?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Новый абсолютный рекорд Радиоастрона?
borisvolhonin
Оригинал взят у za_neptunie в Новый абсолютный рекорд Радиоастрона?
Горизонт событий черной дыры

                Художественное изображение горизонта событий черной дыры - области определяемой радиусом Шварцшильда, внутри которой даже световое излучение не может покинуть черную дыру.  Источник изображения.


   5 мая было опубликовано свежее интервью Юрия Ковалева, руководителя научной программы проекта Радиоастрон. Среди описания проблем и трудностей проекта там сказано, о том, что в ближайшем будущем будет объявлено об установление очередного абсолютного рекорда этого российского космического телескопа. Как известно, Радиоастрон предназначен для получения изображений с рекордным угловым разрешением совместно с наземными радиотелескопами. Поэтому очевидно его новый рекорд связан именно с этой областью. В этой заметке я постараюсь разобраться, насколько может быть уникален этот новый рекорд, а также расскажу о будущих перспективах в этой области.


   Космический радиотелескоп Радиоастрон был выведен в середине 2011 года на высокоэллиптическую орбиту, в самой дальней точке которой он удаляется от Земли на 390 тысяч километров. Бортовой приемник способен улавливать радиоизлучение на длинах волна в 1.35, 6, 18 и 92 см. Что такое угловое разрешение телескопа подробно рассказывал блогер ЗеленыйКот на Хабре. Поэтому на этом моменте я подробно останавливаться не буду. Могу лишь добавить, что угловое разрешение любого телескопа описывается формулой φ=λ/D, то есть угловое разрешение в радианах равно отношению длины волны к диаметру апертуры телескопа. Для космического радиоинтерферометра диаметром телескопа является линия, соединяющая космический радиотелескоп с наземной базой.

  Как следует из формулы, чем короче длина волны, тем выше угловое разрешение может получить телескоп с одним и тем же диаметром. Поэтому очевидно самым ‘’рекордным‘’ диапазоном для Радиоастрона будет самая короткая доступная ему длина волны – 1.35 см. И действительно первый абсолютный рекорд этого телескопа был именно на этой длине волны. В марте прошлого года было объявлено, что при наблюдениях в феврале 2013 года квазара ЗС273 с длиной базы 8.1 диаметров Земли было достигнуто угловое разрешение 27 микросекунд. Наблюдения показали, что размер сверхмассивной дыры в этой далекой галактике не превышает 0.3 светового года. Это стало первым мировым рекордом Радиоастрона по угловому разрешение для любых видов астрономических наблюдений.

ЗС273
Рекордные наблюдения ядра квазара ЗС273 в паре с радиотелескопом GBT. Показан корреляционный сигнал наблюдений. Источник.

   Насколько этот рекорд можно улучшить в теории? Как следует из параметров орбиты, телескоп в апогее удаляется от Земли на максимальное расстояние в 30 диаметров Земли. Отсюда следует, что Радиоастрон может улучшить свой мировой рекорд до 7 угловых микросекунд.

  Может показаться, что Радиоастрону очень легко удается ставить мировые рекорды, за счет того, что длина его космической базы намного превышает возможные базы между наземными радиотелескопами. Но это не так. Радиастрону приходиться конкурировать с наземными радиотелескопами, которые уже практически дотягиваются до его рекордов за счет использования более коротких волн. В то время, как для Радиоастрона самая короткая возможная рабочая длина волны составляет 1.3 см, наземные установки в настоящее время учатся работать в режиме сверхдлинных баз на длине волны только 1.3 мм, т.е. в 10 раз меньше.

   За счет этого в середине 2012 года трем миллиметровым телескопам удалось достичь разрешения в 28 угловых миллисекунд. Для этого была создана сеть из телескопов APEX в Чили, SMA на Гавайских островах, SMT в Аризоне. Между Чили и Гаваями расстояние 9447 км, между Чили и Аризоной 7174 км, между Аризоной и Гаваями 4627 км соответственно. За время наблюдений от каждого телескопа было получено 4 Терабайта данных, которые были потом записаны на кассетные носители и транспортировались в Германию для обработки (такой объем информации пока невыгодно передавать по Интернету). Если сравнить с рекордом Радиоастрона, то очевидно, что пока ему удалось улучшить это достижение наземных интерферометров лишь на 1 угловую миллисекунду или 4 процента.




Сеть из трех миллиметровых телескопов, получивших угловое разрешение в 28 угловых миллисекунд в 2012 году при наблюдение квазара ЗС279. Источник схемы.

   И конечно это не предел возможностей наземных интерферометров. В ближайшее время планируется модернизировать миллиметровые телескопы для работы на еще более короткой длине волны – 0.8 миллиметров. Это позволит достичь уже углового разрешения в 15 угловых микросекунд. Проект получил название Event Horizon Telescope (телескоп Сквозь горизонт). Основная задача этого проекта непосредственно зарегистрировать горизонты событий ближайших сверхмассивных черных дыр к нам – в нашей Галактике (радиоисточник Стрелец А) и в галактике М87. Большим преимуществом наземной сети является, тот факт, что телескопы практически равноудалены друг от друга, что упрощает ‘’сшивку’’ комбинированного изображения. В то время как космический радиотелескоп из-за своей единичности может изменять свою сверхдлинную базу лишь за счет движения по своей орбите. В связи с этим количество изображений от Радиоастрона намного меньше, чем от наземных РСДБ (Радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами).
Примечание. Кроме того наземная и космическая оптическая астрометрия также стремится к точности измерения углов до нескольких угловых миллисекунд. Так конечной целью инструмента PRIMA на оптическом интерферометре VLTI является 10 угловых микросекунд. С другой стороны космический телескоп GAIA сможет измерять координаты ярких звезд до 7 угловых микросекунд в ближайшие годы.


   Как очевидно из описания создания миллиметровых наземных интерферометров с межконтинентальной базой становиться актуальным создание и космического миллиметрового интерферометра, чтобы достичь еще более высокого углового разрешения работая в связке с ними. По этой причине в России разрабатывается проект космического миллиметрового телескопа Миллиметрон.


Художественное изображение космического телескопа ’’Миллиметрон’’ Источник

   Планируемый рабочий диапазон наблюдений Миллиметрона от 20 микрон (1 миллиметр = 1000 микрон) до 17 мм. Работать будет этот космической телескоп во второй точке либрации. Эта область, расположена в 1.5 миллиона километров позади Земли на линии связывающей Землю и Солнце. Россия никогда еще не запускала в эту область свои аппараты, кроме европейского телескопа Гайя.
   Из этих параметров несложно понять, что длина базы Миллиметрона по сравнению с Радиоастроном увеличится в 5 раз (при том, что расположение аппарата будет практически постоянным по отношение к Земле в отличие от эллиптической орбиты Радиоастрона, что на порядки увеличит время научных наблюдений в режиме космического интерферометра). В дополнение, подключив этот телескоп к субмиллиметровому Загоризонтальному телескопу (Event Horizon Telescope), описанному выше, очевидно можно получить фантастически высокое угловое разрешение в 0.1 угловую микросекунду. Более того, на сайте проекта Миллиметрон указаны даже более высокие параметры космического интерферометра – рабочая длина волны в 0.3 мм и максимальная база 1,75 млн. км с миллиметровыми телескопом РТ-70 в Суффе (Узбекистан) и ALMA в Чили. А это значит, что будет достигнуто еще более высокое угловое разрешение в 0.035 угловых микросекунд.



Состояние на 2014 год места строительства РТ-70 на плато Суффа в Узбекистане. После постройки он станет крупнейшим в мире миллиметровым  радиотелескопом. Первоисточник.

    В перспективе это не предел. Как сказано выше, самая короткая длина волны, на которой будет наблюдать Миллиметрон составит 20 микрон, это уже дальний инфракрасный диапазон. К сожалению, наземный инфракрасный интерферометр для такого диапазона невозможно создать по причине слишком больших атмосферных возмущений даже в самых лучших астрономических обсерваториях. Однако, если разместить несколько космических телескопов подобных Миллиметрону на разных космических орбитах, то в принципе ничего не мешает созданию космического интерферометра уже с разрешением в 0,002 угловых микросекунд. В первую очередь такие наблюдения позволять очень детально исследовать черные дыры, а в перспективе и экзопланеты. К примеру, для системы Альфы Центавра такое угловое разрешение соответствует около 600 метров!

  Конечно проект Миллиметрон на порядки сложнее Радиострона. Для миллиметрового диапазона потребуется создать пленчатое многослойное зеркало, гораздо более точной формы, чем у радиотелескопа. Для необходимой чувствительности оно должно быть охлаждено до сверхнизких температур всего лишь в несколько Кельвинов. Планируется, что запуск этого телескопа произойдет не раньше 2018 года.

   В заключение остается лишь констатировать, что проекты Радиоастрон и Миллиметрон еще раз показывают, что Россия владеет одними из наиболее передовых космических технологий, способных давать уникальные результаты для мировой астрономической науки.