Версия для печати
Вернуться к списку

Инструмент размером с полстраны

С помощью трех российских телескопов, расположенных в вершинах гигантского треугольника, можно составить трехмерную карту земной поверхности с точностью до одного миллиметра

В обсерватории Светлое Института прикладной астрономии (ИПА) РАН под Петербургом 4 декабря сдан в эксплуатацию радиотелескоп РТ-13. Вместе с построенными в 2014 и 2015 годах аналогичными антеннами в Иркутской области (обсерватория Бадары) и в Карачаево-Черкесии (обсерватория Зеленчукская) он образовал гигантский треугольник со сторонами 2015, 4282 и 4405 километров. Все три телескопа объединены в единую систему под управлением суперкомпьютера, входящего в сотню самых мощных в стране, в каждой обсерватории установлен водородный эталон времени. Всё это вместе представляет собой уникальную научную установку — интерферометр.

Все три телескопа построены в рамках проекта «Квазар-КВО» (координатно-временное обеспечение), который реализуется для обеспечения страны фундаментальными системами координат. Подобные постоянно действующие радиоинтерферометры есть всего у двух стран мира — России и США, обладание ими является элементом государственного суверенитета. В американской системе сейчас работает десять радиотелескопов.

Интерферометр принимает сигналы, которые приходят от самых удаленных объектов — остатков сверхновых звезд, активных ядер далеких галактик, квазаров, расположенных на таком непостижимо огромном расстоянии от наблюдателя на Земле — миллиарды световых лет, — что скорость их движения с Земли кажется близкой к нулю, ею можно пренебречь и считать, что эти объекты неподвижны.

Квазары часто называют маяками Вселенной. Это квазизвездные радиоисточники. Астрономы всего мира используют их как точки отсчета для построения небесной и земной систем координат. Прежде той же цели служили вначале Солнце, потом звезды.

Когда три одинаковых радиотелескопа идеально синхронно (это обеспечивают водородные стандарты частоты) наводятся на определенный квазар, для каждой пары радиотелескопов суперкомпьютер выполняет корреляцию — накладывает сигналы квазара, записанные на станциях, друг на друга, с учетом смещений, вызванных вращением Земли, и вычисляет задержку — разность времени прихода одного и того же радиокванта на радиотелескоп. «Точность вычисления задержки составляет единицы-десятки пикосекунд (одна пикосекунда составляет одну триллионную секунды)», — пояснил «Стимулу» Игорь Суркис, заведующий лабораторией корреляционной обработки ИПА РАН. По полученным задержкам выполняется построение трехмерного объекта в пространстве. Ученые вычисляют координаты самого квазара, координаты радиотелескопов и координаты небесного полюса. Это и есть фундаментальные координаты, по которым можно составить трехмерную карту земной поверхности с точностью до миллиметра. А это уже задача Роскартографии, которая решается с помощью российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, состоящей из группировки спутников на орбите и сети наземных станций. Но без фундаментальных координат глобальная навигационная система функционировать не может.

Использовать в качестве точек отсчета для построения карты такой высокой точности какой-либо объект на Земле нельзя, поскольку Земля вращается неравномерно, а также не является геометрически точным шаром. Интерферометр ИПА РАН позволяет учесть эти особенности без потери точности исходных (фундаментальных) координат.

Схема расположения радиоинтерферометра системы "Квазар-КВО

От блокадного радара к рсдб-интерферометрии

Радиоастрономия пережила период бурного развития в XX веке. Как заметил вице-президент РАН академик Юрий Балега, толчком к этому послужило военное противостояние фашизму. Во время Великой Отечественной войны от качества радара зависело, прорвется ли вражеский самолет бомбить советский город. В Ленинградском Физтехе создали такой радар, который позволял засечь противника задолго до подлета к Ленинграду и послать эскадрилью навстречу. Благодаря этому изобретению блокадный город меньше бомбили, чем обстреливали из артиллерийских орудий с Пулковских высот.

После войны астрономическая наука, и радиоастрономия в том числе, активно развивалась благодаря освоению космоса. В постсоветское врем вслед за сокращением активности в сфере освоения космоса последовал и спад в астрономии. Но в ИПА этого словно не замечают. Кто-то считает, что радиоинтерферометрии повезло, она оказалась счастливым исключением; другие видят, каких усилий институту и его сотрудникам стоит держаться принятого курса и строить телескопы, несмотря ни на что.

Система обеспечения страны фундаментальными координатами создается более тридцати лет. «Она появилась у радиоастрономов, научных сотрудников Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН, на тот момент Академии наук СССР, Андрея Финкельштейна и Александра Ипатова», — рассказал «Стимулу» Юрий Балега. Для решения этой прикладной задачи в 1987 году из состава САО была выделена особая научная группа, которая образовала новый академический институт — Институт прикладной астрономии.

«Первоначально проект назывался “Квазар”. Он предполагал строительство системы из двенадцати обсерваторий: девять на территории СССР, включая союзные республики, например Туркмению, и три за рубежом, в том числе в Китае, — рассказал научный руководитель Института прикладной астрономии Александр Ипатов. — Построить удалось три обсерватории — в Светлом (Ленинградская область), в станице Зеленчукская (Карачаево-Черкесия) и в урочище Бадары (Бурятия). Остальные объекты были заморожены на разных стадиях — от проектной до сборочной. Сейчас расширить систему поможет недавнее включение в состав института Уссурийской астрофизической обсерватории». Новая площадка сделает уникальную научную установку еще масштабнее, так как Уссурийск удален от Петербурга уже не на четыре тысячи, а на все десять тысяч километров, а чем больше расстояние между синхронно работающими радиотелескопами, тем выше точность их совместных измерений.

Первый отечественный интерферометр состоял из трех антенн с диаметром зеркал 32 метра. Они были построены на территории обсерваторий Бадары, Зеленчукская и Светлое в начале 2000-х. В 1997 году заработал радиотелескоп в Светлом, в 2001-м — в Зеленчукской, в 2005-м — в Бадарах; таким образом, первый отечественный интерферометр работает с 2005 года. Тридцатидвухметровые радиотелескопы были включены в международную сеть радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). «Мы обмениваемся данными с NASA в соответствии с договором, который действует до 2021 года», — уточнил Александр Ипатов. Обмен данными необходим для своевременного обнаружения возможных ошибок в одной из систем.

Однако по мере бурного развития радиоэлектроники ученым становилось очевидно, что можно серьезно усовершенствовать систему. Александр Ипатов вместе с американским радиоастрономом Томом Кларком из Годдардского центра космических полетов NASA и другими специалистами в области РСДБ-интерферометрии разработали требования к созданию радиотелескопов с оптимальными характеристиками.

По этим требованиям немецкая компания Vertex построила в Баварии парный радиотелескоп. Он был значительно компактнее: диаметр зеркала составил не 32, а всего 13 метров. Компактность позволила сделать радиотелескоп более независимым от деформаций под воздействием собственной тяжести, а также более скоростным в перенастройке с одного объекта на другой.

В 2012 году Институт прикладной астрономии начал строить радиоинтерферометр второго поколения, используя для новых антенн единый проект и расставив их по старым точкам — в Зеленчукской, Бадарах и Светлом, недалеко от 32-метровых радиотелескопов.

Каждый радиотелескоп обошелся российскому бюджету примерно в 500 млн рублей. Металлоконструкции для первых двух антенн, в Бадарах и Зеленчукской, заказали в Германии, так как, по словам Александра Ипатова, немецкие производители предложили впятеро более низкую цену, чем Обуховский завод в Санкт-Петербурге, втрое более низкую, чем завод в Сызрани и вдвое более низкую, чем петербургский завод «Барс».

Металлоконструкции для третьей антенны, установленной в Светлом, были изготовлены в Эстонии и частично в Финляндии по той же самой причине: это обходится дешевле, чем в России. Зеркала для всех трех антенн изготовлены в Италии, так как там за счет специальных клеев научились обеспечивать точность их поверхности и отсутствие деформации на протяжении длительного времени. А вот «начинку» всех антенн — программное обеспечение, приемные устройства, датчики и так далее — разработали ученые ИПА РАН.

Тринадцатиметровая антенна в Светлом проектировалась, строилась и налаживалась три года.

Закладка телескопа в Светлом состоялась 17 апреля 2017 года в рамках VII Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение», став ярким моментом научного форума. В бронзовую капсулу представители РАН, Росстандарта, который выступает в качестве заказчика антенн, научных институтов России заложили грамоту с обращением к потомкам, в которой обозначены цели строительства телескопа.

Монтаж телескопа осуществлен с задержкой — не в конце 2017-го, а в самом начале 2018 года — из-за сложностей на таможне. Сорокатонную вилку телескопа — опору, которая крепится к бетонному фундаменту и на которую устанавливается зеркало — рабочая поверхность радиотелескопа, задержали на таможне при пересечении российской границы на десять дней. В итоге не только был отсрочен монтаж антенны, но и два большегрузных автомобиля десять дней простаивали на таможне, а в обсерватории на стройплощадке РТ-13 простаивал 130-тонный кран, что привело к увеличению расходов примерно на 50 тысяч евро за длительную аренду большегрузного транспорта.

Девятнадцатого сентября 2018 года состоялся первый пуск антенны телескопа РТ-13 в обсерватории Светлое. Такое событие астрономы называют инаугурацией, а с 4 декабря 2020-го новый телескоп работает в штатном режиме.

«Четвертую антенну для Уссурийской обсерватории будем строить полностью в России», — говорит Александр Ипатов. Есть и более дальние планы. С кубинским Институтом радиофизики и астрономии ИПА РАН ведет переговоры о строительстве еще одного российского радиотелескопа на Кубе.

Обработку информации с каждой из трех работающих синхронно антенн суперкомпьютер ведет с рекордной скоростью. Ресурсы системы, как сообщил Игорь Суркис, позволяют обрабатывать потоки данных до 16 Гбит/с от станции, суммарно — 48 Гбит/с от трех станций. Максимальная пропускная способность системы — 96 Гбит/с, это значит, что запас прочности системы таков, что без апгрейда она сможет одновременно принимать и обрабатывать сигнал от шести радиотелескопов. Зарубежные аналоги способны обрабатывать максимум до 12 Гбит/с.

«Рекордное быстродействие российскому интерферометру обеспечивает принципиально новое техническое решение в области обработки данных. Обработка осуществляется на специальном устройстве — программном корреляторе, представляющем собой суперкомпьютер с разработанным в ИПА РАН программном обеспечении, — рассказал Игорь Сурис. — В отличие от зарубежных аналогов наиболее трудоемкие вычисления выполняются на графических процессорных устройствах Nvidia Kepler, установленных в суперкомпьютере. Графические процессоры применены для обработки РСДБ-данных впервые в мире»

В процессе работы для каждой пары станций коррелятор накладывает сигналы квазара, записанные на станциях, друг на друга с учетом вызванных вращением Земли смещений и вычисляет задержку — разность времени прихода радиосигнала от квазара на каждой из станции. По полученным задержкам выполняется построение систем координат.

Радиотелескоп РТ-13 в обсерватории Светлое 19.09.2018, в день первого пуска телескопа

Красные ленточки, белые антенны

Все шесть радиотелескопов, построенные в рамках проектов «Квазар» и «Квазар-КВО», — белоснежные. Так они меньше нагреваются солнцем и меньше деформируются в результате нагрева.

За время реализации проектов сложилась добрая традиция приглашать астрономическое сообщество на торжественные церемонии закладки, инаугурации и ввода в эксплуатацию новых радиотелескопов. И число таких событий за последние три десятилетия уверенно подбирается к двум десяткам. На такие события с удовольствием приезжают представители ФИАНа и Института лазерной физики, Пулковской астрономической и Специальной астрофизической обсерваторий, Роскосмоса и Росстандарта, РАН, Министерства науки и высшего образования, представители власти и СМИ. А у Института прикладной астрономии всегда есть в запасе не только прорывные научные решения, но и аккуратные дорожки и ухоженные цветы на территориях обсерваторий, запас красной ленточки для новых объектов и радушие для гостей.

Последовательное успешное развитие ИПА особенно заметно на фоне других направлений астрономической науки. «Объекты, которые строит и вводит в действие Институт прикладной астрономии, — это самые крупные научные инструменты, созданные в российской астрономии за последние сорок пять лет», — сказал Юрий Балега. В 1975 году СССР ввел в действие крупнейший на тот момент оптический телескоп — Большой телескоп азимутальный — в Верхнем Архызе, по соседству с нынешней Зеленчукской обсерваторией. Долгие годы он держал пальму первенства, оставаясь самым крупным оптическим телескопом в мире. С тех пор новый небольшой — 2,5-метровый — оптический телескоп построил МГУ, и в июле 2011 года ФИАН запустил на орбиту первый из четырех российских космических телескопов серии «Спектр» — «Радиоастрон», проработавший в космосе восемь лет. Других инфраструктурных прорывов нет.

На церемонии инаугурации - первого пуска - радиотелескопа РТ-13 19.09.2018. Обсерватория Светлое. В центре Александр Ипатов

Директор Главной (Пулковской) астрономической обсерватории (ГАО) Назар Ихсанов отметил, что создание интерферометра без выхода за пределы России чрезвычайно важно и полезно для страны. «Это ключевое направление для России», — полагает Ихсанов. По его мнению, введенный в действие научный инструмент несет большую пользу как для российской науки, так и для народного хозяйства. «Очень многие отмечали важность того момента, что в такие непростые времена для науки, для страны, для мира вводится новая система — интерферометр, который по своим характеристикам не уступает международным стандартам, а в чем-то и превосходит их», — поделился Ихсанов по окончании церемонии ввода интерферометра в действие. Он отметил, что это очень сложная задача — найти в наши дни исполнителя, который в срок выполняет работу. «Заказчик (Росстандарт) доволен», — сделал вывод директор ГАО РАН, наблюдая за реакцией на происходящее заместителя главы Росстандарта Сергея Голубева на торжественной церемонии.

«Коллектив ИПА РАН успешно сформирован и работает с большой отдачей», — прокомментировал «Стимулу» слагаемые успешного строительства сети радиотелескопов Юрий Балега.

Александр Ипатов в беседе со «Стимулом» рассказал, что проблема утечки мозгов коснулась института, назвав несколько фамилий, и выразил нестандартное отношение к уехавшим за границу сотрудникам: «В NASA за науки о Земле отвечает Леонид Петров, наш бывший сотрудник. Другой наш бывший сотрудник, Олег Титов, возглавляет геодезическую службу Австралии, в разработке коррелятора для обработки РСДБ-данных в Голландии участвовал еще один наш бывший сотрудник — Сергей Погребенко. Но я хочу подчеркнуть следующую мысль: те люди, которые из-за границы возвращаются, здесь не нужны. Если они там не смогли найти свое место, не найдут и здесь. Нужны те, кто не возвращается, потому что успешен и востребован».

Самого Ипатова тоже активно уговаривали поехать работать за границу, но он не согласился. Тех, кто не поддался на посулы и уговоры, оказалось достаточно, чтобы осуществить самый успешный проект в российской астрономии за последние почти полвека. И в институт регулярно приходят молодые специалисты.

После ввода в действие радиоинтерферометра из 13-метровых радиотелескопов старые, 32-метровые, будут больше выполнять научные задачи — наблюдение за космическими объектами, а новые будут использованы для решения прикладных задач, полагает Владимир Богод, главный научный сотрудник Специальной астрофизической обсерватории, член комиссии по приемке 13-метрового радиотелескопа в обсерватории Светлое. Он подчеркнул, что точные данные о координатах и времени требуются для работы всех гаджетов, для обеспечения работы российской глобальной навигационной системы ГЛОНАСС, для определения движения материков с большой точностью, а также в сфере безопасности.