O lado técnico da RadioAstron

Um tiro do céu estrelado "GLEAM" feito na faixa de ondas de rádio 70-230 MHz. No centro da foto está a Via Láctea , e nas laterais - cerca de 300 mil outras galáxias.

Atualmente, o radiotelescópio espacial Radio Astron tem a maior resolução angular entre todos os telescópios e também é talvez o projeto científico de maior sucesso da astronáutica não tripulada russa.


As permissões da Radio Astron são suficientes para distinguir satélites em lados opostos do IEO do Proxima Centauri ou para distinguir os sinais de dois objetos nas extremidades da órbita da Terra da outra extremidade da nossa galáxia.

Hoje, falaremos sobre o lado técnico do trabalho da RadioAstron com Alexander Plavin, pesquisador do laboratório de radioastronomia extragalática do Centro Espacial de Astronomia do Instituto Físico Lebedev e do laboratório de pesquisa de objetos relativísticos do MIPT.


Radiotelescópios usados ​​para se comunicar com a Rádio Astron.

Quanto, em média, a RadioAstron produz dados científicos por dia? Qual o tamanho das áreas usadas para armazená-lo e processá-lo?

Em resumo, diretamente do satélite - cerca de 100 GB por dia, de todos os telescópios trabalhando juntos - cerca de 5 terabytes. Para o processamento, é usado 1 cluster TFlop / s por CPU; para armazenamento, o agregado de HDDs e fitas ocupa basicamente uma sala.

Mais detalhadamente: durante observações diretas do satélite, há um fluxo de dados científicos a 128 Mbit / s + dados adicionais e + margem. E essa velocidade é alcançada de maneira estável para qualquer posição de satélite em órbita - de 600 km a 340 mil km. No entanto, na maioria das vezes o telescópio não observa nada. Há três razões principais para isso:

1) Um interferômetro de rádio não é uma antena, mas vários radiotelescópios trabalhando em conjunto e simultaneamente. Portanto, além do satélite voador Spektr-R, são necessárias antenas terrestres, quanto maiores (em tamanho e quantidade), melhor. Consequentemente, esses telescópios devem dedicar seu tempo à colaboração e possuem outros programas de observação. E você precisa escolher a hora em que o objeto observado é visível tanto no satélite (esse é um problema menor, é claro) quanto em todos os telescópios participantes - e a Terra gira.

2) A recepção de dados da Radio Astron é realizada apenas através de uma das duas antenas da Terra: em Pushchino (região de Moscou) e em Green Bank (EUA). Consequentemente, a partir de uma dessas estações, o satélite deve estar visível durante todo o período de observação e bem acima do horizonte.

3) O equipamento de recepção e transmissão a bordo não foi projetado para muitas horas de operação contínua - superaquece, diretamente do trabalho e do Sol, se cair sobre o dispositivo na orientação apropriada. Na maioria dos casos, isso limita as observações não fundamentalmente, mas acontece que uma determinada sessão precisa ser reduzida ou cancelada devido a limitações técnicas desse tipo.

A maioria dos dados é obtida a partir de radiotelescópios terrestres trabalhando juntos. O fato é que a sensibilidade efetiva de todo o sistema operacional conjunto (interferômetro por rádio) aumenta com o aumento da sensibilidade dos telescópios individuais; portanto, os dados das estações terrestres são registrados na faixa mais larga e, consequentemente, em um fluxo grande. Normalmente - alguns Gbit / s de um telescópio, que trabalha simultaneamente até algumas dúzias, o tempo da sessão - até várias horas. Todos esses dados de maneiras diferentes (canais de Internet especialmente alocados, enviando HDDs por correio e até transportando HDDs na direção certa pelos funcionários) se enquadram nos departamentos de processamento de correlação: o principal no FIAN ACC em Moscou, também em Bonn (Alemanha).

Agora, a quantidade total de dados é de ± 5 petabytes, eles são armazenados a partir das primeiras experiências e a exclusão não está planejada. Apesar do fato de que apenas os dados processados ​​no correlacionador são usados ​​diretamente (que, de fato, extraem o sinal da fonte, o mesmo para todos os telescópios, da interferência, que são diferentes em todos os lugares) e com ordens de magnitude menor, os dados brutos originais podem ser usados ​​e Às vezes, eles são usados ​​para processamento, se algo foi aprimorado / corrigido nos algoritmos ou se foram obtidas informações mais precisas sobre a órbita do satélite. Os dados são armazenados em discos e fitas (arquivo morto) e, de fato, ocupam uma sala. Para o processamento, um cluster de CPU é usado com uma capacidade total de cerca de 1 TFlop / s, ~ 100 núcleos. Isso é suficiente com uma margem: para uma observação típica, a correlação ocorre várias vezes mais rápido que o tempo real, o que permite comparar com segurança diferentes parâmetros e sua influência no resultado.


Design do aparelho

O RadioAstron está em uma órbita muito prolongada: até onde eu entendo, além da possibilidade de realizar observações dessa maneira em uma ampla gama de condições, isso ainda permite na maioria das vezes usar placas colocadas na Rússia para comunicação?

Em geral, o alongamento da órbita e o uso de antenas russas não estão particularmente conectados de forma alguma - a Terra está girando. Além disso, a recepção de dados com igual sucesso pode ser realizada por qualquer uma das duas estações de rastreamento - uma na Rússia e nos Estados Unidos. Em ambos, equipamentos especiais foram fornecidos especialmente, tanto para recebimento quanto para transmissão.

O alongamento da órbita oferece várias vantagens:

- Um par de radiotelescópios localizados em locais fixos permite medir essencialmente apenas um ponto na região de frequências espaciais (transformada de Fourier a partir da imagem observada); levando em consideração a rotação da Terra, um arco da elipse é obtido. Quanto mais pontos / arcos forem medidos (e para o maior número possível de distâncias), melhor será a restauração da imagem. Portanto, uma órbita alongada permite medir freqüências espaciais não apenas em uma elipse centrada na Terra, como seria para uma órbita circular, mas em várias distâncias - de vários milhares de quilômetros (distâncias menores são cobertas por pares de telescópios localizados na Terra) até um máximo de 300 + mil quilômetros, embora quase apenas em uma direção. Essa oportunidade é realmente usada com frequência - a mesma fonte é observada a uma grande distância do satélite e quando ele se aproxima de nós.

- Com a ajuda do satélite, outros problemas científicos que não estão relacionados à radioastronomia também são resolvidos. Por exemplo, ele contém os padrões de hidrogênio mais precisos já lançados no espaço (relógios atômicos), o que possibilita verificar com a maior precisão a presença de desvios da dilatação do tempo prevista pela relatividade geral (até que não sejam encontradas discrepâncias). Para isso, é importante que a órbita seja muito alongada.


O telescópio terrestre mais caro do nosso tempo (preço de US $ 2 bilhões) é o SKA ou "conjunto de antenas de quilômetros quadrados". No início do ano passado, foi montada a primeira amostra de antena, da qual ela será composta, e este ano sua construção deve começar.

Para 3 em 4, o alcance operacional da RadioAston indica uma frequência operacional específica: a velocidade do radiotelescópio muda constantemente durante o curso de seu movimento em órbita, usada como uma espécie de "modulador de frequência"?

A velocidade do satélite é tão baixa em relação à velocidade da luz que não traz nenhum benefício para as observações - a frequência muda em pequenas frações de um por cento. Embora, é claro, seja o efeito Doppler que é usado para a medição de alta precisão da velocidade do dispositivo - um erro da ordem de milímetros por segundo.


Nesse prédio discreto, nasceu a Radio Astron. Um tour fotográfico detalhado do Observatório de Rádio Astronomia Pushchino está disponível aqui .

Quanto tempo o Radio Astron consegue carregar aproximadamente?

De fato, agora as observações diretamente são realizadas cerca de 20% do tempo, sem levar em consideração vários procedimentos técnicos: descarregar a orientação do volante, aquecer e resfriar os receptores, enviar comandos e diagnosticar a operação de todos os nós, alinhar (esclarecer a orientação), etc.


Orbit RadioAstron e cintos de radiação

A Radio Astron passa a maior parte do tempo fora do campo magnético da Terra e passa quase 100 vezes por ano através de cintos de radiação: a radiação acumulada por painéis solares e eletrônicos é um fator limitante para continuar sua operação ou sua vida útil é limitada pelo recurso dos volantes que controlam sua posição / outro fator ? Existe alguma estimativa de quanto ele pode resolver ainda?

A propósito, precisamente por causa da passagem pelo cinturão de radiação, mostrou-se útil colocar vários instrumentos nos sensores de partículas carregados por satélite para investigar regularmente esse ambiente da Terra.

O tempo de operação pode ser limitado a qualquer dispositivo - mesmo eletrônicos, até um volante. Vários nós estão falhando gradualmente, o que é esperado - a vida planejada foi de 5 anos e o RadioAstron já está voando 6.5. Mas no momento é possível realizar (e realizar) quase todos os tipos de observações, sem perdas significativas. Deste último, no verão de 2017, o hidrogênio para o padrão de hidrogênio (relógios atômicos) terminou a bordo; agora, as observações são feitas no modo de sincronização com a Terra. Não há nada de errado nisso - de fato, esse método foi originalmente planejado para todas as observações. O padrão de hidrogênio era mais como um equipamento experimental, mas descobriu-se que ele funciona sem problemas e fornece a alta constância necessária de deslocamento. Consequentemente, foi utilizado para observações por 6 anos; entre outras coisas, é mais conveniente organizacionalmente: por exemplo, a radiação da Terra não é necessária e não precisa ser coordenada.

Também existem nós que foram originalmente reservados 2 a 3 vezes e 1-2 dessas cópias estão com defeito. Por exemplo, os volantes que giram e estabilizam o aparelho - agora a velocidade de rotação alcançável é significativamente menor do que a que era possível no início do trabalho, mas ainda está dentro dos limites calculados. Algo perdeu parte de sua funcionalidade - por exemplo, uma das polarizações em algumas faixas não está disponível para observação.

Todos os itens acima não interferem na observação e aceitação de aplicativos para eles - as principais características são normais. Ninguém se compromete a prever o restante do tempo de trabalho, porque é quase impossível determinar quando qualquer nó vital que permanece em uma única cópia falha.


Em meados de 2016, a Radio Astron completou sua principal missão de 5 anos e embarcou em uma missão expandida.

Quais são as maiores descobertas científicas da RadioAstron no momento?

Eu destacaria as coisas mais significativas:

- A descoberta de que o efeito da dispersão da radiação no meio interestelar consiste não apenas no "desfoque" esperado da imagem, mas também aparecem pequenos detalhes, como "ondulações". Por um lado, isso possibilitou ver com o RadioAstron vários objetos, como pulsares que não seriam visíveis (o interferômetro é fundamentalmente insensível a uma estrutura estendida / difusa uniforme) e, por outro, agora esse efeito deve ser levado em consideração, por exemplo, ao trabalhar com o Event Horizon Telescope , quem está tentando "ver" a sombra de um buraco negro no centro da nossa galáxia. Na verdade, nós e a equipe do EHT trabalhamos bastante de perto nessas questões.

- Detecção de brilho extremamente alto nos centros de galáxias ativas. Anteriormente, acreditava-se (não apenas pelas observações - existem teorias físicas razoáveis ​​que previam isso) que elas são uma ordem de magnitude ou duas menos vívidas e, portanto, tal descoberta suplementou substancialmente nossa compreensão desses objetos, e algumas suposições de teorias foram refutadas.

“Usando diretamente imagens de alta resolução, fomos capazes de investigar pela primeira vez a estrutura interna de jatos (emissões) de galáxias ativas, masters de laser de microondas em discos de poeira em nossa galáxia e muito mais.


As vantagens de usar interferometria usando um exemplo de um par de telescópios de 8 metros do complexo VLT .

O Radio Astron possui uma resolução várias vezes maior do que os radiotelescópios terrestres: foi possível detectar qualquer sistema binário ou visual-binário de fontes de rádio dessa maneira?

No mesmo comprimento de onda, a resolução é dez vezes maior: comparamos os 12 mil km de diâmetro da Terra e 340 mil km o apogeu da órbita. Embora não haja detecções específicas de sistemas binários no RadioAstron, de fato, até recentemente, ninguém estava envolvido nessa tarefa - não há mãos suficientes. Há expectativas de que seja possível encontrar algo assim com base nos dados observacionais existentes.


Comparação de imagens nos espectros visível e infravermelho da nebulosa Eagle : aqui você pode ver claramente como o grande comprimento de onda permite que você olhe mais para a nuvem molecular .

Agora, indica-se que a China colocará em órbita dois de seus aparelhos semelhantes ao Radio Astron: existem planos sendo considerados para concluir o trabalho do nosso telescópio para lançar um novo aparelho com melhores características ou já em órbita solar?

O projeto chinês não é "melhor" que o Radio Astron, é um pouco diferente: tem como alvo as faixas de frequência mais altas das ondas, 8, 22 e 43 GHz. O Radio Astron, por comparação, opera em 0,3, 1,6, 5, 22 GHz - ou seja, apenas uma banda corresponde. Diferentes objetos emitem em diferentes frequências, e as propriedades do meio interestelar também diferem; portanto, os dados científicos desses projetos se complementam bem.

Não faz muito sentido colocar o interferômetro de rádio na órbita solar se for observado junto com telescópios terrestres - além dos problemas óbvios da determinação de alta precisão de sua posição, o que escrevi acima desempenha um papel aqui - é muito desejável ter uma cobertura densa da região de frequência espacial com medições. E se uma antena estiver a uma distância de cerca de 1 UA, e todos os outros telescópios da Terra, os benefícios serão muito menores.

O futuro próximo é o telescópio Spectrum-RG quase pronto (gama de raios-X), que está programado para ser lançado no início de 2019. Este é o único projeto de telescópio espacial de raios X no mundo nos próximos anos e também (como RadioAstron, Spektr-R) fornecerá melhorias observacionais significativas em comparação com os instrumentos existentes.

Muito obrigado a Alexander Plavin pela entrevista. Se você também quer agradecê-lo ou fazer suas perguntas, aqui está o apelido dele: chersanya