Рождение радиомонстра

Национальные правительственные и исследовательские организации девяти стран (Австралии, Великобритании, Китая, Франции, Германии, Италии, Нидерландов, Новой Зеландии и ЮАР) создали 2 апреля в Риме учредительный совет глобального научного проекта по строительству самого мощного в мире наземного радиотелескопа нового поколения — Square Kilometre Array (SKA, в примерном переводе «система апертурного синтеза с площадью в один квадратный километр»).

Помимо учреждения нового органа общего управления участники встречи в итальянской столице подписали соглашение о намерениях, где в очередной раз подтвердили заинтересованность в скорейшем переходе к следующей фазе мегапроекта — непосредственному строительству. По прикидкам эта фаза должна начаться в 2016 году, сдача первой очереди намечена на 2019 год, а окончательный ввод в эксплуатацию SKA планируется не ранее 2024-го.

Как и в случае целого ряда других международных «великих научных строек» последних десятилетий — космической станции, экспериментального термоядерного реактора ITER, Большого адронного коллайдера LHC, линейного коллайдера ILC, — для успешного осуществления флагманского астрофизического проекта требуются масштабные совместные финансовые и технологические усилия всего международного сообщества — в одиночку его не вытянет ни одна отдельно взятая страна.

Долгая предыстория проекта SKA насчитывает к настоящему времени уже почти 20 лет. После нескольких лет, потраченных участниками первой международной рабочей группы по изучению возможностей строительства «радиообсерватории нового поколения» на предварительную оценку и экспертизу, на очередной ежегодной конференции Международного астрономического союза (IAU) в августе 2000 года в Манчестере (Великобритания) представителями одиннадцати стран был наконец подписан специальный меморандум о взаимопонимании. Он предусматривал, в частности, создание управляющего комитета по продвижению мегапроекта XXI века и тогда же получил свое официальное название SKA.

На протяжении последующего десятилетия к долгоиграющему международному проекту подключились более 70 учреждений и институтов, представляющих 20 различных стран, в том числе и Россию, которая пока имеет скромный статус наблюдателя. Пущинская радиоастрономическая обсерватория астрокосмического центра ФИАН в течение нескольких лет принимала участие в работах Европейского SKA-консорциума и SKADS Европейской рамочной программы FP-6, и этим пока участие в проекте нашей страны ограничивается.

Что, почем и зачем

Проектная стоимость только строительной составляющей радиотелескопической системы SKA сегодня оценивается примерно в 1,5 млрд евро (и эти оценки почти наверняка окажутся сильно заниженными). Кроме того, очень серьезная проблема, над решением которой долгое время бьются разработчики, — поистине циклопические размеры будущей системы радиотелескопов. Как следует из названия, общая площадь собирающей поверхности составит около одного квадратного километра, что, как подсчитали досужие комментаторы, примерно соответствует 200 футбольным полям. И хотя достижению совокупных приемных параметров будут способствовать рассредоточенные на огромной территории сравнительно небольшие телескопические антенны и детекторы, такая географическая специфика накладывает невероятные ограничения на выбор пригодной для этого местности.

Ну и наконец, немалая работа предстоит по обеспечению будущих рекордных технических характеристик радиотелескопа. Так, по чувствительности он должен превзойти все существующие сегодня аналогичные инструменты не менее чем в пятьдесят раз, а по разрешающей способности — примерно в сто раз. Еще больший прорыв ожидается от информационной начинки, прежде всего скорости анализа и обработки получаемых данных. Новейшие компьютерные системы должны будут обеспечить одновременный прием радиоизлучения из нескольких сотен различных направлений и в очень широком диапазоне частот (от 70 МГц до 10 ГГц).

Впрочем, по единодушному мнению специалистов, эта новая дорогая научная игра, при условии, что ее удастся начать в соответствии с запланированными техпараметрами, практически гарантированно даст весомые результаты. Ученые-астрофизики и их коллеги-космологи рассчитывают, что SKA поможет найти ответ на многие ключевые вопросы мироздания. Идеологи проекта заранее наметили по крайней мере пять приоритетных задач, которые, по их мнению, окажутся по плечу новому чуду науки и техники. В их числе выяснение физической природы пресловутой темной энергии, которая признается виновником ускоренного расширения нашей Вселенной. Радиотелескоп станет своеобразной машиной времени, с его помощью исследователи надеются воссоздать картину ранней эволюции галактик и образования многочисленных галактических кластеров — плотных скоплений вещества в космическом пространстве. Мы сможем рассмотреть подробнейшую карту ста с лишним миллионов ближайших к Солнечной системе галактик и детально отследить пространственное распределение во Вселенной нейтрального водорода на космологических расстояниях. Еще одна приоритетная задача SKA — проверка на прочность легендарной общей теории относительности Эйнштейна. Ученые планируют подвергнуть тщательному анализу пульсары, нейтронные звезды — источники периодического радиоизлучения, которые обладают очень мощными магнитными полями (идеальными объектами могли бы стать пульсары, расположенные в непосредственной близости от черных дыр). С этой задачей смыкается выявление источников и механизмов эволюции космического магнетизма.

Менее искушенным в астрофизике и более обеспокоенным внеземными цивилизациями жителям нашей планеты небезынтересно будет заявление одного из руководителей научной программы проекта SKA профессора Фила Даймонда. Он пообещал, что «если в пределах ближайших нескольких сотен световых лет от Земли существуют другие технологически развитые цивилизации, то при помощи нашей мощнейшей аппаратуры мы с большой вероятностью сможем детектировать паразитное радиоизлучение, испускаемое техническими приборами искусственного происхождения».

Радиоастрономия XXI века

Важнейшим вопросом, все еще не имеющим окончательного решения, до сих пор остается выбор места большой стройплощадки. Первоначально разработчики планировали определиться с ним еще в прошлом году, но, как часто бывает при реализации подобных масштабных проектов, процесс подзатянулся, и, согласно текущим договоренностям, победитель в конкурсе должен быть объявлен лишь в следующем году.

Требования повышенной радиоизоляции — минимизации воздействия посторонних радиосигналов на работу сверхчувствительного оборудования системы телескопов SKA — жестко ограничивают пространство для маневра. Проектировщикам необходимы, с одной стороны, практически безлюдные (и одновременно гигантские по размерам) территории и, с другой стороны, наличие у стран-заявителей современной телекоммуникационной инфраструктуры.

Мест, удовлетворяющих таким противоречивым требованиям, на нашей планете раз-два и обчелся. В итоге до финальной стадии конкурсного отбора удалось дойти вполне предсказуемым кандидатам: Австралии вместе с вступившей с ней в «общий пул» Новой Зеландией и Южной Африке. Оба финалиста подали вполне убедительные детальные заявки, хотя ceteris paribus совместное предложение Австралии и ее соседки выглядит несколько предпочтительнее (хотя бы исходя из общих экономических критериев). Следует при этом отметить, что независимо от итогового решения отборочной комиссии и в Австралии, и в ЮАР параллельно построят две новейшие обсерватории — так называемые телескопы-предтечи. Там будут активно тестироваться экспериментальные технологии с целью их возможного последующего инкорпорирования в систему радиотелескопов SKA.

Что же касается сложнейшей технической специфики конструируемой системы, отметим наиболее важные ее особенности.

Начать с того, что на протяжении последних нескольких десятилетий основным направлением технического развития радиоастрономии является радиоинтерферометрия. Это использование многоантенных систем так называемого апертурного синтеза — единых комплексов, состоящих из десятков, а то и сотен относительно небольших антенн диаметром не более 25 м и отстоящих друг от друга на достаточно большие расстояния. В совокупности они позволяют как бы синтезировать входное отверстие (апертуру) радиотелескопа очень больших размеров. Такая система при соответствующей тонкой настройке оказывается по угловому разрешению эквивалентной гипотетическому гигантскому радиотелескопу с диаметром, равным расстоянию между ее антеннами (базой радиоинтерферометра).

Работа по созданию систем радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) ведется учеными достаточно давно, еще с начала 70-х годов прошлого века. Рекордная длина базы, достигнутая в экспериментах, составляет около 6 тыс. км. Это почти предел для радиотелескопов, расположенных на земной поверхности, так как база не может превышать диаметра Земли (12,7 тыс. км).

Система радиотелескопов SKA проектируется по образу и подобию уже апробированных систем РСДБ с некоторыми техническими усовершенствованиями. Наибольшая плотность приемных устройств в маленькой пятикилометровой центральной зоне системы — около 50% от всех тарелок, еще 25% тарелок в пределах 200 км от этой зоны, и наконец остальные 25% растянуты по убывающей вдоль пяти «спиральных рукавов» на несколько тысяч километров от центра. Всего планируется установить порядка трех тысяч таких тарелок диаметром 15 м. Кроме того, в общую систему войдут еще два типа антенн — средне- и низкочастотные апертурные антенные решетки.

Другой важнейший технический элемент будущего радиомонстра — его центральная компьютерная начинка. По оценкам специалистов, каждая из нескольких тысяч антенн-телескопов будет выдавать в нормальном рабочем режиме около 20 Гб данных в секунду, и для эффективного переваривания такого колоссального объема информации необходим центральный управляющий суперкомпьютер с производительностью в сотни петафлопс (1015 операций с плавающей запятой в секунду) — подобных машин пока не существует в природе.

К тому же для обеспечения необходимой скорости и точности передачи сигналов многоантенную систему SKA нужно будет объединить разветвленной сетью волоконно-оптических кабелей, общая длина которых, по подсчетам экспертов, составит порядка двух земных экваторов.

Нельзя не признать, что физические возможности дальнейшего увеличения базы наземных интерферометров к настоящему времени почти исчерпаны (прежде всего из-за пространственных ограничений для радиоинтерферометрии). Поэтому дальнейшие перспективы радиоастрономии, по-видимому, будут связаны с постепенным выводом антенн интерферометров в космическое пространство. Уже неоднократно проводились пробные эксперименты с комбинированными радиоинтерферометрами: одна из антенн размещалась на Земле, другая — на спутнике или орбитальной станции.

Крупнейший инструмент такого нового типа создается на протяжении последних нескольких лет в рамках другого долгоиграющего международного проекта — «Радиоастрон», главным разработчиком которого выступает российский астрокосмический центр Физического института имени Лебедева (АКЦ ФИАН). Правда, пока и этот многообещающий проект продвигается с большим скрипом: запуск космического аппарата «Спектр-Р», сконструированного Научно-производственным объединением имени Лавочкина в рамках «Радиоастрона» по заказу Роскосмоса, многократно откладывался из-за различных дефектов, поломок и прочих «финальных нестыковок». Согласно последним полуофициальным комментариям разработчиков, запуск состоится не ранее середины июня этого года.