«Радиоастрон» гоняется за тенью черной дыры

В июле 2011 года вся страна, затаив дыхание, следила за выводом на орбиту космического радиотелескопа «Радиоастрон» и раскрытием его 10-метровой антенны. «Радиоастрон» стал первым масштабным космическим проектом, реализованным после перестройки. Его успешный старт казался чудом.

Проект «Радиоастрон» задуман еще в 1970-е годы астрофизиком Николаем Кардашевым, руководителем Астрокосмического центра ФИАН (АКЦ). Он представляет собой орбитальный аппарат, который принимает радиоизлучение от далеких объектов. Вместе с ним работают несколько радиотелескопов, расположенных на Земле, на разных континентах. Орбитальный и наземные телескопы одновременно наводятся на определенный объект и могут видеть его в радиодиапазоне с гораздо большим разрешением, чем это доступно одному телескопу. По-научному такая схема работы называется радиоинтерферометром со сверхдлинной базой.

За постройку орбитального радиотелескопа взялись в НПО имени С.А. Лавочкина. Несмотря на финансовые затруднения, аппарат (его назвали «Спектр-Р») построили и в 2003 году привезли на испытания в Пущино. Там по такому случаю возвели большой ангар с рельсами и лебедкой. Во время экспериментов ангар отъезжал, и телескоп настраивался на космические объекты. Испытания прошли успешно, но денег на развитие проекта не было.

— Может и к лучшему. Потому что появились новые технологии и новые возможности, — рассказывает Анатолий Коваленко, руководитель отдела наземно-космической радиоинтерферометрии.

Он руководил испытаниями «Радиоастрона», и теперь, когда аппарат работает на орбите, его лаборатория следит за ним и обеспечивает условия для проведения научных экспериментов.

К пуску готов

Мы зашли в ангар, где испытывали «Радиоастрон», и поднялись на смотровую площадку. Перед нами — огромная желтая станина. На ней закрепляли телескоп во время экспериментов и охлаждали жидким азотом, чтобы имитировать космические условия. Теперь здесь пусто. Только на диванчике спит кошка.

По безлюдным дорожкам обсерватории мы отправились на пульт управления радиотелескопом РТ-22, откуда происходят сеансы связи с «Радиоастроном». Навстречу нам ехал мужчина на велосипеде. Увидев Анатолия Васильевича, он остановился и сказал:

— Забрал я заявление, передумал. Мне знак был!

Мужчина засмеялся и энергично нажал на педали.

— Это наш оператор телескопа. Он на пенсию собрался, уже и заявление написал. Но бывает и почудится что-то. Особенно ночью. Люди здесь дежурят сутками в одиночестве, — пояснил ученый с улыбкой.

Вот и гигантская тарелочная антенна телескопа РТ-22. Мы обходим ее вокруг, чтобы посмотреть круглый контейнер в центре зеркала. Это аппаратура для слежения за «Радиоастроном». Она принимает сигнал с орбиты.

Большое двухэтажное здание для управления наземным телескопом РТ-22 построили еще в советское время. Собственно пульт занимает целый этаж. Сейчас он неактивен. Его включат ночью, когда начнется очередной сеанс связи с «Радиоастроном». Орбитальная станция передаст на Землю сигнал о своем местоположении, и РТ-22 нужно будет на него настроиться. Сделать это не так легко даже при нынешних вычислительных возможностях. «Радиоастрон» летит с бешеной скоростью порядка 8-9 км в секунду. Наземный телескоп РТ-22 должен захватить сигнал с орбиты и вести его в течение часа или двух, пока длится сеанс. За это время космический аппарат передает на Землю огромный объем информации о радиоизлучении объектов. Данные поступают на серверы буферного центра и затем отправляются в АКЦ в Москву, где их анализируют ученые.

Как работает «Радиоастрон»

Телескоп движется по высокой эллиптической орбите, один край которой почти достигает Луны. В апогее аппарат удаляется от нас на 330 тысяч километров. Это расстояние между «Радиоастроном» и пущинским РТ-22 составляет базу радиоинтерферометра, позволяющую вести наблюдения. Вместе они образуют самый большой и чувствительный радиотелескоп в мире.

Начиная сеанс связи с Землей, «Радиоастрон» поворачивает остронаправленную антенну связи в нашу сторону и посылает сигнал. Передавать данные больше 2,5 часов он не может, потому что мешает тепло от Солнца. Летом идут короткие редкие сеансы, а сейчас в ноябре наступает самое благоприятное время, поэтому в плане расписано более ста сеансов связи. Полный оборот вокруг Земли телескоп «Радиоастрон» делает за восемь суток. Чем он ближе к нам, тем сильней от него поступает сигнал, и тем лучше для ученых. Но при этом скорость аппарата увеличивается настолько, что за ним становится сложнее следить.

В 2013 году к проекту «Радиоастрон» подключился второй наземный телескоп, расположенный в обсерватории Грин-Бэнк, в США. Он следит за орбитальным аппаратом в то время, когда это не может делать телескоп в Пущино. Сейчас идут переговоры о подключении третьей станции слежения — в ЮАР. Тогда можно будет работать с «Радиоастроном», когда он находится в перигее, то есть ближе всего к Земле. В этой точке его не видят ни из Пущино, ни из Грин-Бэнка.

В центре управления РТ-22 нас встречает молодой оператор Дмитрий Суворин. Он посвящает меня в детали связи с «Радиоастроном». Сначала сигнал от аппарата принимает центр управления полетами (ЦУП) в НПО им. Лавочкина в Химках. В Институте прикладной математики рассчитывают его траекторию и передают в ЦУП и Пущино. После получения данных об орбите, в Пущино запускают программу управления РТ-22, который по указанной траектории ищет сигнал от «Радиоастрона». Управлять космическим аппаратом или его приборами прямо из Пущино нельзя, здесь только принимают сигнал.

— Наша задача добиться качественного приема и передачи данных, — поясняет Дмитрий. — А ЦУП может управлять космическими аппаратами, у них мощная всенаправленная антенна. В ЦУП стекаются данные обо всех орбитальных объектах, и там их разруливают, чтобы не столкнулись, ведь на орбите скопилось много мусора.

Но «Радиоастрону» космическое ДТП не грозит, потому что на той орбите, где он летает, нет других аппаратов.

— Сначала ЦУП нас поругивал, что мы плохо сигнал ловим, долго настраиваемся. Но потом выяснилось, что оттуда тоже иногда баллистику неправильно дают.

Дмитрий пояснил, что орбита «Радиоастрона» очень сложная. Траектории обычных круговых орбит, на которых летает большинство спутников, научились хорошо рассчитывать. А с такой большой эллиптической орбитой есть сложности. Когда аппарат подлетает к Луне, то под воздействием ее силы гравитации он меняет свою траекторию. Точно рассчитать степень воздействия невозможно, поэтому значения ЦУП порой приходится корректировать.

Захватив сигнал, Пущино начинает измерять скорость «Радиоастрона» и передавать данные о ней в реальном времени в ЦУП. Там исправляют свои расчеты, уточняют орбиту. Кроме того, положение аппарата определяют с помощью лазера. Для этого с наземной станции посылают на орбитальный аппарат лазерный луч. Тот его принимает и возвращает назад — на Землю. В результате положение объекта на орбите устанавливают очень точно.

— А если у вас во время сеанса случится поломка? — интересуюсь я.

— Такого еще не бывало. Бывало, что телескоп в космосе не успевал развернуться куда надо, или в сильные морозы наш телескоп останавливался от того, что у него мотор льдом заклинивало. Все компьютерные системы у нас продублированы: серверы, модули, компьютеры. Любую деталь в течение 15 минут заменим, если что.

— А сигналы от внеземных цивилизаций принимаете?

— Конечно, нет. Ничего неопознанного мы не принимаем. Мы же настраиваемся на конкретный объект в определенном радиодиапазоне. Даже если что-то непонятное примем, вряд ли об этом догадаемся.

Дмитрий открывает программу связи с ЦУП.

— Вот здесь ночью появятся координаты телескопа. Возьмем баллистику для измерений, файл координат, там будет заложена ориентировочная скорость аппарата. Мы определим практическую скорость, сравним с тем, что получилось по баллистике, и сбросим данные в ЦУП и АКЦ. Они будут анализировать.

— Разве вам не скучно?

— Да где уж скучно! Особенно если что-то не так с сигналом.

Черная дыра

Большинство объектов, которые наблюдают астрономы, находятся на огромных расстояниях от Земли. В наземный или орбитальный телескоп они видны как одна точка или однородное пятно. А «Радиоастрон», благодаря умению работать в паре с наземными телескопами, показывает внутреннее строение таких объектов. Например, в туманности Orion KL, которая известна активным звездообразованием, видно три ярких вкрапления. С помощью «Радиоастрона» впервые открылось, что там не три, а целая россыпь ярких объектов, сгустков газа и пыли.

Еще один интересный объект изучения — активное ядро туманности 3C84, расположенной в 75 световых годах от нас. Она интересна линиями воды в спектре излучения. Обычно так излучают протопланеты и протозвезды. С Земли объект выглядит как единое образование без структуры, а теперь его удалось разглядеть с разрешением 0,3 парсека и померить размер. Определили размеры еще одного водяного мазера — W49M.

Главное же — «Радиоастрон» готовится к эксперименту с черными дырами. Их существование известно из теории относительности. Есть также некоторые косвенные признаки, указывающие на их реальность, но прямых подтверждений нет. Чтобы увидеть черные дыры, астрономы придумали остроумный эксперимент: наблюдать не саму черную дыру, что невозможно, потому что она поглощает все излучение, а ее тень. В данном случае речь идет о тени в радиодиапазоне. Чтобы это осуществить, нужно достичь определенной конфигурации радиоинтерферометра, когда его база максимальна. К эксперименту подключат самые большие в мире параболические радиотелескопы с зеркалами диаметром 100 метров в Грин-Бэнке (США) и Эффельсберге (ФРГ). Космический телескоп должен находиться у Луны и быть виден наземным станциям слежения. Наземные телескопы должны принимать излучение на нескольких частотах, одновременно с «Радиоастроном», и в тоже время — излучение от черной дыры, расположенной в центре галактики M87. Это огромная по размерам галактика, самая большая в созвездии Девы. Тогда удастся получить угловое разрешение порядка 10 микросекунд дуги и увидеть тень объекта. Астрономы надеются получить радиоизображение тени черной дыры определенной формы: где-то будет светлее, где-то темнее. Черная дыра будет находиться там, где темно.

При правильной конфигурации радиоинтерферометра и благоприятной погоде (в дождь и снег наблюдать нельзя), начнется решающий эксперимент. Это произойдет к концу года.

Попутно ученые хотят с помощью «Радиоастрона» изучить «кротовые норы» — гипотетические тоннели в пространстве-времени, через которые можно попасть в другие Вселенные. Решают и массу чисто прикладных задач. Например, определение гравитационного смещения частоты. Этим занимается сам Анатолий Коваленко с коллегами.

— На борту находится уникальный прибор — водородный бортовой стандарт частоты, — рассказал ученый. — С его помощью мы можем измерить влияние гравитационного поля Земли на излучение, передаваемое «Радиоастроном».

Согласно теории, чем слабее гравитационное поле, тем быстрее течет время. Чтобы это подтвердить экспериментально, нужно чтобы «Радиоастрон» как можно дальше удалился от Земли. Но пока не удается достичь нужной точности, и в любом случае, эксперимент должен идти год, чтобы накопить данные для сравнения, научиться отсеивать все шумы.

Гравитационное смещение используют в расчетах траекторий полетов космических аппаратов. Если для орбитальных полетов точности, с которой сейчас вычисляют этот показатель, достаточно, то для полетов к Марсу нужна принципиально другая точность. Ее-то и добиваются в проекте «Радиоастрон».