Le côté technique de RadioAstron

Un tir du ciel étoilé "GLEAM" réalisé dans la gamme des ondes radio 70-230 MHz. Au centre de la photo se trouve la Voie lactée , et sur les côtés - environ 300 mille autres galaxies.

Le radiotélescope spatial Radio Astron a actuellement la plus grande résolution angulaire parmi tous les télescopes, et est peut-être aussi le projet scientifique le plus réussi de l'astronautique sans pilote russe.


Les autorisations de Radio Astron sont suffisantes pour distinguer les satellites situés sur les côtés opposés de l' IEO de Proxima Centauri ou pour distinguer les signaux de deux objets aux extrémités de l'orbite terrestre de l'autre extrémité de notre galaxie.

Aujourd'hui, nous parlerons de l'aspect technique du travail de RadioAstron avec Alexander Plavin, chercheur au laboratoire de radioastronomie extragalactique du Centre spatial d'astronomie de l' Institut physique de Lebedev et au laboratoire de recherche d'objets relativistes du MIPT.


Radiotélescopes utilisés pour communiquer avec Radio Astron.

Combien en moyenne RadioAstron produit-elle des données scientifiques par jour? Quelle est la superficie des zones utilisées pour le stocker et le traiter?

En bref, puis directement depuis le satellite - environ 100 Go par jour, de tous les télescopes travaillant ensemble - environ 5 téraoctets. Pour le traitement, 1 cluster TFlop / s par CPU est utilisé; pour le stockage, l'agrégat de disques durs et de bandes occupant essentiellement une pièce.

Plus en détail: lors des observations directes depuis le satellite, il y a un flux de données scientifiques à 128 Mbit / s + données supplémentaires et + marge. Et une telle vitesse est atteinte de manière stable pour n'importe quelle position de satellite en orbite - de 600 km à 340 000 km. Cependant, la plupart du temps, le télescope n'observe rien. Il y a trois raisons principales à cela:

1) Un radio-interféromètre n'est pas une antenne, mais plusieurs radiotélescopes fonctionnant conjointement et simultanément. Par conséquent, en plus du satellite volant Spektr-R, des antennes terrestres sont nécessaires, plus elles sont grandes (en taille et en quantité), mieux c'est. En conséquence, ces télescopes devraient consacrer leur temps à la collaboration et ils ont d'autres programmes d'observation. Et vous devez choisir le moment où l'objet observé est visible à la fois du satellite (c'est un problème plus petit, bien sûr) et de tous les télescopes participants - et la Terre tourne.

2) La réception des données de Radio Astron s'effectue uniquement via l'une des deux antennes sur Terre: à Pushchino (région de Moscou) et à Green Bank (USA). En conséquence, à partir de l'une de ces stations, le satellite devrait être visible pendant toute la période d'observation et assez haut au-dessus de l'horizon.

3) L'équipement de réception et de transmission à bord n'est pas conçu pour de nombreuses heures de fonctionnement continu - il surchauffe, à la fois directement de son travail et du soleil, s'il tombe sur l'appareil dans l'orientation appropriée. Dans la plupart des cas, cela ne limite pas fondamentalement les observations, mais il arrive qu'une certaine session doive être raccourcie ou annulée en raison de limitations techniques de ce type.

La plupart des données sont obtenues à partir de radiotélescopes terrestres travaillant ensemble. Le fait est que la sensibilité effective de l'ensemble du système fonctionnant conjointement (radio-interféromètre) augmente avec l'augmentation de la sensibilité des télescopes individuels.Par conséquent, les données des stations au sol sont enregistrées dans la bande la plus large et, par conséquent, avec un flux important. Typiquement - quelques Gbit / s à partir d'un télescope, qui fonctionne simultanément jusqu'à quelques dizaines, le temps de la session - jusqu'à plusieurs heures. Toutes ces données de différentes manières (canaux Internet spécialement alloués, envoi de disques durs par courrier, et même transport des disques durs dans la bonne direction par les employés) relèvent des services de traitement de corrélation: le principal au FIAN ACC à Moscou, également à Bonn (Allemagne).

Maintenant, la quantité totale de données est de pet5 pétaoctets, elles sont stockées à partir des premières expériences et aucune suppression n'est prévue. Malgré le fait que seules les données traitées sur le corrélateur sont directement utilisées (ce qui, en fait, extrait le signal de la source, le même pour tous les télescopes, des interférences, qui sont différentes partout) et ayant des ordres de grandeur plus petits, les données brutes d'origine peuvent être utilisées et Parfois, ils sont utilisés pour le traitement, si quelque chose a été amélioré / corrigé dans les algorithmes, ou si des informations plus précises sur l'orbite du satellite ont été obtenues. Les données sont stockées à la fois sur des disques et des bandes (archives) et occupent en fait une seule pièce. Pour le traitement, un cluster de CPU est utilisé avec une capacité totale d'environ 1 TFlop / s, ≈100 cœurs. Cela suffit avec une marge: pour une observation typique, la corrélation se produit plusieurs fois plus rapidement qu'en temps réel, ce qui vous permet de comparer en toute sécurité différents paramètres et leur influence sur le résultat.


Conception d'appareils

RadioAstron est sur une orbite très allongée: autant que je sache, en plus de la possibilité de conduire des observations de cette manière dans un large éventail de conditions, cela permet toujours la plupart du temps d'utiliser des plaques placées en Russie pour la communication?

En général, l'allongement de l'orbite et l'utilisation d'antennes russes ne sont pas particulièrement liés en aucune façon - la Terre tourne. En outre, la réception des données avec un succès égal peut être effectuée par l'une des deux stations de suivi - une en Russie et aux États-Unis. Sur les deux, un équipement spécial a été spécialement fourni, à la fois pour la réception et pour la transmission.

L'allongement de l'orbite offre divers avantages:

- une paire de radiotélescopes situés à des endroits fixes donne une mesure essentiellement d'un seul point dans la région des fréquences spatiales (transformée de Fourier à partir de l'image observée); compte tenu de la rotation de la Terre, un arc de l'ellipse est obtenu. Plus ces points / arcs sont mesurés (et pour une plage de distances aussi large que possible), mieux c'est pour la restauration d'images. Par conséquent, une orbite allongée vous permet de mesurer les fréquences spatiales non seulement sur une ellipse centrée dans la Terre, comme ce serait le cas pour une orbite circulaire, mais à une variété de distances - de plusieurs milliers de kilomètres (les plus petites distances ne sont couvertes que par des paires de télescopes situés sur la Terre) jusqu'à un maximum de 300 + mille kilomètres, quoique presque seulement dans une direction. Une telle opportunité est vraiment souvent utilisée - la même source est observée à une grande distance du satellite et lorsqu'il s'approche de nous.

- Avec l'aide du satellite, d'autres problèmes scientifiques non liés à la radioastronomie sont également résolus. Par exemple, il contient les étalons d'hydrogène les plus précis jamais lancés dans l'espace (horloges atomiques), ce qui permet de vérifier avec la plus grande précision la présence d'écarts par rapport à la dilatation temporelle prédite par la relativité générale (jusqu'à ce qu'aucun écart ne soit trouvé). Pour cela, il est important que l'orbite soit très allongée.


Le télescope au sol le plus cher de notre époque (prix ≈ 2 milliards de dollars) est le SKA ou «réseau d'antennes au kilomètre carré». Au début de l'année dernière, le premier échantillon d'antenne a été assemblé dont il sera composé, et cette année sa construction devrait commencer.

Pour 3 sur 4, la plage de fonctionnement de RadioAston indique une fréquence de fonctionnement spécifique: la vitesse du radiotélescope changeant constamment au cours de son mouvement en orbite est-elle utilisée comme une sorte de «modulateur de fréquence»?

La vitesse du satellite est si faible par rapport à la vitesse de la lumière qu'elle ne donne aucun avantage aux observations - la fréquence change par petites fractions de pour cent. Bien que, bien sûr, c'est l'effet Doppler qui soit utilisé pour la mesure de haute précision de la vitesse de l'appareil - une erreur de l'ordre du millimètre par seconde.


Dans ce bâtiment discret, Radio Astron est née. Une visite photo détaillée de l'Observatoire de radioastronomie de Pushchino est disponible ici .

Combien de temps total Radio Astron parvient-il à charger approximativement?

En fait, maintenant, des observations directes sont effectuées environ 20% du temps, sans tenir compte de diverses procédures techniques: déchargement de l'orientation du volant, chauffage et refroidissement des récepteurs, envoi de commandes et diagnostic du fonctionnement de tous les nœuds, alignement (clarification de l'orientation), etc.


Orbit RadioAstron et ceintures de radiation

Radio Astron doit passer la plupart du temps en dehors du champ magnétique terrestre et passer près de 100 fois par an à travers les ceintures de rayonnement: le rayonnement accumulé par les panneaux solaires et l'électronique est-il un facteur limitant pour continuer son fonctionnement, ou sa durée de vie est-elle limitée par la ressource des volants qui contrôlent sa position / autre facteur ? Y a-t-il encore des estimations de combien il peut s'entraîner?

Soit dit en passant, précisément en raison du passage à travers la ceinture de rayonnement, il s'est avéré utile de placer divers instruments sur les capteurs de particules chargés par satellite pour une enquête régulière sur un tel environnement de la Terre.

Le temps de fonctionnement peut être limité à n'importe quel appareil - même l'électronique, même un volant. Divers nœuds tombent progressivement en panne, ce qui est prévu - la durée de vie prévue était de 5 ans, et RadioAstron vole déjà à 6,5. Mais pour le moment, il est possible d'effectuer (et de mener) presque tous les types d'observations, sans pertes importantes. De ces derniers, à l'été 2017, l'hydrogène pour l'étalon d'hydrogène (horloges atomiques) s'est terminé à bord, alors maintenant les observations sont effectuées en mode de synchronisation avec la Terre. Il n'y a rien de mal à cela - en fait, c'était une telle méthode qui était initialement prévue pour toutes les observations. L'étalon d'hydrogène ressemblait plus à un équipement expérimental, mais il s'est avéré qu'il fonctionne sans aucun problème et offre la constance de déplacement élevée requise. En conséquence, il a été utilisé pour des observations pendant 6 ans; entre autres, il est plus pratique sur le plan organisationnel: par exemple, le rayonnement de la Terre n'est pas nécessaire et n'a pas besoin d'être coordonné.

Il existe également des nœuds qui étaient à l'origine réservés 2-3 fois, et 1-2 de ces copies sont hors service. Par exemple, les volants d'inertie qui font tourner et stabilisent l'appareil - maintenant la vitesse de rotation réalisable est nettement inférieure à celle qui était possible au début du travail, mais elle reste dans les limites calculées. Quelque chose a perdu une partie de sa fonctionnalité - par exemple, l'une des polarisations de certaines plages n'est pas disponible pour l'observation.

Tout ce qui précède n'interfère pas avec l'observation et l'acceptation des demandes pour eux - les principales caractéristiques sont normales. Personne ne s'engage à prévoir le reste du temps de travail, car il est presque impossible de déterminer quand un nœud vital qui reste dans une seule copie tombe en panne.


À la mi-2016, Radio Astron a achevé sa mission principale de 5 ans et s'est lancée dans une mission élargie.

Quelles sont les plus grandes découvertes scientifiques de RadioAstron en ce moment?

Je voudrais souligner les choses les plus importantes:

- La découverte que l'effet de la diffusion des rayonnements sur le milieu interstellaire consiste non seulement en un «flou» attendu de l'image, mais aussi de petits détails apparaissent, comme des «ondulations». D'une part, cela a permis de voir avec RadioAstron divers objets tels que des pulsars qui autrement ne seraient pas visibles (l'interféromètre est fondamentalement insensible à une structure uniforme étendue / diffuse), et d'autre part, cet effet doit maintenant être pris en compte, par exemple, lorsque l'on travaille avec Event Horizon Telescope , qui essaie de "voir" l'ombre d'un trou noir au centre de notre galaxie. En fait, nous et l'équipe EHT travaillons en étroite collaboration sur ces questions.

- Détection d'une luminosité extrêmement élevée au centre des galaxies actives. On croyait auparavant (non seulement à partir d'observations - il existe des théories physiques raisonnables qui prédisaient cela) qu'elles étaient d'un ordre de grandeur ou deux moins vives, et en conséquence, une telle découverte a considérablement amélioré notre compréhension de ces objets, et certaines hypothèses de théories ont été réfutées.

«En utilisant directement des images haute résolution, nous avons pu étudier pour la première fois la structure interne des jets (émissions) des galaxies actives, des masques laser micro-ondes dans les disques de poussière de notre galaxie, et bien plus encore.


Les avantages de l'utilisation de l'interférométrie à l'aide d'un exemple de paire de télescopes de 8 mètres du complexe VLT .

Radio Astron a une résolution plusieurs fois plus élevée que les radiotélescopes au sol: était-il possible de détecter des systèmes binaires ou visuels-binaires de sources radio de cette manière?

A la même longueur d'onde, la résolution est dix fois supérieure: on compare le diamètre de 12 000 km de la Terre et 340 000 km l'apogée de l'orbite. Bien qu'il n'y ait aucune détection spécifique de systèmes binaires sur RadioAstron, en fait, jusqu'à récemment, personne n'était engagé dans cette tâche - il n'y a pas assez de mains. On s'attend à ce qu'il soit possible de trouver quelque chose comme ça à partir des données d'observation existantes.


Comparaison d'images dans les spectres visible et infrarouge de la nébuleuse Eagle : ici, vous pouvez clairement voir comment la grande longueur d'onde vous permet de regarder plus loin dans le nuage moléculaire .

Maintenant, il est indiqué que la Chine va mettre en orbite deux de ses appareils similaires à Radio Astron: est-il envisagé de terminer les travaux de notre télescope pour lancer un nouvel appareil avec de meilleures caractéristiques ou déjà en orbite solaire?

Le projet chinois n'est pas «meilleur» que Radio Astron, il est juste un peu différent: il cible les gammes de fréquences plus élevées des ondes, 8, 22 et 43 GHz. Radio Astron, par comparaison, fonctionne à 0,3, 1,6, 5, 22 GHz - c'est-à-dire qu'une seule bande correspond. Différents objets émettent à différentes fréquences, et les propriétés du milieu interstellaire diffèrent également, donc les données scientifiques de ces projets se compléteront bien.

Il n'est pas très utile de placer l'interféromètre radio dans l'orbite solaire s'il est observé avec des télescopes terrestres - en plus des problèmes évidents de détermination de haute précision de sa position, ce que j'ai écrit ci-dessus joue un rôle ici - il est très souhaitable d'avoir une couverture dense de la région de fréquence spatiale avec des mesures. Et si une antenne est à une distance d'environ 1 UA et tous les autres télescopes sur Terre, les avantages sont bien moindres.

Le futur proche est le télescope Spectrum-RG (rayons X gamma) presque prêt, dont le lancement est prévu début 2019. Il s'agit du seul projet de télescope spatial à rayons X au monde pour les années à venir, et lui aussi (comme RadioAstron, Spektr-R) apportera des améliorations observationnelles significatives par rapport aux instruments existants.

Un grand merci à Alexander Plavin pour l'interview. Si vous souhaitez aussi le remercier ou lui poser vos questions, voici son surnom: chersanya