Проект «Радиоастрон»: итоги работы

«Радиоастрон» в цифрах

• • 7,5 лет на орбите.
  • 26,7 диаметра Земли (350 тыс. км) — максимальная база интерферометра.
  • 8 микросекунд дуги — максимальное разрешение — при наблюдении мазеров водяного пара в аккреционном диске в галактике M106 (мегамазера). С расстояния более 20 млн световых лет получен абсолютный рекорд углового разрешения в астрономии на сегодняшний день — 8 микросекунд дуги на максимальной базе интерферометра и длине волны 1,3 см. Разрешение 8 микросекунд дуги позволило бы «увидеть» с Земли на Луне источник радиоволн диаметром 3 см.
  • Водородный стандарт частоты производства «Время-Ч» (Нижний Новгород) стабильностью 10–14 с/с, или 1 секунда в 3 млн лет.
  • 10 м — диаметр антенны — абсолютный рекорд для космических радиотелескопов с заполненной апертурой.
  • До 25 радиотелескопов на Земле в одновременной работе.
  • Всего 58 радиотелескопов участвовало в наблюдениях «Радиоастрона» из России, Европы, США, Африки, Австралии, КНР, Южной Кореи, Японии.
  • 3 коррелятора: АКЦ ФИАН (Россия), Радиоастрономический институт Макса Планка ­(Германия), Объединенный институт РСДБ в Европе (Нидерланды).
  • 2 станции слежения и сбора научной информации: 22-метровая антенна Пущинской радиоастрономической обсерватории (Россия) и 43-метровая антенна Green Bank Observatory (США). Скорость передачи данных на Землю с любого положения космического аппарата на орбите — 128 Мбит/с.
  • 4 петабайт — объем накопленных данных.
  • Диапазоны наблюдений: 92 см, 18 см, 6,2 см, 1,2–1,7 см.
  • 250 объектов Вселенной изучено.
  • Более 4000 наблюдательных сеансов.
  • 240 ученых из 23 стран мира приняли участие в наблюдениях.
  • Платформа «Навигатор» разработки и производства НПО им. С. А. Лавочкина.

Коллектив проекта «Радиоастрон» выражает глубокую благодарность коллегам из России и других стран мира за горячую поддержку и пожелания выздоровления спутнику. Как вы знаете из сообщений специалистов «­Роскосмоса» и НПО им. Лавочкина, с 10 января не удается наладить связь с аппаратом «Спектр-Р». Попытки продолжаются, а в это время нами собраны новые заявки на наблюдения до середины 2020 года. Верим в восстановление связи.

Напомним коротко о проекте и некоторых полученных результатах. Заметим, что обработка интерферометрических данных — процесс длительный и трудоемкий. Потребуется еще как минимум пять лет для завершения полноценного анализа и интерпретации накопленного на сегодня объема данных.

«Радиоастрон» — международный космический проект фундаментальных астрофизических исследований в радиодиапазоне электромагнитного спектра. Используется метод радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами с помощью космического радиотелескопа, смонтированного на российском космическом аппарате «Спектр-Р», и наземных радиотелескопов многих стран мира. Этот интерферометр позволил ученым получить наивысшее угловое разрешение при исследовании объектов Вселенной в радиодиапазоне. Головная научная организация проекта — Астрокосмический центр ФИАН (Москва).

Некоторые научные открытия

Экстремальная яркость квазаров

Впервые удалось зарегистрировать экстремально большую яркость квазаров — ядер активных галактик — на расстоянии в миллиарды световых лет, которая в несколько десятков раз превышает теоретически допустимую. Известные сегодня механизмы не позволяют объяснить причины поддержания аномальной яркости. Высказываются следующие предположения.

1. Высокое релятивистское усиление излучения. Однако это противоречит наблюдаемым скоростям течения плазмы.
2. Постоянное ре-ускорение частиц, например, как результат магнитного пересоединения. Но в этом случае излучение в рентгеновском и гамма-диапазонах должно быть выше из-за интенсивного обратного комптоновского рассеяния.
3. Излучение релятивистских протонов. Однако еще предстоит решить проблему построения модели их ускорения до скорости света. Заметим при этом, что открытие нейтрино от квазара в 2018 году предоставляет дополнительные аргументы в пользу этого сценария, ранее казавшегося многим экстремальным.

Механизм формирования джета в галактиках

В ходе изучения активного ядра гигантской эллиптической галактики Персей A с расстояния 230 млн световых лет удалось построить карту релятивистского джета, зарождающегося в окрестностях центральной черной дыры. Изображение получено с беспрецедентным угловым разрешением, позволившим измерить ширину основания джета и исследовать детали структуры размером до 12 световых дней. Угол наблюдения джета — 20°. Оказалось, что струя стартует очень широкой — в несколько сотен гравитационных радиусов. В результате впервые получены доказательства механизма «запуска» джета, за который ответственен аккреционный диск вокруг черной дыры, а не сама дыра (рис. 1).

Магнитное поле в струях галактик

Магнитное поле играет ключевую роль в процессе формирования джетов в активных галактиках. Поэтому важно восстановить структуру магнитного поля в основании джетов. Это делается при помощи измерений направления электрического вектора линейной поляризации и фарадеевского вращения. Поляризационное картографирование в проекте «Радио­астрон» на длине волны 1,3 см с экстремальным угловым разрешением позволило выяснить, что магнитное поле имеет тороидальную форму. Оно работает как магнитная пружина, выталкивая плазму наружу (рис. 2).

Рис. 1. Джет активного галактического ядра 3С84. Вверху: источник джета, сверхмассивная черная дыра (Giovannini и др., 2018, Nature Astronomy, 2, 472) Рис. 2. Изображение BL Lac. Контурами представлено изображение в полном потоке, палочки показывают направление линейной поляризации, цветом выделена величина фарадеевского вращения. Обратите внимание на градиент фарадеевского вращения в начале струи, позволивший однозначно восстановить структуру магнитного поля (Gomez и др., 2016, ApJ, 817, 96)

Нестабильности в плазменных выбросах квазаров

Высокое угловое разрешение наземно-космического интерферометра позволило разглядеть поперечную структуру плазменных выбросов во многих активных галактиках. Обнаружены следы распространяющихся по плазме волн нестабильности. Моделирование полученных изображений выделило нестабильность типа Кельвина — Гельмгольца. На рис. 3 представлено самое начало ­выброса ­плазмы в квазаре 0836+71, наблюдаемом под углом в 3°. Оранжевым цветом показано начало джета, как его видит наземный интерферометр, синими контурами — результат работы «Радиоастрона».

Наблюдение космических мазеров с высоким разрешением

В области звездообразования Цефей А, находящейся на расстоянии около 2 тыс. световых лет от Земли, впервые удалось разглядеть мельчайшие, сравнимые по размеру с Солнцем, источники мазерного излучения водяного пара. Предполагается, что эти мазеры связаны с турбулентными вихрями в потоке газа от формирующейся массивной звезды.

Субструктура пятна рассеяния

В процессе изучения пульсаров, а позже квазаров и центра нашей Галактики удалось обнаружить новый эффект рассеяния радиоволн в межзвездных облаках плазмы. Эффект, названный субструктурой рассеяния, мешает прямому наблюдению космических объектов, внося искажение в их изображения. Он проявляет себя как мелкие точки, появляющиеся на фоне рассеянного изображения (рис. 4). Зато субструктура рассеяния позволяет определять структуру, плотность и характеристики турбулентности межзвездного пространства между Землей и наблюдаемыми радиоисточниками. Более того, разрабатывается процедура исправления изображения космического объекта, «испорченного» данным эффектом. Это важно для исследования компактного объекта в центре нашей Галактики.

Проверка ОТО: работа продолжается

Наличие на борту «Радиоастрона» работающего сверхстабильного водородного стандарта в течение первых шести лет полета позволило провести десятки экспериментов по измерению эффекта гравитационного замедления времени и тем самым осуществить проверку эйнштейновского принципа эквивалентности и общей теории относительности. Анализ данных продолжается, по результатам их частичной обработки уже достигнута точность на уровне эталонного эксперимента Gravity Probe A (0,01%).

Юрий Ковалев,
чл.-корр. РАН, зав. лаб. АКЦ ФИАН

Публикации по проекту «Радиоастрон»