Radio Astron fête ses 7 ans

Il y a sept ans, avec l'aide de la fusée Zenit-3F avec le booster Frigate-FB , peut-être le projet scientifique le plus productif de l'histoire moderne de la cosmonautique russe, le télescope Radio Astron , a été lancé en orbite. L'histoire de ce projet et le déroulement de ses travaux seront discutés aujourd'hui.

Historique du projet

En 1965, trois scientifiques soviétiques (Kardashev, Matveenko et Sholomitsky) ont proposé le concept de radio-interférométrie à bases ultra-longues dans lequel les radiotélescopes espacés sur de longues distances permettent un travail conjoint pour obtenir une résolution correspondant à la distance qui les sépare. Les premières expériences dans ce sens ont été réalisées avec des télescopes au sol, mais seulement avec le retrait de l'un des télescopes dans l'espace, cette méthode permettrait d'obtenir des résultats vraiment étonnants. La première "panne de plume" dans cette direction a été l'observatoire radio KRT-10 opérant à la station Salyut de juillet à août 1979. Pour la première fois, des expériences similaires ont été menées sur celui-ci avec le télescope au sol de 70 mètres RT-70 . Et déjà en 1980, il a été décidé de construire 6 radiotélescopes spatiaux, parmi lesquels le projet Spektr-R, qui a plus tard reçu le nom de RadioAstron.

Au début des années 1990, les premières copies d'essai des récepteurs du radiotélescope ont été créées, les premiers tests du miroir ont été effectués en 1994 et en 2003, les premiers tests du prototype du télescope spatial ont été effectués à l'Observatoire de radioastronomie de Pushchino, qui, en raison de retards de lancement, a été décidé par la suite de modifier considérablement . Des tests de la version finale de RadioAstron ont été effectués début 2011.


Transport du télescope à Baïkonour

Conception d'appareils et objectifs scientifiques

RadioAstron a une masse de 3 660 kg, dont 2 600 kg sont des équipements scientifiques, dont 1 500 kg, à leur tour, tombent sur l'antenne principale de 10 mètres. Le dispositif a été développé dans l'ONG nommée d'après Lavochkina, basé sur le module de service Navigator, l'un des premiers exemples de son utilisation a été la série Electro-L de satellites hydrométéorologiques. Le boîtier de l'appareil est un prisme à 8 faces, sur le côté externe duquel est installé du matériel de bureau, une antenne est installée sur le dessus, composée d'un bloc solide central de 3 mètres et de 27 pétales qui s'ouvrent après le retrait, et sur le côté inférieur, il y avait une monture sur le bloc d'appoint. Le travail à une longueur d'onde d'environ 1 cm imposait de grandes exigences sur la précision de fabrication et le mécanisme d'ouverture du télescope, car la surface du télescope devrait avoir un ordre de grandeur plus précis que la longueur d'onde à laquelle il fonctionne. C'est-à-dire qu'un miroir de 10 mètres pendant son fonctionnement ne doit pas s'écarter de sa forme idéale de plus d'environ 1 mm.



La communication avec le radiotélescope se fait via une antenne directionnelle en bande X de 1,5 mètre fonctionnant à une fréquence de 17 GHz. Le taux de transfert des données scientifiques est de 144 Mbps. Radio Astron est contrôlée par des stations de communication spatiales à Bear Lakes et Oussouriisk , et les données scientifiques sont transmises par le biais de l' antenne radio de 22 mètres du Pushchino Radio Astronomy Observatory et par le biais d'une antenne de 43 mètres à Green Bank, aux États-Unis (connectée au projet en septembre 2013 ans, permettant de doubler le temps d'observation). Il utilise des panneaux solaires de 2608 W pour alimenter le télescope, tandis que 980 W sont nécessaires pour le fonctionnement des systèmes de bureau, et 1200 watts sont nécessaires pour l'équipement scientifique (qui fonctionne environ 20% du temps total), de sorte que le système d'alimentation électrique a une marge importante. Le radiotélescope possède 4 récepteurs fonctionnant à des températures de -175 à -125 ºC et présentant les caractéristiques suivantes:

Longueur d'onde, cm	92	18	6.2	1.2-1.6
Fréquence, MHz	316-332	1636-1692	4804-4860	18372-25132
Résolution, microsecondes	540	106	37	7

* La résolution du télescope spatial Hubble et des meilleurs télescopes au sol pour comparaison est d'environ 100 microsecondes.

Afin d'assurer le fonctionnement d'un instrument aussi précis, des définitions très précises de ses paramètres d'orbite étaient nécessaires: pour que RadioAstron fonctionne à ses plus courtes longueurs d'onde, sa vitesse doit être déterminée avec une précision de plus de 2 cm / s, une accélération avec une précision d'au moins . 10 ^-7 m / s ^2, et de connaître la distance avec une précision de moins de 500 m utilisé à cette fin comme cinq méthodes: la méthode radiométrique pour la mesure de vitesse et de distance, la méthode de détermination de la vitesse Doppler et des méthodes interférométriques est effectuée s par l'intermédiaire d'antennes radio terrestres; ainsi que la localisation laser et les méthodes optiques pour déterminer la position des étoiles de fond.

Parmi les participants au projet du côté russe, en plus de la maison mère de l'ONG nommée d'après Lavochkina a réuni ACC FIAN, OKB «Mars», ZAO «Vremya Ch» et de nombreuses autres organisations. En outre, il y a une participation internationale notable au projet: par exemple, un amplificateur récepteur de 92 cm a été fabriqué en Inde, 18 cm en Australie et 1,3 cm aux États-Unis. Étant donné que le télescope passe à travers les ceintures de rayonnement pendant son fonctionnement, il a également été décidé d'installer un complexe plasma-magnétique Plasma-F pour mesurer les paramètres du plasma et les particules individuelles chargées des ceintures de rayonnement et du milieu interplanétaire avec une résolution de temps record (jusqu'à 32 microsecondes) ), et également conçu pour étudier la turbulence dans ces environnements.



Le complexe Plasma-F se compose de deux appareils: un moniteur de vent solaire rapide (BMSV) conçu pour mesurer la distribution d'énergie, le vecteur de débit, la vitesse de transport, la température et la concentration ionique (IKI RAS, Institut de physique atmosphérique de l' Académie des sciences de la République tchèque et l' Université Charles ont participé à sa création. à Prague , République tchèque); et un moniteur de flux d'ions énergétiques (MEP) conçu pour détecter des ions avec des énergies de 30 keV à 3 MeV et des électrons avec une énergie de 30-350 keV (il a été créé à l'Institut de physique expérimentale du SAN à Kosice, Slovaquie). Le projet nécessitait également une très haute précision de résolution temporelle, donc une paire d'horloges atomiques domestiques d'une précision de ^{10-14 a} été installée sur le télescope (cela correspond à un départ d'horloge de 1 seconde en plus de 3 millions d'années). De plus, une montre rubidium fabriquée en Suisse a été installée comme système de sauvegarde pour déterminer l'heure. Au total, des scientifiques de 20 pays ont travaillé à la création d'équipements scientifiques pour RadioAstron (une liste complète des participants peut être consultée ici ).

Étant donné que ce télescope a reçu la résolution la plus élevée de tous les télescopes modernes, son principal programme scientifique prévoyait l'observation des objets les plus compacts de l'Univers: les étoiles à neutrons, les quasars et les nuages ​​de gaz interstellaires (les soi-disant mégamas émetteurs radio dans la gamme radio selon le principe du laser).

Lancement et résultats scientifiques

Le télescope en position repliée et ouverte lors des essais au sol

Processus d'ouverture du télescope

Le télescope a été lancé le 18 juillet 2011 à 6 h 31, heure de Moscou, sur une orbite très elliptique de 600 x 330 000 km avec une inclinaison de 51,3 ° et une période d'environ 9 jours (pendant son fonctionnement, son orbite change progressivement sous l'influence de la gravité de la lune). Le télescope a été ouvert dans la nuit du 22 au 23 juillet et n'aurait dû prendre que 10 minutes, mais les pétales de l'antenne ne se sont pas posés sur les pinces lors de la première tentative, il a donc été décidé de déployer le télescope afin que le mécanisme d'ouverture se réchauffe uniformément sous la lumière du soleil, après quoi la deuxième tentative, Passé la journée du 23, s'est terminé avec succès. Le 25 juillet, la première inclusion du complexe Plasma-F a été effectuée. Les principales horloges atomiques ne fonctionnaient pas non plus correctement la première fois, il a donc été décidé de passer immédiatement aux horloges de sauvegarde. Le télescope a vu la «première lumière» le 27 septembre 2011 - il s'agissait d'observations des restes de supernova Cassiopée A et Jupiter, et les 14 et 15 novembre les premières données scientifiques ont été obtenues: le pulsar B0531 + 21 (situé dans la nébuleuse du Crabe) a été pris, quasars 0016 + 0731 et 0212 + 735; ainsi que le maser W3 (OH) dans la constellation de Cassiopée.


Premières observations ...

... et les premiers résultats scientifiques.

Les tests de trois récepteurs de plus grandes longueurs d'onde se sont déroulés sans complications, mais avec le début des travaux dans la gamme la plus courte de 1,3 cm, j'ai dû attendre environ six mois pour des raisons indépendantes de Radio Astron: contrairement au télescope spatial, ses homologues au sol ont la possibilité de travailler fortement dans cette gamme dépendait de la météo (plus précisément, de la teneur en vapeur d'eau dans l'atmosphère). Et en plus de cela, l'horloge atomique s'est également écrasée avec le télescope américain, qui fonctionnait à l'époque en tandem avec Radio Astron, de sorte que les premiers résultats scientifiques à cette longueur d'onde n'ont été obtenus qu'après 6 tentatives et déjà avec un autre télescope - un radio-télescope de 100 mètres à Effelsberg , en Allemagne. Mais malgré cela, l'appareil a commencé son premier programme scientifique le 10 décembre , et le principal en juillet 2013, et fin 2012, le télescope est passé à accepter les candidatures pour un concours ouvert (seuls les scientifiques des pays participant au projet pouvaient participer à la première étape. ), auquel une fois par an tout le monde peut participer. En conséquence, toutes les candidatures reçues sont évaluées par l'avis de scientifiques, après quoi Nikolai Kardashev lui-même (qui était à l'avant-garde de ce projet) décide quelles candidatures seront acceptées pour le travail.


Une photo du cœur de la galaxie NGC 1275 Perseus A vue depuis un télescope au sol et Radio Astron.

Au cours de la première année de fonctionnement, plus de 100 observations radio-interférométriques ont été effectuées, pour une durée totale de plus de 200 heures. Parmi les objets observés figuraient 29 quasars, 9 pulsars et 6 masers. Au début des observations, elles ont été réalisées avec une petite base (la distance entre les télescopes) et ont progressivement augmenté au maximum: dans les observations du quasar 3C273 de janvier 2013, le premier record du monde de résolution angulaire a été établi sur la base de 8,1 diamètres terrestres - il s'élevait à 27 microsecondes d'arc (compte tenu de la distance à l'objet, sa taille était limitée "par le haut" avec un diamètre de 0,3 année-lumière). Déjà en 2013, bien avant que le projet n'atteigne sa pleine capacité, il a été constaté que la température de luminosité de la substance dans les jets de quasar dans la gamme radio est de 10 billions de degrés - ce qui est 100 fois plus élevé que la limite des théories qui existaient à l'époque. Le 14 février 2014, Radio Astron a reçu un résultat original qui n'avait aucun rapport avec la science - il a été inclus dans le Livre Guinness des records en tant que plus grand télescope en orbite au monde.

De plus, la résolution maximale du télescope a également continué d'augmenter: en 2015, Radio Astron a observé le quasar OJ287 (le deuxième plus grand trou noir actuellement ouvert par une personne d'une masse de 18 milliards de masses solaires autour duquel un autre trou noir tourne avec une masse de «seulement» 140 millions masse du Soleil) a reçu une résolution de 14 microsecondes. En 2016, ce record a été amélioré à un indicateur de 11 microsecondes lors de l'observation d'un nuage de vapeur d'eau avec un rayon de 80 distances de la Terre au Soleil à une distance de 20 millions d'années-lumière (ces observations ont permis d'établir que ces «masques spatiaux» ont des tailles très compactes) .


Un autre exemple de comparaison des résolutions du réseau de télescopes au sol et de Radio Astron est le tournage du blazar 0836 + 710.

RadioAstron a également fait une découverte inattendue pour tout le monde: il a découvert la diffusion dite sous - structurelle , qui consiste en ce que le gaz interstellaire réfracte l'émission radio de structures compactes, créant plusieurs «spots» distincts à la place d'une source de signal. Cet effet nous permet d'étudier non seulement l'objet observé dans les ondes radio, mais aussi le milieu situé entre nous. Cependant, ce phénomène crée également des problèmes, car il rend difficile de voir l'objet observé dans tous les détails. Par conséquent, en 2016, les scientifiques ont développé une méthode de reconstruction d'image , qui devrait vous permettre de voir les sources de rayonnement derrière les nuages ​​de gaz et de poussière interstellaires, comme un trou noir supermassif situé au centre de notre galaxie et ses étoiles environnantes.

Le télescope est également utilisé dans de nombreuses autres études scientifiques qui nécessitent des observations avec une résolution particulièrement élevée, et ses horloges atomiques ont été utilisées dans une expérience pour confirmer la théorie générale de la relativité en termes de phénomène de dilatation du temps dans un objet en mouvement. Toutes les données n'ont pas encore été traitées, mais la théorie a déjà été confirmée avec une précision de 0,01% (ce qui correspond à la précision de la mission Gravity Probe A ), et après traitement de toutes les données, la précision de l'expérience devrait augmenter d'un ordre de grandeur. En 2017, l'appareil était à court d' hydrogène neutre pour le fonctionnement de ses horloges atomiques, les scientifiques ont donc dû passer à deux autres méthodes de synchronisation: l'étalon de fréquence rubidium et la «boucle fermée» - le deuxième mode s'est avéré plus précis, et il consiste à envoyer un télescope un signal de référence à une fréquence de 7 GHz, qui est renvoyé à une fréquence de 8 GHz. De ce fait, il est possible de compenser les retards de transmission du signal, qui changent en raison de l'inhomogénéité de l'atmosphère, et d'obtenir la précision nécessaire dans la synchronisation des observations. L'expérience pour tester la théorie de la relativité était déjà terminée à ce moment-là, donc la perte d'une horloge atomique ne menace en rien le programme scientifique du télescope.


L'un des clichés récents de RadioAstron: le cœur de la galaxie active BL Lizards située à 900 millions de sv. ans de nous

Au total, au cours des 5 premières années de travail, plus de 5 000 expériences scientifiques ont été menées. Au cours du dernier programme scientifique, plus de 100 demandes ont été reçues pour travailler avec l'appareil et environ 500 observations ont été faites, ce qui montre que l'intérêt des scientifiques pour le projet ne diminue pas, mais augmente même. Au cours du programme scientifique de 2017-2018, lors des observations du mégamaser NGC 4258, en collaboration avec le télescope de Medicin (Italie), Radio Astron a réussi à se rapprocher de sa limite théorique de performance, atteignant une résolution de 8 microsecondes d'arc. L'acceptation des candidatures pour le prochain programme d'observation (qui est déjà le sixième consécutif) a commencé le 22 décembre 2017 et a duré un mois standard ( voici une liste des études qui ont remporté le concours). Pendant les travaux de RadioAstron, des observatoires de presque partout dans le monde, y compris l'Europe, les États-Unis, la Chine, le Japon, l'Australie, l'Afrique du Sud et même la Corée du Sud, ont participé à des observations interférométriques avec lui.

Et maintenant, nous allons passer aux questions du participant direct au projet:

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 de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, répond aux questions.

Quels observatoires et pays participent aux observations interférométriques avec Radio Astron?

Presque tous les grands télescopes du monde ont participé au moins une fois aux observations avec Radio Astron, jusqu'à ~ 40 télescopes simultanément. De nombreux pays et plusieurs continents: Europe / Asie, Amérique, Afrique, Australie. Parmi les antennes rotatives régulièrement observées, par exemple, les plus grandes du monde avec un diamètre de 100 mètres - à Green Bank (USA) et Effelsberg (Allemagne), ainsi que de nombreux autres télescopes.

Les puissances de calcul étrangères sont-elles utilisées pour traiter et comparer les résultats des observations interférométriques?

En général, les principales ressources informatiques sont la corrélation des données d'une station au sol et d'un télescope spatial. Régulièrement, une corrélation est effectuée à Moscou (ACC FIAN) et à Bonn (Max-Planck-Institut für Radioastronomie), et différents logiciels sont utilisés - des tests spéciaux ont été effectués pour coordonner les résultats. De plus, malgré le fait qu'il ne s'agit pas exactement de «puissance de calcul», la contribution de l'Observatoire de la Banque verte (USA) est importante. Là, un équipement d'émission et de réception spécial a été installé qui vous permet de vous connecter au satellite même lorsqu'il n'est pas visible depuis le territoire de la Russie (une station de communication à Pushchino, près de Moscou).

Combien d'applications pour travailler avec un télescope dépassent ses capacités? Comment le temps est-il réparti entre les organisations scientifiques nationales et étrangères?

Malgré le fait que certains programmes à long terme pour l'examen et la surveillance des noyaux galactiques actifs se soient récemment achevés, le volume de demandes soumises dépasse toujours les capacités du télescope. Lors de la répartition du temps entre les applications, peu importe le pays d'origine de l'auteur principal: comme pour la plupart des télescopes dans le monde, le temps est fourni selon un concours général ouvert. Cela permet d'utiliser le temps de tels instruments coûteux d'un point de vue scientifique plus efficacement que s'il y avait des restrictions nationales. De même, d'une manière générale, il est impossible de séparer les candidatures des «organisations nationales et étrangères», car elles sont soumises par une équipe arbitraire d'auteurs, qui comprend généralement des scientifiques de différents pays.


Spectrum-RG (Spectrum-X-ray Gamma)

Le lancement de Millimetron a été reporté pendant longtemps en raison d'une réduction du budget de Roscosmos, mais récemment, ils ont de nouveau commencé à parler de la reprise de la construction du troisième radiotélescope RT-70 sur le plateau du Suff - y a-t-il d'autres projets de radioastronomie en développement maintenant?

Relativement bientôt, au printemps 2019, il est prévu de lancer le prochain satellite de la série Spectrum - Spektr-RG, c'est-à-dire Gamma à rayons X. Il sera situé près du point Lagrange L2, c'est-à-dire bien plus loin que RadioAstron: près de 2 millions de km contre 350 mille km. , .


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Les références

Bulletin de l'ONG du nom Lavochkin dédié au 3ème et 5ème anniversaire du projet
Base de recherche ouverte
Rubrique sur RadioAstron sur le site Cosmonautics News
Voici des reportages sur le fonctionnement du télescope
Et voici les publications scientifiques du projet