Русская Википедия:Радиоастрон

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Космический аппарат

«Ра̀диоастро́н» (Шаблон:Lang-en) — международный[1] космический проект с ведущим российским участием по проведению фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра с помощью космического радиотелескопа (КРТ), смонтированного на российском космическом аппарате (КА) «Спектр-Р», в составе наземных сетей РСДБ. Координатор проекта — Астрокосмический центр ФИАН[2]. Проект позволяет получить самое высокое угловое разрешение за всю историю астрономии[3] — 7 микросекунд дуги при базе Шаблон:Num[4].

Первый из четырёх аппаратов серии «Спектр» (второй — «Спектр-РГ», третий — «Спектр-УФ» и четвёртый — «Спектр-М»).

Цель миссии

Главная научная цель миссии — исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды. Разрешение, достигнутое с помощью проекта «Радиоастрон», позволит изучать:

Эксперимент «Плазма-Ф»

Помимо аппаратуры для основной миссии, на борту спутника находятся приборы для эксперимента «Плазма-Ф»[5]. Прибор весит около Шаблон:Num и может измерять поток солнечного ветра с временны́м разрешением в Шаблон:Num (это сравнимо с показателями таких спутников, как «ACE» (Advanced Composition Explorer) и «Wind»). Измерения скорости, температуры и концентрации солнечного ветра имеют временно́е разрешение Шаблон:Num[6].

Задачи научного эксперимента «Плазмы-Ф» — мониторинг межпланетной среды в целях составления прогнозов «космической погоды», исследование турбулентности солнечного ветра и магнитного поля в диапазоне Шаблон:NumШаблон:Num и исследование процессов ускорения космических частиц. Спутник несколько дней находится вне магнитосферы Земли, что позволяет наблюдать межпланетную среду, а потом очень быстро проходит все слои магнитосферы, благодаря чему можно следить за её изменением.

Описание

Основу проекта составляет наземно-космический радиоинтерферометр со сверхдлинной базой, состоящий из сети наземных радиотелескопов и космического радиотелескопа (КРТ)[1][2], установленного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Создатель аппарата «Спектр-Р» — НПО имени Лавочкина[7], главный конструктор — Владимир Бобышкин[6].

Суть эксперимента заключается в одновременном наблюдении одного радиоисточника космическим и наземными радиотелескопами. Получаемые на радиотелескопах записи снабжаются метками времени от высокоточных атомных часов, что, вместе с точным знанием положения телескопов, позволяет синхронизировать записи и получить интерференцию сигналов, записанных на разных телескопах. Благодаря этому, работающие независимо телескопы составляют единый интерферометр, угловое разрешение которого определяется расстоянием между телескопами, а не размером антенн (метод РСДБ). Шаблон:Comment обращается по эллиптической орбите с высотой апогея около Шаблон:Num[8], сравнимой с расстоянием до Луны, и использует лунную гравитацию для поворота плоскости своей орбиты. Высокое разрешение при наблюдении радиоисточников обеспечивается за счёт большого плеча интерферометра, равного высоте апогея орбиты.

Основные параметры наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон»[9]:

Диапазон (λ, см) 92 18 6,2 1,2—1,7
Диапазон (ν, ГГц) 0,327 1,665 4,83 25—18
Ширина диапазона (Δν, МГц) 4 32 32 32
Ширина интерференционного лепестка (мкс дуги) при базе Шаблон:Num 540 106 37 7,1—10
Чувствительность по потоку (σ, мЯн), на Земле антенна EVLA, накопление Шаблон:Num 10 1,3 1,4 3,2

Шириной интерференционного лепестка определяется угловое разрешение радиоинтерферометра, то есть, например, на волне Шаблон:Num «Радиоастрон» сможет различать два источника радиоизлучения, расположенные на угловом расстоянии порядка Шаблон:Num и более друг от друга, а на волне Шаблон:Num — ещё более близкие (Шаблон:Num и более)[10].

Для работы интерферометра требуется знание положения космического аппарата с высокой точностью. Согласно техническому заданию, требуемые точности составляют: несколько сот метров по расстоянию, скорость — не хуже Шаблон:Num, ускорение — Шаблон:Val. Для обеспечения этих требований используются[3]:

Космический радиотелескоп

Космический радиотелескоп с приёмной параболической антенной диаметром Шаблон:Num выведен на высокоапогейную орбиту спутника Земли высотой до Шаблон:Num в составе космического аппарата «Спектр-Р»[11]. Он является крупнейшим в мире космическим радиотелескопом, что было отмечено в книге рекордов Гиннесса[12].

В проекте «Радиоастрон» применение радиотелескопа на высокоэллиптической орбите позволяет получить интерферометр с базой, значительно превышающей диаметр Земли. Интерферометр с такой базой позволяет получить информацию о структуре галактических и внегалактических радиоисточников на угловых масштабах порядка Шаблон:Num и даже до Шаблон:Num дуги для самой короткой длины волны проекта (Шаблон:Num) при наблюдениях на максимальной длине базы.

Оборудование

Полная масса полезного научного груза — приблизительно Шаблон:Num. Она включает массу раскрывающейся параболической антенны диаметром Шаблон:Num (Шаблон:Num) и массу электронного комплекса, содержащего приёмники, малошумящие усилители, синтезаторы частот, блоки управления, преобразователи сигналов, стандарты частоты, высокоинформативную систему передачи научных данных (около Шаблон:Num). Масса всего спутника, выведенного на орбиту с помощью ракеты-носителя «Зенит-2SБ» с разгонным блоком «Фрегат-2СБ», — около Шаблон:Num[7]

Полная мощность питания системы составляет Шаблон:Num, из которых Шаблон:Num используется для научных приборов. Во время нахождения в тени аккумуляторный блок аппарата позволяет работать около двух часов без питания от солнечных батарей[6].

Антенна

Антенна космического радиотелескопа состоит из Шаблон:Num. При выведении на целевую орбиту антенна находилась в сложенном (аналогично зонту) состоянии. После достижения целевой орбиты выполнено механическое раскрытие антенны радиотелескопа[6]. Антенна выполнена из углепластика[13].

Прототип, 5-метровая антенна, прошла отработку в наземных условиях и подтвердила правильность выбранной конструкции. Затем была изготовлена 10-метровая антенна, испытанная вначале в наземных условиях на полигоне[14] для тестирования и калибровки КРТ-10 в Пущинской радиоастрономической обсерватории.

Связь

До отказа последнего комплекта приёмника командной радиолинии в январе 2019 года для сеансов двусторонней связи использовались крупнейшие в России антенные комплексы П-2500 (диаметр Шаблон:Num) в Восточном центре дальней космической связи и ТНА-1500 (диаметр Шаблон:Num) в подмосковном Центре космической связи «Медвежьи озёра». На малых расстояниях до КРТ (до Шаблон:Num) использовалась антенна НС-3,7, расположенная в ЦУП-Л в НПО им. С. А. Лавочкина.

Связь с аппаратом «Спектр-Р» была возможна в двух режимах. Первый режим — двусторонняя связь, включающая передачу команд на борт и приём с него телеметрической информации.

Второй режим связи — сброс радиоинтерферометрических данных через узконаправленную антенну высокоинформативного радиокомплекса (ВИРК). Данные требовалось передавать в реальном времени[3], так как запоминающее устройство большой ёмкости в состав телескопа не входило. В 2015 году для приёма радиоинтерферометрических данных использовалась станция слежения, созданная на базе 22-метрового радиотелескопа РТ-22 в подмосковном Пущино. Поток информации, собираемой телескопом, составлял Шаблон:Num в секунду. Для обеспечения возможности проведения интерферометрических наблюдений во время, когда космический аппарат не виден для станции слежения в Пущино, Роскосмос профинансировал создание дополнительных станций слежения за пределами России: в США и ЮАР[15][16]. Начиная с августа 2013 года, введена в эксплуатацию станция в Грин-Бэнке (США, штат Западная Вирджиния)[3].

История

Проект был начат в 1979—1980 годы, при одобрении Леонида Ильича Брежнева, он пережил период застоя и экономический спад 1990-х годов.

Во второй половине 2000-х годов проект был значительно переработан примерно в течение Шаблон:Num[3].

Запуск

Запуск КРТ произведён 18 июля 2011 года в 6:31 по московскому времени с 45-й площадки космодрома Байконур ракетой-носителем «Зенит-2SLБ80» с разгонным блоком «Фрегат-СБ»[17][18].

18 июля 2011 года в 10:06 по московскому времени КА «Спектр-Р» достиг целевой высокоэллиптической орбиты с параметрами[7]:

Утром 22 июля была выдана команда на раскрытие антенны, примерно через Шаблон:Num был получен сигнал о том, что двигатель, отвечающий за раскрытие, прекратил движение. Однако сигнала, подтверждающего раскрытие, не поступило. Было принято решение в ночь с 22 на 23 июля развернуть спутник таким образом, чтобы солнце равномерно прогрело конструкцию привода антенны. Утром была выдана повторная команда на раскрытие телескопа, а затем и на фиксацию лепестков. После этого были получены сигналы, подтверждающие успешную фиксацию каждого из Шаблон:Num антенны[3].

Под действием лунной гравитации плоскость орбиты непрерывно поворачивается, что позволяет обсерватории сканировать пространство по всем направлениям[3]. За планируемое время работы (Шаблон:Num) притяжение Луны поднимет апогей радиотелескопа до высоты Шаблон:Num[19].

При движении по орбите космический аппарат проходит через радиационные пояса Земли, что увеличивает радиационную нагрузку на его приборы. Срок службы космического аппарата — около Шаблон:Num[20]. Согласно баллистическим расчётам, КРТ будет летать Шаблон:Num, после чего войдет в плотные слои атмосферы и сгорит[21].

В марте 2012 года была проведена коррекция орбиты, которая обеспечила гравитационно-стабильный режим на ближайшие Шаблон:Num[3].

На момент своего выхода на орбиту космический радиотелескоп, установленный на борту российского космического аппарата «Спектр-Р», — наиболее удалённый от Земли радиотелескоп[19].

Начало работы

После раскрытия зеркала приёмной антенны КРТ потребовалось около трёх месяцев перед началом наблюдений для синхронизации с земными радиотелескопами[22].

По окончании проверки всех систем аппарата наступил этап научных исследований. На Земле в качестве синхронных радиотелескопов используются два стометровых радиотелескопа в Грин-Бэнк (Западная Виргиния, США) и в Эффельсберге (Германия), а также знаменитая радиообсерватория Аресибо (Пуэрто-Рико)[19]. Наземно-космический интерферометр с такой базой обеспечивает информацию о морфологических характеристиках и координатах галактических и внегалактических радиоисточников с шириной интерференционных лепестков до Шаблон:Num дуги для самой короткой длины волны проекта (Шаблон:Num).

К 5 августа был включен весь комплекс «Плазма-Ф»[23] и получены первые измерения[24].

27 сентября «Спектр-Р» впервые провёл тестовые наблюдения космического объекта — остатка сверхновой Кассиопея A. Успешно проведены наблюдения методом сканирования по двум ортогональным направлениям в диапазонах Шаблон:Num и Шаблон:Num в двух круговых поляризациях.

29 и 30 октября 2011 года радиотелескопом проведены наблюдения мазера W3(OH) в созвездии Кассиопеи[25].

14—15 ноября 2011 года успешно проведены одновременные наблюдения в интерферометрическом режиме на Шаблон:Comment «Спектр-Р», трёх российских радиотелескопах, образующих радиоинтерферометрическую сеть «Квазар» (РТ-32 «Светлое», РТ-32 «Зеленчукская», РТ-32 «Бадары») и крымским радиотелескопом РТ-70 «Евпатория». Целью наблюдения были пульсар PSR B0531+21 в Крабовидной туманности, квазары 0016+731 и 0212+735 (для изучения квазара 0212+735 дополнительно был задействован немецкий 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге[26]), а также источники мазерного излучения W3(OH)[27].

В месяц проводится около Шаблон:Num экспериментов[3].

Общие расходы на программу «Радиоастрон» очень великиШаблон:Сколько, поэтому для составления научной программы был образован международный комитет; заявка на наблюдательное время может быть подана любым учёным, комитет выбирает заявки с наиболее сильным научным уровнем, предлагающие наиболее интересные научные идеи[3].

В июле 2016 года начался четвёртый год открытой программы наблюдений, для реализации в этот период были отобраны 11 проектов[28]: Шаблон:Начало цитаты Лидерами заявок, принятых к реализации, являются три представителя России, два — Голландии и по одному из Испании, Японии, ЮАР и США. Соавторы заявок представляют 19 стран мира в количестве примерно 155 человек. Наибольшее количество соавторов заявок — из России, следом идут США, Германия, Испания, Нидерланды, Австралия, Италия и другие. Шаблон:Конец цитаты

Потеря связи

С 10 января 2019 года связь со спутником потеряна; при этом гарантийный срок спутника истёк ещё в 2014 году (изначально работу «Спектр-Р» планировалось завершить в 2016 году, но её продлили до конца 2019 года)[29][30]. 12 января стало известно, что радиотелескоп на КА «Спектр-Р» перестал работать на приём командных данных, но при этом продолжает отправлять информацию на Землю[31]. Научный руководитель проекта, член-корреспондент Российской академии наук Юрий Ковалёв пояснил, что «Спектр-Р» работает только по командам с Земли: перед каждым сеансом на борт закладывается программа наблюдений и посылается сигнал на включение приёмо-передающей антенны; сейчас такая команда не проходит на борт аппарата, который переведён в «домашнее положение», в этом состоянии солнечные батареи продолжают подавать питание, но другие части спутника уже не подвержены воздействию солнечного излучения и охлаждаются[32]. Надежда на восстановление связи по-прежнему остается, проводятся сеансы связи в попытке наладить ситуацию, но если с КА не удастся восстановить связь и начать передавать управляющие команды, то эксплуатация спутника и телескопа будет завершена. По косвенным признакам «Спектр-Р» полностью работоспособен, за исключением радиоаппаратуры, принимающей команды с Земли; в текущем состоянии он сможет существовать до сентября 2019, благодаря программе аварийной ориентации, действующей при отсутствии внешних команд[33]. Последний сигнал от «Спектра-Р» был получен 5 февраля[34]. 15 февраля 2019 года на заседании госкомиссии Роскосмоса было принято решение о передаче аппарата под контроль изготовителю — НПО имени Лавочкина — для дальнейших работ по установлению связи со спутником. Работы были запланированы на период до 15 мая, после чего было принято решение о дальнейшей судьбе «Спектр-Р»[35].

30 мая 2019 года состоялось заседание Государственной комиссии по рассмотрению хода летных испытаний «Спектр-Р». Государственная комиссия заслушала доклады представителей ракетно-космической отрасли и научного сообщества и приняла решение о завершении проекта «Спектр-Р»[36].

Научные результаты

За первый год работы (на 18 июля 2012) на наземно-космическом интерферометре проекта «Радиоастрон», состоящем из Шаблон:Comment и наземных телескопов, проведены наблюдения Шаблон:Num ядер галактик, Шаблон:Num (нейтронных звёзд), Шаблон:Num мазерных линий в районах образования звёзд и планетных систем[37].

На 9 октября 2012 международной группой исследователей ядер активных галактик получено первое изображение быстропеременной активной галактики 0716+714 на длине волны Шаблон:Num по результатам наблюдений наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон» совместно с Европейской сетью РСДБ[38].

Один из основных изучаемых типов объектов — это квазары. С помощью проекта «Радиоастрон» удалось измерить ширину начала релятивистской струи. Она оказалась равной примерно Шаблон:Num, эта информация активно используется для проработки моделей формирования подобных струй[3].

Другим результатом стало измерение яркости релятивистских струй квазаров. Наземные радиотелескопы ограничены некоторой величиной яркости и не позволяют определить, равна ли реальная яркость ей или больше. Данные, полученные по более чем Шаблон:Num, позволили установить, что яркость этих струй значительно превышает предыдущие представления. Это требует серьёзной перестройки существующих моделей устройства квазаров. Ранее считалось, что в струях излучают в основном релятивистские электроны. Эта модель не позволяет получить наблюдаемой яркости. Одной из новых моделей может стать модель струи, состоящей из разогнанных до релятивистских скоростей протонов, но тогда встаёт вопрос о механизме ускорения протонов до столь высоких энергий. Возможно, эта проблема имеет отношение к проблеме источника высокоэнергетичных космических лучей[3].

Наблюдение спектра пульсаров вместо ожидаемой достаточно гладкой картины дало ряд мелких пиков. Это требует переработки теории межзвёздной среды. Одним из объяснений могут стать компактные зоны турбулентности, приводящие к искажению проходящего сквозь них электромагнитного излучения[3].

При наблюдениях водяного мегамазера в галактике M 106 в диапазоне 1,3 МГц с базовой линией 340 тыс. км (совместно с наземным радиотелескопом в Медичине, Италия) достигнут абсолютный рекорд углового разрешения в астрономии — 8 микросекунд дуги (примерно под таким углом, при наблюдении с Земли, будет видна рублевая монета, лежащая на поверхности Луны)[39].

Обнаружено сильное рассеяние радиоизлучения межзвёздной плазмой[4].

Аналогичные проекты

В 1979 году на станции «Салют-6» была создана радиообсерватория с первым космическим радиотелескопом КРТ-10[40].

В 1997 году JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований) запустило радиотелескоп HALCA диаметром Шаблон:Num на орбиту примерно в Шаблон:Num более низкую, чем орбита «Спектр-Р». Аппарат успешно проработал до 2005 года.

Китай имеет планы по запуску двух космических аппаратов, аналогичных «Спектру-Р», при этом активно используются наработки российского проекта[3].

См. также

Шаблон:External media

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:ВС Шаблон:Радиоастрономия Шаблон:Космические обсерватории РосКосмос Шаблон:Космические телескопы Шаблон:Космические запуски в 2011