«Сработал, несмотря на скепсис»: Евгения Кравченко о прорыве и непобитом рекорде «Спектра-Р»

Космический аппарат отправили на орбиту 18 июля 2011 года с космодрома Байконур. Там он успешно работал почти восемь лет — это в 2,5 раза дольше запланированного срока. В январе 2019 года связь с телескопом была потеряна, и его экспедиция официально завершилась. Заказчиком проекта был Роскосмос. Основные работы по созданию и эксплуатации телескопа выполнило НПО имени С.А. Лавочкина, а научные задачи ставили ученые из Астрокосмического центра Физического института имени П.Н. Лебедева (ФИАН). Проектом руководил академик Николай Кардашев, который посвятил ему большую часть своей научной жизни.

Основная задача «Радиоастрона» была уникальной: проводить наблюдения Вселенной с рекордно высоким разрешением в радио-диапазоне. Для этого спутник работал вместе с земными радиотелескопами в режиме интерферометра со сверхдлинной базой (РСДБ). Это значит, что сигнал одновременно принимали как наземные, так и космическая антенна, благодаря чему получалось изображение с огромной четкостью.

Орбита «Радиоастрона» была необычной: минимальная высота составляла всего 578 км, а максимальная — 333 тысячи км, почти расстояние до Луны. Это была самая большая база интерферометра за всю историю астрономии. Благодаря этому российскому телескопу удалось достичь углового разрешения в восемь микросекунд дуги — это примерно так, как если бы с Земли можно было разглядеть теннисный мяч на Луне.

Главный элемент «Спектра-Р» — это раскрываемая антенна диаметром 10 метров, состоящая из 27 лепестков. В момент запуска антенна была сложена, и ее раскрытие на орбите стало отдельной сложной задачей. Полностью развернуть антенну удалось со второй попытки, после прогрева механизмов, пострадавших от низких температур в космосе.

«Радиоастрон» сделал большой вклад в изучение пульсаров, активных ядер галактик, процессов образования звезд и планетных систем. С помощью него впервые удалось детально рассмотреть структуру мощных космических источников и получить доказательства того, что межзвездная среда ведет себя не так, как предполагалось ранее. 

Космический телескоп проекта "Радиоастрон"

Кроме того, проект «Радиоастрон» помог уточнить базовые астрометрические параметры, а также внести уточнения в фундаментальные физические модели, включая общую теорию относительности.

Экспедиция запомнилась научному сообществу и широкой публике не только рекордами, но и драматической историей своего создания и эксплуатации. «Радиоастрон» подтвердил лидерство российской науки в области радиоинтерферометрии и продолжает вдохновлять наших астрономов на новые исследования. Одна из ученых, кто работал с данными этого уникального проекта и использовал их для новых открытий — Евгения Васильевна Кравченко, которая поделилась воспоминаниями о «Радиоастроне» в интервью.

— Какое влияние «Радиоастрон» оказал на российскую и мировую науку? В чем этот проект стал первым и прорывным?

— Прорыв «Радиоастрона» в том, что он сработал, несмотря на скепсис. Много кто сомневался, что интерферометр со сверхдлинной базой сможет разглядеть что-то из-за эффектов рассеяния радиоволн в межзвездной среде или синхротронного самопоглощения. Но оказалось, что среда ведет себя иначе — рассеяние не помешало, даже был открыт эффект субструктуры рассеяния. Кроме того, никто не ожидал, что удастся поймать сигнал на таких больших расстояниях, но «Радиоастрон» зарегистрировал сигнал от квазаров (активное ядро далекой галактики с сверхмассивной черной дырой, в котором аккреционный диск из горячего газа испускает мощное излучение; один из самых ярких объектов во Вселенной — прим. ред.) на проекциях баз почти 30 диаметров Земли. Он занесен в книгу рекордов Гиннесса как самый большой космический радиотелескоп.

У проекта есть абсолютный рекорд по угловому разрешению: 8 микросекунд дуги. Этот результат был получен при наблюдении мегамазера воды (чрезвычайно мощный природный микроволновый «лазер» на частоте ~22 ГГц, возникающий в окружении активного ядра галактики; такие объекты используют для точного измерения расстояний и масс черных дыр — прим. ред.) в галактике NGC 4258 на частоте 22 ГГц, когда спутник находился на расстоянии 340 тысяч километров от Земли.

Для сравнения, у Телескопа горизонта событий, который позволяет наблюдать тени от черных дыр, максимальное разрешение — 20 микросекунд на порядок большей частоте 230 ГГц. И этот рекорд «Радиоастрона» до сих пор никто не побил.

— Как лично вы работали с наблюдениями «Радиоастрона» и для чего? Какие задачи удалось решить, которые были недоступны наземной радиоастрономии?

— Я обрабатывала данные сеансов по картографированию активных ядер галактик — это блазар 0716+714 (активное ядро галактики, в котором находится сверхмассивная черная дыра, окруженная аккреционным диском — прим. ред.) и радиогалактика М87. Мы строили изображения их релятивистских струй (или джетов — узконаправленных потоков высокоэнергетической плазмы, который выбрасывается из окрестностей сверхмассивной черной дыры; такой поток движется почти со скоростью света и создает синхротронное излучение, часто видимое на расстоянии в тысячи световых лет от него — прим. ред.). 

1 / 2

В наблюдениях участвовали почти два десятка наземных телескопов синхронно с космической антенной. В итоге мы получили самые детализированные радиокарты этих источников на частотах 5 ГГц (М87) и 22 ГГц (0716+714). Также была получена информация о линейной поляризации в блазаре — она подтверждает, что наши представления о физике струй верны.

Кроме того, мы увидели, что яркость струй квазаров значительно выше, чем считалось раньше. Это ставит под сомнение существующие модели устройства квазаров — их нужно пересматривать.

— В чем была главная сложность в обработке интерферометрических наблюдений и чем они отличались от других данных?

— Главное отличие — необходимость точно знать положение спутника. Мы знали его координаты с точностью в несколько десятков метров, но длина волны сигнала была порядка сантиметра. Отношение между ними — огромная величина. К тому же спутник ускорялся по-разному в разных местах орбиты: быстрее возле Земли, медленнее в максимальном удалении от нее. Это влияло на точность расчета его положения и скорости его движения в каждый момент. А радиоинтерферометрия (метод, используемый в радиоастрономии для получения изображений небесных тел с высоким разрешением; основан на объединении сигналов, принимаемых несколькими радиотелескопами, расположенными на значительном расстоянии друг от друга — прим. ред.) требует, чтобы сигнал от всех телескопов складывался синхронно.

Поэтому приходилось пробовать разные методы обработки, чтобы сигнал вообще проявился. Иногда сигнал не находили — если, скажем, источник оказался не слишком ярким. Но в ряде случаев сигналы все-таки удалось зарегистрировать даже на очень больших базах.

— Для чего астрофизики вообще наблюдают черные дыры, ядра галактик и другие такие объекты?

— А есть ли у таких наблюдений практическая польза уже сейчас? И можно ли представить, как это пригодится в будущем?

— Есть. Например, активные ядра галактик уже сейчас применяются для прогнозирования космической погоды. В России самый точный прогноз ведется на телескопе БСА ФИАН в Пущино. Когда от Солнца распространяется плазма, компактные источники (например, квазары) начинают мерцать. По этим мерцаниям можно судить о скорости и направлении движения плазмы.

Кроме того, метод радиоинтерферометрии с длинными базами лежит в основе координатно-временного обеспечения. Он важен для поддержания и улучшения точности инерциальных систем отсчета, для навигации, в том числе для систем глобального позиционирования — как GPS, так и ГЛОНАСС, и будущей Сферы.

Спектр-РГ перед запуском

Что касается будущего — я надеюсь, что мы когда-нибудь научимся использовать знания о квазарах и черных дырах для перемещений в пространстве. Сейчас, например, активно развивается нейтринная астрофизика. Уже есть ассоциации нейтрино сверхвысоких энергий с блазарами. Возможно, это повлияет на развитие физики частиц и даст нам новые источники энергии.

— Какие объекты, по вашему мнению, стали самыми важными в наблюдениях «Радиоастрона»?

— Для меня это квазар 3С279. Мы получили изображение его струи с высоким разрешением, на котором был виден спиральный узор. Он позволил оценить ряд физических параметров. Недавно Телескоп горизонта событий тоже наблюдал этот объект, но я считаю, что в сравнении с данными «Радиоастрона» тот результат оказался менее информативным.

Запутанные волокна в блазаре 3C 279

Еще один важный результат — наблюдения структуры струй квазаров. Мы увидели, что струи очень неоднородные, а движение плазмы — не просто баллистическое. Возможно, большую роль играют плазменные неустойчивости, которые могут возникать, например, из-за наклона оси вращения аккреционного диска и спина черной дыры. Это вызывает прецессию джета (явление, при котором ось вращения релятивистской струи описывает коническое движение, подобно вращению волчка; это происходит из-за несоответствия осей вращения черной дыры и аккреционного диска, из которого вещество попадает в джет — прим. ред.) и развитие плазменных неустойчивостей в струях.

— Проект завершился в 2019 году. Остались ли наблюдения, которые все еще анализируются?

— Да, есть неопубликованные данные, которые сейчас находятся в стадии обработки. Я уверена, что там будут принципиально важные результаты — возможно, даже открытия. Надеюсь, они будут опубликованы в ближайшие годы.

— А сейчас в России ведется работа над новыми проектами?

— Сейчас активно разрабатывается проект «Спектр-М», он же «Миллиметрон». Его курируют Астрокосмический центр ФИАН и Роскосмос. Это 10-метровая антенна, которая будет наблюдать на миллиметровых длинах волн. Ее планируют запустить во вторую точку либрации системы Солнце-Земля, которая расположена на расстоянии 1,5 млн км от Земли в направлении, противоположном Солнцу. Научные задачи у нее немного другие, но амбиции у проекта тоже очень высокие.

— И в завершение: как вы думаете, насколько далеко может завести нас изучение черных дыр и квазаров?

— Я верю, что очень далеко. Сейчас российские ученые активно создают теории физики струй квазаров. Есть предположения о том, что черные дыры и кротовые норы обладают разными свойствами, которые можно будет зарегистрировать в ближайшем будущем — если такие объекты вообще существуют. Или, возможно, мы найдем что-то еще более экзотическое.