Die technische Seite von RadioAstron

Eine Aufnahme des Sternenhimmels „GLEAM“ im Bereich der Funkwellen von 70-230 MHz. In der Mitte des Fotos befindet sich die Milchstraße und an den Seiten etwa 300.000 andere Galaxien.

Das Weltraumradioteleskop Radio Astron hat derzeit die größte Winkelauflösung unter allen Teleskopen und ist möglicherweise auch das erfolgreichste wissenschaftliche Projekt der russischen unbemannten Astronautik.


Die Berechtigungen von Radio Astron reichen aus, um Satelliten auf gegenüberliegenden Seiten des IEO von Proxima Centauri zu unterscheiden oder um die Signale zweier Objekte am Ende der Erdumlaufbahn vom anderen Ende unserer Galaxie zu unterscheiden.

Heute werden wir über die technische Seite der Arbeit von RadioAstron mit Alexander Plavin sprechen, einem Forscher am extragalaktischen Radioastronomielabor des Astronomy Space Center des Lebedev Physical Institute und dem relativistischen Objektforschungslabor am MIPT.


Radioteleskope zur Kommunikation mit Radio Astron.

Wie viel produziert RadioAstron durchschnittlich pro Tag wissenschaftliche Daten? Wie groß sind die Bereiche, in denen es gelagert und verarbeitet wird?

Kurz gesagt, dann direkt vom Satelliten - ungefähr 100 GB pro Tag, von allen Teleskopen, die zusammenarbeiten - ungefähr 5 Terabyte. Für die Verarbeitung wird 1 TFlop / s-Cluster pro CPU verwendet, für die Speicherung das Aggregat von Festplatten und Bändern, das im Wesentlichen einen Raum belegt.

Genauer gesagt: Bei direkten Beobachtungen vom Satelliten gibt es einen Strom wissenschaftlicher Daten mit 128 Mbit / s + zusätzlichen Daten und + Rand. Und eine solche Geschwindigkeit wird für jede Satellitenposition im Orbit stabil erreicht - von 600 km bis 340.000 km. Meistens beobachtet das Teleskop jedoch nichts. Dafür gibt es drei Hauptgründe:

1) Ein Funkinterferometer ist nicht eine Antenne, sondern mehrere gemeinsam und gleichzeitig arbeitende Radioteleskope. Daher werden neben dem fliegenden Satelliten Spektr-R auch terrestrische Antennen benötigt, je größer (in Größe und Menge) desto besser. Dementsprechend sollten diese Teleskope ihre Zeit der Zusammenarbeit widmen, und sie haben andere Beobachtungsprogramme. Und Sie müssen den Zeitpunkt auswählen, zu dem das beobachtete Objekt sowohl vom Satelliten (dies ist natürlich ein kleineres Problem) als auch von allen beteiligten Teleskopen aus sichtbar ist - und die Erde sich dreht.

2) Der Datenempfang von Radio Astron erfolgt nur über eine von zwei Antennen auf der Erde: in Puschchino (Region Moskau) und in Green Bank (USA). Dementsprechend sollte der Satellit von einer dieser Stationen aus für den gesamten Beobachtungszeitraum sichtbar und ziemlich hoch über dem Horizont sein.

3) Das an Bord befindliche Empfangs- und Sendegerät ist nicht für viele Stunden Dauerbetrieb ausgelegt - es überhitzt sowohl direkt von seiner Arbeit als auch von der Sonne, wenn es in der richtigen Ausrichtung auf das Gerät fällt. In den meisten Fällen schränkt dies die Beobachtungen nicht grundlegend ein, aber es kommt vor, dass eine bestimmte Sitzung aufgrund technischer Einschränkungen dieser Art verkürzt oder abgebrochen werden muss.

Die meisten Daten stammen von bodengestützten Radioteleskopen, die zusammenarbeiten. Tatsache ist, dass die effektive Empfindlichkeit des gesamten gemeinsam betriebenen Systems (Funkinterferometer) mit der Empfindlichkeit einzelner Teleskope zunimmt, sodass die Daten von Bodenstationen im breitesten Band und dementsprechend mit einem großen Strom aufgezeichnet werden. Typischerweise - ein paar Gbit / s von einem Teleskop, das gleichzeitig bis zu ein paar Dutzend Sitzungszeiten benötigt - bis zu mehreren Stunden. Alle diese Daten fallen auf unterschiedliche Weise (speziell zugewiesene Internetkanäle, Versenden von Festplatten per Post und sogar Transport der Festplatten in die richtige Richtung durch die Mitarbeiter) in die Korrelationsverarbeitungsabteilungen: die Hauptabteilung beim FIAN ACC in Moskau, ebenfalls in Bonn (Deutschland).

Jetzt beträgt die Gesamtdatenmenge ca. 5 Petabyte, sie werden ab den ersten Experimenten gespeichert und das Löschen ist nicht geplant. Trotz der Tatsache, dass nur Daten, die auf dem Korrelator verarbeitet werden, direkt verwendet werden (was tatsächlich das für alle Teleskope gleiche Signal aus der Quelle aus Interferenzen extrahiert, die überall unterschiedlich sind) und um Größenordnungen kleiner sind, können die ursprünglichen Rohdaten verwendet werden und Manchmal werden sie zur Verarbeitung verwendet, wenn in den Algorithmen etwas verbessert / behoben wurde oder genauere Informationen über die Umlaufbahn des Satelliten erhalten wurden. Die Daten werden sowohl auf Datenträgern als auch auf Bändern (Archiv) gespeichert und belegen tatsächlich einen Raum. Für die Verarbeitung wird ein CPU-Cluster mit einer Gesamtkapazität von ca. 1 TFlop / s, ~ 100 Kernen, verwendet. Dies reicht mit einem gewissen Spielraum aus: Für eine typische Beobachtung erfolgt die Korrelation um ein Vielfaches schneller als in Echtzeit, sodass Sie verschiedene Parameter und deren Einfluss auf das Ergebnis sicher vergleichen können.


Gerätedesign

RadioAstron befindet sich in einer sehr langgestreckten Umlaufbahn: Soweit ich weiß, können neben der Möglichkeit, Beobachtungen auf diese Weise unter einer Vielzahl von Bedingungen durchzuführen, die meisten in Russland platzierten Platten für die Kommunikation verwendet werden.

Im Allgemeinen sind die Ausdehnung der Umlaufbahn und die Verwendung russischer Antennen in keiner Weise besonders miteinander verbunden - die Erde dreht sich. Darüber hinaus kann der Empfang von Daten mit gleichem Erfolg von zwei beliebigen Verfolgungsstationen durchgeführt werden - einer in Russland und den Vereinigten Staaten. Bei beiden wurde eine spezielle Ausrüstung geliefert, sowohl beim Empfangen als auch beim Senden.

Die Verlängerung der Umlaufbahn bietet verschiedene Vorteile:

- Ein Paar Radioteleskope an festen Orten misst im Wesentlichen nur einen Punkt im Bereich der Raumfrequenzen (Fourier-Transformation aus dem beobachteten Bild). Unter Berücksichtigung der Erdrotation wird ein Ellipsenbogen erhalten. Je mehr solche Punkte / Bögen gemessen werden (und für einen möglichst großen Entfernungsbereich), desto besser für die Bildwiederherstellung. Eine längliche Umlaufbahn ermöglicht es Ihnen daher, räumliche Frequenzen nicht nur auf einer in der Erde zentrierten Ellipse zu messen, wie dies bei einer kreisförmigen Umlaufbahn der Fall wäre, sondern in verschiedenen Entfernungen - von mehreren tausend Kilometern (kleinere Entfernungen werden nur von Teleskoppaaren auf der Erde zurückgelegt) bis zu maximal 300 + tausend Kilometer, wenn auch fast nur in eine Richtung. Eine solche Gelegenheit wird wirklich oft genutzt - dieselbe Quelle wird sowohl in großer Entfernung des Satelliten als auch bei Annäherung an uns beobachtet.

- Mit Hilfe des Satelliten werden auch andere wissenschaftliche Probleme gelöst, die nicht mit der Radioastronomie zusammenhängen. Zum Beispiel enthält es die genauesten Wasserstoffstandards, die jemals in den Weltraum eingeführt wurden (Atomuhren), wodurch es möglich ist, Abweichungen von der durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagten Zeitdilatation mit höchster Genauigkeit zu überprüfen (bis keine Diskrepanzen mehr gefunden werden). Dafür ist es wichtig, dass die Umlaufbahn sehr lang ist.


Das teuerste bodengestützte Teleskop unserer Zeit (Preis ≈ 2 Milliarden US-Dollar) ist SKA oder „Quadratkilometer-Antennenarray“. Anfang letzten Jahres wurde die erste Antennenprobe zusammengestellt, aus der sie bestehen wird, und in diesem Jahr sollte mit dem Bau begonnen werden.

Für 3 von 4 gibt der Betriebsbereich von RadioAston eine bestimmte Betriebsfrequenz an: Ändert sich die Geschwindigkeit des Radioteleskops während seiner Bewegung im Orbit, der als eine Art „Frequenzmodulator“ verwendet wird, ständig?

Die Geschwindigkeit des Satelliten ist im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit so niedrig, dass Beobachtungen keinen Nutzen bringen - die Frequenz ändert sich um kleine Bruchteile von einem Prozent. Obwohl es natürlich der Doppler-Effekt ist, der zur hochpräzisen Messung der Geschwindigkeit des Geräts verwendet wird - ein Fehler in der Größenordnung von Millimetern pro Sekunde.


In diesem unauffälligen Gebäude wurde Radio Astron geboren. Eine detaillierte Fototour durch das Pushchino Radio Astronomy Observatory finden Sie hier .

Wie viel der gesamten Zeit kann Radio Astron ungefähr laden?

Tatsächlich werden jetzt in etwa 20% der Fälle direkte Beobachtungen durchgeführt, wobei verschiedene technische Verfahren nicht berücksichtigt werden: Entladen der Schwungradausrichtung, Heizen und Kühlen der Empfänger, Senden von Befehlen und Diagnostizieren des Betriebs aller Knoten, Ausrichten (Klärung der Ausrichtung) usw.


Orbit RadioAstron und Strahlungsgürtel

Radio Astron muss die meiste Zeit außerhalb des Erdmagnetfelds verbringen und fast 100 Mal im Jahr durch Strahlungsgürtel laufen: Ist die von Sonnenkollektoren und Elektronik akkumulierte Strahlung ein begrenzender Faktor für die Fortsetzung seines Betriebs oder ist ihre Lebensdauer durch die Ressource der Schwungräder begrenzt, die ihre Position / einen anderen Faktor steuern ? Gibt es Schätzungen, wie viel er noch trainieren kann?

Übrigens hat es sich gerade wegen des Durchgangs durch den Strahlungsgürtel als nützlich erwiesen, verschiedene Instrumente auf die satellitengeladenen Teilchensensoren zu setzen, um eine solche Umgebung der Erde regelmäßig zu untersuchen.

Die Betriebszeit kann auf jedes Gerät begrenzt werden - sogar auf die Elektronik, sogar auf ein Schwungrad. Verschiedene Knoten fallen nach und nach aus, was erwartet wird - die geplante Lebensdauer betrug 5 Jahre, und RadioAstron fliegt bereits 6,5. Derzeit ist es jedoch möglich, fast alle Arten von Beobachtungen ohne nennenswerte Verluste durchzuführen (und durchzuführen). Von letzteren endete im Sommer 2017 Wasserstoff für den Wasserstoffstandard (Atomuhren) an Bord, sodass die Beobachtungen nun im Synchronisationsmodus mit der Erde durchgeführt werden. Daran ist nichts auszusetzen - tatsächlich war es eine solche Methode, die ursprünglich für alle Beobachtungen überhaupt geplant war. Der Wasserstoffstandard ähnelte eher experimentellen Geräten, es stellte sich jedoch heraus, dass er problemlos funktioniert und die erforderliche hohe Fahrkonstanz bietet. Dementsprechend wurde es 6 Jahre lang für Beobachtungen verwendet; Unter anderem ist es organisatorisch bequemer: Beispielsweise ist keine Strahlung von der Erde erforderlich und muss nicht koordiniert werden.

Es gibt auch Knoten, die ursprünglich 2-3 Mal reserviert wurden, und 1-2 dieser Kopien sind nicht in Ordnung. Zum Beispiel die Schwungräder, die das Gerät drehen und stabilisieren - jetzt ist die erreichbare Drehzahl deutlich niedriger als zu Beginn der Arbeiten möglich, liegt aber immer noch innerhalb der Auslegungsgrenzen. Etwas hat einen Teil seiner Funktionalität verloren - zum Beispiel ist eine der Polarisationen in einigen Bereichen für die Beobachtung nicht verfügbar.

All dies beeinträchtigt nicht die Beobachtung und Annahme von Anträgen für sie - die Hauptmerkmale sind normal. Niemand verpflichtet sich, den Rest der Arbeitszeit vorherzusagen, da es fast unmöglich ist festzustellen, wann ein wichtiger Knoten, der in einer einzelnen Kopie verbleibt, ausfällt.


Mitte 2016 beendete Radio Astron seine 5-Jahres-Hauptmission und startete eine erweiterte Mission.

Was sind derzeit die größten wissenschaftlichen Entdeckungen von RadioAstron?

Ich möchte die wichtigsten Dinge hervorheben:

- Die Entdeckung, dass der Effekt der Strahlungsstreuung auf das interstellare Medium nicht nur aus der erwarteten „Unschärfe“ des Bildes besteht, sondern auch aus kleinen Details wie „Wellen“. Dies ermöglichte es einerseits, mit RadioAstron verschiedene Objekte wie Pulsare zu sehen, die sonst nicht sichtbar wären (das Interferometer ist grundsätzlich unempfindlich gegenüber einer gleichmäßigen erweiterten / diffusen Struktur), und andererseits muss dieser Effekt jetzt beispielsweise bei der Arbeit mit Event Horizon Telescope berücksichtigt werden. Wer versucht, den Schatten eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie zu "sehen"? Tatsächlich arbeiten wir und das EHT-Team in diesen Fragen ziemlich eng zusammen.

- Erkennung extrem hoher Helligkeit in den Zentren aktiver Galaxien. Früher wurde angenommen (nicht nur aufgrund von Beobachtungen - es gibt vernünftige physikalische Theorien, die dies vorhersagten), dass sie eine oder zwei Größenordnungen weniger lebendig sind, und dementsprechend ergänzte eine solche Entdeckung unser Verständnis dieser Objekte erheblich, und einige Annahmen von Theorien wurden widerlegt.

„Mit hochauflösenden Bildern konnten wir erstmals die interne Struktur von Jets (Emissionen) aus aktiven Galaxien, Mikrowellenlasermasern in Staubscheiben in unserer Galaxie und vielem mehr untersuchen.


Die Vorteile der Verwendung der Interferometrie am Beispiel eines Paares von 8-Meter-Teleskopen des VLT- Komplexes.

Radio Astron hat eine um ein Vielfaches höhere Auflösung als bodengestützte Radioteleskope: Konnte auf diese Weise binäre oder visuell-binäre Systeme von Radioquellen erkannt werden?

Bei gleicher Wellenlänge ist die Auflösung zehnmal höher: Wir vergleichen den 12.000 km Durchmesser der Erde und 340.000 km den Apogäum der Umlaufbahn. Während es auf RadioAstron keine spezifischen Erkennungen von Binärsystemen gibt, war bis vor kurzem niemand mit dieser Aufgabe beschäftigt - es gibt nicht genügend Hände. Es besteht die Erwartung, dass es möglich sein wird, auf der Grundlage vorhandener Beobachtungsdaten so etwas zu finden.


Vergleich der Bilder im sichtbaren und infraroten Spektrum des Adlernebels : Hier können Sie deutlich sehen, wie die große Wellenlänge es Ihnen ermöglicht, weiter in die Molekülwolke zu schauen.

Nun wird angedeutet, dass China zwei seiner Geräte ähnlich wie Radio Astron in die Umlaufbahn bringen wird: Gibt es Pläne, die Arbeit unseres Teleskops abzuschließen, um ein neues Gerät mit besseren Eigenschaften oder bereits in der Sonnenumlaufbahn zu starten?

Das chinesische Projekt ist nicht „besser“ als Radio Astron, es ist nur ein bisschen anders: Es zielt auf die höheren Frequenzbereiche der Wellen 8, 22 und 43 GHz ab. Im Vergleich dazu arbeitet Radio Astron mit 0,3, 1,6, 5, 22 GHz - das heißt, nur ein Band stimmt überein. Unterschiedliche Objekte emittieren mit unterschiedlichen Frequenzen, und auch die Eigenschaften des interstellaren Mediums unterscheiden sich. Daher ergänzen sich die wissenschaftlichen Daten dieser Projekte gut.

Es macht nicht viel Sinn, das Funkinterferometer in die Sonnenumlaufbahn zu bringen, wenn es zusammen mit terrestrischen Teleskopen beobachtet wird - zusätzlich zu den offensichtlichen Problemen der hochpräzisen Bestimmung seiner Position spielt das, was ich oben geschrieben habe, eine Rolle -, es ist sehr wünschenswert, eine dichte Abdeckung des räumlichen Frequenzbereichs mit Messungen zu haben. Und wenn sich eine Antenne in einem Abstand von etwa 1 AE befindet und alle anderen Teleskope auf der Erde, sind die Vorteile viel geringer.

In naher Zukunft steht das fast fertige Spectrum-RG-Teleskop (Röntgen-Gamma) an, das Anfang 2019 auf den Markt kommen soll. Dies ist das einzige Röntgenraumteleskopprojekt der Welt für die kommenden Jahre, und es wird (wie RadioAstron, Spektr-R) auch signifikante Beobachtungsverbesserungen im Vergleich zu bestehenden Instrumenten bieten.

Vielen Dank an Alexander Plavin für das Interview. Wenn Sie ihm auch danken oder ihm Ihre Fragen stellen möchten, ist hier sein Spitzname: chersanya