«Ра̀диоастро́н» ( англ. RadioAstron) — международный космический проект с ведущим российским участием по проведению фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра с помощью космического радиотелескопа (КРТ), смонтированного на российском космическом аппарате (КА) «Спектр-Р», в составе наземных сетей РСДБ . Координатор проекта — Астрокосмический центр ФИАН . Проект позволяет получить самое высокое угловое разрешение за всю историю астрономии — 7 микросекунд дуги при базе 340 000 км .

Первый из четырёх аппаратов серии «Спектр» (второй — « Спектр-РГ », третий — « Спектр-УФ » и четвёртый — « Спектр-М »).

Цель миссии

Главная научная цель миссии — исследование астрономических объектов различных типов с беспрецедентным разрешением до миллионных долей угловой секунды . Разрешение, достигнутое с помощью проекта «Радиоастрон», позволит изучать:

• релятивистские струи , а также непосредственные окрестности сверхмассивных чёрных дыр в активных галактиках ,
• строение и динамику областей звездообразования в нашей Галактике по мазерному и мегамазерному излучению;
• нейтронные звёзды и чёрные дыры в нашей Галактике — структуру по измерениям флуктуации функции видности, собственные движения и параллаксы ;
• структуру и распределение межзвёздной и межпланетной плазмы по флуктуациям функции видности пульсаров ;
• построение высокоточной астрономической координатной системы ;
• построение высокоточной модели гравитационного поля Земли.

Эксперимент «Плазма-Ф»

Помимо аппаратуры для основной миссии, на борту спутника находятся приборы для эксперимента «Плазма-Ф» . Прибор весит около 20 кг и может измерять поток солнечного ветра с временны́м разрешением в 30 миллисекунд (это сравнимо с показателями таких спутников, как «ACE» (Advanced Composition Explorer) и « Wind »). Измерения скорости, температуры и концентрации солнечного ветра имеют временно́е разрешение 1,5 секунды .

Задачи научного эксперимента «Плазмы-Ф» — мониторинг межпланетной среды в целях составления прогнозов « космической погоды », исследование турбулентности солнечного ветра и магнитного поля в диапазоне 0,1—30 Гц и исследование процессов ускорения космических частиц . Спутник несколько дней находится вне магнитосферы Земли, что позволяет наблюдать межпланетную среду, а потом очень быстро проходит все слои магнитосферы, благодаря чему можно следить за её изменением.

Описание

Основу проекта составляет наземно-космический радиоинтерферометр со сверхдлинной базой , состоящий из сети наземных радиотелескопов и космического радиотелескопа (КРТ) , установленного на российском космическом аппарате «Спектр-Р». Создатель аппарата «Спектр-Р» — НПО имени Лавочкина , главный конструктор — Владимир Бобышкин .

Суть эксперимента заключается в одновременном наблюдении одного радиоисточника космическим и наземными радиотелескопами. Получаемые на радиотелескопах записи снабжаются метками времени от высокоточных атомных часов , что, вместе с точным знанием положения телескопов, позволяет синхронизировать записи и получить интерференцию сигналов, записанных на разных телескопах. Благодаря этому, работающие независимо телескопы составляют единый интерферометр, угловое разрешение которого определяется расстоянием между телескопами, а не размером антенн (метод РСДБ ). КРТ обращается по эллиптической орбите с высотой апогея около 340 тыс. км , сравнимой с расстоянием до Луны , и использует лунную гравитацию для поворота плоскости своей орбиты. Высокое разрешение при наблюдении радиоисточников обеспечивается за счёт большого плеча интерферометра, равного высоте апогея орбиты.

Основные параметры наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон» :

Диапазон (λ, см)	92	18	6,2	1,2—1,7
Диапазон (ν, ГГц)	0,327	1,665	4,83	25—18
Ширина диапазона (Δν, МГц)	4	32	32	32
Ширина интерференционного лепестка ( мкс дуги ) при базе 350 000 км	540	106	37	7,1—10
Чувствительность по потоку (σ, м Ян ), на Земле антенна EVLA , накопление 300 с	10	1,3	1,4	3,2

Шириной интерференционного лепестка определяется угловое разрешение радиоинтерферометра, то есть, например, на волне 92 см «Радиоастрон» сможет различать два источника радиоизлучения, расположенные на угловом расстоянии порядка 540 мкс и более друг от друга, а на волне 6,2 см — ещё более близкие (37 мкс и более) .

Для работы интерферометра требуется знание положения космического аппарата с высокой точностью. Согласно техническому заданию, требуемые точности составляют: несколько сот метров по расстоянию, скорость — не хуже 2 см/с , ускорение — 10 ⁻⁷ м/с² . Для обеспечения этих требований используются :

• радиометрические измерения скорости и расстояния с помощью 64-метрового управляющего телескопа в Центре космической связи «Медвежьи озёра» , 72-метрового зеркала в Восточном центре дальней космической связи («Уссурийск»);
• доплеровские методы измерения скорости с помощью станций в Пущино и в США;
• лазерная дальнометрия;
• оптические методы определения положения по фоновым звёздам;
• интерометрические методы.

Космический радиотелескоп

Космический радиотелескоп с приёмной параболической антенной диаметром 10 метров выведен на высокоапогейную орбиту спутника Земли высотой до 350 тыс. км в составе космического аппарата «Спектр-Р» . Он является крупнейшим в мире космическим радиотелескопом, что было отмечено в книге рекордов Гиннесса .

В проекте «Радиоастрон» применение радиотелескопа на высокоэллиптической орбите позволяет получить интерферометр с базой, значительно превышающей диаметр Земли. Интерферометр с такой базой позволяет получить информацию о структуре галактических и внегалактических радиоисточников на угловых масштабах порядка 30 микросекунд и даже до 8 микросекунд дуги для самой короткой длины волны проекта (1,35 см) при наблюдениях на максимальной длине базы.

Оборудование

Полная масса полезного научного груза — приблизительно 2600 кг . Она включает массу раскрывающейся параболической антенны диаметром 10 м (1500 кг) и массу электронного комплекса, содержащего приёмники, малошумящие усилители , синтезаторы частот , блоки управления, преобразователи сигналов, стандарты частоты, высокоинформативную систему передачи научных данных (около 900 кг). Масса всего спутника , выведенного на орбиту с помощью ракеты-носителя «Зенит-2SБ» с разгонным блоком «Фрегат-2СБ», — около 3850 кг

Полная мощность питания системы составляет 2600 Вт , из которых 1150 Вт используется для научных приборов. Во время нахождения в тени аккумуляторный блок аппарата позволяет работать около двух часов без питания от солнечных батарей .

Антенна

Антенна космического радиотелескопа состоит из 27 лепестков . При выведении на целевую орбиту антенна находилась в сложенном (аналогично зонту) состоянии. После достижения целевой орбиты выполнено механическое раскрытие антенны радиотелескопа . Антенна выполнена из углепластика .

Прототип, 5-метровая антенна, прошла отработку в наземных условиях и подтвердила правильность выбранной конструкции. Затем была изготовлена 10-метровая антенна, испытанная вначале в наземных условиях на полигоне для тестирования и калибровки КРТ-10 в Пущинской радиоастрономической обсерватории .

Связь

До отказа последнего комплекта приёмника командной радиолинии в январе 2019 года для сеансов двусторонней связи использовались крупнейшие в России антенные комплексы П-2500 (диаметр 70 м) в Восточном центре дальней космической связи и (диаметр 64 м) в подмосковном Центре космической связи «Медвежьи озёра» . На малых расстояниях до КРТ (до 100 тыс. км) использовалась антенна НС-3,7, расположенная в ЦУП-Л в НПО им. С. А. Лавочкина.

Связь с аппаратом «Спектр-Р» была возможна в двух режимах. Первый режим — двусторонняя связь, включающая передачу команд на борт и приём с него телеметрической информации.

Второй режим связи — сброс радиоинтерферометрических данных через узконаправленную антенну высокоинформативного радиокомплекса (ВИРК). Данные требовалось передавать в реальном времени , так как запоминающее устройство большой ёмкости в состав телескопа не входило. В 2015 году для приёма радиоинтерферометрических данных использовалась станция слежения, созданная на базе 22-метрового радиотелескопа РТ-22 в подмосковном Пущино . Поток информации, собираемой телескопом, составлял 144 мегабита в секунду. Для обеспечения возможности проведения интерферометрических наблюдений во время, когда космический аппарат не виден для станции слежения в Пущино, Роскосмос профинансировал создание дополнительных станций слежения за пределами России: в США и ЮАР . Начиная с августа 2013 года, введена в эксплуатацию станция в Грин-Бэнке (США, штат Западная Вирджиния) .

История

Проект был начат в 1979—1980 годы, при одобрении Леонида Ильича Брежнева , он пережил период застоя и экономический спад 1990-х годов .

Во второй половине 2000-х годов проект был значительно переработан примерно в течение 5 лет .

Запуск

Запуск КРТ произведён 18 июля 2011 года в 6:31 по московскому времени с 45-й площадки космодрома Байконур ракетой-носителем « Зенит-2SLБ80 » с разгонным блоком « Фрегат-СБ » .

18 июля 2011 года в 10:06 по московскому времени КА «Спектр-Р» достиг целевой высокоэллиптической орбиты с параметрами :

• перигей — 600 км ;
• апогей — 330 тыс. км ;
• период обращения — 8,2 суток ;
• начальное наклонение — 51,3°.

Утром 22 июля была выдана команда на раскрытие антенны, примерно через 10 минут был получен сигнал о том, что двигатель, отвечающий за раскрытие, прекратил движение. Однако сигнала, подтверждающего раскрытие, не поступило. Было принято решение в ночь с 22 на 23 июля развернуть спутник таким образом, чтобы солнце равномерно прогрело конструкцию привода антенны. Утром была выдана повторная команда на раскрытие телескопа, а затем и на фиксацию лепестков. После этого были получены сигналы, подтверждающие успешную фиксацию каждого из 27 лепестков антенны .

Под действием лунной гравитации плоскость орбиты непрерывно поворачивается, что позволяет обсерватории сканировать пространство по всем направлениям . За планируемое время работы (5 лет) притяжение Луны поднимет апогей радиотелескопа до высоты 390 000 км .

При движении по орбите космический аппарат проходит через радиационные пояса Земли , что увеличивает радиационную нагрузку на его приборы. Срок службы космического аппарата — около 5 лет . Согласно баллистическим расчётам, КРТ будет летать 9 лет , после чего войдет в плотные слои атмосферы и сгорит .

В марте 2012 года была проведена коррекция орбиты, которая обеспечила гравитационно-стабильный режим на ближайшие 10 лет .

На момент своего выхода на орбиту космический радиотелескоп, установленный на борту российского космического аппарата «Спектр-Р», — наиболее удалённый от Земли радиотелескоп .

Начало работы

После раскрытия зеркала приёмной антенны КРТ потребовалось около трёх месяцев перед началом наблюдений для синхронизации с земными радиотелескопами .

По окончании проверки всех систем аппарата наступил этап научных исследований. На Земле в качестве синхронных радиотелескопов используются два стометровых радиотелескопа в Грин-Бэнк ( Западная Виргиния , США ) и в Эффельсберге ( Германия ), а также знаменитая радиообсерватория Аресибо ( Пуэрто-Рико ) . Наземно-космический интерферометр с такой базой обеспечивает информацию о морфологических характеристиках и координатах галактических и внегалактических радиоисточников с шириной интерференционных лепестков до 8 микросекунд дуги для самой короткой длины волны проекта (1,35 см).

К 5 августа был включен весь комплекс «Плазма-Ф» и получены первые измерения .

27 сентября «Спектр-Р» впервые провёл тестовые наблюдения космического объекта — остатка сверхновой Кассиопея A . Успешно проведены наблюдения методом сканирования по двум ортогональным направлениям в диапазонах 92 и 18 см в двух круговых поляризациях.

29 и 30 октября 2011 года радиотелескопом проведены наблюдения мазера W3(OH) в созвездии Кассиопеи .

14—15 ноября 2011 года успешно проведены одновременные наблюдения в интерферометрическом режиме на КРТ «Спектр-Р», трёх российских радиотелескопах, образующих (РТ-32 « Светлое », РТ-32 « Зеленчукская », РТ-32 « Бадары ») и крымским радиотелескопом РТ-70 «Евпатория». Целью наблюдения были пульсар PSR B0531+21 в Крабовидной туманности , квазары 0016+731 и 0212+735 (для изучения квазара 0212+735 дополнительно был задействован немецкий 100-метровый радиотелескоп в Эффельсберге ), а также источники мазерного излучения W3(OH) .

В месяц проводится около 100 научных экспериментов .

Общие расходы на программу «Радиоастрон» очень велики ^{[ сколько? ]} , поэтому для составления научной программы был образован международный комитет; заявка на наблюдательное время может быть подана любым учёным, комитет выбирает заявки с наиболее сильным научным уровнем, предлагающие наиболее интересные научные идеи .

В июле 2016 года начался четвёртый год открытой программы наблюдений, для реализации в этот период были отобраны 11 проектов :

Лидерами заявок, принятых к реализации, являются три представителя России, два — Голландии и по одному из Испании, Японии, ЮАР и США. Соавторы заявок представляют 19 стран мира в количестве примерно 155 человек. Наибольшее количество соавторов заявок — из России, следом идут США, Германия, Испания, Нидерланды, Австралия, Италия и другие.

— Пресс-релиз Физического института им. Лебедева РАН

Потеря связи

С 10 января 2019 года связь со спутником потеряна; при этом гарантийный срок спутника истёк ещё в 2014 году (изначально работу «Спектр-Р» планировалось завершить в 2016 году, но её продлили до конца 2019 года) . 12 января стало известно, что радиотелескоп на КА «Спектр-Р» перестал работать на приём командных данных, но при этом продолжает отправлять информацию на Землю . Научный руководитель проекта, член-корреспондент Российской академии наук Юрий Ковалёв пояснил, что «Спектр-Р» работает только по командам с Земли: перед каждым сеансом на борт закладывается программа наблюдений и посылается сигнал на включение приёмо-передающей антенны; сейчас такая команда не проходит на борт аппарата, который переведён в «домашнее положение», в этом состоянии солнечные батареи продолжают подавать питание, но другие части спутника уже не подвержены воздействию солнечного излучения и охлаждаются . Надежда на восстановление связи по-прежнему остается, проводятся сеансы связи в попытке наладить ситуацию, но если с КА не удастся восстановить связь и начать передавать управляющие команды, то эксплуатация спутника и телескопа будет завершена. По косвенным признакам «Спектр-Р» полностью работоспособен, за исключением радиоаппаратуры, принимающей команды с Земли; в текущем состоянии он сможет существовать до сентября 2019, благодаря программе аварийной ориентации, действующей при отсутствии внешних команд . Последний сигнал от «Спектра-Р» был получен 5 февраля . 15 февраля 2019 года на заседании госкомиссии Роскосмоса было принято решение о передаче аппарата под контроль изготовителю — НПО имени Лавочкина — для дальнейших работ по установлению связи со спутником. Работы были запланированы на период до 15 мая, после чего было принято решение о дальнейшей судьбе «Спектр-Р» .

30 мая 2019 года состоялось заседание Государственной комиссии по рассмотрению хода летных испытаний «Спектр-Р». Государственная комиссия заслушала доклады представителей ракетно-космической отрасли и научного сообщества и приняла решение о завершении проекта «Спектр-Р» .

Научные результаты

За первый год работы (на 18 июля 2012) на наземно-космическом интерферометре проекта «Радиоастрон», состоящем из КРТ и наземных телескопов, проведены наблюдения 29 активных ядер галактик, 9 пульсаров ( нейтронных звёзд ), 6 источников мазерных линий в районах образования звёзд и планетных систем .

На 9 октября 2012 международной группой исследователей ядер активных галактик получено первое изображение быстропеременной активной галактики на длине волны 6,2 см по результатам наблюдений наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон» совместно с Европейской сетью РСДБ .

Один из основных изучаемых типов объектов — это квазары . С помощью проекта «Радиоастрон» удалось измерить ширину начала релятивистской струи. Она оказалась равной примерно 1 св. году , эта информация активно используется для проработки моделей формирования подобных струй .

Другим результатом стало измерение яркости релятивистских струй квазаров. Наземные радиотелескопы ограничены некоторой величиной яркости и не позволяют определить, равна ли реальная яркость ей или больше. Данные, полученные по более чем 60 квазарам , позволили установить, что яркость этих струй значительно превышает предыдущие представления. Это требует серьёзной перестройки существующих моделей устройства квазаров. Ранее считалось, что в струях излучают в основном релятивистские электроны . Эта модель не позволяет получить наблюдаемой яркости. Одной из новых моделей может стать модель струи, состоящей из разогнанных до релятивистских скоростей протонов , но тогда встаёт вопрос о механизме ускорения протонов до столь высоких энергий. Возможно, эта проблема имеет отношение к проблеме источника высокоэнергетичных космических лучей .

Наблюдение спектра пульсаров вместо ожидаемой достаточно гладкой картины дало ряд мелких пиков. Это требует переработки теории межзвёздной среды . Одним из объяснений могут стать компактные зоны турбулентности , приводящие к искажению проходящего сквозь них электромагнитного излучения .

При наблюдениях водяного мегамазера в галактике M 106 в диапазоне 1,3 МГц с базовой линией 340 тыс. км (совместно с наземным радиотелескопом в Медичине, Италия) достигнут абсолютный рекорд углового разрешения в астрономии — 8 микросекунд дуги (примерно под таким углом, при наблюдении с Земли, будет видна рублевая монета, лежащая на поверхности Луны) .

Обнаружено сильное рассеяние радиоизлучения межзвёздной плазмой .

Аналогичные проекты

В 1979 году на станции « Салют-6 » была создана радиообсерватория с первым космическим радиотелескопом КРТ-10 .

В 1997 году JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований) запустило радиотелескоп HALCA диаметром 8 метров на орбиту примерно в 10 раз более низкую, чем орбита «Спектр-Р». Аппарат успешно проработал до 2005 года.

Китай имеет планы по запуску двух космических аппаратов, аналогичных «Спектру-Р», при этом активно используются наработки российского проекта .

См. также

• SNAP (спутниковый телескоп)
• HALCA
• « Астрон »
• « Миллиметрон »
• « Спектр-УФ »
• « Спектр-РГ »

Примечания

Литература

• Кардашёв Н. С. (рус.) // Успехи физических наук : журнал. — М. : « Наука », 2009. — Ноябрь (т. 179 , № 11). — С. 1191—1202 . — ISSN . — doi : .
• (неопр.) . Русская служба Би-би-си (18 июля 2011).
• Тунцов А. В. (неопр.) . «Российская Астрономическая Сеть» . Астронет (16 августа 2011). — Подробная статья о проекте .
• Тунцов А. В. (неопр.) . «Российская Астрономическая Сеть» . Астронет (23 сентября 2011).
• Anatoly Zak. (англ.) . RussianSpaceWeb.com .
• (неопр.) . Телестудия Роскосмоса (19 февраля 2011).
• (неопр.) . Телестудия Роскосмоса (16 июля 2011).
• (неопр.) . Телестудия Роскосмоса (18 июля 2011).
• (неопр.) . Телестудия Роскосмоса (18 июля 2011).
• (неопр.) . Телестудия Роскосмоса (10 марта 2012).
• Ковалёв Ю. Ю. (неопр.) . «Трибуна учёного» . Московский планетарий (26 февраля 2014). — Научно-популярная видеолекция руководителя научной программы проекта .

Ссылки

• (неопр.) . Астрокосмический центр . Физический институт имени П. Н. Лебедева . — Официальный сайт проекта .
• (неопр.) . Федеральное космическое агентство « Роскосмос ». Архивировано из 30 июня 2016 года.
• (неопр.) . Федеральное космическое агентство « Роскосмос ». Архивировано из 7 июля 2016 года.
• (неопр.) . Госкорпорация « Роскосмос ». — Инфографика .
• (неопр.) . НПО имени С. А. Лавочкина .
• (неопр.) . НПО имени С. А. Лавочкина (3 июня 2019).