Radio Astron wird 7 Jahre alt

Vor sieben Jahren wurde mit Hilfe der Zenit-3F-Rakete mit dem Frigate-FB- Boosterblock das vielleicht produktivste wissenschaftliche Projekt in der modernen Geschichte der russischen Kosmonautik, das Radio Astron- Teleskop, in die Umlaufbahn gebracht. Die Geschichte dieses Projekts und der Prozess seiner Arbeit werden heute diskutiert.

Projektgeschichte

1965 schlugen drei sowjetische Wissenschaftler (Kardaschew, Matveenko und Scholomitski) das Konzept der Funkinterferometrie mit ultralangen Basen vor, bei denen Radioteleskope, die über große Entfernungen verteilt sind, gemeinsame Arbeiten ermöglichen, um eine Auflösung zu erhalten, die der Entfernung zwischen ihnen entspricht. Die ersten Experimente in dieser Richtung wurden mit bodengestützten Teleskopen durchgeführt, aber nur mit dem Entfernen eines der Teleskope in den Weltraum würde diese Methode es ermöglichen, wirklich erstaunliche Ergebnisse zu erzielen. Der erste „Pen Breakdown“ in diese Richtung war das KRT-10- Funkobservatorium, das von Juli bis August 1979 am Bahnhof Salyut betrieben wurde. Zum ersten Mal wurden ähnliche Experimente zusammen mit dem bodengestützten 70-Meter-Teleskop RT-70 durchgeführt . Und bereits 1980 wurde beschlossen, 6 Weltraum-Radioteleskope zu bauen, darunter das Spektr-R-Projekt, das später den Namen RadioAstron erhielt.

In den frühen neunziger Jahren wurden die ersten Testkopien der Radioteleskopempfänger erstellt, die ersten Tests des Spiegels wurden 1994 durchgeführt, und 2003 wurden die ersten Tests des Prototyps des Weltraumteleskops am Pushchino Radio Astronomy Observatory durchgeführt, das aufgrund von Verzögerungen beim Start später erheblich modifiziert werden sollte . Die Tests der endgültigen Version von RadioAstron wurden Anfang 2011 durchgeführt.


Transport des Teleskops nach Baikonur

Gerätedesign und wissenschaftliche Ziele

RadioAstron hat eine Masse von 3.660 kg, von denen 2.600 kg wissenschaftliche Geräte sind, von denen 1.500 kg wiederum auf die 10-Meter-Hauptantenne fallen. Das Gerät wurde in der nach ihm benannten NGO entwickelt Lavochkina, basierend auf dem Navigator-Servicemodul, war eines der ersten Beispiele für seine Verwendung die Electro-L- Serie hydrometeorologischer Satelliten. Das Gehäuse des Geräts besteht aus einem 8-seitigen Prisma, auf dessen Außenseite Bürogeräte installiert sind. Oben ist eine Antenne installiert, die aus einem zentralen 3-Meter-Vollblock und 27 nach dem Entfernen zu öffnenden Blütenblättern besteht. Auf der Unterseite befand sich eine Halterung am Boosterblock. Arbeiten bei einer Wellenlänge von etwa 1 cm stellten hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Herstellung und den Öffnungsmechanismus des Teleskops, da die Oberfläche des Teleskops eine um eine Größenordnung höhere Genauigkeit aufweisen sollte als die Wellenlänge, bei der es arbeitet. Das heißt, ein 10-Meter-Spiegel sollte während seines Betriebs nicht um mehr als etwa 1 mm von seiner idealen Form abweichen.



Die Kommunikation mit dem Radioteleskop erfolgt über eine 1,5 m lange X-Band-Richtantenne, die mit einer Frequenz von 17 GHz betrieben wird. Die wissenschaftliche Datenübertragungsrate beträgt 144 Mbit / s. RadioAstron wird über Weltraumkommunikationsstationen in Bear Lakes und Ussuriysk gesteuert. Wissenschaftliche Daten werden über die 22-Meter -Funkantenne des Pushchino Radio Astronomy Observatory und über eine 43-Meter-Antenne in Green Bank, USA, übertragen (im September 2013 mit dem Projekt verbunden) Jahre, um die Beobachtungszeit zu verdoppeln). Für die Stromversorgung des Teleskops werden 2608-W-Solarmodule verwendet, während für den Betrieb von Bürosystemen 980 W und für wissenschaftliche Geräte (die etwa 20% der Gesamtzeit ausmachen) 1200 Watt erforderlich sind, sodass das Stromversorgungssystem einen erheblichen Spielraum aufweist. Das Radioteleskop verfügt über 4 Empfänger, die bei Temperaturen von -175 bis -125 ºC arbeiten und die folgenden Eigenschaften aufweisen:

Wellenlänge, cm	92	18	6.2	1.2-1.6
Frequenz, MHz	316-332	1636-1692	4804-4860	18372-25132
Auflösung, Mikrosekunden	540	106	37	7

* Die Auflösung des Hubble-Weltraumteleskops und der besten bodengestützten Teleskope zum Vergleich beträgt etwa 100 Mikrosekunden.

Um den Betrieb eines so genauen Instruments sicherzustellen, waren sehr genaue Definitionen seiner Umlaufbahnparameter erforderlich: Damit RadioAstron bei seinen kürzesten Wellenlängen arbeiten kann, muss seine Geschwindigkeit mit einer Genauigkeit von mehr als 2 cm / s und eine Beschleunigung mit einer Genauigkeit von mindestens 2 bestimmt werden . 10 ^-7 m / s ^2, und den Abstand mit einer Genauigkeit von weniger als 500 m zu diesem Zweck als fünf Methoden verwendet wissen: radiometrische Verfahren zur Messung von Geschwindigkeit und Abstand, Doppler - Geschwindigkeitsbestimmungsverfahren und interferometrische Verfahren erfolgt s über terrestrische Funkantennen; sowie Laserortung und optische Methoden zur Bestimmung der Position von Hintergrundsternen.

Unter den Projektteilnehmern von russischer Seite ist neben dem Mutterunternehmen der nach ihr benannten NGO Lavochkina wurde von ACC FIAN, OKB "Mars", ZAO "Vremya Ch" und vielen anderen Organisationen besucht. Darüber hinaus gibt es eine bemerkenswerte internationale Beteiligung an dem Projekt: So wurde beispielsweise ein 92-cm-Empfängerverstärker in Indien, 18 cm in Australien und 1,3 cm in den USA hergestellt. Da das Teleskop während seines Betriebs Strahlungsgürtel durchläuft, wurde auch beschlossen, einen Plasma-F-Plasmamagnetkomplex zur Messung von Plasmaparametern und einzelnen geladenen Partikeln von Strahlungsgürteln und interplanetarem Medium mit einer Rekordzeitauflösung (bis zu 32 Mikrosekunden) zu installieren ) und wurde auch entwickelt, um Turbulenzen in diesen Umgebungen zu untersuchen.



Der Plasma-F-Komplex besteht aus zwei Geräten: Ein schneller Sonnenwindmonitor (BMSV) zur Messung von Energieverteilung, Strömungsvektor, Transportgeschwindigkeit, Temperatur und Ionenkonzentration (IKI RAS, Institut für Atmosphärenphysik der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik und der Karlsuniversität) war an seiner Entwicklung beteiligt in Prag , Tschechische Republik); und ein Monitor für energetische Ionenflüsse (MEP) zum Nachweis von Ionen mit Energien von 30 keV bis 3 MeV und Elektronen mit einer Energie von 30-350 keV (erstellt am Institut für Experimentalphysik des SAN in Kosice, Slowakei). Das Projekt erforderte auch eine sehr hohe Genauigkeit der Zeitauflösung, so dass ein Paar inländischer Atomuhren mit einer Genauigkeit von 10 bis ¹⁴ am Teleskop installiert wurde (dies entspricht einer Zeitabweichung von 1 Sekunde in mehr als 3 Millionen Jahren). Zusätzlich wurde eine in der Schweiz hergestellte Rubidiumuhr als Backup-System zur Zeitbestimmung installiert. Insgesamt haben Wissenschaftler aus 20 Ländern an der Entwicklung wissenschaftlicher Geräte für RadioAstron gearbeitet (eine vollständige Liste der Teilnehmer finden Sie hier ).

Da dieses Teleskop die höchste Auflösung unter allen modernen Teleskopen erhielt, sah sein wissenschaftliches Hauptprogramm die Beobachtung der kompaktesten Objekte im Universum vor: Neutronensterne, Quasare und Wolken aus interstellarem Gas (die sogenannten radioemittierenden Megamaser im Funkbereich nach dem Laserprinzip).

Start und wissenschaftliche Ergebnisse

Das Teleskop in der zusammengeklappten und offenen Position während der Bodenuntersuchungen

Öffnungsprozess des Teleskops

Das Teleskop wurde am 18. Juli 2011 um 6.31 Uhr Moskauer Zeit in einer stark elliptischen Umlaufbahn von 600 x 330.000 km mit einer Neigung von 51,3 ° und einem Zeitraum von etwa 9 Tagen gestartet (während des Betriebs ändert sich seine Umlaufbahn unter dem Einfluss der Schwerkraft des Mondes allmählich). Das Teleskop wurde in der Nacht vom 22. auf den 23. Juli geöffnet und hätte nur 10 Minuten dauern sollen, aber die Blütenblätter der Antenne standen beim ersten Versuch nicht auf den Klemmen. Daher wurde beschlossen, das Teleskop so einzusetzen, dass sich der Öffnungsmechanismus unter Sonnenlicht gleichmäßig erwärmt. Nach dem zweiten Versuch Verbrachte den Tag des 23., endete erfolgreich. Am 25. Juli erfolgte der erste Einschluss des Plasma-F-Komplexes. Die Hauptatomuhren funktionierten auch beim ersten Mal nicht richtig, daher wurde beschlossen, sofort auf die Backup-Uhren umzuschalten. Das Teleskop erblickte am 27. September 2011 das „erste Licht“ - dies waren Beobachtungen des Supernova-Überrests Cassiopeia A und Jupiter, und am 14. und 15. November wurden die ersten wissenschaftlichen Daten erhalten: Der Pulsar B0531 + 21 (im Krebsnebel) wurde entnommen, Quasare 0016 + 0731 und 0212 + 735; sowie der W3 (OH) Maser im Sternbild Cassiopeia.


Erste Beobachtungen ...

... und die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse.

Die Tests von drei Empfängern mit längeren Wellenlängen verliefen ohne Komplikationen, aber mit dem Beginn der Arbeit im kürzesten Bereich von 1,3 cm musste ich aus Gründen, die von Radio Astron unabhängig waren, etwa sechs Monate warten: Im Gegensatz zum Weltraumteleskop haben seine Bodenkollegen die Möglichkeit, stark in diesem Bereich zu arbeiten abhängig vom Wetter (genauer gesagt vom Gehalt an Wasserdampf in der Atmosphäre). Außerdem versagte die Atomuhr auch am amerikanischen Teleskop, das zu dieser Zeit zusammen mit Radio Astron arbeitete. Die ersten wissenschaftlichen Ergebnisse bei dieser Wellenlänge wurden nur mit 6 Versuchen und bereits zusammen mit einem anderen Teleskop erzielt - einem 100-Meter-Radioteleskop in Effelsberg . Trotzdem startete der Apparat sein frühes wissenschaftliches Programm am 10. Dezember und das wichtigste im Juli 2013, und Ende 2012 wechselte das Teleskop zur Annahme von Bewerbungen für einen offenen Wettbewerb (nur Wissenschaftler aus den am Projekt teilnehmenden Ländern konnten an der ersten Phase teilnehmen ) an denen einmal im Jahr jeder teilnehmen kann. Infolgedessen werden alle eingegangenen Bewerbungen auf Anraten von Wissenschaftlern bewertet. Danach entscheidet Nikolai Kardaschew selbst (der an der Spitze dieses Projekts stand), welche Bewerbungen für die Arbeit angenommen werden.


Eine Aufnahme des Kerns der Galaxie NGC 1275 Perseus A von einem bodengestützten Teleskop und Radio Astron aus gesehen.

Im ersten Betriebsjahr wurden mehr als 100 radiointerferometrische Beobachtungen mit einer Gesamtdauer von mehr als 200 Stunden durchgeführt. Unter den beobachteten Objekten befanden sich 29 Quasare, 9 Pulsare und 6 Masern. Zu Beginn der Beobachtungen wurden sie mit einer kleinen Basis (dem Abstand zwischen den Teleskopen) durchgeführt und schrittweise auf das Maximum erhöht: Bei den Beobachtungen des 3C273-Quasars vom Januar 2013 wurde der erste Weltrekord der Winkelauflösung auf der Basis von 8,1 Erddurchmessern aufgestellt - er betrug 27 Mikrosekunden Bogen (unter Berücksichtigung) In der Entfernung zum Objekt war seine Größe "von oben" mit einem Durchmesser von 0,3 Lichtjahren begrenzt. Bereits 2013, lange bevor das Projekt seine volle Kapazität erreichte, wurde festgestellt, dass die Helligkeitstemperatur der Substanz in Quasar-Jets im Funkbereich 10 Billionen Grad beträgt - 100-mal höher als die damals existierende Grenze der Theorien. Am 14. Februar 2014 erhielt Radio Astron ein Originalergebnis, das in keiner Weise mit der Wissenschaft zu tun hatte - es wurde als größtes umlaufendes Teleskop der Welt in das Guinness-Buch der Rekorde aufgenommen.

Darüber hinaus stieg auch die maximale Auflösung des Teleskops weiter an: 2015 beobachtete Radio Astron den Quasar OJ287 (das zweitgrößte Schwarze Loch, das derzeit von einer Person mit einer Masse von 18 Milliarden Sonnenmassen geöffnet wird, um die sich ein weiteres Schwarzes Loch mit einer Masse von „nur“ 140 Millionen dreht Masse der Sonne) erhielt eine Auflösung von 14 Mikrosekunden. Im Jahr 2016 wurde dieser Rekord bei der Beobachtung einer Wasserdampfwolke mit einem Radius von 80 Entfernungen von der Erde zur Sonne in einer Entfernung von 20 Millionen Lichtjahren auf einen Indikator von 11 Mikrosekunden verbessert (diese Beobachtungen ermöglichten es festzustellen, dass solche „Raummeister“ sehr kompakte Größen haben). .


Ein weiteres Beispiel für den Vergleich der Auflösungen des bodengestützten Netzwerks von Teleskopen und Radio Astron ist das Schießen von Blazar 0836 + 710.

RadioAstron machte auch eine unerwartete Entdeckung für alle: Es entdeckte die sogenannte Substrukturstreuung , die darin besteht, dass interstellares Gas die Funkemission kompakter Strukturen bricht und anstelle einer Signalquelle mehrere separate „Spots“ erzeugt. Dieser Effekt ermöglicht es uns, nicht nur das in Radiowellen beobachtete Objekt zu untersuchen, sondern auch das zwischen uns befindliche Medium. Dieses Phänomen verursacht jedoch auch Probleme, da es schwierig ist, das beobachtete Objekt in allen Details zu sehen. Aus diesem Grund haben Wissenschaftler 2016 eine Methode zur Bildrekonstruktion entwickelt , mit der Sie die Strahlungsquellen hinter interstellaren Gas- und Staubwolken wie einem supermassiven Schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie und den umgebenden Sternen sehen können.

Das Teleskop wird auch in vielen anderen wissenschaftlichen Studien verwendet, die Beobachtungen mit besonders hoher Auflösung erfordern, und seine Atomuhren wurden in einem Experiment verwendet , um die allgemeine Relativitätstheorie hinsichtlich des Phänomens der Zeitdilatation in einem sich bewegenden Objekt zu bestätigen. Es wurden noch nicht alle Daten verarbeitet, aber die Theorie wurde bereits mit einer Genauigkeit von 0,01% bestätigt (dies entspricht der Genauigkeit der Schwerkraftsonden-A- Mission). Nach der Verarbeitung aller Daten sollte die Genauigkeit des Experiments um eine Größenordnung erhöht werden. Im Jahr 2017 ging dem Gerät für den Betrieb seiner Atomuhren der neutrale Wasserstoff aus, sodass die Wissenschaftler auf zwei andere Synchronisationsmethoden umsteigen mussten: den Rubidium-Frequenzstandard und den „geschlossenen Regelkreis“ - der zweite Modus erwies sich als genauer und besteht aus dem Senden eines Teleskops ein Referenzsignal mit einer Frequenz von 7 GHz, das mit einer Frequenz von 8 GHz zurückgesendet wird. Dadurch ist es möglich, Verzögerungen bei der Signalübertragung, die sich aufgrund von Inhomogenität der Atmosphäre ändern, zu kompensieren und die notwendige Genauigkeit bei der Synchronisation von Beobachtungen zu erreichen. Das Experiment zur Prüfung der Relativitätstheorie war zu diesem Zeitpunkt bereits abgeschlossen, so dass der Verlust einer Atomuhr das wissenschaftliche Programm des Teleskops in keiner Weise gefährdet.


Eine der jüngsten Aufnahmen von RadioAstron: Der Kern der aktiven Galaxie BL Lizards befindet sich bei 900 Millionen SV. Jahre von uns entfernt

Insgesamt wurden in den ersten 5 Arbeitsjahren mehr als 5.000 wissenschaftliche Experimente durchgeführt. Während des letzten wissenschaftlichen Programms gingen mehr als 100 Anträge für die Arbeit mit dem Gerät ein, und es wurden etwa 500 Beobachtungen gemacht, was zeigt, dass das Interesse der Wissenschaftler an dem Projekt nicht abnimmt, sondern sogar zunimmt. Während des wissenschaftlichen Programms 2017-2018 gelang es Radio Astron bei Beobachtungen des Megamasers NGC 4258 zusammen mit dem Teleskop in Medicin (Italien), an seine theoretische Leistungsgrenze heranzukommen und eine Auflösung von 8 Mikrosekunden Bogen zu erreichen. Die Annahme der Bewerbungen für das nächste Beobachtungsprogramm (das bereits das sechste in Folge ist) begann am 22. Dezember 2017 und dauerte einen Standardmonat ( hier eine Liste der Studien, die den Wettbewerb gewonnen haben). Während der Arbeit von RadioAstron nahmen Observatorien aus fast der ganzen Welt, einschließlich Europa, den USA, China, Japan, Australien, Südafrika und sogar Südkorea, an interferometrischen Beobachtungen teil.

Und jetzt werden wir Fragen an den direkten Teilnehmer des Projekts weiterleiten:

Alexander Plavin, Forscher am Labor für extragalaktische Radioastronomie des Astronomie-Weltraumzentrums des Physikalischen Instituts Lebedev und des Labors für relativistische Objektforschung am Moskauer Institut für Physik und Technologie, beantwortet Fragen.

Welche Observatorien und Länder nehmen an interferometrischen Beobachtungen mit Radio Astron teil?

Fast alle großen Teleskope der Welt nahmen mindestens einmal zusammen mit Radio Astron an Beobachtungen teil, bis zu ~ 40 Teleskope gleichzeitig. Viele Länder und mehrere Kontinente: Europa / Asien, Amerika, Afrika, Australien. Zu den regelmäßig beobachteten zählen beispielsweise die weltweit größten Rundantennen mit einem Durchmesser von 100 Metern - in Green Bank (USA) und Effelsberg (Deutschland) sowie viele andere Teleskope.

Werden ausländische Rechenleistungen verwendet, um die Ergebnisse interferometrischer Beobachtungen zu verarbeiten und zu vergleichen?

Im Allgemeinen sind die Hauptcomputerressourcen die Korrelation von Daten von einer Bodenstation und von einem Weltraumteleskop. Die Korrelation wird regelmäßig in Moskau (ACC FIAN) und in Bonn (Max-Planck-Institut für Radioastronomie) durchgeführt, und es wird verschiedene Software verwendet - spezielle Tests wurden durchgeführt, um die Ergebnisse zu koordinieren. Auch wenn dies nicht gerade „Rechenleistung“ ist, ist der Beitrag des Green Bank Observatory (USA) wichtig. Dort wurden spezielle Sende- und Empfangsgeräte installiert, mit denen Sie eine Verbindung zum Satelliten herstellen können, auch wenn dieser vom russischen Territorium aus nicht sichtbar ist (eine Kommunikationsstation in Puschchino bei Moskau).

Wie viele Anwendungen für die Arbeit mit einem Teleskop übersteigen seine Fähigkeiten? Wie verteilt sich die Zeit zwischen in- und ausländischen wissenschaftlichen Organisationen?

Trotz der Tatsache, dass einige Langzeitprogramme zur Überprüfung und Überwachung aktiver galaktischer Kerne kürzlich abgeschlossen wurden, übersteigt das Volumen der eingereichten Anträge immer noch die Fähigkeiten des Teleskops. Bei der Verteilung der Zeit zwischen den Anwendungen spielt es keine Rolle, aus welchem ​​Land der Hauptautor stammt: Wie bei den meisten Teleskopen weltweit wird die Zeit nach einem offenen allgemeinen Wettbewerb bereitgestellt. Dies ermöglicht es, die Zeit derart teurer Instrumente aus wissenschaftlicher Sicht effektiver zu nutzen, als wenn es Länderbeschränkungen gäbe. Im Allgemeinen ist es auch unmöglich, Anträge von „in- und ausländischen Organisationen“ zu trennen, da sie von einem willkürlichen Autorenteam eingereicht werden, dem normalerweise Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern angehören.


Spectrum-RG (Spectrum-X-Ray Gamma)

Der Start von Millimetron wurde aufgrund einer Kürzung des Budgets von Roscosmos für lange Zeit verschoben. Vor kurzem wurde jedoch erneut über die Wiederaufnahme des Baus des dritten RT-70-Radioteleskops auf dem Suff-Plateau gesprochen. Sind derzeit weitere Projekte zur Radioastronomie in der Entwicklung?

Relativ bald, im Frühjahr 2019, ist der Start des nächsten Satelliten der Spectrum-Serie geplant - Spektr-RG, also Röntgen-Gamma. Es wird sich in der Nähe des Lagrange-Punktes L2 befinden, also viel weiter als RadioAstron: fast 2 Millionen km im Vergleich zu 350.000 km. , .


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Referenzen

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