El lado técnico de RadioAstron

Una foto del cielo estrellado "GLEAM" realizada en el rango de ondas de radio 70-230 MHz. En el centro de la foto está la Vía Láctea , y en los costados, unas 300 mil galaxias más.

El radiotelescopio espacial Radio Astron tiene actualmente la mayor resolución angular entre todos los telescopios, y también es quizás el proyecto científico más exitoso de la astronáutica no tripulada rusa.


Los permisos de Radio Astron son suficientes para distinguir los satélites en lados opuestos del IEO de Proxima Centauri o para distinguir las señales de dos objetos en los extremos de la órbita de la Tierra del otro extremo de nuestra galaxia.

Hoy hablaremos sobre el aspecto técnico del trabajo de RadioAstron con Alexander Plavin, un investigador en el laboratorio de radioastronomía extragaláctica del Centro Espacial de Astronomía del Instituto Físico de Lebedev y el laboratorio de investigación de objetos relativistas en MIPT.


Los radiotelescopios solían comunicarse con Radio Astron.

¿Cuánto en promedio produce RadioAstron datos científicos por día? ¿Qué tan grandes son las áreas utilizadas para almacenarlo y procesarlo?

En resumen, luego directamente desde el satélite, aproximadamente 100 GB por día, de todos los telescopios trabajando juntos, alrededor de 5 terabytes. Para el procesamiento, se utiliza 1 clúster TFlop / s por CPU; para el almacenamiento, el conjunto de discos duros y cintas que ocupan básicamente una habitación.

Más detalladamente: durante las observaciones directas desde el satélite, hay un flujo de datos científicos a 128 Mbit / s + datos adicionales y + margen. Y esa velocidad se logra de manera estable para cualquier posición de satélite en órbita, desde 600 km hasta 340 mil km. Sin embargo, la mayoría de las veces el telescopio en realidad no observa nada. Hay tres razones principales para esto:

1) Un radio interferómetro no es una antena, sino varios radiotelescopios que funcionan de manera conjunta y simultánea. Por lo tanto, además del satélite volador Spektr-R, se necesitan antenas terrestres, cuanto más grandes (en tamaño y cantidad), mejor. En consecuencia, estos telescopios deberían dedicar su tiempo a la colaboración, y tienen otros programas de observación. Y debe elegir el momento en que el objeto observado es visible tanto desde el satélite (este es un problema menor, por supuesto) como desde todos los telescopios participantes, y la Tierra gira.

2) La recepción de datos de Radio Astron se lleva a cabo solo a través de una de las dos antenas en la Tierra: en Pushchino (región de Moscú) y en Green Bank (EE. UU.). En consecuencia, desde una de estas estaciones, el satélite debería ser visible durante todo el período de observación y bastante por encima del horizonte.

3) El equipo de recepción y transmisión a bordo no está diseñado para muchas horas de operación continua: se sobrecalienta, tanto directamente de su trabajo como del Sol, si cae sobre el dispositivo en la orientación adecuada. En la mayoría de los casos, esto limita las observaciones no fundamentalmente, pero sucede que una determinada sesión debe acortarse o cancelarse debido a limitaciones técnicas de este tipo.

La mayoría de los datos se obtienen de radiotelescopios terrestres que trabajan juntos. El hecho es que la sensibilidad efectiva de todo el sistema operativo conjunto (radio interferómetro) aumenta con la sensibilidad de los telescopios individuales, por lo que los datos de las estaciones terrestres se registran en la banda más ancha y, en consecuencia, con una gran corriente. Por lo general, unos pocos Gbit / s de un telescopio, que funciona simultáneamente hasta un par de docenas, el tiempo de sesión, hasta varias horas. Todos estos datos de diferentes maneras (canales de Internet especialmente asignados, envío de unidades de disco duro por correo e incluso transporte de unidades de disco duro en la dirección correcta por parte de los empleados) recae en los departamentos de procesamiento de correlación: el principal en el FIAN ACC en Moscú, también en Bonn (Alemania).

Ahora, la cantidad total de datos es de ~ 5 petabytes, se almacenan a partir de los primeros experimentos y no se planifica la eliminación. A pesar del hecho de que solo se utilizan directamente los datos procesados ​​en el correlacionador (que, de hecho, extrae la señal de la fuente, lo mismo para todos los telescopios, de interferencia, que son diferentes en todas partes) y que tienen un tamaño de órdenes de magnitud menor, se pueden usar los datos sin procesar originales y A veces se usan para el procesamiento, si algo se ha mejorado / arreglado en los algoritmos, o si se ha obtenido información más precisa sobre la órbita del satélite. Los datos se almacenan en discos y cintas (archivo), y de hecho ocupan una habitación. Para el procesamiento, se utiliza un clúster de CPU con una capacidad total de aproximadamente 1 TFlop / s, ≈100 núcleos. Esto es suficiente con un margen: para una observación típica, la correlación ocurre varias veces más rápido que en tiempo real, lo que le permite comparar con seguridad diferentes parámetros y su influencia en el resultado.


Diseño de aparatos

RadioAstron está en una órbita muy alargada: por lo que yo entiendo, además de la posibilidad de realizar observaciones de esta manera en una amplia gama de condiciones, ¿esto todavía permite la mayoría de las veces usar placas colocadas en Rusia para la comunicación?

En general, el alargamiento de la órbita y el uso de antenas rusas no están particularmente conectados de ninguna manera: la Tierra está girando. Además, la recepción de datos con igual éxito puede llevarse a cabo por cualquiera de las dos estaciones de rastreo, una en Rusia y los Estados Unidos. En ambos, se suministró equipo especial, tanto de recepción como de transmisión.

El alargamiento de la órbita ofrece varias ventajas:

- Un par de radiotelescopios ubicados en lugares fijos proporciona una medición de esencialmente solo un punto en la región de frecuencias espaciales (transformada de Fourier a partir de la imagen observada); Teniendo en cuenta la rotación de la Tierra, se obtiene un arco de la elipse. Cuantos más puntos / arcos se midan (y para el mayor rango de distancias posible), mejor será la restauración de la imagen. Por lo tanto, una órbita alargada le permite medir frecuencias espaciales no solo en una elipse centrada en la Tierra, como lo sería para una órbita circular, sino a una variedad de distancias, desde varios miles de kilómetros (distancias más pequeñas solo cubiertas por pares de telescopios ubicados en la Tierra) hasta un máximo de 300 + mil kilómetros, aunque casi solo en una dirección. Tal oportunidad se usa con mucha frecuencia: la misma fuente se observa tanto a una gran distancia del satélite como cuando se acerca a nosotros.

- Con la ayuda del satélite, también se resuelven otros problemas científicos que no están relacionados con la radioastronomía. Por ejemplo, contiene los estándares de hidrógeno más precisos jamás lanzados al espacio (relojes atómicos), lo que permite verificar con la mayor precisión la presencia de desviaciones de la dilatación del tiempo predicha por la relatividad general (hasta ahora no se han descubierto discrepancias). Para esto es importante que la órbita sea muy alargada.


El telescopio terrestre más caro de nuestro tiempo (precio ≈ $ 2 mil millones) es SKA o "conjunto de antenas de kilómetros cuadrados". A principios del año pasado, se ensambló la primera muestra de antena que consistirá, y este año su construcción debería comenzar.

Para 3 de 4, el rango operativo de RadioAston indica una frecuencia operativa específica: ¿la velocidad del radiotelescopio cambia constantemente durante el curso de su movimiento en órbita como una especie de "modulador de frecuencia"?

La velocidad del satélite es tan baja en relación con la velocidad de la luz que no da ningún beneficio a las observaciones: la frecuencia cambia en pequeñas fracciones de un porcentaje. Aunque, por supuesto, es el efecto Doppler el que se utiliza para la medición de alta precisión de la velocidad del dispositivo, un error del orden de milímetros por segundo.


En este edificio discreto, nació Radio Astron. Un recorrido fotográfico detallado del Observatorio de Radioastronomía de Pushchino está disponible aquí .

¿Cuánto del tiempo total logra cargar Radio Astron aproximadamente?

De hecho, ahora las observaciones directas se llevan a cabo aproximadamente el 20% del tiempo, sin tener en cuenta varios procedimientos técnicos: descargar la orientación del volante, calentar y enfriar los receptores, enviar comandos y diagnosticar el funcionamiento de todos los nodos, alineación (aclaración de orientación), etc.


Orbit RadioAstron y cinturones de radiación

Radio Astron tiene que pasar la mayor parte del tiempo fuera del campo magnético de la Tierra y pasar casi 100 veces al año a través de cinturones de radiación: ¿la radiación acumulada por los paneles solares y la electrónica es un factor limitante para continuar su operación, o su vida útil está limitada por el recurso de los volantes que controlan su posición / otro factor? ? ¿Hay alguna estimación de cuánto puede hacer ejercicio todavía?

Por cierto, precisamente por el paso a través del cinturón de radiación, resultó ser útil colocar varios instrumentos en los sensores de partículas con carga satelital para la investigación regular de dicho entorno de la Tierra.

El tiempo de funcionamiento puede limitarse a cualquier dispositivo, incluso dispositivos electrónicos, incluso un volante. Varios nodos están fallando gradualmente, lo que se espera: la vida prevista era de 5 años, y RadioAstron ya está volando 6.5. Pero por el momento es posible realizar (y realizar) casi todo tipo de observaciones, sin pérdidas significativas. De estos últimos, en el verano de 2017, el hidrógeno para el estándar de hidrógeno (relojes atómicos) terminó a bordo, por lo que ahora las observaciones se realizan en modo de sincronización con la Tierra. No hay nada de malo en eso, de hecho, fue un método originalmente planeado para todas las observaciones. El estándar de hidrógeno se parecía más a un equipo experimental, pero resultó que funciona sin ningún problema y proporciona la alta constancia de viaje requerida. En consecuencia, se utilizó para observaciones durante 6 años; entre otras cosas, es más conveniente desde el punto de vista organizativo: por ejemplo, no se requiere radiación de la Tierra y no es necesario coordinarla.

También hay nodos que originalmente se reservaron 2-3 veces, y 1-2 de estas copias están fuera de servicio. Por ejemplo, los volantes que giran y estabilizan el aparato; ahora la velocidad de rotación alcanzable es significativamente menor que la que era posible al comienzo del trabajo, pero todavía está dentro de los límites calculados. Algo ha perdido parte de su funcionalidad; por ejemplo, una de las polarizaciones en algunos rangos no está disponible para observación.

Todo lo anterior no interfiere con la observación y aceptación de las solicitudes para ellos; las características principales son normales. Nadie se compromete a predecir el resto del tiempo de trabajo, porque es casi imposible determinar cuándo falla cualquier nodo vital que permanezca en una sola copia.


A mediados de 2016, Radio Astron completó su misión principal de 5 años y se embarcó en una misión ampliada.

¿Cuáles son los mayores descubrimientos científicos de RadioAstron en este momento?

Destacaría las cosas más significativas:

- El descubrimiento de que el efecto de la dispersión de la radiación en el medio interestelar consiste no solo en el "desenfoque" esperado de la imagen, sino que también aparecen pequeños detalles, como "ondas". Por un lado, esto permitió ver con RadioAstron varios objetos como los púlsares que de otro modo no serían visibles (el interferómetro es fundamentalmente insensible a una estructura uniforme extendida / difusa), y por el otro, este efecto ahora debe tenerse en cuenta, por ejemplo, cuando se trabaja con Event Horizon Telescope , quien está tratando de "ver" la sombra de un agujero negro en el centro de nuestra galaxia. En realidad, nosotros y el equipo de EHT trabajamos muy de cerca en estos temas.

- Detección de brillo extremadamente alto en los centros de galaxias activas. Anteriormente se creía (no solo a partir de las observaciones, hay teorías físicas razonables que predijeron esto) que son un orden de magnitud o dos menos vívidos y, en consecuencia, tal descubrimiento complementó sustancialmente nuestra comprensión de estos objetos, y algunos supuestos de teorías fueron refutados.

“Utilizando directamente imágenes de alta resolución, pudimos investigar por primera vez la estructura interna de los chorros (emisiones) de las galaxias activas, los láser láser de microondas en los discos de polvo de nuestra galaxia y mucho más.


Las ventajas de usar interferometría usando un ejemplo de un par de telescopios de 8 metros del complejo VLT .

Radio Astron tiene varias veces mayor resolución que los radiotelescopios terrestres: ¿era posible detectar algún sistema binario o visual-binario de fuentes de radio de esta manera?

En la misma longitud de onda, la resolución es diez veces mayor: comparamos los 12 mil km de diámetro de la Tierra y 340 mil km el apogeo de la órbita. Si bien no hay detecciones específicas de sistemas binarios en RadioAstron, de hecho, hasta hace poco, nadie estaba involucrado en esta tarea, no hay suficientes manos. Hay expectativas de que sea posible encontrar algo como esto en base a los datos de observación existentes.


Comparación de imágenes en los espectros visible e infrarrojo de la nebulosa del Águila : aquí puede ver claramente cómo la gran longitud de onda le permite mirar más adentro de la nube molecular .

Ahora se indica que China pondrá en órbita dos de sus aparatos similares a Radio Astron: ¿se está considerando algún plan para completar el trabajo de nuestro telescopio para lanzar un nuevo aparato con mejores características o ya en órbita solar?

El proyecto chino no es "mejor" que Radio Astron, es solo un poco diferente: apunta a los rangos de frecuencia más altos de las ondas, 8, 22 y 43 GHz. Radio Astron, en comparación, opera a 0.3, 1.6, 5, 22 GHz, es decir, solo una banda coincide. Diferentes objetos emiten a diferentes frecuencias, y las propiedades del medio interestelar también difieren, por lo tanto, los datos científicos de estos proyectos se complementarán bien.

No tiene mucho sentido colocar el radio interferómetro en la órbita solar si se observa junto con los telescopios terrestres, además de los problemas obvios de la determinación de alta precisión de su posición, lo que escribí anteriormente juega un papel aquí, es muy deseable tener una cobertura densa de la región de frecuencia espacial con mediciones. Y si una antena está a una distancia de aproximadamente 1 UA, y todos los demás telescopios en la Tierra, entonces los beneficios son mucho menores.

El futuro cercano es el telescopio Spectrum-RG casi listo (gamma de rayos X), que se lanzará a principios de 2019. Este es el único proyecto de telescopio espacial de rayos X en el mundo para los próximos años, y también (como RadioAstron, Spektr-R) proporcionará mejoras de observación significativas en comparación con los instrumentos existentes.

Muchas gracias a Alexander Plavin por la entrevista. Si también quiere agradecerle o hacerle sus preguntas, aquí está su apodo: chersanya