Техническая сторона «РадиоАстрона»


    Снимок звёздного неба «GLEAM» сделанный в диапазоне радиоволн 70-230 МГц. В центре фото расположен Млечный путь, а по сторонам — около 300 тыс. других галактик.

    Космический радиотелескоп «РадиоАстрон» на данный момент имеет самое большое угловое разрешение среди всех телескопов, а также является пожалуй самым успешным научным проектом российской непилотируемой космонавтики.


    Разрешения РадиоАстрона достаточно чтобы различить спутники на противоположных сторонах НОО наблюдая с Проксимы Центавра или различить сигналы двух объектов на концах орбиты Земли с другого конца нашей галактики.

    Сегодня мы поговорим о технической стороне работы «РадиоАстрона» с Александром Плавиным, научным сотрудником лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра ФИАН и лаборатории исследований релятивистских объектов в МФТИ.


    Радиотелескопы использующиеся для связи с РадиоАстроном.

    Сколько в среднем РадиоАстрон производит научных данных за день? Сколь большие площади используются для её хранения и обработки?

    Если кратко, то непосредственно со спутника — около 100 ГБайт в день, со всех совместно работающих телескопов — порядка 5 терабайт. Для обработки используется 1 ТФлоп/с-кластер на CPU, для хранения — совокупность HDD и лент, занимающая в основном одну комнату.

    Более подробно: во время непосредственно наблюдений со спутника идёт поток научных данных в 128 МБит/с + дополнительные данные и + запас. И такая скорость стабильно достигается для любого положения спутника на орбите — от 600 км до 340 тысяч км. При этом большую часть времени телескоп на самом деле ничего не наблюдает. Основных причин этого три:

    1) Радиоинтерферометр — это не одна антенна, а несколько совместно и одновременно работающих радиотелескопов. Поэтому в дополнение к летающему спутнику Спектр-Р необходимы наземные антенны, чем больше (по размеру и количеству) тем лучше. Соответственно, эти телескопы должны выделять своё время на совместную работу, а у них ведь есть и другие программы наблюдений. Причём нужно выбирать время, когда наблюдаемый объект виден как со спутника (это меньшая проблема, конечно) так и со всех участвующих телескопов — а Земля вращается.

    2) Приём данных с РадиоАстрона осуществляется только через одну из двух антенн на Земле: в Пущино (Московская область) и в Green Bank (США). Соответственно, с одной из этих станций спутник должен быть виден весь период наблюдений, причём достаточно высоко над горизонтом.

    3) Приёмная и передающая аппаратура на борту не рассчитана на многочасовую непрерывную работу — она перегревается, как непосредственно от своей работы, так и от Солнца, если оно попадает на аппарат в соответствующей ориентации. В большинстве случаев это ограничивает наблюдения не принципиально, но бывает, что какой-нибудь сеанс нужно укорачивать или отменять из-за технических ограничений такого рода.

    Основной объём данных получается с наземных радио-телескопов, работающих совместно. Дело в том, что эффективная чувствительность всей совместно работающей системы (радиоинтерферометра) повышается с повышением чувствительности отдельных телескопов, поэтому данные с наземных станций записываются в максимально широкой полосе и соответственно с большим потоком. Типично — несколько ГБит/с от одного телескопа, которых одновременно работает до пары десятков, время сеанса — до нескольких часов. Все эти данные разными путями (специально выделенные интернет-каналы, пересылка HDD почтой, и даже перевозка HDD направляющимися в нужную сторону сотрудниками) попадают в отделы корреляционной обработки: основной в АКЦ ФИАН в Москве, также есть в Бонне (Германия).

    Сейчас общий объём данных составляет ≈5 петабайт, они хранятся начиная с первых экспериментов, и удаление не планируется. Несмотря на то, что напрямую используются только данные, обработанные на корреляторе (который, по сути, и выделяет сигнал от источника, одинаковый для всех телескопов, от помех, которые везде разные) и имеющие на порядки меньший размер, исходные сырые данные могут использоваться и иногда используются для переобработки, в случае если что-то было улучшено/исправлено в алгоритмах, или получены более точные сведения об орбите спутника. Данные хранятся как на дисках, так и на лентах (архив), и занимают по сути одно помещение. Для обработки используется CPU-кластер с общей производительностью около 1 ТФлоп/с, ≈100 ядер. Этого с запасом хватает: для типичного наблюдения корреляция происходит в несколько раз быстрее реального времени, что позволяет спокойно сравнивать разные параметры и их влияние на результат.


    Конструкция аппарата

    РадиоАстрон находится на сильно вытянутой орбите: насколько я понимаю что кроме возможности проведения таким образом наблюдений в широком диапазоне условий это ещё позволяет большую часть времени использовать для связи тарелки размещённые в России?

    Вообще, вытянутость орбиты и использование российских антенн особо никак не связано — Земля-то вращается. Тем более, что приём данных с одинаковым успехом может проводится любой из двух станций слежения — по одной в России и США. На обоих специально было поставлено соответствующее оборудование, как приёмное так и передающее.

    Вытянутость орбиты даёт различные преимущества:

    — Пара расположенных в фиксированных местах радиотелескопов даёт измерение по сути всего одной точки в области пространственных частот (Фурье-преобразование от наблюдаемого изображения); с учётом вращения Земли получается одна дуга эллипса. Чем больше таких точек/дуг измерено (причём для как можно большего диапазона расстояний), тем лучше для восстановления изображения. Поэтому вытянутая орбита позволяет измерять пространственные частоты не только на одном эллипсе с центром в Земле, как было бы для круговой орбиты, а на самых разных расстояниях — от нескольких тысяч километров (меньшие расстояния как раз покрыты парами телескопов, расположенных на Земле) до максимальных 300+ тыс километров, пусть и почти только в одном направлении. Такая возможность действительно часто используется — один и тот же источник наблюдается как при большом удалении спутника, так и когда он приближается к нам.

    — С помощью спутника решаются и другие научные задачи, не связанные с радиоастрономией. Например, на нём находится самый точный из когда-либо запущенных в космос водородных стандартов (атомные часы), что позволяет с наивысшей точностью проверить наличие отклонений от замедления времени, предсказанного ОТО (пока расхождений не обнаружено). Для этого важно, чтобы орбита была сильно вытянутой.


    Самый дорогой наземных телескоп современности (цена ≈2 млрд $) — SKA или «антенная решётка площадью в квадратный километр». В начале прошлого года был собран первый образец антенны из которых он будет состоять, а уже в этом году должно начаться его строительство.

    Для 3 из 4 диапазоном работы РадиоАстрона указывается одна конкретная частота работы: используется ли в качестве своеобразного «частотного модулятора» постоянно меняющаяся в ходе движения по орбите скорость радиотелескопа?

    Скорость спутника настолько мала относительно скорости света, что никакой пользы для наблюдений это не даёт — частота изменяется на малые доли процента. Хотя, конечно, именно эффект Доплера используется для высокоточного измерения скорости аппарата — погрешность порядка миллиметров в секунду.


    В этом неприметном здании РадиоАстрон появлялся на свет. Подробная фотоэкскурсия по Пущинской радиоастрономической обсерватории доступна здесь.

    Насколько от общего времени примерно удаётся загрузить РадиоАстрон работой?

    По факту, сейчас непосредственно наблюдения проводятся около 20% времени, не учитывая различных технических процедур: разгрузка маховиков ориентации, прогрев и охлаждение приёмников, передача команд и диагностика работы всех узлов, юстировка (уточнение ориентации) и т.п.


    Орбита РадиоАстрона и радиационные пояса

    РадиоАстрону приходится проводить большую часть времени за пределами магнитного поля Земли и проходить почти 100 раз за год через радиационные пояса: является ли накопленная солнечными батареями и электроникой радиация сдерживающим фактором для продолжения его работы, или срок его службы ограничивается ресурсом контролирующих его положение маховиков/другим фактором? Есть ли оценки того сколько он сможет проработать ещё?

    Кстати, именно из-за прохождения через радиационный пояс оказалось полезным поставить на спутник ещё и различные приборы — датчики заряженных частиц для регулярного исследования такого окружения Земли.

    Время работы может ограничиться любым устройством — хоть электроникой, хоть маховиком. Различные узлы постепенно выходят из строя, что ожидаемо — планируемый срок работы был 5 лет, а РадиоАстрон летает уже 6.5. Но на текущий момент возможно проводить (и проводятся) почти все типы наблюдений, без существенных потерь. Из последнего — летом 2017 на борту закончился водород для водородного стандарта (атомные часы), поэтому теперь наблюдения проводятся в режиме синхронизации с Земли. В этом ничего плохого нет — собственно, именно такой метод и был изначально запланирован вообще для всех наблюдений. Водородный стандарт был скорее экспериментальным оборудованием, но оказалось, что он работает безо всяких проблем и обеспечивает требуемую высокую постоянность хода. Соответственно, его и использовали для наблюдений в течение 6 лет; среди прочего это более удобно организационно: например, не требуется излучение с Земли и его не нужно согласовывать.

    Есть также узлы, которые изначально были резервированы 2-3 раза, и 1-2 из этих копий вышли из строя. Например, маховики, которые вращают и стабилизируют аппарат — сейчас достижимая скорость вращения существенно ниже той, которая была возможна в начале работы, но она всё равно находится в расчётных пределах. Что-то утратило часть функциональности — например, для наблюдений недоступна одна из поляризаций в некоторых диапазонах.

    Всё вышеупомянутое не мешает проведению наблюдений и приёму заявок на них — основные характеристики в норме. Остаток времени работы особо никто не берётся предсказывать, потому что почти невозможно определить когда выйдет из строя какой-нибудь жизненно важный узел, оставшийся в единственном экземпляре.


    В середине 2016 года РадиоАстрон завершил свою основную 5-летнюю миссию и приступил к расширенной.

    Какие на ваш взгляд самые крупные научные открытия РадиоАстрона на данный момент?

    Я бы выделил такие самые значимые вещи:

    — Открытие того, что эффект рассеяния излучения на межзвёздной среде заключается не только ожидаемом «размытии» изображения, но при этом также появляются мелкие детали, этакая «рябь». С одной стороны, это позволило увидеть с РадиоАстроном различные объекты типа пульсаров, которые иначе не были бы видны (интерферометр принципиально не чувствителен к однородной протяжённой/размытой структуре), а с другой — теперь этот эффект обязательно надо учитывать например при работе Event Horizon Telescope, который пытается «увидеть» тень от чёрной дыры в центре нашей галактики. Собственно, мы с командной EHT достаточно плотно сотрудничаем по этим вопросам.

    — Детектирование крайне высокой яркости в центрах активных галактик. Раньше считалось (не только из наблюдений — есть разумные физические теории, которые это предсказали), что они на порядок-два менее яркие, и соответственно такое открытие существенно дополнило наше понимание этих объектов, и некоторые предположения теорий оказались опровергнуты.

    — Непосредственно по изображениям с высоким разрешением удалось впервые исследовать внутреннюю структуру струй (выбросов) из активных галактик, мазеров (microwave laser) в пылевых дисках в нашей галактике, и многое другое.


    Преимущества применения интерферометрии на примере пары 8-метровых телескопов комплекса VLT.

    У РадиоАстрона в несколько раз большее разрешение по сравнению с наземными радиотелескопами: удалось ли таким образом обнаружить какие-то двойные или визуально-двойные системы радиоисточников?

    На одной и той же длине волны разрешение в десятки раз больше: сравним 12 тыс км диаметр Земли и 340 тыс км апогей орбиты. Пока конкретных детектирований двойных систем на РадиоАстроне нет, по сути до недавнего времени этой задачей никто не занимался — не хватает рук. Есть ожидания, что получится на основе уже имеющихся данных наблюдений что-то такое найти.


    Сравнение снимков в видимом и инфракрасном спектре туманности Орла: здесь хорошо видно как большая длинна волны позволяет заглядывать дальше вглубь молекулярного облака.

    Сейчас указывается что Китай собирается вывести на орбиту два своих аппарата подобных РадиоАстрону: рассматриваются ли сейчас какие-то планы по завершению работы нашего телескопа по запуску нового аппарата с лучшими характеристиками или уже на солнечную орбиту?

    Китайский проект не «лучше» РадиоАстрона, он просто несколько другой: нацелен на более высокочастотные диапазоны волн, 8, 22 и 43 ГГц. РадиоАстрон, для сравнения, работает на 0.3, 1.6, 5, 22 ГГц — то есть совпадает только один диапазон. На разных частотах излучают различные объекты, и свойства межзвёздной среды тоже отличаются, поэтому научные данные этих проектов будут хорошо дополнять друг друга.

    Выводить радиоинтерферометр на солнечную орбиту смысла не так много, если он будет наблюдать совместно с земными телескопами — кроме очевидных проблем высокоточного определения его положения тут играет роль то, о чём я выше писал — очень желательно иметь как можно более плотное покрытие области пространственных частот измерениями. А если одна антенна будет на расстоянии порядка 1 а.е., а все остальные телескопы на Земле, то пользы намного меньше.

    Ближайшая перспектива — почти готовый телескоп Спектр-РГ (рентген-гамма), запуск которого планируется на начало 2019 года. Это единственный проект рентгеновского космического телескопа в мире на ближайшие годы, и он тоже (как и РадиоАстрон, Спектр-Р) даст существенные наблюдательные улучшения по сравнению с имеющимися инструментами.

    Большое спасибо Александру Плавину за предоставленное интервью. Если вы также хотите поблагодарить его или задать ему свои вопросы, то вот его ник: chersanya
    Поделиться публикацией
    Ой, у вас баннер убежал!

    Ну. И что?
    Реклама
    Комментарии 18
    • +10

      Вот чем мне импонируют американцы — они из практически любого околонаучного проекта делают шоу, местами даже грандиозные.
      У нас же работа такого великолепного инструмента освещается крайне скудно, и такие вот статьи (пусть и коротенькие) — как луч света в царстве тьмы.
      Казалось бы, посади несколько человек, пусть сделают тонну инфографики, с орбитами, с обработанными в рисунки данными и так далее. Напишут 50 красивых статей. Раскидают их на научпоп ресурсы, а дальше народ сам растащит. Это ведь не так дорого стоит, а взамен все это будет привлекать людей к проекту, к астрофизике, науке и космосу в целом.

      • +5
        На всё это нужны деньги. А у нас мало того что на науку выделяются скудные деньги, так ещё если будут выделять на «рекламу», то пойдет вой, что опять пилят деньги и тп. Эта проблема уже обсуждалась на гиктаймс, но насколько я помню пришли лишь к выводу, что Роскосмос со временем улучшает свою инфографику и освещение полетов/запусков и это для него уже стало «требуемой нормой», но дело идет медленно. Чего поделать, у нас вообще со времен СССР везде пихают секретности, а сесть в тюрьму мало кому охота. Плюс культура требовать результата за уплаченные налоги, как и гражданское общество — только в зачатке.
        • +1
          Секретности в научной программе радиоастрона нет, да и в технической работе тоже (или если есть, то очень мало). Насколько я знаю, это относится и к другим научным космическим проектам.
        • +2
          Казалось бы, посади несколько человек, пусть сделают тонну инфографики,
          Очень жаль, что без «посадить» у нас хорошо работу не сделать.
        • +5
          Космический радиотелескоп «РадиоАстрон» на данный момент имеет самое большое угловое разрешение среди всех телескопов

          Фразу «РадиоАстрон имеет самое большое угловое разрешение» я слышу уже пять лет. Но на вопрос:
          — А где же фоточки?
          мне неизменно отвечают:
          — Ты тупой, это же интерферометр.
          • +3
            Дело в том что скажем снимки с «Хаббла» даже если они делаются исключительно ради учёных — вполне пригодны для выкладывания для публики. А «снимки» с радиотелескопов — это обычно график мощности, или какое-нибудь изображение 10x10 пикселей. Скажем с 300-метровой тарелки Аресибо изображений тоже особо нет.

            В сети вообще мало снимков с радиотелескопов хоть в каком-то качестве. Скажем вот этот снимок «GLEAM» — это побочный результат широкоугольного обзора наземного телескопа за 50 млн $. РадиоАстрон для такого рода обзора пригоден слабо, стоит слишком дорого и у него полно чисто научной работы, которая для визуализации к сожалению слабо пригодна.
            • +2
              Вполне можно наложить данные с радиотелескопа на «фоточки» в оптическом диапазоне. Но ученным такое представление данных не особенно нужно. Поэтому и нет массовых подобных изображений.

              Для примера «фоточек» радиосигнала:
              habrahabr.ru/post/218805
              • +8
                Есть изображения такого рода:
                image
                Оно действительно получено с использованием радиоастрона.

                А вот сравнение изображений c наземных радиотелескопов (цветом) и радиоастрона (контурами) — видно, насколько лучше разрешение.
                image
                • +2
                  Ещё, ещё, пожалуйста!!!
                  • +1
                    Есть и ещё изображения, конечно — но красиво выглядящих не так много.

                    Заголовок спойлера


                    Для получения изображения требуется достаточно много времени телескопа, далеко не один сеанс наблюдений. И большинство результатов всё-таки получаются без построения таких картинок, обычно либо их не рисуют вовсе или получается что-то типа такого:
                    Заголовок спойлера


                    то есть по сути компактная деталь без структуры. Однако можно померять например её размеры, поляризацию, ещё какие-нибудь характеристики — даже без построения изображения, непосредственно fitting'ом моделей под исходные данные (интерферометр измеряет фурье-преобразование изображения).

                    Ещё картинки гляньте в презентации например, чтобы сюда мне не переносить все :)
                    • +1
                      Большое Спасибо хоть за это. Просто всегда хотелось посмотреть на данные в более популярным формате кроме графиков. Хотя бы рендер на основе реальных данных, или данные натянутые на модель. Меня больше завораживает Стрелец А" и движение звёзд вокруг центра галактики ( типо у нас они не подвижно а где-то есть где они двигаются в реальном промежутке времени) кстати радиоастрон может заглянуть туда? Чтоб уточнить орбиты и тд
                      • +1
                        Центр нашей галактики к сожалению не видно на таких длинах волн — рассеяние очень сильное. EHT (event horizon telescope) работает на в 10 раз более коротких волнах (сотни ГГц), и возможно позволит «увидеть» тень чёрной дыры в центре — но звёзды всё равно на них особо не видно, для этого используются оптические телескопы.
                • +3
                  Вот коллекция фотографий с Радиоастрона (в статьях):
                  www.asc.rssi.ru/radioastron/publications/publ.html

                  Конкретный пример, того, как выглядит один из источников — в статье на странице 4:
                  www.asc.rssi.ru/radioastron/publications/articles/aa_2017,604,a111.pdf
                  Для сравнения, фотография объекта в оптическом диапазоне:
                  www.astro.spbu.ru/staff/vlar/opt_thumbs/3c273.html
                  объект обозначен «перекрестием» (цифрами — звёзды сравнения). Тут квазар визуально не отличим от остальных звёзд поля. Угловые разрешения отличаются на несколько порядков в пользу радиоинтерферометров: секунды или десятые доли секунды дуги в оптике против долей миллисекунд дуги для сети радиотелескопов VLBA.

                  Очень круто, что удаётся измерять и поляризацию, а это очень важная информация, т.к. позволяет исследовать физические условия, структуру магнитного поля, например.
                  На фотографии, приведённой в статье, хорошо видна внутренняя структура квазара, но что ещё интереснее — делая серии снимков, можно следить за эволюцией внутренних областей квазаров, см., например, проект коллег из Бостонского университета (https://www.bu.edu/blazars/VLBAproject.html, в верху страницы, кстати приведены gif-анимации).
                • 0
                  Не совсем по теме, но всегда было интересно, как можно отличить звезду от галактики.
                  В центре фото расположен Млечный путь, а по сторонам — около 300 тыс. других галактик.


                  Вообще, реально ли, имея школьный телескоп (или вообще невооруженным глазом) сказать «воот то белое пятно — это галактика»?
                  А если нет, то каким образом рисуются все эти красивые «фотографии» туманностей и галактик?
                  • 0
                    Отдельные звёзды в другой галактике в небольшой телескоп не различить, галактика Андромеды в такой телескоп можно увидеть в виде небольшого облачка — но какая-нибудь туманность будет также выглядеть. Наверно единственный способ точно отличить звезду от галактики — это прицепить к телескопу спектрометр: если перед вами будет галактика — то у неё линии поглощения будут более размытые (так как вещество звезды при вращении значительно меньшую разницу в скоростях создаёт, нежели вращающиеся по орбите галактики отдельные звёзды).

                    А вообще этот вопрос весьма сложный — впервые точно обнаружить галактики удалось только Хабблу менее века назад.
                    • +1
                      грубо говоря, не всякое «пятно» в телескопе будет «галактикой», возможно это будет планетарной туманностью или шаровым звездным скоплением (в школьный телескоп некоторые шаровики как раз и выглядят как пятнышки).
                    • +1
                      Ну, если ближе к теме статьи — то по радиоизлучению можно достаточно уверенно утверждать, что исследуемые нами активные галактики являются именно галактиками, а в их центрах нечто очень массивное (чёрная дыра или нет — открытый вопрос). Излучение звёзд существенно отличается.
                    • 0

                      "Миллиметрон" ещё обещали и то, что он сможет видеть сферы Дайсона.

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое