Ссылки для упрощенного доступа

Зоркий во Вселенной. Судьба замолчавшего космического телескопа


Космический телескоп в процессе сборки со сложенным “зонтиком” антенны в НПО имени Лавочкина

Месяц назад, 10 января 2019 года, была потеряна связь с российским космическим телескопом в составе проекта "Радиоастрон". Все это время технические службы пытались восстановить контакт со спутником, но безуспешно – по всей видимости, космическое излучение повредило последнюю оставшуюся на борту систему связи.

Рано или поздно это должно было случиться: орбитальный телескоп, внесенный в Книгу рекордов Гиннесса как крупнейший своего типа, и так проработал намного дольше и гарантийного срока, и ожидаемой продолжительности жизни. А главное – с его помощью астрофизики со всего мира успели сделать множество ярких открытий о самых далеких и поражающих воображение объектах во Вселенной. Радио Свобода рассказывает об истории и достижениях одного из самых успешных в истории российского научного проекта. Его судьба решится 15 февраля, но ученые уже готовят на смену "Радиоастрону" новый, еще более амбициозный проект. Вот только найдутся ли на него деньги?

Непримечательная деревянная дверь с кодовым замком на 12-м этаже Института космических исследований, который занимает Астрокосмический центр ФИАН, за ней – просторное помещение, несколько рядов столов с компьютерами перед огромным плазменным экраном. Экран погашен, на столах мониторы стоят вперемежку с аппаратурой и деревянными ящиками с подписями вроде "точные приборы". Один угол занимают два больших контейнера для перевозки атомных часов, другой – инженерные модели спутникового оборудования. Точно такое же прямо сейчас находится на огромной вытянутой орбите в космосе, возможно, где-то около Луны.

Это помещение – комната управления спутником "Спектр-Р" в составе исследовательского проекта "Радиоастрон", самого масштабного и одного из самых успешных проектов России в астрофизике, а может быть, и во всей российской науке за последние годы.

Зеркало телескопа "Спектр-Р" в раскрытом положении
Зеркало телескопа "Спектр-Р" в раскрытом положении

"Беспорядок вокруг – символ того, что у нас многие годы все было хорошо", – оглядывается вокруг астрофизик Юрий Ковалев, руководитель научной программы "Радиоастрона", член-корреспондент РАН. На самом деле управление спутником для ученых осуществляется из Центра управления полетом (ЦУП) НПО имени Лавочкина, а группа АКЦ из этого офиса связывается с ЦУП во время командных сеансов и имеет доступ к телеметрии в режиме реального времени. Если в первое время после запуска ученые активно проводили тесты научных приборов и работа в комнате управления в АКЦ кипела, то сейчас все процессы давно отработаны. Во время сеансов связи со "Спектром-Р" в офисе находятся один-два инженера АКЦ в качестве наблюдателей, на случай необходимости каких-то консультаций с коллегами из НПО.

Так что 10 января, когда со "Спектром-Р" не удалось установить сеанс связи, никакой паники в Астрокосмическом центре не было. "Таких людей, которые рвут на себе волосы и бегают кругами, здесь нет просто из-за эффекта селекции. Они не выживут", – объясняет Ковалев. О проблемах ученым сообщили из НПО имени Лавочкина. На следующий день астрофизики провели плановую оперативку и стали ждать, когда коллеги из НПО и Роскосмоса разберутся. Ковалев подчеркивает, что доверие между исследователями и людьми, которые отвечают за космическую технику, за годы совместной работы установилось почти абсолютное: "Это неожиданное удовольствие от работы с профессионалами экстра-класса, когда много лет взаимодействуешь с этими людьми, понимаешь, на чем основаны грандиозные советские и в меньшей степени российские успехи".

Впрочем, связь не удалось восстановить и месяц спустя. Вероятность того, что спутник, уже в два с половиной раза переживший гарантийный срок и в полтора – ожидаемую продолжительность жизни, утерян, достаточно велика, окончательное решение о дальнейшей судьбе проекта 15 февраля примет государственная комиссия.

Юрий Ковалев, руководитель научной программы "Радиоастрона"
Юрий Ковалев, руководитель научной программы "Радиоастрона"

"Жалко, если "Радиоастрон" закончится, – говорит Ковалев. – Но в последние пару лет мы действительно живем, как говорил известный советский персонаж, с чувством глубокого удовлетворения. И гордости за результаты тысяч людей, которые в этом проекте участвовали и участвуют. И из-за этого грусть от того, что все сейчас может завершиться, в меня не проникает. Знаете, когда умирает человек в возрасте, проживший счастливую, успешную, полную жизнь, неужели на его похоронах тебя переполняет исключительно печаль? Конечно, грустно, что ты с этим человеком больше никогда не сможешь поговорить, что он больше не будет частью твоей жизни, но ты не можешь не радоваться за то, что ему удалось. А оставшееся наследие?! Выросшие на уникальном опыте новые профессионалы, научные данные для обработки и анализа еще как минимум на протяжении 3–5 лет… Но мы не теряем надежду и верим в коллег из НПО, готовим новую научную программу до середины 2020 года".

Телескоп размером с планету

24 сентября 1969 года бдительный сотрудник ГАИ остановил подозрительный автомобиль, который со значительным превышением скорости несся по шоссе мимо Никитского ботанического сада в Крыму. Из машины вышли несколько человек, один из которых показал корочку Академии наук СССР и объяснил: мы везем атомные часы, торопимся, они остановятся, как только разрядятся аккумуляторы. Впечатленный милиционер был готов отпустить нарушителей, но попросил показать атомные часы – когда еще увидишь такую диковинку? Ученые открыли багажник и ужаснулись: часы остановились! Один из пассажиров той машины, советский радиоастроном Леонид Матвеенко позже вспоминал, что ехавшие с ним в машине американцы – а это именно они с огромным трудом доставили в СССР из США атомные часы – были уверены: виноват КГБ. Но оказалось, что виновата была электрическая сеть в Ленинграде, откуда часы самолетом доставили в Симферополь. Ночью напряжение снижалось до 190 В и аккумуляторы не заряжались, так что вместо 25 часов их хватило всего на 2, и часы остановились на борту авиалайнера где-то над Харьковом. Так едва не закончился провалом первый в истории советско-американский эксперимент по совместному радиоинтерферометрическому астрофизическому наблюдению.

Николай Кардашев, соавтор идеи РСДБ и руководитель проекта "Радиоастрон"
Николай Кардашев, соавтор идеи РСДБ и руководитель проекта "Радиоастрон"

Одна из основных характеристик любого телескопа – угловое разрешение. Оно описывает расстояние между объектами на небе, при котором они сливаются при наблюдении в одну точку. Например, угловое разрешение в одну угловую минуту, свойственное человеческому глазу, означает способность различить печатную точку с расстояния в один метр. Близко расположенные звезды на небе сливаются для нашего глаза в одну точку, и хотя для астрономических наблюдений мы используем телескопы, их возможности тоже ограничены законами физики. Угловое разрешение телескопа не может быть выше, чем длина волны, которую он воспринимает, разделенная на его размер, грубо говоря, диаметр зеркала. Длины электромагнитных волн в оптическом диапазоне относительно малы, но наблюдениям оптических телескопов даже с очень большими зеркалами мешает турбулентность атмосферы, про которую знает каждый летавший на самолете. Радиотелескопы такой проблеме подвержены меньше, но и радиоволны на много порядков длиннее, так что по угловому разрешению радиотелескоп с огромной, 100-метровой антенной хуже, чем невооруженный человеческий глаз.

В середине 1940-х ученые придумали, как улучшить качество радионаблюдений. Они предложили наблюдать объекты с помощью нескольких антенн одновременно и "накладывать" получаемые данные друг на друга. Благодаря такому наложению – корреляции – в знаменателе формулы для углового разрешения фактически оказывается расстояние между телескопами. Такие системы назвали радиоинтерферометрами, и первые радиоинтерферометры выглядели как массивы стоящих относительно недалеко друг от друга антенн, соединенных проводами. Данные их наблюдений в режиме реального времени коррелировались в едином центре неподалеку, что позволило улучшить разрешающую способность в тысячи раз (в знаменателе оказались уже не десятки метров, а десятки километров). Угловое разрешение было уже порядка одной угловой секунды, на уровне оптических телескопов. В конце 1950-х с помощью радиоинтерферометра в Симеизе советские ученые следили за траекториями лунных зондов "Луна-1" и Луна-2" – удалось даже установить, где именно второй из них (первым из рукотворных объектов) достиг лунной поверхности, что очень впечатлило конструктора Сергея Королева. А можно ли еще лучше?

Оказывается, да. Чтобы обрабатывать наблюдения разных антенн, нужно, чтобы они были точно синхронизированы. А вот расстояние между телескопами значения не имеет, оно ограничено разве что возможностью соединить их проводами. Так почему бы не снабдить радиотелескопы очень точными часами, с помощью которых помечать записанные на магнитные ленты данные наблюдений? Такие ленты можно потом привезти в единый центр, где и прокоррелировать данные. Сами антенны при этом могут находиться где угодно, хотя бы и на разных континентах.

Эта мысль пришла в голову в 1962 году радиоастроному из Физического института имени П.Н. Лебедева (ФИАНа) Леониду Матвеенко, одному из создателей крымского радиоинтерферометра. Он рассказал об идее, которую назвал радиоинтерферометрией со сверхдлинной базой (РСДБ) на научном семинаре, но не нашел поддержки у коллег. "Реакция была такой: этого не может быть, потому что не может быть никогда!" – вспоминал позже Матвеенко. Из-за всеобщего скепсиса долго не получалось даже опубликовать идею в научном журнале. Одним из возражений было то, что в космосе просто нет интересных объектов, которые были бы, с одной стороны, достаточно компактными, чтобы требовалось высокое угловое разрешение, а с другой – являлись бы достаточно сильными источниками радиоизлучения, чтобы их можно было наблюдать с помощью радиотелескопов (много лет спустя то же самое скептики говорили и про "Радиоастрон"!). Поддержавший идею Матвеенко знаменитый астрофизик Иосиф Шкловский на это возразил: "Может быть, мы не знаем о таких объектах, потому что у нас нет инструментов их увидеть?"

Радиотелескоп в обсерватории Грин Бэнк, США. В 1969 году он участвовал в первых советско-американских РСДБ-наблюдениях, а сейчас является частью "Радиоастрона"
Радиотелескоп в обсерватории Грин Бэнк, США. В 1969 году он участвовал в первых советско-американских РСДБ-наблюдениях, а сейчас является частью "Радиоастрона"

Совместная статья Матвеенко с астрономами из Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга Николаем Кардашевым и Геннадием Шоломицким о РСДБ была опубликована в журнале "Известия вузов. Радиофизика" только в 1965 году – к этому моменту советские ученые уже успели рассказать об идее коллегам из США. Именно там (и независимо в Канаде) в 1967 году прошли первые – успешные – эксперименты по РСДБ-наблюдениям. В 1968 году состоялись первые межконтинентальные наблюдения, и вновь без участия родины идеи, СССР: одна антенна располагалась в обсерватории Грин Бэнк в США, а вторая – в Швеции. Американские астрофизики предложили СССР провести аналогичный эксперимент при участии Грин Бэнк и радиотелескопа в подмосковном Пущино в 1969 году. Сработала поговорка про пророка в своем отечестве: только после американского предложения идею Матвеенко оценили и в Советском Союзе, ему предложили возглавить с советской стороны международный эксперимент. Правда, выделили для него другую антенну, не в Пущино, а в Симеизе, подальше от столицы.

С огромным трудом американцы доставили в СССР несколько тонн оборудования. Атомные часы, точно синхронизированные с такими же в обсерватории Грин Бэнк, были доставлены в Крым, но, как выяснилось на шоссе у Никитского ботсада, остановились еще в полете. Американскому астроному Кену Келлерману пришлось вновь везти часы в Ленинград для нового сеанса синхронизации. Во время обратного перелета он каждые 15 минут бегал в хвост самолета, чтобы убедиться, что батареи не разрядились. "Чтобы не вызывать подозрений, я каждый раз делал вид, что мне просто нужно в уборную, пока не понял, что это выглядит еще более подозрительно", – вспоминал о том полете Келлерман. Со второго раза атомный стандарт времени удалось доставить в обсерваторию Симеиза, и первый советско-американский эксперимент по РСДБ прошел успешно. Стало понятно, что база радиоинтерферометрии, тот самый знаменатель в формуле для углового разрешения, может достигать практически диаметра Земли, а разрешение при таких наблюдениях будет на несколько порядков превосходить способности любых других телескопов. Разрешение лучшего из оптических телескопов, космического Хаббла – 50 угловых миллисекунд. Типичное (не максимальное) разрешение наземной РСДБ-системы – 1 угловая миллисекунда.

Сертификат Книги рекордов Гиннесса, выданный самому большому космическому радиотелескопу
Сертификат Книги рекордов Гиннесса, выданный самому большому космическому радиотелескопу

За прошедшие с тех пор 50 лет РСДБ стало одним из стандартов в радиоастрономических наблюдениях. Собственные сети РСДБ есть в США, России, Европе, Китае и многих других странах, общее число антенн в них составляет несколько десятков. И нужны они не только для исследования космоса: результатами работы РСДБ-сетей ежедневно пользуется практически каждый из нас – как только заглядывает в навигатор в своем смартфоне.

"С помощью РСДБ можно не только заниматься астрофизикой, но и решать обратную задачу – привязываться к объектам в космосе, использовать их как реперные точки и измерять расстояния на Земле, – объясняет Юрий Ковалев. – Побочный продукт РСДБ-эксперимента – очень точные координаты фазового центра телескопа, с точностью до сантиметра и выше". На Земле, пожалуй, нет объектов, координаты которых известны точнее, чем радиотелескопы, входящие в РСДБ-сети, и к ним привязаны системы GPS и ГЛОНАСС. Точность спутниковой навигации зависит от знания параметров блуждания оси вращения планеты и истинной продолжительности земных суток – эти уточнения можно ввести только с помощью РСДБ-наблюдений. Кстати, в российской наземной РСДБ-сети, она называется "Квазар-КВО" (КВО: координатно-временное обеспечение) и управляется Институтом прикладной астрономии РАН, три радиотелескопа – в Бурятии, Карачаево-Черкесии и Ленинградской области. Эти три антенны обеспечивают точность системы ГЛОНАСС.

Но точная навигация на Земле – лишь одно из следствий появившейся у человека возможности глядеть в небо более острым глазом. Оказывается, наше космическое зрение может стать еще намного острее.

Телескоп размером с орбиту

Еще в середине 1960-х Леонид Матвеенко рассуждал, что диаметр планеты в знаменателе формулы для углового разрешения РСДБ – не предел, ведь антенну можно разместить и на орбите. Это предложение содержалось и в статье, поданной Матвеенко, Кардашевым и Шоломицким в журнал "Радиофизика", однако по настоянию редколлегии из соображений секретности фраза о том, что база РСДБ благодаря размещению одной из антенн в космосе может фактически быть неограниченной, была удалена. Впрочем, уже в 1972 году, по воспоминаниям Леонида Матвеенко, разработка космического радиотелескопа для РСДБ-наблюдений все же началась. Аппарат КРТ-3 (то есть космический радиотелескоп с зеркалом диаметром 3 метра) предполагалось запустить на эллиптическую орбиту с перигеем в 30 тысяч километров и апогеем в 80 тысяч километров – параметры были подобраны специально исходя из объектов, которые собирались исследовать астрономы. К проекту планировали подключиться наземные радиотелескопы многих стран, от США до Южной Африки. В 1977 году было опубликовано описание КРТ-3 и уже готовой модели будущего космического радиотелескопа. Диаметр зеркала составлял чуть более трех метров – ограничение, как вспоминал Матвеенко, было связано с размером обтекателя ракеты "Энергия"; сделать раскрывающуюся и при этом высокоточную конструкцию по тем временам было еще невозможно.

Погрузка “Спектра-Р” в транспортный самолет Ан-124 перед доставкой на Байконур. При создании спутника учитывались даже те нагрузки, который он должен был испытать во время этого перелета
Погрузка “Спектра-Р” в транспортный самолет Ан-124 перед доставкой на Байконур. При создании спутника учитывались даже те нагрузки, который он должен был испытать во время этого перелета

Еще через два года, в 1979 году, на станции "Салют-6" был впервые в истории испытан космический телескоп – КРТ-10 (соответственно, с 10-метровым зеркалом – его доставили на орбиту несколькими частями и смонтировали уже в космосе). Тогда же предприняли попытку первых наземно-космических РСДБ-наблюдений с телескопом РТ-70 в Евпатории. Найти о них информацию кроме краткого упоминания в журнале "Наука и жизнь" от 1982 года Радио Свобода не удалось, скорее всего, опыт не был успешным. Впрочем, экспериментальный КРТ-10 изначально должен был работать всего месяц, а при отстреле антенны от корпуса станции произошла авария: конструкция зацепилась за тросики и загородила стыковочный модуль "Союза". Отцепить тарелку телескопа космонавтам удалось только вручную.

Одновременно с тестом КРТ-10 Институт космических исследований и НПО имени Лавочкина начали разрабатывать проект будущего "Радиоастрона". В 1980 году план был официально закреплен постановлением советского правительства, а в 1983 году был принят план запусков: спутник "Астрон-Р" (для работы в сантиметровом диапазоне радиоволн) должен был отправиться в космос в 1987 году, а "Астрон-М" (миллиметровые волны) в 1990 году. До 1991 года по проекту "Радиоастрон" прошло 13 международных совещаний, но из-за развала Советского Союза планы пришлось надолго отложить. Как рассказывает Юрий Ковалев, американское агентство НАСА даже успело профинансировать наземную поддержку "Радиоастрона" в США, наработки были использованы для японского проекта.

В 1997 году первый космический радиотелескоп в составе РСДБ-системы запустила Япония: спутник HALCA (система VLBI Space Observatory Programme) с 8-метровой антенной был доставлен на орбиту с апогеем в 21 400 километров и перигеем всего в 560 километров. Японский проект воплотил многие идеи КРТ-3 и разработки "Радиоастрона" и проработал до 2003 года, в два раза дольше ожидаемого времени жизни. К сожалению, самая короткая длина волны и, соответственно, самое высокое разрешение проекта не было реализовано из-за поломки приемника на 1,3 см, а база интерферометра всего в 2,5 раза превышала диаметр Земли.

К моменту закрытия японского проекта в России был готов макет собственного радиотелескопа, в 2004 году его передали для испытаний с будущим спутником "Спектр-Р". Однако до запуска оставалось еще больше 6 лет.

"Это было счастье!"

Ранним утром 18 июля 2011 года с 45-й площадки Байконура стартовала ракета-носитель "Зенит". Физики из Астрокосмического центра ФИАН приехали на космодром следить за пуском: Юрий Ковалев вспоминает, что все очень нервничали, удастся ли доставить спутник на плановую орбиту. "Первое включение двигателей разгонного блока "Фрегат-СБ" было с другой стороны Земли, мы тогда не могли в реальном времени получить телеметрию и не знали, что происходит, – рассказывает Ковалев. – Если все в порядке, спутник должен был взойти над горизонтом в определенном месте в определенный момент времени, оставалось только ждать. Только когда мы садились в самолет и улетали в Москву, руководитель проекта Николай Семенович Кардашев сообщил, что все хорошо, мы выведены на заданную орбиту! Это было счастье".

Зеркало телескопа, который доставили на орбиту сложенным, как зонтик, с первой попытки раскрылось не до конца, оставался зазор в несколько сантиметров. Аппарат повернули основанием к Солнцу, через сутки, когда основание телескопа равномерно прогрелось, снова подали команду на раскрытие, и со спутника пришел сигнал: телескоп принял рабочее положение, каждый из 27 углепластиковых лепестков с алюминиевым покрытием был зафиксирован.

"Только вообразите, – говорит Юрий Ковалев, – коллектив Астрокосмического центра и НПО имени Лавочкина разрабатывают проект с начала 80-х. Разработка началась, когда я пошел в первый класс, коллеги буквально вложили в него свои жизни. Можете себе представить чувства людей, которые наблюдали, как все это стартует с Байконура. А потом "нажимаешь кнопку" – оно включается и работает!"

Запуск “Спектра-Р” на орбиту 18 июля 2011 года
Запуск “Спектра-Р” на орбиту 18 июля 2011 года

Было нервно – черт его знает, сколько телескоп проживет. Запустили удачно. На орбиту он встал. Его раскрыли. Все работает. Теперь нужно все успеть из ключевых научных планов!

Впрочем, следующий год Юрий Ковалев вспоминает как один из самых напряженных периодов в жизни коллектива. Сначала нужно было провести тесты технических средств и научных приборов. Один из двух бортовых водородных стандартов, то есть атомных часов, не заработал. К счастью, вторые часы оказались в порядке. "Они ТАК заработали! – Ковалев до сих пор вспоминает об этом с восторгом. – Но было нервно – черт его знает, сколько телескоп проживет. Запустили удачно. На орбиту он встал. Его раскрыли. Все работает. Теперь нужно все успеть из ключевых научных планов!"

Тесты и испытания продлились примерно до начала 2012 года, потом начались первые наблюдения, так называемая ранняя научная программа, в которой участвовали непосредственные партнеры проекта. У нее было две цели: во-первых, "снять сливки", сделать самые интересные наблюдения, на основе которых можно было строить дальнейшую научную программу. Во-вторых, научиться работать с обсерваторией.

"Это был серьезный стресс, – рассказывает Ковалев. – Нашему коллективу пришлось научиться работать под колоссальным давлением ответственности – ты понимаешь, какой у тебя потенциал в руках, и просто не можешь провалиться. Работали практически круглые сутки, так вообще-то нельзя, но выбора не было". Успокоение пришло позже, когда стало понятно, что основные запланированные наблюдения успешно реализованы.

Ковалев говорит, что осознание успеха пришло в конце 2011 года, и вспоминает это как момент абсолютного, глубокого счастья: "В нас ведь вначале никто не верил. Когда мы запускались, многие говорили, мол, русские столько лет ничего не запускали, столько лет только обещали, но ничего не делали. А мы показывали положительные результаты шаг за шагом, и вот уже европейская РСДБ-сеть вводит специальный новый режим наблюдений, только чтобы под "Радиоастрон" подстроиться, а мировые телескопы считают за честь наблюдать с нами".

Примерно через полтора года после запуска на "Радиоастроне" началась открытая научная программа: каждый год проходит конкурс научных заявок, участвовать в нем может любой университет, институт, группа или отдельный ученый. Победителей отбирает специальный международный совет экспертов, авторы лучших заявок получают возможность использовать "Радиоастрон" для наблюдения интересных им космических объектов. Очередной конкурс проводится и в 2019 году – несмотря на то, что связь со спутником пока не восстановлена. "Мы не должны оказаться в ситуации, что "Радиоастрон" снова заработает, а новой научной программы нет", – твердо говорит Ковалев.

Связь от квазаров до Земли

Проект "Радиоастрон" – не только спутник "Спектр-Р" на орбите, но и огромная наземная инфраструктура. Это антенны, которые служат для управления космическим аппаратом; антенны, с помощью которых ученые синхронизируют приборы на спутнике и получают научные данные с космического телескопа; наземные радиотелескопы, которые вместе с "Спектром-Р" ведут наблюдения далеких космических объектов; наконец, центр обработки, где происходит корреляция, то есть выделение из данных излучения компактных деталей далеких объектов.

Управляющих антенн две – это антенны дальней космической связи в Уссурийске (70 метров) и подмосковных Медвежьих озерах (65 метров), их когда-то использовали для управления миссиями на Марсе и Венере и теперь применяют в "Радиоастроне" для связи с летающим по огромной орбите спутником. В ходе сеансов связи на спутник отправляют набор команд, в частности, на принятие новой ориентации на интересный ученым космический объект, а обратно получают информацию о состоянии технических и научных систем, о положении и скорости аппарата. Такие сеансы происходят в среднем раз в три дня из ЦУП НПО имени Лавочкина. Очень редко они могут срываться, например из-за плохой погоды. "Бывает, поднимается очень сильный ветер, и управляющая антенна, а она ведь очень большая, не может двигаться, она должна стоять в так называемом заштыренном состоянии. В специальные пазы вставляются огромные металлические брусья и держат ее – чтобы не упала", – рассказывает Юрий Ковалев. В Роскосмосе Радио Свобода подтвердили, что потери связи со спутником случались, но не мешали наблюдениям: "Кратковременные интервалы потери связи фиксировались ранее в ходе полёта. Они автономно парировались бортовым радиокомплексом, с помощью работающего циклически алгоритма программного восстановления работоспособности приёмо-передающего устройства", – сообщили в пресс-службе корпорации.

Антенна дальней космической связи в Медвежьих озерах, Подмосковье
Антенна дальней космической связи в Медвежьих озерах, Подмосковье

Для получения данных наблюдений космического телескопа используются другие антенны, их тоже две – в Пущино (22 метра) в Московской области и в той самой обсерватории Грин Бэнк (43 метра), которая когда-то была участником первого советско-американского совместного РСДБ-наблюдения. Для передачи информации "Спектр-Р" оборудован специальной 1,5-метровой антенной: большое, 10-метровое зеркало телескопа ориентируется на наблюдаемый объект, а маленькая антенна наводится на станцию слежения в Пущино или Грин Бэнке (в зависимости от положения спутника), и данные наблюдений в режиме реального времени отправляются на Землю.

Кстати, именно благодаря станциям слежения удалось выяснить, что "Спектр-Р" жив, хотя и потерял связь с Землей. Дело в том, что антенны в Пущино и Грин Бэнк используются не только для получения научных данных, но и для так называемой синхронизации данных – процесса, с помощью которого аппаратура спутника, в том числе бортовые часы, синхронно настраивается с наземными приборами. Так вот: хотя маленькая антенна спутника сейчас не может направляться на наземные станции слежения (ее зеркало, по словам Ковалева, "смотрит вбок"), она оказалась настолько чувствительной, что синхронизация все равно происходит. "Значит, на спутнике не только есть питание, но и работает вся научная аппаратура", – объясняет астроном.

В штатной ситуации, после того как спутник на основе полученных команд сориентирует свое большое 10-метровое зеркало в направлении определенного космического объекта, происходит сеанс наблюдения. Длиться он может от 20 минут до суток, типично – около часа. Данные – около 60 гигабайт в час – в режиме реального времени отправляются на Землю. Наблюдения спутника затем коррелируют с данными, полученными наземными антеннами, которые одновременно со "Спектром-Р" "смотрели" на тот же космический объект.

С помощью этой небольшой 1,5-метровой антенны (на переднем плане) данные наблюдений отправляются на Землю
С помощью этой небольшой 1,5-метровой антенны (на переднем плане) данные наблюдений отправляются на Землю

"Радиоастрон" хранит все оригинальные данные со всех телескопов, причем в двух копиях – на жестких дисках и на магнитных лентах. За 7,5 лет работы накопилось уже почти 4 петабайта данных, для сравнения – это 2 триллиона страниц печатного текста. Юрий Ковалев рассказывает, что обычно в РСДБ-системах сохраняют только уже обработанные, скоррелированные данные, но "Радиоастрон" записывает все, чтобы в случае чего (например, как это уже случалось, при уточнении реальной орбиты спутника) можно было провести корреляцию заново. "Наземные системы могут перенаблюдать заново, а у нас спутник уникальный, кто знает, что с ним будет завтра, а главное, никто не будет запускать такое же в будущем, потому что в космосе повторять уже сделанное – слишком дорого и неэффективно, нужно придумывать новое", – объясняет Ковалев.

В наземной части эксперимента могут участвовать десятки радиотелескопов, рекорд – одновременное наблюдение "Спектра-Р" и 45 наземных антенн. "Для зарубежных коллег работать с "Радиоастроном" – честь, просто потому что благодаря "Радиоастрону" твой телескоп способен выдавать на-гора новые уникальные результаты, было бы глупо этого не делать, и все это делают", – объясняет Ковалев. Он рассказывает, что охлаждение отношений между Россией и странами Запада на совместной научной работе никак не отразилось. "Вот единственная история: когда 70-метровая антенна в Евпатории была украинской, принадлежала украинскому космическому агентству, она наблюдала с "Радиоастроном" в рамках договоренностей с Роскосмосом. После того как она формально стала российской, нам не удалось организовать ни одного общего наблюдения. Инфраструктуру обсуждали передать Роскосмосу или РАН, но в итоге она оказалась у Министерства обороны".

Черные дыры, плазменные выбросы и межгалактическая рябь

Юрий Ковалев рассказывает, что перед запуском космического телескопа высказывались сомнения не только в том, что первый после долгого перерыва российский научный прибор в космосе такого уровня сложности заработает, но и в том, что новая система РСДБ с невероятным угловым разрешением вообще нужна. "Были такие предсказания – "два квазара увидите, да и все", – вспоминает Ковалев. Собственно, одной из первых научных задач "Радиоастрона" было доказать, что подобные утверждения очень далеки от истины.

В 1963 году американский астроном Мартен Шмидт обратил внимание на любопытный объект 3C 273 в созвездии Девы. Это космическое тело было идентифицировано за несколько лет до этого как мощный источника радиоизлучения, что нетипично для далеких звезд, но астрономы Алан Сендидж и Томас Меттьюс обнаружили в этом месте тусклую, едва заметную звездочку. Шмидт стал разбираться с интересным объектом более детально и заметил, что его спектр выглядит очень странно: ученый не мог понять, каким химическим элементам он может соответствовать, пока не осознал, что спектр соответствует обычному водороду, но сильно сдвинут в результате так называемого красного смещения, а значит, 3C 273 находится намного дальше от Земли, чем все известные звезды, и к тому же очень быстро, со скоростью около 44 тысяч километров в секунду, удаляется. Для того чтобы оставаться видимым на таком огромном расстоянии, 3C 273 должен был быть очень ярким, ярче миллионов галактик вместе взятых!

Иллюстративное изображение квазара: хорошо виден аккреционный диск и вещество, падающее в центральную сверхмассивную черную дыру и “закручивающееся” в разнонаправленные потоки плазмы - джеты
Иллюстративное изображение квазара: хорошо виден аккреционный диск и вещество, падающее в центральную сверхмассивную черную дыру и “закручивающееся” в разнонаправленные потоки плазмы - джеты

В следующие годы таких необычные объектов, очень ярких в видимом и радиодиапазоне, расположенных очень далеко и быстро удаляющихся, стали находить все больше и больше. О том, чем на самом деле являются эти, как их назвали, квазары, то есть quasi-stellar, квазизвездные объекты, немедленно разгорелись споры. Сегодня общепринята точка зрения, что это – активные ядра галактик, а именно сверхмассивные черные дыры. Окружающее вещество притягивается такой дырой, образуя так называемый аккреционный диск. Его внутренние области падают в черную дыру, но около 10% ускоряются, выбрасываются наружу и мощно излучают.

Насколько сильно могут излучать квазары? В конце 1960-х ученые выдвинули теорию, что ядра квазаров из-за определенного физического эффекта не могут быть ярче некоторого предела, и даже вычислили этот предел. Проверить эту теорию никак не получалось: дело в том, что наземные системы РСДБ, а именно они стали основным инструментом исследования компактных квазаров, теоретически не могли бы увидеть более яркие, чем было предсказано, квазары, просто из-за размера Земли. Нужно было увеличивать базу интерферометра, вынося одну из антенн на орбиту, но скептики утверждали, что в этом нет смысла, потому что более ярких квазаров, чем видны с помощью наземных РСДБ-систем, просто нет.

"Проверить это – было идеальной задачей для "Радиоастрона", – говорит Юрий Ковалев, написавший о квазарах обе диссертации, кандидатскую и докторскую. Руководитель проекта академик Николай Кардашев настоял на том, что орбита "Спектра-Р" должна быть достаточно большой, и оказался прав: "Мы пронаблюдали около 250 квазаров, из них продетектировали больше половины и увидели, что их ядра как минимум на порядок, а то и на два ярче, чем предсказывала теория", – говорит Юрий Ковалев. "Это позволило нам сделать прорыв в понимании природы излучения квазаров", – добавляет астрофизик.

Изображение джета (потока плазмы), который выбрасывается из центра галактики “Персей А”, полученное “Радиоастроном”. Беспрецедентно детальное изображение джета позволило ученым понять процесс формирования джетов - это стало одним из самых ярких научных результатов проекта
Изображение джета (потока плазмы), который выбрасывается из центра галактики “Персей А”, полученное “Радиоастроном”. Беспрецедентно детальное изображение джета позволило ученым понять процесс формирования джетов - это стало одним из самых ярких научных результатов проекта

Ковалев считает, что "Радиоастрон" уже можно считать сверхуспешным научным проектом. Вот только некоторые из сделанных с его помощью открытый: ученым удалось разобраться в проблеме формирования джетов – огромных, длиной до миллиона световых лет, струй плазмы, которые вырываются из центров квазаров. Было получено убедительное свидетельство существования двойных черных дыр в галактиках. Ученым удалось восстановить структуру магнитного поля, ускоряющую плазму до скорости света. Был открыт новый эффект рассеяния радиоизлучения на облаках межгалактического газа. А сейчас готовится к публикации работа с проверкой принципа эквивалентности Общей теории относительности – это удалось сделать благодаря тому, что на "Спектре-Р" работали высокоточные атомные часы и можно было сравнить их ход с теми, что оставались на Земле.

Впрочем, реализованы не все амбициозные планы: например, с помощью "Радиоастрона" так и не удалось "увидеть" черную дыру. "В центре нашей галактики и в центрах других галактик находятся сверхмассивные черные дыры. Наша – в 4 миллиона масс Солнца, в некоторых далеких активных галактиках черные дыры имеют массу в миллиарды масс Солнца. Так как они "черные", прямо их увидеть невозможно, но наиболее прямой путь из косвенных – увидеть тень и ореол излучения вокруг них. Конечно, почти никто не сомневается, что черные дыры существуют – вот только что дали Нобелевскую премию за открытие гравитационных волн, которые интерпретировали как вызванные слиянием двух черных дыр. Но черные дыры по-прежнему никто не видел! И мы тоже пока не смогли, – объясняет Юрий Ковалев. – Помешали рассеяние и поглощение, для решения этой задачи надо уходить в наблюдениях на более короткие волны".

Слева: модельное изображение тени черной дыры в центре нашей галактики и ореола вокруг нее. Справа: то же самое изображение, но получено в модели при учете открытого "Радиоастроном" эффекта рассеяния
Слева: модельное изображение тени черной дыры в центре нашей галактики и ореола вокруг нее. Справа: то же самое изображение, но получено в модели при учете открытого "Радиоастроном" эффекта рассеяния

Ковалев говорит, что увидеть c "Радиоастроном" тень черной дыры было мечтой Николая Кардашева, руководителя и одного из главных вдохновителей проекта, соавтора той самой первой научной статьи о РСДБ. "Ни черные дыры, ни кротовые норы (гипотетические особенности пространства-времени, связывающие между собой далеко отстоящие области. – РС) пока впрямую не обнаружены, – говорит Кардашев. – Есть только теоретические модели, которые хорошо оправдываются имеющимися наблюдениями, но сам центральный объект мы до сих пор не видим. Мы надеялись, что увидим его с "Радиоастроном", а теперь надеемся, что увидим с "Миллиметроном".

Наследство и последователи

С момента потери связи с первым российским космическим телескопом прошел уже почти месяц. Попытки восстановить связь продолжаются все это время, но безуспешно, и 15 февраля, по данным Радио Свобода, решение о дальнейшей судьбе проекта примет специальная комиссия Роскосмоса.

Насколько на самом деле велики шансы восстановить контакт со спутником? Это зависит от того, какая именно его система отказала. Юрий Ковалев объясняет, что механически на "Спектре-Р" ломаться практически нечему: "Как наводится телескоп? На борту стоят маховики. Диск вращается в одну сторону, аппарат в другую. Так мы и наводимся: электрическая сила прикладывается к дискам, спутник направляется на объект".

Можно поставить условие, чтобы спутник работал не 5 лет, а десять. Тогда будет стоять на борту другая электроника и/или она будет по-другому защищена. А у нас было условие активного существования 5 лет

Действительно, в Роскосмосе считают, что неисправность произошла в электронике: под воздействием космического излучения любые электронные компоненты на орбите рано или поздно "пробивает". Электронику можно защищать от излучения и дублировать, собственно, это и определяет гарантийный срок службы и ожидаемую продолжительность жизни аппарата. Отношение создателей "Радиоастрона" к защите компонентов "Спектра-Р" было очень серьезным: электронику будущего спутника даже специально тестировали на ускорителе в Дубне, подвергая бомбардировке заряженными частицами. Но никакая электроника не может работать на орбите бесконечно долго. "Это параметры, зашитые в техническое задание. Можно поставить условие, чтобы спутник работал не 5 лет, а десять. Тогда будет стоять на борту другая электроника и/или она будет по-другому защищена. А у нас было условие активного существования 5 лет – и дальше работает статистика вероятности отказа", – объясняет Ковалев.

Все критические блоки "Спектра-Р" существуют в нескольких экземплярах, но за годы, прошедшие после окончания гарантийного срока работы, специалистам НПО уже приходилось переходить с отказавших систем на дублирующие. Например, система связи существовала в трех экземплярах, но действовавшая на "Спектре-Р" до недавнего времени была последней, подтвердили Радио Свобода в пресс-службе Роскосмоса: "Вероятной причиной отсутствия сигнала служебного радиоканала является отказ последнего из трёх комплектов приёмо-передающего устройства бортовой командно-измерительной станции, вследствие полной выработки радиационного ресурса. Вероятно нарушение функционирования только приемного радиоканала (не прохождение команд с Земли), так как на момент нештатной ситуации (НШС) все три комплекта передатчика были исправны, а в ходе попыток войти в связь выдаются команды на включение каждого передатчика".

Примерно так "Спектр-Р" выглядит в полете
Примерно так "Спектр-Р" выглядит в полете

Попытки восстановления связи, как объяснили в Роскосмосе, происходят так: две ранее отключенные системы связи вновь запитаны и через них пытаются "протолкнуть" команды, пока, к сожалению, безуспешно. Если комиссия примет решение о завершении проекта, "Спектр-Р" еще несколько месяцев будет "жить" – электропитание на спутнике будет сохраняться, пока его солнечные батареи, следуя автономной программе, будут автоматически ориентироваться на Солнце. Программа закончится в сентябре 2019 года и тогда "Спектр-Р" станет еще одним мертвым космическим артефактом в космосе и одновременно памятником большому научному успеху.

"Спутник уже проработал 7,5 лет вместо 5 – и это не просто везение, – говорит Юрий Ковалев. – Его действительно очень хорошо сделали и после этого очень профессионально управляли".

Даже если государственная комиссия примет решение закрыть проект в 2019 году, "Радиоастрон", и так, по мнению исследователей, перевыполнивший научную программу, еще около 3–5 лет будет оставаться поставщиком новых открытий – примерно столько займет обработка, анализ и опубликование уже полученных данных наблюдений. "Самое интересное для любого наблюдательного астрофизика начинается после того, как наблюдение завершено", – уверяет Ковалев.

Параллельно Астрокосмический центр ФИАН и предприятия Роскосмоса работают над новым космическим телескопом. "Миллиметрон" – проект, как и "Радиоастрон", задуманный еще в середине 1980-х годов. Он будет работать с другим спектром электромагнитных волн – миллиметровым, а поэтому межзвездная среда должна оказаться для него прозрачной. У него будет еще выше угловое разрешение, потому что спутник собираются запустить в точку Лагранжа системы Земля – Солнце (в окрестностях этой точки уже работали несколько астрономических спутников, например, американский WMAP и европейский Планк, туда скоро запустят российский "Спектр-РГ"), на расстояние 1,5 миллионов километров от Земли, это почти в пять раз дальше апогея орбиты "Радиоастрона".

Николай Кардашев, руководитель проекта "Миллиметрон", надеется, что с помощью новой системы тени сверхмассивных черных дыр, в частности той, что, предположительно, находится в центре нашей галактики, удастся наконец разглядеть. А может быть и не только: "Миллиметровые волны излучаются всеми твердыми телами, какие есть во Вселенной. Поэтому мы очень надеемся на изучение планет, даже на обнаружение внеземных цивилизаций. Оптимальная область приема сигнала для внеземных цивилизаций – это где-то в диапазоне коротких миллиметровых волн. Более длинные волны рассеиваются на больших расстояниях, и поэтому информация теряется, а еще более короткие наблюдать энергетически дорого", – говорит Николай Кардашев.

Схематичное изображение будущего космического телескопа проекта “Миллиметрон”
Схематичное изображение будущего космического телескопа проекта “Миллиметрон”

Запуск "Миллиметрона" планировался на 2023–2024 годы, но современная федеральная космическая программа поставила его за пределы 2025 года. Проблема, как обычно в таких случаях, – с финансированием. Оценки стоимости проекта постоянно растут, очевидно, что "Миллиметрон", более технически сложный и амбициозный проект, чем "Радиоастрон", окажется и намного более дорогим.

По данным Радио Свобода, на момент запуска в 2011 году "Радиоастрон" стоил около 5 миллиардов рублей, по курсу того времени около 170 миллионов долларов. Сравнительно немного – это в 30 раз меньше бюджета строительства Большого адронного коллайдера, меньше половины процента бюджета прошедшего в России чемпионата мира по футболу, меньше, чем сумма наличных (!), обнаруженная в квартире полковника МВД Дмитрия Захарченко. Россия тратит огромные деньги на создание новых образцов оружия, а теперь, с выходом США из Договора о ракетах малой и средней дальности, планирует потратить на вооружения еще больше. И с этими новыми ядерными ракетами за ограниченный российский бюджет придется конкурировать научным проектам, в том числе "Миллиметрону".

Это не поможет увеличить обороноспособность страны. Но это сделает нашу страну достойной защиты

Юрий Ковалев говорит, что во время научно-популярных лекций его регулярно спрашивают – а нужно ли вообще тратить так много денег на фундаментальную науку, в частности на изучение квазаров? Обычно он отвечает, что вложения в науку вообще и в астрономию в частности – это, в сущности, инвестиции в высокотехнологичную промышленность. Астрономия уже дала человечеству большое количество бытовых технологий, от матриц цифровых фотоаппаратов до высокоточной навигации. "И это абсолютная правда. Даже Wi-Fi, который появился благодаря реализации поиска черных дыр методами радиоастрономии. Но когда меня особенно сильно допекут, я рассказываю такую историю. Когда первый директор американского ускорителя "Фермилаб" Роберт Уилсон пришел в комиссию Конгресса США просить денег, его спросили – а "Фермилаб" обороноспособности страны-то поможет? Он ответил – нет. Это не поможет увеличить обороноспособность страны. Но это сделает нашу страну достойной защиты".

Уважаемые посетители форума РС, пожалуйста, используйте свой аккаунт в Facebook для участия в дискуссии. Комментарии премодерируются, их появление на сайте может занять некоторое время.

XS
SM
MD
LG