Поймать радиоголоса космоса

Сооружение нового гигантского радиотелескопа, который будет принимать радиоизлучение из космоса в декаметровом и метровом диапазонах, начато на территории обсерватории харьковского Радиоастрономического института НАНУ в нескольких десятках километров от Харькова. По своим параметрам этот исследовательский инструмент не будет уступать аналогичным телескопам, которые сейчас создаются в мире. Амбициозный проект начал воплощаться в жизнь в соответствии с целевой программой Национальной Академии наук, посвященной перспективному развитию низкочастотной радиоастрономии в Украине.

В обсерватории уже сооружено два первых участка нового инструмента исследований, получившего условное название ГУРТ (гигантский украинский радиотелескоп). Это две антенные решетки, каждая из которых содержит по двадцать пять элементов – сложных электронных устройств, являющихся основой радиотелескопа. Первый участок нового РТ уже работает и дает информацию. К концу 2008-го здесь появится еще сто элементов, которые сразу же включатся в исследования, а к концу следующего года планируется  пустить в строй около тысячи элементов.

Как показали испытания, по своим параметрам — чувствительности, помехоустойчивости, диапазону частот  — новые элементы превосходят зарубежные аналоги. К тому же они в несколько раз дешевле благодаря ноу-хау института, а также тому, что специалисты РИ НАНУ все работы, начиная с теоретических разработок, макетирования, изготовления электронных плат и заканчивая сбором конструкций, проводят самостоятельно. 

Общая стоимость гигантской антенны нового радиотелескопа из тысячи элементов будет составлять примерно три миллиона гривень. Его сооружение финансирует в основном Национальная Академия наук Украины. 

— Александр Александрович, как будет выглядеть новый декаметровый радиотелескоп, когда его строительство закончится? — спрашиваю заместителя директора РИ НАНУ Александра Коноваленко.

— Это будет целый «лес», состоящий из рядов металлических антенн, внешне таких же простых по конструкции, как обычная телевизионная, а на самом деле представляющих собой своего рода гибрид антенны и компьютера. Принципиальная трудность создания нового радиотелескопа как раз и заключалась в разработке активного элемента антенн нового типа, которые при длине существенно меньше длины волны могли бы обеспечивать прием сигналов из космоса в широком диапазоне частот и с достаточной чувствительностью. Сама идея создания так называемых активных антенн существовала давно, но технических методов ее реализации в радиоастрономии не существовало. Нам удалось воплотить ее в жизнь. Наши специалисты нашли также возможность существенно ослабить влияние ионосферы и земных помех. В результате новый инструмент будет значительно дешевле, чем уже работающий УТР-2, но при этом соизмерим с ним по своим возможностям.

— Не грозит ли самому большому на сегодня радиотелескопу УТР-2, построенному на территории институтской обсерватории около сорока лет назад, «выход на пенсию»?

— Нет. УТР-2, имеющий статус национального достояния страны, сможет решать различные научные задачи еще не один десяток лет. По сути, за прошедшие годы только железо осталось в нем прежним, остальное непрерывно модернизируется: используются новые радиотехнические системы, системы обработки сигналов… УТР-2 до сих пор нет аналогов в мире. Именно с его помощью нам удалось получить огромный объем качественно новой информации о Вселенной, а ведь во время его создания этот диапазон частот считался малоперспективным.

Но оказалось, что множество физических и астрофизических явлений и процессов наиболее ярко проявляются как раз в диапазоне от 30 до10 метров. И сейчас всем ясно, что с астрофизической точки зрения декаметровые радиотелескопы нисколько не уступают по информативности другим инструментам современной всеволновой астрономии, включая оптическую, инфракрасную, ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма-астрономию.

— Что именно удалось обнаружить специалистам вашего института?

— Вот только несколько примеров. Харьковские ученые впервые обнаружили в межзвездной среде спектральные линии углерода, составляющего основу органической жизни, разработали теорию гравитационных линз, описали механизмы радиоизлучения Солнца и Юпитера, построили наиболее полный каталог далеких космических источников, находящихся на самом краю Вселенной, и составили таблицу их параметров и интенсивности излучения. По сути, тот факт, что за последние годы во всем мире резко возрос интерес к декаметровой радиоастрономии, во многом как раз и обусловлен научными результатами, полученными на радиотелескопе УТР-2. Более того, наши открытия вызвали к жизни проекты строительства аналогичных телескопов в США, Голландии и других странах.

— УТР-2 и ГУРТ работают в общем диапазоне волн — от 30 до 10 метров. А ГУРТ — даже до 4 метров. Смогут ли они взаимодействовать?

— Они будут работать как единый инструмент, который по своим совокупным возможностям станет лучше существующих и строящихся в мире радиотелескопов аналогичного диапазона. Это даст нам возможность выявить особенно тонкие и слабые эффекты, значимые с точки зрения решения фундаментальных проблем астрофизики, космологии и физики. Можно будет, например, не только оценить размер далекого квазара, но и построить его радиоизображение, то есть увидеть структуру и выбросы материи, выявить, как взаимодействует этот объект с окружающей межгалактической средой. Или обнаружить радиоизлучение не только у Юпитера, но и у других планет, прежде всего планет-гигантов. Возможно, что именно с помощью нового инструмента удастся найти в глубинах космоса целые планетные системы вблизи других звезд. Он позволит также построить карту распределения слабо ионизованной космической материи как в нашей, так и других галактиках (это принципиально важно для изучения процессов происхождения и развития нашей Вселенной). А если говорить в общем, то благодаря новому телескопу количество информации о различных объектах и явлениях в космосе возрастет в десятки раз.

— А могут ли результаты ваших исследований повлиять на жизнь обычных людей? 

— Результаты наших исследований могут использоваться и при решении сугубо земных проблем. Простой пример — с помощью радиоастрономии мы можем изучать вещество в условиях космической лаборатории, то есть в тех, которые человечеством пока не реализованы. Это давление, температура, плотность, напряженность электрических и магнитных полей. Открытие этих феноменов может дать толчок к созданию новых технологий на Земле. Радиоастрономия является также исключительно мощным стимулом для развития электронной техники, которую можно использовать для совершенствования космической и мобильной связи, создания исключительно чувствительных радиоприемных устройств и т.д. Средства обработки информации, используемые в радиотелескопах, возможно, станут прототипом телевидения будущего. 

Без знания того, какие процессы происходят на Солнце, невозможно, к примеру, прогнозировать состояние ионосферы Земли, от которого зависит радиосвязь и осуществление запусков космических аппаратов. Еще одна важная проблема – земная и космическая навигация. Без очень точного определения координат радиоинтерферометрическими методами невозможно создать современную навигационную систему. А исследования вариаций 11-летнего цикла солнечной активности могут иметь отношение к каждому из нас. Так, сейчас мы находимся в его минимуме и, соответственно, можно сказать, что  загорать этим летом будет существенно менее вредно, чем через 5 лет.

— Принимает ли участие в создании нового радиотелескопа международное астрономическое сообщество?

— Концептуально новый харьковский проект можно с полным правом назвать международным, поскольку в его обсуждении активно участвуют специалисты других стран: США, Голландии, Франции.  Предполагается, что и сам новый инструмент, и конструкторские наработки будут впоследствии использоваться радиоастрономами разных государств совместно.

Для специалистов очень важно иметь несколько таких инструментов в разных точках земного шара: в различных астроклиматических условиях, помехообстановке, при разном состоянии ионосферы. Такие совместные координированные наблюдения значительно повышают надежность эксперимента. Ведь радиоастрономы имеют дело с объектами, удаленными от Земли на огромное расстояние. Сигналы, которые они ловят из космоса, чрезвычайно слабы. Энергия, зафиксированная радиотелескопами всего мира за все время их существования, так мала, что ее не хватит, чтобы нагреть стакан воды…

— Во времена СССР Украина считалась крупным мировым центром радиоастрономической науки. Сохраняет ли наше государство приоритет в нынешних, не самых благоприятных для науки условиях?

— Сам перечень радиотелескопов разного диапазона волн в Украине (а такие инструменты есть в Харькове, Симеизе, Евпатории, Змиеве, Полтаве, Львове, Одессе и Симферополе) свидетельствует о том, что наша страна обладает солидной базой для изучения Вселенной радиоастрономическими методами. По индексу цитирования работ украинских ученых радиоастрономия уверенно обогнала многие другие отрасли отечественной науки. Новый проект позволяет надеяться, что украинская радиоастрономия сохранит свой приоритет, а Харьков — авторитет ее столицы.

—  Александр Александрович, есть ли у радиоастрономии какой-то реальный, но еще неосвоенный резерв получения качественно новых результатов?

— Да, такой резерв существует. Он заключается в родившейся в Харькове идее создания системы из отдельных радиотелескопов декаметрового диапазона, которые размещались бы в разных регионах Земли, но при этом работали как единый гигантский инструмент. Синхронно принимая сигналы из космоса, они имитировали бы огромную антенну, вытянутую на сотни километров. В Украине такой интерферометрический комплекс «Уран» уже существует. Он состоит из пяти радиотелескопов. Помимо уже известного УТР-2, в него вошли более мелкие инструменты, расположенные в Змиеве близ Харькова, в Полтавской, Волынской и Одесской областях. При работе в интерферометрическом режиме «сеть» для ловли радиосигналов с космических объектов растягивается практически на всю территорию нашего государства.

Теперь дело за тем, чтобы связать в единую сеть специализированные радиотелескопы, которые уже существуют или только создаются в мире. Реальность создания такой сети обеспечивается наличием радиотелескопов во всех крупных развитых странах. В Европе, например, они существуют во Франции, Голландии, Англии, Германии, Испании, Италии, России, Швеции, Польше. Аналогичные инструменты есть в Северной и Южной Америке, Азии, Африке, Австралии. Из них крупных телескопов — не меньше десятка, а более мелких наберется около сотни. Этого вполне достаточно для создания глобальной сети. В идеале одним гигантским радиоинтерферометром с базой в10 тысяч километров может стать весь земной шар. В этом случае удастся достичь разрешения порядка тысячной доли угловой секунды вместо десятой сейчас. Это позволило бы «рассмотреть» копеечку на поверхности Марса.

Есть также концепция вывода радиотелескопов за пределы земной ионосферы. Тогда специалисты получат возможность не только реализовать базу интерферометра с размером большим, чем диаметр Земли, но и  избавиться от влияния ионосферы и земных помех. Эта идея несколько лет назад уже была успешно опробована, а в нынешнем году ожидается запуск на орбиту радиотелескопа нового поколения, который будет достигать разрешения в одну миллионную долю секунды. С его помощью можно решить огромное количество новых астрофизических задач.

И еще несколько фактов

Все мы — радиодальтоники

Радиоастрономия родилась в 30-е годы, когда американец Карл Янский, испытывавший антенную систему, увидел, что его приборы принимают какие-то сигналы разной интенсивности прямо из космоса. Благодарные ученые даже назвали в честь наблюдательного американца единицу плотности потока радиоизлучения — Янский. С этого случайного, как иногда бывает в науке, события и началась радиоастрономия.

— Если бы наши органы чувств могли воспринимать радиоизлучение небесных тел, мы бы гораздо полнее воспринимали окружающий мир,— говорит директор Радиоастрономического института академик НАНУ Леонид Литвиненко.— Взгляду радиотелескопа наше небо представляется совсем не таким, каким его видит человеческий глаз. Для него это бушующее море огня с пятнышками пульсаров, квазаров, галактик. По характеру радиоизлучений — частоте, интенсивности, поляризации — специалисты и судят о строении космических объектов и происходящих в них процессах. Причем не всегда объект, видимый в оптический телескоп, наблюдается радиоастрономами. Бывает и наоборот. Это зависит от его возраста, от того, на каком этапе развития он находится. Есть обитатели космоса, которые «молчат» на всех диапазонах, кроме декаметрового. Именно с этими волнами, в частности, работают харьковчане, наблюдая объекты из самых отдаленных областей Вселенной, от которых световой луч идет десять миллиардов лет.

Свою «картину» они накладывают на изображения, полученные в других диапазонах волн. Результатом становится некий синтезированный, более полный портрет объектов. Тем самым резко расширяются возможности органов чувств человека. Ведь люди, в общем-то, безнадежные радиодальтоники и воспринимают только малую часть электромагнитной информации, непрерывно идущей из глубин Вселенной. Это природное ограничение и снимает радиоастрономия.

Так кто же сотворил Вселенную?

В XX веке родилась всеволновая астрономия, однако и это еще далеко не предел возможностей. Специалисты считают, что в XXI веке всеволновую астрономию дополнят нейтринная и гравитационная.

Может быть, тогда ученые ответят на множество волнующих человечество вопросов. Почему существует именно такая Вселенная? Бесконечна ли она? Что будет с ней дальше? Есть ли братья по разуму? Найдем ли мы их? Как Вселенная появилась? Кто ее сотворил? Эти проблемы всегда будут будоражить человеческое воображение, несмотря на видимое отсутствие от этого практической пользы. Американец Джон Бослоу как-то заметил, что в наше время неверия, когда многие люди оставляют религию, космологи становятся отменными священниками. Именно они вместо религиозных деятелей шаг за шагом открывают драгоценные тайны Вселенной.