Sisi teknis RadioAstron

Bidikan langit berbintang "GLEAM" dibuat dalam kisaran gelombang radio 70-230 MHz. Di tengah foto adalah Bima Sakti , dan di sisi - sekitar 300 ribu galaksi lainnya.

Teleskop radio ruang angkasa Astron Radio saat ini memiliki resolusi sudut terbesar di antara semua teleskop, dan mungkin juga merupakan proyek ilmiah paling berhasil dari astronotika tak berawak Rusia.


Izin Radio Astron cukup untuk membedakan satelit di sisi yang berlawanan dari IEO dari Proxima Centauri atau untuk membedakan sinyal dari dua objek di ujung orbit Bumi dari ujung lain dari galaksi kita.

Hari ini kita akan berbicara tentang sisi teknis kerja RadioAstron dengan Alexander Plavin, seorang peneliti di laboratorium astronomi radio extragalactic dari Pusat Antariksa Astronomi Institut Fisika Lebedev dan laboratorium penelitian objek relativistik di MIPT.


Teleskop radio digunakan untuk berkomunikasi dengan Radio Astron.

Berapa rata-rata RadioAstron menghasilkan data ilmiah per hari? Berapa luas area yang digunakan untuk penyimpanan dan pemrosesan?

Singkatnya, lalu langsung dari satelit - sekitar 100 GB per hari, dari semua teleskop yang bekerja bersama - sekitar 5 terabyte. Untuk pemrosesan, 1 TFlop / s cluster per CPU digunakan, untuk penyimpanan, agregat HDD dan kaset pada dasarnya menempati satu ruangan.

Secara lebih rinci: selama pengamatan langsung dari satelit, ada aliran data ilmiah di 128 Mbit / s + data tambahan dan + margin. Dan kecepatan seperti itu secara stabil dicapai untuk setiap posisi satelit di orbit - dari 600 km hingga 340 ribu km. Namun, sebagian besar waktu teleskop tidak benar-benar mengamati apa pun. Ada tiga alasan utama untuk ini:

1) Interferometer radio bukan satu antena, tetapi beberapa teleskop radio yang bekerja bersama-sama. Oleh karena itu, selain dari satelit terbang Spektr-R, antena terestrial diperlukan, semakin besar (dalam ukuran dan kuantitas) semakin baik. Dengan demikian, teleskop ini harus mencurahkan waktu mereka untuk kolaborasi, dan mereka memiliki program pengamatan lainnya. Dan Anda perlu memilih waktu ketika objek yang diamati terlihat baik dari satelit (tentu saja ini adalah masalah yang lebih kecil) dan dari semua teleskop yang berpartisipasi - dan Bumi berputar.

2) Penerimaan data dari Radio Astron dilakukan hanya melalui salah satu dari dua antena di Bumi: di Pushchino (wilayah Moskow) dan di Green Bank (AS). Dengan demikian, dari salah satu stasiun ini, satelit harus terlihat untuk seluruh periode pengamatan, dan cukup tinggi di atas cakrawala.

3) Peralatan penerima dan transmisi di papan tidak dirancang untuk operasi terus-menerus selama berjam-jam - terlalu panas, baik langsung dari pekerjaannya maupun dari Matahari, jika jatuh pada perangkat dengan orientasi yang sesuai. Dalam kebanyakan kasus, ini membatasi pengamatan tidak secara mendasar, tetapi kebetulan bahwa sesi tertentu perlu dipersingkat atau dibatalkan karena keterbatasan teknis semacam ini.

Sebagian besar data diperoleh dari teleskop radio berbasis darat yang bekerja bersama. Faktanya adalah bahwa sensitivitas efektif dari seluruh sistem operasi bersama (interferometer radio) meningkat dengan sensitivitas masing-masing teleskop, sehingga data dari stasiun darat dicatat dalam pita terluas dan, dengan demikian, dengan aliran besar. Biasanya - beberapa Gbit / s dari satu teleskop, yang secara bersamaan bekerja hingga beberapa lusin, waktu sesi - hingga beberapa jam. Semua data ini dengan cara yang berbeda (saluran Internet yang dialokasikan secara khusus, mengirim HDD melalui surat, dan bahkan mengangkut HDD ke arah yang benar oleh karyawan) termasuk dalam departemen pemrosesan korelasi: yang utama di FIAN ACC di Moskow, juga di Bonn (Jerman).

Sekarang jumlah total data adalah pet5 petabyte, mereka disimpan mulai dari percobaan pertama, dan penghapusan tidak direncanakan. Terlepas dari kenyataan bahwa hanya data yang diproses pada korelator yang langsung digunakan (yang, pada kenyataannya, mengekstraksi sinyal dari sumber, sama untuk semua teleskop, dari interferensi, yang berbeda di mana-mana) dan memiliki pesanan dengan ukuran yang lebih kecil, data mentah asli dapat digunakan dan Kadang-kadang mereka digunakan untuk diproses, jika sesuatu telah diperbaiki / diperbaiki dalam algoritma, atau informasi yang lebih akurat tentang orbit satelit telah diperoleh. Data disimpan baik di disk maupun kaset (arsip), dan bahkan menempati satu ruangan. Untuk pemrosesan, kluster CPU digunakan dengan kapasitas total sekitar 1 TFlop / s, ≈100 core. Ini cukup dengan margin: untuk pengamatan umum, korelasi terjadi beberapa kali lebih cepat daripada waktu nyata, yang memungkinkan Anda untuk membandingkan parameter yang berbeda dengan aman dan pengaruhnya terhadap hasilnya.


Desain peralatan

Radio Astron berada di orbit yang sangat memanjang: sejauh yang saya mengerti, selain kemungkinan melakukan pengamatan dengan cara ini dalam berbagai kondisi, ini masih memungkinkan sebagian besar waktu untuk menggunakan pelat yang ditempatkan di Rusia untuk komunikasi?

Secara umum, perpanjangan orbit dan penggunaan antena Rusia tidak terhubung dengan cara apa pun - Bumi berputar. Selain itu, penerimaan data dengan kesuksesan yang sama dapat dilakukan oleh salah satu dari dua stasiun pelacakan - satu di Rusia dan Amerika Serikat. Pada keduanya, peralatan khusus dipasok secara khusus, baik penerima maupun pemancar.

Perpanjangan orbit memberikan berbagai keuntungan:

- Sepasang teleskop radio yang terletak di tempat-tempat tetap memberikan pengukuran yang pada dasarnya hanya satu titik di wilayah frekuensi spasial (Transformasi Fourier dari gambar yang diamati); dengan mempertimbangkan rotasi Bumi, satu busur elips diperoleh. Semakin banyak titik / busur diukur (dan untuk rentang jarak seluas mungkin), semakin baik untuk pemulihan gambar. Oleh karena itu, orbit memanjang memungkinkan Anda untuk mengukur frekuensi spasial tidak hanya pada satu elips yang berpusat di Bumi, seperti halnya untuk orbit melingkar, tetapi pada berbagai jarak - dari beberapa ribu kilometer (jarak yang lebih kecil hanya ditutupi oleh sepasang teleskop yang terletak di Bumi) hingga maksimal 300 + ribu kilometer, meski hampir hanya dalam satu arah. Peluang seperti itu benar-benar sering digunakan - sumber yang sama diamati baik pada jarak yang jauh dari satelit, dan ketika mendekati kita.

- Dengan bantuan satelit, masalah ilmiah lainnya yang tidak terkait dengan astronomi radio juga terpecahkan. Sebagai contoh, ini berisi standar hidrogen paling akurat yang pernah diluncurkan ke luar angkasa (jam atom), yang memungkinkan untuk memverifikasi dengan akurasi tertinggi keberadaan penyimpangan dari pelebaran waktu yang diprediksi oleh relativitas umum (sejauh ini tidak ada perbedaan yang ditemukan). Untuk ini, penting bahwa orbitnya sangat panjang.


Teleskop berbasis darat paling mahal di zaman kita (harga ≈ $ 2 miliar) adalah SKA atau “susunan antena kilometer persegi”. Pada awal tahun lalu, sampel antena pertama dirakit yang akan terdiri, dan tahun ini pembangunannya harus dimulai.

Untuk 3 dari 4, rentang operasi RadioAston menunjukkan satu frekuensi operasi spesifik: apakah kecepatan teleskop radio terus berubah ketika bergerak di orbit yang digunakan sebagai semacam "modulator frekuensi"?

Kecepatan satelit sangat rendah dibandingkan dengan kecepatan cahaya sehingga tidak memberikan manfaat apa pun untuk pengamatan - frekuensi berubah oleh sebagian kecil persen. Meskipun, tentu saja, itu adalah efek Doppler yang digunakan untuk pengukuran presisi tinggi dari kecepatan perangkat - kesalahan urutan milimeter per detik.


Di gedung yang tidak mencolok ini, Radio Astron lahir. Tur foto terperinci dari Observatorium Astronomi Radio Pushchino tersedia di sini .

Berapa banyak dari total waktu yang dikelola Radio Astron untuk dimuat kira-kira?

Bahkan, sekarang pengamatan langsung dilakukan sekitar 20% dari waktu, tidak memperhitungkan berbagai prosedur teknis: membongkar orientasi roda gila, memanaskan dan mendinginkan penerima, mengirim perintah dan mendiagnosis operasi semua node, penyelarasan (klarifikasi orientasi), dll.


Orbit RadioAstron dan sabuk radiasi

Radio Astron harus menghabiskan sebagian besar waktu di luar medan magnet Bumi dan melewati hampir 100 kali setahun melalui sabuk radiasi: apakah radiasi diakumulasikan oleh panel surya dan elektronik sebagai faktor pembatas untuk melanjutkan operasinya, atau apakah masa kerjanya dibatasi oleh sumber daya roda gila yang mengendalikan posisinya / faktor lain ? Apakah ada perkiraan berapa banyak yang bisa dia kerjakan?

Ngomong-ngomong, justru karena lewat melalui sabuk radiasi, ternyata bermanfaat untuk meletakkan berbagai instrumen pada sensor partikel bermuatan satelit untuk penyelidikan rutin terhadap lingkungan Bumi yang demikian.

Waktu pengoperasian dapat dibatasi untuk perangkat apa pun - bahkan elektronik, bahkan roda gila. Berbagai node secara bertahap gagal, yang diharapkan - kehidupan yang direncanakan adalah 5 tahun, dan RadioAstron sudah terbang 6,5. Tetapi pada saat ini dimungkinkan untuk melakukan (dan melakukan) hampir semua jenis pengamatan, tanpa kerugian yang signifikan. Dari yang terakhir, pada musim panas 2017, hidrogen untuk standar hidrogen (jam atom) berakhir di papan, jadi sekarang pengamatan dilakukan dalam mode sinkronisasi dengan Bumi. Tidak ada yang salah dengan itu - pada kenyataannya, itu adalah metode yang awalnya direncanakan untuk semua pengamatan sama sekali. Standar hidrogen lebih seperti peralatan eksperimental, tetapi ternyata bekerja tanpa masalah dan memberikan kecepatan perjalanan yang tinggi. Dengan demikian, digunakan untuk pengamatan selama 6 tahun; antara lain, itu lebih nyaman secara organisasi: misalnya, radiasi dari Bumi tidak diperlukan dan tidak perlu dikoordinasikan.

Ada juga node yang awalnya dipesan 2-3 kali, dan 1-2 dari salinan ini rusak. Sebagai contoh, roda gila yang memutar dan menstabilkan peralatan - sekarang kecepatan rotasi yang dapat dicapai secara signifikan lebih rendah daripada yang dimungkinkan pada awal pekerjaan, tetapi masih dalam batas yang dihitung. Sesuatu telah kehilangan sebagian fungsinya - misalnya, salah satu polarisasi dalam beberapa rentang tidak tersedia untuk pengamatan.

Semua hal di atas tidak mengganggu pengamatan dan penerimaan aplikasi untuk mereka - karakteristik utamanya normal. Tidak ada yang berani memprediksi sisa waktu kerja, karena hampir tidak mungkin untuk menentukan kapan setiap simpul vital yang tersisa dalam satu salinan gagal.


Pada pertengahan 2016, Radio Astron menyelesaikan misi 5 tahun utamanya dan memulai misi yang diperluas.

Apa penemuan ilmiah terbesar RadioAstron saat ini?

Saya akan menyoroti hal-hal yang paling penting:

- Penemuan bahwa efek hamburan radiasi pada medium antarbintang tidak hanya terdiri dari "buram" gambar, tetapi detail kecil juga muncul, seperti "riak". Di satu sisi, ini memungkinkan untuk melihat dengan RadioAstron berbagai objek seperti pulsar yang tidak akan terlihat (interferometer pada dasarnya tidak peka terhadap struktur seragam / tersebar yang seragam), dan di sisi lain, efek ini sekarang harus diperhitungkan, misalnya, ketika bekerja dengan Event Horizon Telescope , yang mencoba "melihat" bayangan lubang hitam di pusat galaksi kita. Sebenarnya, kami dan tim EHT bekerja sangat erat dalam masalah ini.

- Deteksi kecerahan sangat tinggi di pusat galaksi aktif. Sebelumnya diyakini (tidak hanya dari pengamatan - ada teori fisik yang masuk akal yang meramalkan ini) bahwa mereka adalah urutan besarnya atau dua kurang jelas, dan karenanya, penemuan semacam itu secara substansial melengkapi pemahaman kita tentang objek-objek ini, dan beberapa asumsi teori dibantah.

"Langsung menggunakan gambar resolusi tinggi, kami dapat menyelidiki untuk pertama kalinya struktur internal jet (emisi) dari galaksi aktif, gelombang laser gelombang mikro di cakram debu di galaksi kita, dan banyak lagi.


Keuntungan menggunakan interferometri menggunakan contoh sepasang teleskop 8-meter dari kompleks VLT .

Radio Astron memiliki resolusi beberapa kali lebih tinggi daripada teleskop radio darat: mungkinkah mendeteksi sistem biner atau visual-biner dari sumber radio dengan cara ini?

Pada panjang gelombang yang sama, resolusinya sepuluh kali lebih besar: kita membandingkan diameter bumi 12.000 km dan 340 ribu km puncak orbit. Meskipun tidak ada deteksi spesifik sistem biner di RadioAstron, pada kenyataannya, sampai saat ini, tidak ada yang terlibat dalam tugas ini - tidak ada cukup tangan. Ada harapan bahwa akan mungkin untuk menemukan sesuatu seperti ini berdasarkan data pengamatan yang ada.


Perbandingan gambar dalam spektra nampak dan inframerah dari Eagle nebula : di sini Anda dapat melihat dengan jelas bagaimana panjang gelombang besar memungkinkan Anda untuk melihat lebih jauh ke dalam awan molekul .

Sekarang diindikasikan bahwa China akan menempatkan dua peralatannya di orbit yang mirip dengan Radio Astron: apakah ada rencana untuk menyelesaikan pekerjaan teleskop kita untuk meluncurkan peralatan baru dengan karakteristik yang lebih baik atau sudah ada di orbit matahari?

Proyek China itu tidak "lebih baik" dari Radio Astron, hanya sedikit berbeda: ia menargetkan rentang frekuensi gelombang yang lebih tinggi, 8, 22 dan 43 GHz. Radio Astron, sebagai perbandingan, beroperasi pada 0,3, 1,6, 5, 22 GHz - yaitu, hanya satu band yang cocok. Objek yang berbeda memancarkan frekuensi yang berbeda, dan sifat-sifat medium antarbintang juga berbeda, oleh karena itu data ilmiah dari proyek ini akan saling melengkapi dengan baik.

Tidak banyak gunanya menempatkan interferometer radio ke dalam orbit matahari jika diamati bersama dengan teleskop terestrial - di samping masalah yang jelas dari penentuan posisi yang presisi, apa yang saya tulis di atas berperan di sini - sangat diinginkan untuk memiliki cakupan yang padat dari wilayah frekuensi spasial dengan pengukuran. Dan jika satu antena berada pada jarak sekitar 1 AU, dan semua teleskop lainnya di Bumi, maka manfaatnya jauh lebih sedikit.

Dalam waktu dekat adalah teleskop Spectrum-RG (X-ray gamma) yang hampir siap, yang dijadwalkan akan diluncurkan pada awal 2019. Ini adalah satu-satunya proyek teleskop ruang angkasa sinar-X di dunia untuk tahun-tahun mendatang, dan itu juga (seperti RadioAstron, Spektr-R) akan memberikan peningkatan pengamatan yang signifikan dibandingkan dengan instrumen yang ada.

Terima kasih banyak kepada Alexander Plavin untuk wawancara ini. Jika Anda juga ingin mengucapkan terima kasih atau menanyakan pertanyaan Anda, inilah nama panggilannya: chersanya