Самый большой радиотелескоп снял место посадки Apollo 15

    ... и не увидел лунный модуль. Два месяца, как астрофизики мира простились с легендарным телескопом Arecibo, который долгое время обладал самой большой «тарелкой». Китайцы сделали «тарелку» ещё больше, но американцы тем временем модернизировали свои оставшиеся телескопы, и подняли их характеристику в четыре раза.

    Трехсотметровая антенна Arecibo долгое время оставалась непревзойденной по площади — это важное преимущество для «прослушивания» очень удаленных и слабых источников радиоизлучения. Но для науки этот телескоп служил не только как «ухо», но и как «голос» — радаром, зондирующим объекты Солнечной системы. В этой роли Arecibo работал в паре с другими радиотелескопами, в последние годы часто с Green Bank Telescope. Телескоп Green Bank меньше — диаметр антенны 100 м, зато она поворотная, в отличие от Arecibo, и для таких тарелок — это бесспорный рекорд.

    Диаметр антенны влияет не только на чувствительность телескопа, но и на его разрешающую способность, то, что фотографы называют резкость. Разрешающая способность — это показатель насколько мелкие объекты или минимальное расстояние между ними способен рассмотреть телескоп. Разрешение зависит от двух параметров: диаметра телескопа и длины волны излучения, в котором ведется наблюдение. Так, для одинаковых по размеру телескопов, наблюдение на длине радиоволны 6 мм разрешение будет в 10 тыс раз хуже чем в наблюдении видимого света. То есть чтобы сравниться с 10-сантиметровым любительским телескопом, радиотелескоп должен иметь диаметр 1 километр.

    К счастью, радиоастрономы догадались, как обойти это ограничение, если использовать несколько радиотелескопов на расстоянии. Один из способов — интерферометрия, когда объединяются данные от нескольких телескопов. Тогда диаметром считается расстояние между наиболее удаленными телескопами в общей системе. Например антенный массив ALMA состоит из 66 антенн и имеет общий диаметр 16 км, а 27 антенн VLA — диаметр 36 км.

    Кстати, VLA вместе c Arecibo снималась в фильме «Контакт».
    Кстати, VLA вместе c Arecibo снималась в фильме «Контакт».

    Если данные с телескопов снимать не аналоговым, а цифровым методом, то можно значительно расширить границы. По сути телескопы можно расставить по всей Земле и тогда диаметр условного телескопа будет ограничиваться только диаметром планеты. Эта технология называется непроизносимым термином радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой. Впервые она была теоретически обоснована в СССР при участии Николая Кардашева, и под его же руководством был создан проект «РадиоАстрон» — космический радиотелескоп.

    «РадиоАстрон» обладал тарелкой всего в 10 м, но объединяя работу с наземными станциями, позволял создавать радиотелескоп диаметром до десятков и сотен тысяч километров. С российским космическим телескопом работали практически все крупные наземные радиообсерватории, включая Arecibo, но американцы пошли своим путем. Они создали наземную сеть 25-метровых радиотелескопов VLBA, которая раскинулась на 9,5 тыс км от Гавайев до Карибского моря.

    Российский аналог «Квазар-КВО» состоит из трех 32-метровых антенн и разнесен на расстояние 4,5 тыс км, на одной из его станций мне удалось однажды побывать.

    Обычно сеть VLBA работает на приём астрофизических сигналов отдельно от Green Bank или Arecibo, а эти две обсерватории использовали другую технологию улучшения изображения — бистатическая визуализация. Похожую технологию используют авиационные или космические радары, зондирующие земную поверхность — SAR: Arecibo работал как гигантский радиопрожектор, «освещая» пролетавшие астероиды, Луну, Меркурий и спутники Юпитера, а стометровая антенна Green Bank принимала отраженные лучи. За счет разницы расположения между «освещающим» и принимающим телескопом качество картинки получалось лучше, чем если бы работал один одновременно и на излучение и на прием. Фактически тут действует тот же принцип, что и в интерферометрии — расстояние между двумя радиотелескопами определяют разрешающую способность как диаметр одного. В случае пары Arecibo-Green Bank — это 2,5 тыс. км, которые давали разрешение на Луне около 20 м, что в три раза лучше телескопа Hubble.

    К сожалению, бистатический радар Arecibo-Green Bank дальше Юпитера не добивал, т.к. вращение Земли уводило из «прицела» Arecibo далекие тела пока туда летел сигнал. Но и этого хватало более чем. Главным открытием этой технологии стало открытие водяного льда на Меркурии.

    И «закрытие» льда на Луне.

    Также Arecibo много работал в наблюдении пролетающих околоземных астероидов.

    А потом он разрушился.

    К счастью, ученые «подстелили соломку» и смогли установить мощный передатчик на стометровый Green Bank. Теперь он будет «прожектором», и за счет своей поворотной системы и большей мощности передатчика сможет добивать не только до Юпитера, но и до Урана и Нептуна. Принимать же данные будет наземная сеть VLBA.

    Новая система Green Bank-VLBA провела первые испытания и телескопы обратили взор к месту посадки Apollo 15 в лунных Аппенинах. Разрешение этой панорамы около 5 м на пиксель.

    Разрешающая способность нового снимка примерно в четыре раза превосходит лунную съемку прежней пары Arecibo-Green Bank.

    Авторы съемки не уточнили удалось ли им увидеть какие-либо следы пребывания человека в рассмотренной местности, поэтому пришлось самому сравнить результаты радарной съемки и спутниковой.

    Первое, что бросается в глаза — светлые пятна радарного снимка не всегда совпадают с оптическим. Это логично, т.к. яркое отражение в радиолучах дают дробленые камни, т.е. эти пятна — следы разбросанной породы вокруг молодых метеоритных кратеров. А вот ни тропинки, вытоптанные астронавтами, ни оставшаяся ступень лунного модуля в радиодиапазоне не видны. В разрешении 5 м, модуль должен занимать два пикселя, и если бы он обладал более ярким отражением радиоволн, то был бы виден.

    Судя по всему, панели экранно-вакуумной теплоизоляции и противометеоритной защиты такой же хороший поглотитель и рассеиватель радиолучей, что и окружающий реголит. Хотя возможно и другое объяснение — алгоритм обработки данных мог «съесть» два ярких пикселя, решив, что это просто шум.

    Для сравнения, в видимом диапазоне, на снимках пятиметрового разрешения от японского аппарата Kaguya темное пятно на месте лунного модуля видно благодаря контрасту с окружающим грунтом. Можно даже рассмотреть отрезок наиболее вытоптанного грунта в северо-западном направлении от места прилунения.

    Место посадки Apollo 15 со спутника Kaguya
    Место посадки Apollo 15 со спутника Kaguya

    Ранее в эту же долину заглядывал и космический телескоп Hubble. Но у него разрешение всего 60 м, потому сумел рассмотреть лишь смутные признаки посадки — чуть более светлое «гало» разогнанной ракетными двигателями пыли.

    Сравнение снимка телескопа Hubble (слева) и спутника LRO (справа).
    Сравнение снимка телескопа Hubble (слева) и спутника LRO (справа).

    Самые качественные, на сегодня, спутниковые снимки места посадки Apollo 15 доступны благодаря американскому аппарату LRO. Тут уже видны и тропинки, и следы ровера, и сам ровер, и оставленное оборудование, и мусор. Разрешение этого кадра в десять раз лучше японского — 0,5 м.

    Место посадки Apollo 15 со спутника LRO
    Место посадки Apollo 15 со спутника LRO

    При увеличении мощности передатчика на телескопе Green Bank, возможно, качество лунных панорам ещё возрастет, хотя вряд ли они снова будут смотреть на Apollo. В Солнечной системе много других целей, интересных астрофизикам и планетологам.

    С радиотелескопами и местами посадок американцев на Луну известен другой курьез. В конце 70-х гг в Советском Союзе построили большой наземный радиотелескоп РАТАН-600. Для испытания астрономы направили его на Луну, и с удивлением обнаружили пять ярких источников радиоизлучения на поверхности. Оказалось, что это шли телеметрические данные с блоков приборов ALSEP, которые оставили американские астронавты. Они питались от радиоизотопных термоэлектрических генераторов и могли проработать ещё десятилетия. Но ученые NASA к тому времени уже утратили интерес к Луне, и погасили ALSEP вскоре после обнаружения советскими радиоастрономами.

    Средняя зарплата в IT

    120 000 ₽/мес.
    Средняя зарплата по всем IT-специализациям на основании 6 430 анкет, за 1-ое пол. 2021 года Узнать свою зарплату
    Реклама
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее

    Комментарии 46

      +3

      Спасибо за статью!
      Возник вопрос: в статье есть анимация астероида (Гугл говорит, что это JO25) и написано, что в съёмке помогал Arecibo. При этом на анимации четко видны тени. Но Arecibo ведь радиотелескоп (радиоизлучатель). Или именно та анимация снята в видимом диапазоне? Или Arecibo светил настолько под углом от наблюдающего радиотелескопа, что можно было увидеть тень в радиодиапазоне?

        0
        Могу предположить два варианта. Либо это не оптическая тень(Солнце ведь излучает в т.ч. радиодиапазоне), либо материал под солнечным излучением(и в его тени) по разному отражает сигнал.
          +2
          Не только на анимации, на всех других тоже. Солнце излучает во всех диапазонах. Может добавляется отраженное поверхностью излучение солнца. Или прогретые участки отражают с другим коэффициентом.

          Хотя везде пишут «Аресибо создал трехмерную модель». По любому радио телескоп не может снимать в видимом диапазоне и это синтетические изображения, сделанные под картинку в видимом диапазоне. Наверняка есть и другие изображения с другими характеристиками на которых ничего не понятно для обывателя, но интереснее для учёных. Типа карты плотности вещества или процентное содержание воды.
            +2
            Это радиотень. Подсветкой выступает именно Arecibo.
            +3
            Место посадки Apollo 15 со спутника LRO
            Шах и мат, конспирологи.
              +34
              О, ну что вы. Их на такой мякине не проведёшь. LRO — американский и в сговоре с правительством, потому достоверность снимка под сомнением 8)
              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  –2
                  Коммунизм — это научная теория как раз, вера здесь не при чем.
                    +3

                    В коммунизме нет ничего научного. Он не стоит на формальном фундаменте (от диамата до полноценной матлогики как до Луны) и не делает никаких проверяемых предсказаний.

                      +2
                      Как и вся философия. И остальные гуманитарные науки.
                      0
                      Тогда выходит, что теология тоже научная дисциплина?
                      Ну или астрология там какая…
                    +1

                    Самые упоротые начинают рассказывать, что американцы запустили беспилотный посадочный аппарат, чтобы его было видно на снимках. Но людей там не было. Были только специальные штуки чтобы следы на поверхности оставлять, ага.

                      +9
                      Я даже знаю какие именно!
                    +5
                    Никакими снимками конспиролога убедить невозможно, это просто вопрос веры.
                    Более того. Я абсолютно уверен, что если конспиролога посадить в ракету и отвезти непосредственно к месту посадки, чтобы он своими глазами увидел следы пребывания Apollo, то он сразу же выдвинет несколько контраргументов:
                    — более поздняя подделка, взлётная площадка была сброшена на Луну с какой-нибудь автоматической станции
                    — гипноз
                    — дополненная реальность средствами шлема скафандра
                    — компьютерная симуляция (читай — Матрица).
                      0
                      Вялотекущая шизофрения она такая…
                    +4
                    Самые качественные, на сегодня, спутниковые снимки места посадки Apollo 15 доступны благодаря американскому аппарату LRO.
                    Звучит немного как конспирологический анекдот.
                      0
                      А по какому принципу создается изображение из пикселей? Я так понимаю, что нужна матрица антенн в приёмнике или одна антеннна которая бы сканировала получаемый сигнал. Поясните кто в этом разбирается.
                        +11

                        Основной принцип в синтезировании аппертуры — перемещение антенны относительно радиолокационной сцены. Важно при этом точно знать координаты в каждый момент времени. Сканирование в телесном углу никак не позволит организовать синтезирование аппертуры.


                        Полностью дотошно описывать весь алгоритм довольно сложно. В качестве ссылки дам рандомную статью про РСА и дам пару пояснений http://www.mivlgu.ru/conf/armand2012/pdf/S4_16.pdf


                        Первый шаг в синтезе радиолокационного изображения это сбор радиоголограммы. В классическом варианте носитель антенны движется по известной траектории, радиолокатор в импульсном режиме излучает сигнал, а потом переключается на прием. Записывая принятый сигнал и позицию антенны на момент излучения мы по сути и формируем радиоголограмму из которой можно получить радиоизображение.


                        Процесс такой: радиоголограмма -> сжатие по дальности -> сжатие по азимуту -> радиоизображение.


                        Сжатие по дальности, процесс давно использующийся в радиолокационных системах и системах связи. Более корректное название: согласованная фильтрация. Результат применения такой операции представлен на рисунке 3 в статье по ссылке выше. Один точечный объект дает некоторую кривую, форма кривой зависит только от особенностей траектории полета и относительной позиции объекта. Важно отметить, что после сжатия по дальности сохраняется фазовая информация, так как расчет идет в комплексных числах.


                        Изменение дальности объекта после применения согласованной фильтрации можно рассматривать как нектороый набег фазы в большой антенной системе. Фактически каждый момент отправки радиосигнала может считатся эквивалентным излучением элементарного излучателя в огромной фазированной решетке. Если мы для конкретной позиции на радиоголограмме компенсируем набеги фазы от элементаных излучателей, то получим эквивалентную антенну с колоссальным угловым разрешением. И что еще лучше, то выбирая конкретную позицию на радиоголограмме мы как бы фокусируем эквивалентную антенну на эту точку. Пройдясь в цикле такой фокусировкой по всем точкам в радиоголограмме и получим радиоизображение.


                        Вся особенность работы с космическими радиотелескопами состоит в том, что антенна смотрит в небо, а носителем является земля, которая вращением и движением создает аппертуру существенно превосходящую возможности 1 тарелки.


                        Большие сложности состоят в том, что нужно иметь высокую когерентность, чтобы на больших интервалах времени копить радиоголограмму. В 2019 году сделали таким образом фотографию черной дыры https://ru.wikipedia.org/wiki/M_87_(%D0%B3%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0)#/media/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Black_hole_-_Messier_87.jpg

                          +2

                          Вот менее рандомная статья, а конкретно методика, использованная при съемке черной дыры. От автора, которая собственно этим и занималась.


                          https://arxiv.org/abs/1512.01413

                            0
                            Спасибо за ответ, к сожалению моих знаний не хватает, чтобы понять этот материал. Возможно, это когда-то изменится.
                              +3

                              Если антенна одна, то происходит сканирование. Движется либо сама антенна, либо приёмное устройство, либо используется движение Земли.
                              Вот хороший пример: https://habr.com/ru/post/218805/
                              Очень вдохновило в свое время.


                              Если же интерферометр, то нашлась такая статья: https://habr.com/ru/post/458252/
                              У меня пока отложено в долгий ящик.

                                0
                                Спасибо!
                          +1
                          /Одевает шапочку из чугуниевой фольги/
                          Ага! Скоро китайцы покажут, что конспирология единство верный способ описания реальности. Готовь бритву, котяра фотосинтезирующий, мы не забыли ваше обещание.
                          /Снимает шапочку из чугуниевой фольги/
                          Будет забавно, если китайцы опубликуют фото с затертыми следами посадки. Не знаю зачем, но масштаб срача будет эпическим.
                            +2
                            фото с затертыми следами посадки

                            И грабли рядом валяются.

                              +1
                              Сломанные. Китайские же.
                              +2
                              Китай уже опубликовал фото мест посадок. Качество там ещё хуже чем у японцев — разрешение 7 м, но лунные модули в виде точек видны. Мы раскопали, когда я готовил материал для книги. Индийцы тоже сняли, лучше китайцев и японцев, но хуже американцев.
                              +4
                              Zelenyikot
                              А есть ли новости по теме разрабатываемого вашей командой лунного спутника?
                              Или все заглохло?
                                +2
                                Движение по проекту есть. Спонсоров не нашлось, поэтому пришлось его переформатировать под бизнес-применение, чтобы заинтересовать инвесторов. Правда пока и с инвесторами туговато, но процесс идет. Собственно 2020-й в этом деле отчасти даже помог, на удаленке удалось решить многие вопросы, для которых раньше пришлось бы по всей стране кататься. Когда будет какой-то промежуточный итог расскажу подробнее.
                                  +3
                                  ссылка е? Или сайт и форум все те же? Как то заходил туда — там никого, тихо и пустынно. Запилите статейку с новостями чтоли, мы поругаем это ваше бизнес-применение, советов непрошенных надаем.
                                +3
                                на его разрешающую способность, то, что фотографы называют резкость

                                вообще-то, нет:
                                у фотографов обычно разрешающая способность избыточна, а проблемы с резкостью обусловлены ошибками наведения
                                  0
                                  обычно разрешающая способность избыточна

                                  Ну да, именно поэтому пейзажисты и студийные фотографы используют фотоаппараты с огромным разрешением матрицы.
                                    +3

                                    Большая матрица больше устойчива к шуму и вроде обладает меньшей глубиной резкости, что позволяет снимать в более сложных условиях и получать красивую бокешечку. Студийные фотографы используют среднеформатные камеры, потому что им надо получать супер-пупер-многомегапиксельное качество для печати на больших постерах. Если печатать постер высотой с пару этажей то да, разрешения обычной камеры уже не хватает.

                                  –8
                                  заинтригован. а пояснения будут как он увидел Аполон на обратной стороне Луны?
                                    +10
                                    Все «Аполлоны» садились на видимой стороне.
                                    0
                                    Почему у бистатического радара разрешение определяется базой?
                                      +1
                                      Полагаю, потому что у всех телескопов именно так.
                                        +3
                                        Пока ждал ответа, нашел, в чем дело. Бистатичность ни при чем. Разрешение у бистатического радара с одной приемной антенной, конечно же, такое же, как у моностатического с такой же антенной. Просто для получения высокого разрешения в этих наблюдениях передающая антенна работает и на прием тоже, и две приемные антенны образуют интерферометр с длинной базой. Вот, например: echo.jpl.nasa.gov/asteroids/Slade_Benner_Silva_IEEE_Proceedings.pdf
                                        0

                                        Речь об угловом разрешении которое определяется расстоянием между крайними точками интерферометра. Разрешение по дальности определяет излучаемый сигнал

                                          0
                                          В статье написано так, будто одна антенна излучает, а вторая принимает. Интерферометра нет. Когда б то было так, мы должны были бы наблюдать Луну в оптике с неимоверным разрешением — ведь она освещается Солнцем сбоку…
                                            +1
                                            Возможно если бы излучение Солнца было бы подобно лазеру — когерентногое, монохроматическое и поляризованное.
                                              0
                                              Монохроматичность и когерентность (причем как временная, так и пространственная) достигаются установкой узкополосного фильтра в любом месте перед детектором — глазом, фотодиодом и т.д., т.е. в линейной части системы. Поляризация тут не важна, но можно и поляризатор воткнуть при желании. Но нет, не поможет. Разрешение одиночной антенны размера D всегда будет λ/D, умноженное на коэффициент порядка единицы, зависящий от геометрии системы.
                                        0
                                        К сожалению, бистатический радар Arecibo-Green Bank дальше Юпитера не добивал, т.к. вращение Земли уводило из «прицела» Arecibo далекие тела пока туда летел сигнал.

                                        Так вращение Земли не останавливается, далекие тела должны возвращаться в прицел.
                                        Речь, вероятно, не о предельной дальности видения, а о «слепой зоне.»
                                          0
                                          С разрешающей способностью понятно, а что такое чувствительность?
                                            +2
                                            Количество собранных квантов излучения главным зеркалом телескопа.
                                            0
                                            А там же вроде уголковый отражатель должен сиять?
                                              0
                                              Это радио, а не лазер.

                                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                            Самое читаемое