93–95 гг. было проведено несколько успешных сеансов. К сожалению, межведомственная неразбериха (РТ-70 курировало тогда 5 организаций из различных ведомств и министерств) и дороговизна командировок в итоге свели на нет все усилия по включению этого радиотелескопа в международную сеть.

К счастью, в 1997 г. окончательно вступил в строй РТ-64 под Калязиным (Тверская область). Строился он для МО РФ, но заказчик не смог полностью принять его на баланс, и сейчас он финансируется на паритетных началах Академией наук и построившим его НИИ КП (???). Телескоп оснащен современными приемниками и регистрирующими системами среднего класса. Часть аппаратуры арендована у зарубежных ученых, часть закуплена Министерством науки буквально за три месяца до дефолта 1998 г. В итоге на Калязинском РТ-64, Пущинском РТ-22 и РТ-64 в Медвежьих озерах, который с середины 90-х стал частично работать для научных нужд (ранее он целиком принадлежал военным), стали проводиться сеанс за сеансом — совместно со специалистами из Японии, Западной Европы, Австралии и Индии. Задачи ставятся как астрометрические, так и астрофизические. Таким образом, постепенно нарабатывается опыт наблюдений, обработки данных, и уже пошли научные публикации. Медленно, но верно российские ученые вливаются в международное сотрудничество. Причем организует эти наблюдения несколько разных команд. Одной из них, под руководством И.Е. Молотова (???), в 2002 г. удалось даже организовать постоянно работающую сеть LVFN из десятка наших и зарубежных радиотелескопов на длинных волнах.

В 1996 г. введен в строй Сибирский солнечный радиотелескоп апертурного синтеза (две линии 256 параболических антенн длиной более 600 м), который начал непрерывный мониторинг изображений Солнца на волне 5,2 см.

Наконец, в последние несколько лет к перечисленным выше наблюдениям подключился и радиотелескоп в Светлом (окончательно введен в строй в 1997 г.), став первой ласточкой проекта «Квазар».


Система «Квазар»


Безусловно, это значительное достижение российских радиоастрономов. Наконец-то создана основа для национальной РСДБ-системы! В ней пока действует три 32-метровых радиотелескопа. «Квазар» создан, в основном, для решения астрометрических (точные координаты объектов на небе) и геодинамических (сверхточные карты земной поверхности, динамика движения материков) задач. Изначально (в середине 80-х гг.) планировалась постройка 6 радиотелескопов в разных точках СССР. Увы, распад страны и упадок финансирования заставили сильно урезать аппетиты. Геодинамические задачи, как нетрудно догадаться, по сути имеют двойное назначение и используются ВПК (что и не скрывается). Понятно, что реализовать этот проект помогла его частичная нацеленность на решение военных проблем. Кстати, аналогичное обоснование позволило в свое время ученым США профинансировать и VLA, и VLBA.

Активные наблюдения сначала на одной, потом на двух, а с 2004 г. на трех антеннах «Квазара» идут в очень плотном графике. Наблюдаются сотни радиоисточников, сеансы длятся иногда неделями. Без сомнения, на данный момент это самый стабильно работающий научный проект России в области РСДБ. К сожалению, астрофизические задачи на «Квазаре» пока не являются приоритетными. Ведется проект только коллективом его разработчиков, сторонние наблюдатели допускаются к нему эпизодически. Между тем, подобной системе жизненно необходима внутрироссийская и международная кооперация.


РСДБ в космосе


Похожие трудности переживает со времени своего старта амбициозный российский проект космической РСДБ «Радиоастрон», предусматривающий и международное сотрудничество. Он начинался еще в 80-х гг. и был тогда пионерским и по духу, и по содержанию. В исходном замысле планировалось запустить 10-метровую антенну на орбиту вокруг Земли с апогеем 100 тыс. км. Его основу должны были составить платформа для аппаратуры серии «Спектр» (НПО им. Лавочкина), система жизнеобеспечения (в том числе, система охлаждения, без которой не обходятся современные радиокомплексы) и, наконец, сама антенна, в суровых космических условиях сохраняющая точность формы в пределах 0,5 мм для обеспечения нужного качества приема сигнала на длинах волн 1,35, 6, 18 и 92 см. Комплексы приемно-регистрирующей аппаратуры предстояло разработать коллегам из других стран. Наземные телескопы предполагалось снабдить однотипными регистраторами, разработать для них корреляторы, организовать наземные станции слежения… Проект «тянул» на сотни миллионов долларов. Зато впервые с 60-х гг. российским ученым удалось бы получить самые передовые результаты не только в радиоастрономии, но и во всей науке о небе.

Но с развалом СССР возникла опасность потери «Радиоастрона». Только титанические усилия международной общественности и руководства проекта (его возглавляют АКЦ ФИАН и академик Н.С. Кардашев — тот самый, что придумал принцип РСДБ в далеком 1965 г.!) помогли удержать его на плаву. И, хотя запуск уже несколько раз откладывался (сейчас он назначен на 2006 г.), теперь, наконец, есть уверенность, что проект близок к выполнению. В 2004 г. пройдены наземные испытания антенны (раскрывающаяся «ромашка» из 24 лепестков на основе титана и специального углеродного пластика) и приемно-регистрирующей системы, проведен тестовый интерферометрический сеанс с РТ-22 в Пущино, близится к завершению создание цифровых корреляторов на основе мощных персональных компьютеров. Остались работы по созданию космической платформы, нового комплекса приемной аппаратуры и системы наземного слежения за спутником.

Увы, из-за затянувшейся подготовки проекта приоритет в области космической радиоинтерферометрии Россией уже упущен. В 1997 г. Япония запустила спутник VSOP с апогеем на высоте 20 тыс. км. Правда, из-за неисправности облучателя программу наблюдений в полном объеме осуществить не удалось, но в целом проект можно считать успешным. На нем были отработаны методики и технологии космических наблюдений, и доказана принципиальная их осуществимость.

Учитывая эти достижения, проект «Радиоастрон» в конце 90-х был переработан. Теперь спланировано, что апогей орбиты будет на высоте 300 тыс. км. На столь высокую орбиту будет сильно влиять Луна, заставляя ее быстро поворачиваться. В результате спутник будет выписывать сложную траекторию, максимально заполняющую «космическую апертуру». Модернизирована также концепция приемной системы. Эти новшества должны значительно увеличить качество изображений. Осталось только довести их до конечного результата. Получится это или нет, мы узнаем уже скоро.



Владимир Самодуров

к.ф.-м.н, научный сотрудник Пущинской радиоастрономической обсерватории