Проект «Радиоастрон» представлял собой сеть наземных радиотелескопов, объединённых с космическим радиотелескопом «Спектр-Р» в единую систему для одновременного наблюдения астрономических объектов. Программу начали разрабатывать в 1980-ых годах, а идеи, лежавшие в её основе, появились ещё раньше — в 1960-ых годах.
Для улучшения качества радионаблюдений учёные сначала предложили использовать несколько антенн (две и более), которые будут получать сигнал от одного радиоисточника. Антенны размещали на некотором расстоянии друг от друга и соединяли кабельной линией связи. Такую систему назвали радиоинтерферометром, а расстояние между телескопами — базой.
Чтобы увеличить расстояние между антеннами и размещать их без использования кабелей (например, на разных континентах), советские и российские учёные Леонид Матвеенко, Николай Кардашёв и Геннадий Шоломицкий предложили синхронизировать независимые друг от друга наблюдения радиотелескопов с помощью высокоточных атомных часов — водородного стандарта частоты. На полученных данных ставились отметки, после чего результаты наблюдений на разных телескопах коррелировали в вычислительных центрах («накладывали» друг на друга). Такая система получила название радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).
Однако максимальное расстояние для наземных наблюдений всё равно было ограничено диаметром Земли. Если же разместить одну из антенн в космосе, то базу интерферометра можно увеличить до нескольких десятков диаметров Земли. Эту идею совместно с коллегами выдвинул астрофизик Николай Кардашёв, который воплотил её в проекте «Радиоастрон». Кардашёв возглавил работу над проектом в начале 1980-ых годов и настойчиво трудился над ним на протяжении последующих тридцати лет, став руководителем программы и одним из главных её вдохновителей.
Учёные не зря пытались как можно больше увеличить расстояние между антеннами радиотелескопов, поскольку это главный фактор, от которого зависит угловое разрешение системы. Разрешающая способность телескопа определяет минимальное угловое расстояние между звёздами (или другими объектами на небе), при котором наблюдатель видит их ещё как отдельные точки. Чем меньше угловое разрешение, тем более близкие друг к другу объекты способен различить телескоп, и тем более детальные изображения можно получить.
Космический аппарат «Спектр-Р» вывели на высокую эллиптическую орбиту вокруг Земли. Это вытянутая орбита, у которой высота в апогее (самая удалённая от Земли точка) намного превышает высоту в перигее (ближайшая к Земле точка орбиты). Период обращения составлял около 8,3 суток.
Апогей орбиты «Спектр-Р» составлял около 340 тысяч километров, что сопоставимо с расстоянием до Луны, — 384 400 километров — гравитацию которой космический аппарат использовал для поворота плоскости своей орбиты. Это позволяло телескопу наблюдать космическое пространство во всех направлениях.
Когда «Спектр-Р» находился в наиболее удалённых от Земли точках орбиты, база интерферометра в системе «Радиоастрон» увеличивалась до чудовищно огромной длины — 360 тысяч километров! Благодаря этому космический телескоп установил рекорд по самому высокому угловому разрешению во время изучения распределения водяного пара в ядре галактики NGC 4258 в созвездии Гончих Псов — 8 угловых микросекунд! Такое разрешение позволило бы «увидеть» с Земли рублёвую монету, лежащую на поверхности Луны.
Помимо этого рекорда «Спектр-Р» занесён в книгу рекордов Гиннеса как самый большой космический радиотелескоп. Телескоп представлял собой гигантский «цветок»: вокруг центрального трёхметрового зеркала располагались 27 панелей. Вся конструкция в диаметре достигала рекордные 10 метров. На орбиту телескоп отправили в сложенном состоянии, где затем все 27 «лепестков» синхронно раскрылись как зонтик.
Наблюдения каждого астрономического объекта проводили одновременно с помощью космического и сети наземных радиотелескопов. За всё время работы «Спектр-Р» в совместных наблюдениях системы «Радиоастрон» участвовали 58 наземных радиотелескопов со всего мира, среди которых Arecibo Telescope (Пуэрто-Рико), Green Bank Telescope (США), Radio Telescope Effelsberg (Германия), Westerbork Synthesis Radio Telescope (Нидерланды) и другие.
Управляли космическим радиотелескопом две антенны: П-2500 (радиотелескоп РТ-70) в Восточном центре дальней космической связи в Приморском крае и ТНА-1500 (радиотелескоп РТ-64) в подмосковном Центре космической связи «Медвежьи озёра». С их помощью учёные направляли «Спектр-Р» на интересующий их астрономический объект.
«Спектр-Р» собирал огромное количество научных данных и передавал их на Землю в режиме реального времени, поскольку аппарат не оснастили устройством для хранения информации. Эти данные принимали станции слежения (Пущинская радиоастрономическая обсерватория в России и Green Bank Telescope в США), которые к тому же синхронизировали работу научной аппаратуры космического телескопа с аналогичным наземным оборудованием и помогали определять положение космического аппарата на орбите. Скорость передачи данных на Землю составляла 128 Мбит/с.
Полученную информацию направляли в три корреляционных центра (в России, Германии и Нидерландах), где её обрабатывали и совмещали с данными наземных телескопов, которые наблюдали те же самые объекты, что и «Спектр-Р». Обработка этих данных — длительный и трудоёмкий процесс.
В ходе программы «Радиоастрон» учёные провели более 4-ёх тысяч наблюдений и исследовали несколько сотен астрономических объектов, среди которых: ядра галактик, чёрные дыры, нейтронные звёзды, области звёздообразования. С помощью «Спектр-Р» учёные совершили несколько ценных открытий и получили интересные научные результаты.
Один из важнейших результатов работы «Спектр-Р» — измерение яркостной температуры ядер квазаров, связанной с их излучением. Квазары, в соответствии с общепринятой точкой зрения, — активные галактики, которые формируются вокруг сверхмассивных чёрных дыр. Ранее учёные считали, что ядра квазаров не могут быть ярче предела, который определили теоретически (приблизительно 500 миллиардов кельвинов). С помощью наземных радиоинтерферометров эту теорию невозможно было подтвердить или опровергнуть из-за ограничения наблюдаемой яркости. «Спектр-Р» позволил определить, что яркостная температура многих квазаров в десятки раз выше предельных значений: например, яркость квазара 3C273 в созвездии Девы составляет около 20-40 триллионов кельвинов, что как минимум в 40 раз превышает теоретический предел. Эти результаты требуют переосмысления природы излучения ядер квазаров.
Ещё один важный результат работы «Радиоастрона» — детальное радиоизображение структуры джета вблизи сверхмассивной чёрной дыры в центре активной галактики 3С84 или NGC 1275 (Персей А). Сверхмассивные чёрные дыры окружены аккреционными дисками из разогретой до огромных температур плазмы. В результате внутренних процессов со стороны полюсов вращающихся чёрных дыр вырываются мощные струи газа — джеты. С помощью «Спектр-Р» учёные измерили ширину джета, зарождающегося в окрестностях чёрной дыры, и обнаружили, что основание джета широкое (в сотни раз больше гравитационного радиуса чёрной дыры) и имеет цилиндрическую форму. По общепринятой точке зрения джеты узкие и формируются чёрной дырой. Однако результаты измерения могут означать, что, по крайней мере, внешняя часть струи формируется с помощью аккреционного диска.
Скорости вещества в джетах близки к скорости света. Важную роль в формировании джетов и ускорении вещества до таких скоростей играет магнитное поле. С помощью «Радиоастрона» учёные выяснили, что магнитное поле имеет спиральную структуру, что согласуется с теоретическими предположениями. Оно работает как «пружина», выталкивая плазму наружу.
Кроме того, с помощью высокого углового разрешения «Радиоастрона» учёные смогли «рассмотреть» сложную и скрученную поперечную структуру внутри джетов, которая указывает на наличие признаков плазменной нестабильности.
С помощью «Радиоастрона» учёные обнаружили новый эффект рассеяния в облаках межзвёздной плазмы — сначала в процессе изучения пульсаров (вращающихся нейтронных звёзд). Затем этот эффект подтвердили результаты изучения квазаров и центра нашей Галактики.
Пульсар невозможно увидеть «напрямую», его изображение рассеивается в межзвёздной плазме (как свет фонаря в тумане), и именно это рассеяние можно наблюдать. Однако на фоне размытого изображения пульсара «Радиоастрон» зарегистрировал множество компактных «пятнышек» — субструктуры рассеяния. Облака межзвёздной плазмы неоднородны и представляют собой сгустки вещества. «Радиоастрон» смог «увидеть» излучение от множества изображений пульсара, которые проходят через эти сгустки, как через маленькие линзы. Открытый эффект рассеяния позволит не только изучить структуру межзвездной среды, но и восстановить «исходное» изображение астрономического объекта, скрытого от учёных рассеивающим облаком.
Примечательно, что благодаря этому открытию, сделанному с помощью «Радиоастрона», учёные скорректировали методику для аналогичных наземных наблюдений. В результате эффект субструктуры рассеяния обнаружили и при наблюдении центра нашей Галактики (радиоисточник Sagittarius A* — сверхмассивная чёрная дыра) через наземные радиотелескопы.
Важное направление работы «Радиоастрона» — изучение мазерного излучения. Его источником выступают гидроксильный радикал (ОН), окись кремния, метиловый спирт или водяной пар в областях звёздообразования в нашей Галактике и далёких галактиках. С помощью «Радиоастрона» учёные обнаружили очень маленькие источники водяного мазерного излучения, сравнимые по размеру с Солнцем, в области звёздообразования Цефей А. Эти объекты являются самыми маленькими структурами, которые когда-либо обнаруживали в мазерах в нашей Галактике. Результаты изучения подобных космических мазеров помогут учёным лучше понять процессы звёздообразования.
К сожалению, 10 января 2019 года связь с космическим радиотелескопом была потеряна, хотя космический аппарат не только не отключился, но и научная аппаратура на нём оставалась в рабочем состоянии. Однако связь с Землёй восстановить так и не удалось, поэтому 30 мая 2019 года проект завершили. Полученные в ходе работы «Спектр-Р» огромные объёмы данных (всего около 4-ёх миллионов гигабайт) учёные будут обрабатывать на протяжении ещё нескольких лет.
В настоящее время команда учёных и инженеров работает над новым проектом — космической обсерваторией «Миллиметрон» («Спектр-М»). Космический телескоп будет обладать 10-метровым главным зеркалом и работать в миллиметровом, субмиллиметровом и дальнем инфракрасном диапазонах спектра. В режиме наземно-космического интерферометра угловое разрешение «Миллиметрона» будет в 260 раз выше, чем у «Радиоастрона» — 0,03 угловой микросекунды. Космический телескоп планируют запустить к 2030-ым годам.
Автор: Алина Нестерова
Источники: ru.wikipedia.org, www.svoboda.org, www.laspace.ru, trv-science.ru, www.asc.rssi.ru, www.asc.rssi.ru
