Проект Радиоастрон и космическая радиоастрономия

Новые открытия астрофизики

Астрономия стала всеволновой за последние 50 лет. Колоссальным образом расширился объем информации, обнаружены принципиально новые объекты во Вселенной, новые состояния вещества и даже принципиально новые виды материи. Остановимся на некоторых научных проблемах, новых методах космических исследования и ожидаемых результатах, которые могут быть получены в ближайшее время.

Одним из главных последних достижений является определение наиболее важных космологических параметров Вселенной. На основе данных, полученных с помощью наземных и космических обсерваторий (гамма телескоп «GRO», рентгеновские телескопы «Chandra», «ХММ-Ньютон» и «INTEGRAL», оптический телескоп имени Хаббла - «HST», инфракрасные телескопы «IRAS», «ISO» и «Спитцер», радиотелескопы «СОВЕ», «WMAP» и другие) в основном выявлена картина физических процессов во Вселенной во всех спектральных диапазонах (от гамма до радио) и объединяющая этапы эволюции за миллиарды лет. На усреднённом полном спектре электромагнитного излучения неба (рис. 1), охватывающем все диапазоны, выделяются три характерные пика. Прежде всего это оставшееся от Большого взрыва Вселенной реликтовое космологическое излучение (главный максимум в спектре). Большая часть энергии сосредоточена в миллиметровом диапазоне и соответствует излучению тела при абсолютной температтуре 2,73⁰ К (т.е. –270 ⁰ С). Форма спектра описывается функцией Планка. Слева от реликтовогоизлучения (дециметровые и метровые радио волны) преобладает излучение релятивистских электронов и горячей межзвёздной плазмы нашей и других галактик.

Рис. 1 - Усреднённый спектр электромагнитного излучения неба во всех диапазонах.
 

В левой стороне – радиодиапазон, главный максимум соответствует миллиметровому диапазону, правее идут субмиллиметровый, инфракрасный, оптический, рентгеновский и гамма диапазоны. По вертикальной оси отложена интенсивность излучения в логарифмическом масшштабе (число фотонов, приходящих за секунду на квадратный сантиметр поверхности из телесного угла стерадиан в полосе нанометр), по горизонтальной оси – тоже в логарифмическом масштабе частота, длина волны и энергия фотонов (R.C. Henry, Asrophysical Journal, 516, L49, 1999). Главный пик является «реликтовым» космологическим излучением, возникшим в результате «Большого взрыв». Пик справа от него обусловлен в основном излучением пыли и звёзд Галактики, ещё правее – пик от мощных взрывов и очень горячих объектов в нашей и других галактиках.

В субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах (средний пик) преобладает излучение газопылевых облаков Галактики, а в оптическом - ее звёзд.. Кроме главного и инфракрасного пиков в спектре неба выявлен пик в рентгеновском диапазоне, обусловленный очень горячими или взорвавшимися объектами в нашей и других галактиках. Описанная выше форма спектра неба определяет и технику астрономических исследований. Диапазоны слева и справа относительно максимума реликтового фона имеют принципиально разные ограничения при обнаружении и исследовании слабых источниковов. Та часть спектра, что находится справа от реликтового фона, подчиняется квантовой статистике и предельная чувствительность определяется флюктуациями числа квантов, приходящих в телескоп. В левой половине спектра основную роль играет обычная физика (отдельные кванты уже не могут быть зарегистрированы), поэтому приёмники радиотелескопов стремятся создать с минимальной мощностью шумов, включая мощность, обусловленную фоном неба.

Важнейшим достижением астрофизики последних 20 лет стало детальное изучение спектра и распределения по небу реликтового изучения (термин предложен И.С. Шкловским). На карте, построенной по данным американской космической обсерватории «WMAP», запущеной в 2001 г., можно проследить распределение по небу фонового радиоизлучения в миллиметровом и коротком сантиметровом диапазонах. Первый эксперимент по составлению карты микроволнового фонового излучения Вселенной был проведен на спутнике «COBE» (запущен в 1989 г.). На основе данных «СОВЕ», наземных наблюдений и наиболее точных данных спутника «WMAP» сделаны фундаментальные открытия, заставившие изменить современные представления о строении Вселенной. Установлено, что около 70% ее вещества сосредоточено в виде «скрытой энергии» и около 25% содержится в «темной материи», определяющих расширение Вселенной и связанных с образованием ее объектов – звезд, планетных систем, галактик, скоплений галактик.

Планируемые эксперименты в радиоастрономии

В радиодиапазоне имеются несколько перспективных направлений развития исследований объектов Вселенной. В России, совместно с широкой международной кооперацией, подготовливается к запуску космическая обсерватория «Радиоастрон», которая обеспечит угловое разрешение в 30 раз лучше, чем на Земле (рис. 2).

Рис. 2 - Основные параметры интерферометра Земля-космос «Радиоастрон».

Этот космических радиотелескоп предполагается вывести на эллиптическую орбиту с периодом около 9,5 суток и максимальным удалением от Земли 350 тыс. км, т.е. близким к орбите Луны (рис. 3).

Рис. 3 - Орбита космического радиотелескопа - интерферометра.

Рис. 4 - Космический радиотелескоп во время испытаний на обсерватории ФИАН в Пущино

Рис. 5 - Радиотелескоп РТ-64 около г. Калязин (радиообсерватория АКЦ ФИАН и ОКБ МЭИ).

Рис. 6 - Крупнейшие радиотелескопы мира, участвующие в проекте «Радиоастрон».

Рис. 7 - Проект «Миллиметрон» (криогенный телескоп для исследований в автономном и интерферометрическом режимах в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах)

Рис. 8 - Аккреционный диск и релятивистские струи около сверхмассивной черной дыры в центре галактики

Рис. 9 - Радиоизображение близкой галактики М87 с сверхмассивной чёрной дырой (получено в США с помощью 27-элементного радиоинтерферометра VLA ). На врезке – радиоизображение центральных областей той же галактики, полученное с участием японского космического радиотелескопа VSOP.

Рис. 10 - Радиоизображение экзотического двойного объекта 3С 343.1. Два близких источника разлетаются друг от друга со скоростью в половину скорости света (получено с помощью системы VLA в США).

Рис. 11 - Модели Большой Вселенной с тоннелями – справа, без тоннелей – слева

Рис. 12 - Радиоизображение галактики М106 с сверхмассивной чёрной дырой в центре. На врезке показаны расположение и орбиты областей звёздообразования, излучающих в линии водяного пара на волне 1,35 см («Мегамазер»), а также релятивистская струя вещества, имеющая непрерывный радиоспектр, и ориентированная перпендикулярно диску.

Рис. 13 - Схема «межзвездного интерферометра» (внизу). На пути радиоволн от источника излучения до наблюдателя случайно расположены облака межзвездной плазмы, создавая естественный интерферометр. Анализируя возникающую интерференционную картину, можно определить размер источника излучения и параметры плазмы. Дан пример такой картины (динамический спектр) для пульсара PSR 1237+25, полученный А. Волчаном и Дж. Кардесом.

Рис. 14 - Задачи фундаментальной астрометрии в проекте «Радиоастрон».

Рис. 15 – Высокоточное измерение гравитационного поля Земли в проекте «Радиоастрон».

Рис. 16 - Концепция многолучевого космического радиотелескопа с диаметром антенны в несколько километров.

Космическая радио обсерватория работает как гигантский интерферометр с базой между спутником и системой наземных радиотелескопов. Используя такой интерферометр, мы можем получить исключительно высокое угловое разрешение и построить изображения небесных объектов с высочайшей детальностью. Ширина лепестка интерферометра на самых коротких длинных волнах будет до 7 миллионных долей секунд дуги, что при отношении сигнала к шуму около 10 позволит проводить измерения до микросекунды дуги, что примерно в 20 млн. раз лучше, чем разрешение человеческого глаза.

Действующий макет космического радиотелескопа изготовлен в НПО им. С.А. Лавочкина, укомплектован высокочувствительной приёмной аппаратурой и испытан на обсерватории ФИАН в г. Пущино, где было подтверждено, что все основные параметры (эффективная площадь антенны и диаграммы направленности) соответствуют техническим требованиям (рис. 4).

Для космического радиотелескопа была специально найдена необычная орбита полета у которой существенную роль играет гравитационное поле Луны, систематически поворачивающее плоскость орбиты около большой её оси. Хотя Луна и находится довольно далеко от спутника, на расстоянии более 50 тыс. км, тем не менее она оказывает постоянное слабое гравитационное воздействие на него. Поворот орбиты обеспечивает высокое разрешение изображения исследуемого небесного объекта по всем направлениям.

Все наземные радиотелескопы, задействованные в системе интерферометра, будут принимать сигналы от исследуемого источника одновременно с космическим радиотелескопом. Прием информации со спутника предполагается получать со скоростью 128 Мбит/с. Приемные станции находятся в США (Грин Бэнк), в Пущино под Москвой и в Австралии (Тидбинбилла). С такой же скоростью будет регистрироваться информация всеми крупнейшими радиотелескопами, в том числе и отечественными. Это 70-м радиотелескопы в Евпатории и Уссурийске, а также 64-м – в Калязине (рис. 5).

Предполагается, что ко времени запуска «Радиоастрона» наши радиотелескопы будут полностью оснащены всей необходимой приёмной и регисирирующей аппаратурой.

В создании бортового комплекса аппаратуры учасвуют многие международные институты.

Станции приёма информации и синхронизации разработаны в НАСА и Национальной Радиоастрономической Обсерватории США. Крупнейшие радиотелескопы мира предполагают участвовать в проекте (рис. 6).

Проект «Радиоастрон» рассчитан на систематические исследования таких необычных небесных объектов, как сверхмассивные чёрные дыры в ядрах далёких и близких галактик, черные дыры звёздных масс в нашей галактике, нейтронные (а возможно и кварковые) звёзды, областей образования звёзд и планетных систем в нашей галактике и в ядрах других галактик, облаков межзвёздной плазмы и гравитационного поля Земли. Можно будет с высокой точностью изучить структуру, измерить координаты и движение источников мощного радиоизлучения с непрерывным спектром и радиолиний мазерного излучения (линия паров воды на волне 1,35 см и гидроксила – 18 см), испускаемого этими объектами. Для предстоящих наблюдений подготовлен список сверхмассивных черных дыр, микроквазаров, пульсаров, космических мазеров и других радиоисточников - всего несколько сот объектов, а к моменту запуска «Радиастрона» предполагается его пополнить до тысячи.

Дальнейшим развитием этого направления будет подготовка аналогичного проекта для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов (включающих весь пик реликтового космологического излучения – рис. 1).

Проект «Миллиметрон» (рис. 7) обеспечит ещё более высокое угловое разрешение (до наносекунд дуги) и значительно более высокую чувствительность за счёт глубокого охлаждения телескопа и расширения полосы приёма.

Сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и других галактик, выбрасываемые вдоль их оси вращения струи релятивистских частиц и аккреционные диски захваченного вещества в экваториальной плоскости обнаружены и активно исследуются. Изображения таких объектов, полученные с помощью наземной системы радиоинтерферометров, показывают, что центральный объект является сверхмощным ускорителем. Ускоренные частицы с околосветовыми скоростями образуют два тонких луча, а на больших расстояниях релятивистские частицы накапливаются в виде двух облаков. Ближайшей задачей является исследования принципа работы этого ускорителя, величины и структуры электрических и магнитных полей около черной дыры. Современные теоретические модели сводятся к следующему. Вокруг центральной черной дыры вращается диск с очень сильным магнитным полем (рис. 8), однако оно до сих пор не измерено и представляет собой одну из основных задач будущего.

Предполагается, что измерить величину магнитного поля можно с помощью эффекта Фарадея (регулярный поворот плоскости поляризации изучения с изменением длины волны при прохождении поляризованного излучения через плазму с магнитным полем в аккреционном диске).

Если смотреть с полюса на чёрную дыру и вращающийся аккреционный диск с магнитным полем, то область свечения в виде кольца будет соответствовать ускорению частиц подобно ветерку от вентилятора (механизм Блендфорда-Знаека), а если будет обнаружено излучение только вблизи оси вращения, то скорее всего ускорение частиц происходит в условиях высокого вакуума под действием сильного электрического поля.

В центре нашей галактики находится ближайшая сверхмассивная черная дыра (расстояние 24 тысячи св. лет). Ее масса оценивается в 3 миллиона солнечных масс. Одна из самых больших чёрных дыр (масса 3 миллиарда солнечных масс) находится в ядре близкой эллиптической галактики М87 (расстояние около 45 млн. св. лет). Изображение этого объекта получено во всех диапазонах, в частности с помощью наземных радиоинтерферометров и радиоинтерферометра Земля-космос (рис. 9), использующего японский спутник «VSOP» с радиотелескопом, запущенный на эллиптическую орбиту в 1997 г. с антенной диаметром 8 м, максимальное удаление 26 тысяч км.

С помощью этого интерферометра наблюдалось множество других объектов.

Недавно Дж. Бэрбиджем было обращено внимание на необычный двойной квазар 3C 343.1 (рис. 10)

Он сначала был найден в радиодиапазоне, а потом исследовался в оптическом. Оказалось, что объект состоит из двух источников, имеющих различные скорости движения, отличающиеся почти на половину скорости света (красные смещения 0,34 и 0,75), в тоже время расстояние между двумя источниками соответствует четверти угловой секунды, т.е. кажется, что они находятся очень близко друг от друга. Случайное совпадения двух источников находящихся на разных расстояниях невероятно. Объяснить, что внутри одного малого объёма имеются предположительно две сверхмассивные чёрные дыры, движущиеся со столь большой скоростью друг относительно друга, пока невозможно и требуется тщательное изучение этих объектов. В частности, необходимо получить более детальное изображение и его изменение со временем, чтобы определить стуктуру компонент и измерить скорости их поперечного движения.

«Кротовые норы» - тоннели в пространстве

Модель гипотетических «кротовых нор» (первоначально предложена А.Эйнштейном и Н.Розеном) предполагает сложную топологию пространства и основана на общей теории относительности. Входами в тоннели могут быть некие новые объекты, наблюдаемые в нашей вселенной и соединяющие нас с другой частью Вселенной или даже с другой вселенной (рис 11). Около входа в тоннель, также как и для чёрной дыры, может существовать вращающийся газовый аккреционный диск с магнитным полем и вдоль его оси вращения также могут выбрасываться частицы, ускоренные до релятивистских энергий. Главным отличием «кротовой норы» от модели с чёрной дырой будет отсутствие горизонта событий. Т.е. вещество, попадающее в тоннель, не исчезает для внешнего наблюдателя. Оно может и утекать из нашей части Вселенной и притекать к нам. Если тоннели будут открыты, то это необыкновенно расширит наши возможности исследования и даже освоения Вселенной. Как уже отмечалось, вход в «кротовую нору» имеет особенности. Наблюдая за объектом, падающем на планету или звезду, в момент соприкосновения с их поверхностями мы сможем наблюдать вспышку излучения и тем самым фиксировать данное явление. В случае черной дыры тот же самый объект, падающий на нее просто исчезнет. Если же мы падаем внутрь входа в тоннель, то объект будет наблюдаться все время, но с переменным красным смещением. И наоборот, объекты, приходящие из другой Вселенной, или другой части нашей вселенной, тоже будут наблюдаться все время. Отсюда можно сделать прогноз. Если такие объекты существуют, то описанные эффекты должны быть обнаружены и исследованы. Объекты – кандидаты для подобных исследований имеются и наблюдения могут быть проведены с помощью интерферометра «Радиоастрон».

В современной космологической модели многокомпонентной Вселенной («Мультиверс») отдельные Вселенные постоянно хаотически генерируется из сверхплотного скалярного поляи, она бесконечна в пространстве и во времени. На рис. 11 красным показаны области «кипящего» скалярного поля, плотность которого возможно близка к Планковской плотности (5 × 10⁹³ Г/см³⁾. В вакууме возникают расширяющиеся «пузырьки», которые превращаются в отдельные вселенные. Мы живем в одном из таких «пузырьков». В результате расширения «пузырька» после нескольких фазовых переходов из скапярного поля образуются нормальные элементарные частицы, атомы, молекулы, галактики, звезды, планеты. Если картина такова – мы никогда не узнаем что происходит в других «пузырьках» или параллельных вселенных. Но если есть тоннели («кротовые норы»), то наблюдая (или путешествуя) сквозь них мы можем получить информацию от любой части нашей или других вселенных. Поэтому исследования возможностей их существования или получения доказательства отсутствия таких тоннелей представляет собой важнейшую задачу космологии.

Космической радиоинтерферометр «Радиоастрон» также предполагается применить для исследований исключительно интенсивного излучения в узких спектральных линиях - мазерного излучения отдельных компактных районов в нашей и других галактиках. Например, близкая область образования обычных звезд и планетных систем в созвездии Лебедя с сильными мазерными линиями гидроксила (волна 18 см) и водяного пара (1,35 см) уже детально исследуется. А в ядре галактики М106 тоже были обнаружены объекты, светящиеся в линии межзвездного водяного пара на длине волны 1,35 см, но с соответствующим красным смещением (рис. 12).

Мощное мазерное излучение («Мегамазеры») из ядра этой галактики было открыто в 1984 году Клауссеном, Хейлигманом, Ло, Хенкелем и др. Как оказалось, районы мазерного излучения - области образования звёзд с планетными системами вокруг центральной сверхмассивной черной дыры ! Подобных внегалактических мегамазеров сейчас уже найдено более двух десятков.

Предложен еще один оригинальный метод, который предполагается использовать для изучения небесных источников с помощью космического интерферометра. Радиоволны существенным образом взаимодействуют со средой, в которой они распространяются, в том числе и с межпланетнной и межзвездной плазмой. Причём космическая плазма неоднородна – имеет облачную структуру. Поэтому статистически от удалённого радиоисточника радиоволны по одному пути приходят быстрее на Землю быстрее, чем по другому.

Таким образом возникает естественный интерферометр. Два луча взаимодействуют и создают периодическую картину. Но в этом случае угловое разрешение получается даже много выше, чем у космического интерферометра (до нано секунд дуги !). Эффект тем сильнее, чем ниже частота. Это явление обнаружено при исследовании пульсаров. Было открыто, что их радио спектры иногда имеют периодическую структуру, которая случайным образом появляется и изменяется со временем (рис. 13).

Поскольку большая ось орбиты «Радиоастрона» порядка размера облаков межзвёздной плазмы, то с помощью космического интерферометра при наблюдениях этого эффекта вероятно удастся измерить диаметр пульсаров – нейтронных (а, возможно, и странных или кварковых ?) звезд, проверить правильность разработанных моделей их строения и излучения. Если масса несколько выше гравитационного предела для нейтронных звёзд, то такого рода объект сжимается сжимается и образует черную дыру. Однако в интервале масс между нейтронными звёздами и гравитационным пределом возможно ещё одно устойчивое состояние вещества, состоящего уже не из нейтронов, а из кварков. Согласно данным рентгеновской обсерватории «Chandra», одним из десятка кандидатов в кварковые звёзды является пульсар внутри оболочки, образованной взрывом сверхновой звезды –радиоисточник 3С58.

«Радиоастрон» позволяет в десятки раз улучшить точность измерения координат и собственных движений источников радиоизлучения, что позволит с помощью специальной программы создать высокоточную астрометрическую систему координат (рис. 14).

Высокоточное измерение орбиты «Радиоастрона» с использованием водородного стандарта частоты и времени на его борту (разработка организации «Время-Ч» в Нижнем Новгороде) позволит построить высокоточную модель гравитационного поля Земли (рис. 15).

Астрометрическое и гравиметрическое направления исследований имеют и прикладной и фундаментальный характер. Измерения гравитационного поля Земли на больших от неё расстояниях связаны с новой научной проблемой, поскольку несколько лет назад обнаружена новая сила, действующая на космические аппараты. Она крайне мала, направлена к Солнцу и не меняется с изменением расстояния до него. Похоже что в нашей планетной системе тоже присутствует «темная энергия» и «скрытая масса». Эти данные получены из точного определения скорости и ускорения космических аппаратов «Пионер-10 и -11», находящихся на периферии Солнечной системы, а также космическим аппаратом «Кассини».

Интерес к проблеме SETI (поиск внеземных цивилизаций) подогревается открытиями в области астрофизики и космологии, а также новыми идеями в теоретической физике. Весьма возможно, что деятельность внеземного разума как-то связана с «тёмной материей» и «скрытой энергией», «кротовыми норами» и возможностью с их помощью создания машины времени, теорией струн в физике элементарных частиц и возможной многомерностью (10-11 и более измерений) нашего пространства. С помощью космических интерферометров, подобных «Радиоастрону», можно изучать такого рода явления. А для обнаружения радиосигналов, подобных нашим радио или телевизионным, от цивилизации нашего уровня развития и с расстояний до ближайших звёзд, нужен космический (чтобы исключить помехи Земли) радиотелескоп с диаметром зеркала в несколько километров. Такой инструмент для этой задачи и других фундаментальных научных исследований вероятно будет сооружен через несколько десятков лет (рис. 16).

Основные научные задачи проекта «Радиоастрон».

Описанные выше потенциальные возможности наземно-космического радиоинтерферометра СПЕКТР-Р и поисковые проблемы позволяют поставить следующие научные задачи.

Исследование природы источника энергии в ядрах активных галактик.

• Изучение структуры и динамики изображений близких мощных внегалактических источников для понимания физических процессов вблизи горизонта событий.
• Измерение яркостных температур центральных компонент в сравнении с комптоновским пределом для однородного синхротронного источника.
• Измерение размеров компонент вдоль и поперек струи и иисследование их переменности.
• Измерение распределения яркости в центральных компонентах на масштабах меньше одного парсека в спокойной фазе радиоизлучения и во время вспышки.
• Определение структуры радиовыброса у его основания в момент зарождения.
• Определение скоростей движения и расширения выбросов с целью выявления и интерпретации сверхсветовых движений.
• Проведение всех перечисленных измерений одновременно на двух частотах с целью изучения спектральных свойств радиоизлучения.
• Проведение всех перечисленных выше измерений в двух поляризациях с целью изучения структуры магнитного поля в центральных компонентах и в выбросах.
• Исследование двойных ядер.
• Проведение всех перечисленных измерений для гравитационных линз и темной материи.
• Выявление объектов с компонентами, неразрешенными с самой большой базой.

Исследование космологической эволюции компактных внегалактических источников.

• Статистический анализ измерений выполненных в предыдущем пункте в зависимости от красного смещения исследуемых объектов с целью выявления закономерностей эволюции ядер галактик и определения основных космологических параметров Вселенной.

Изучение процесса образования звезд и планетных систем.

• Измерение структуры и динамики мазерных исочников в областях звездообразования.
• Изучение структуры и динамики источников в мегамазерах.

Исследование пульсаров (нейтронных и странных звезд и магнетаров).

• Измерение годичных параллаксов пульсаров.
• Измерение собственных движений пульсаров.
• Изучение структуры области радиоизлучения в пульсарах по флуктуации функции и «межзвездным интерферометром».
• Изучение двойных и затменных пульсаров.

Микроквазары и радиозвезды.

• Изучение структуры и динамики выбросов в активной фазе микроквазаров.
• Изучение структуры радиовспышек в звездах.

Космическая баллистика и гравиметрия.

• Построение и прогнозирование орбиты КА и ее эволюции.
• Построение гравитационного потенциала Земли на больших расстояниях и построение новой модели ее строения.
• Измерение эффектов ОТО.

Фундаментальная астрометрия.

• Построение небесной системы координат нового поколения.
• Уточнение взаимной ориентации международной небесной и динамической систем координат.
• Определение координат наземных радиотелескопов в системе, связанной с центром масс Земли.
• Уточнение фундаментальных астрометрических постоянных и постоянных движения Солнечной системы.

Стартовал конкурс заявок на эксперименты по проекту "Радиоастрон"