Телескоп «Аресибо»: великолепная ошибка диаметром 305 метров

От редакции. В декабре этого года в астрофизике произошло грустное событие: принято окончательное решение о закрытии а «Аресибо» с более чем полувековой славной историей. Телескоп доконала стихия — сначала землетрясение, потом тайфун. 1 декабря лопнули тросы, и тяжелая платформа с приемником и излучателем упала на огромную антенну. Ремонт инструмента был бы слишком сложен и опасен.

В этом номере мы даем подборку материалов, посвященных «Аресибо»: статью Леонида Гурвица об истории инструмента, очерк Бориса Штерна (стр. 5) о самых ярких открытиях, сделанных на радиотелескопе, воспоминания Владимира Согласнова о новогодней командировке на Пуэрто-Рико (стр. 6) и заметку Юрия Ковалева о совместной работе «Радиоастрона» и «Аресибо» (стр. 9).

Радиотелескоп «Аресибо»
Радиотелескоп «Аресибо»
Леонид Гурвиц
Леонид Гурвиц

Конец 1950-х. Советский Союз триумфально шествует от одной космической победы к другой: первый спутник, первый облет Луны, не за горами первый полет человека в космос. Конечно, всё это было воплощением мечты о полете к звездам. Но были и другие побуждающие мотивы для развития советской ракетно-космической техники. Газеты о них не писали.

Весь советский прорыв в космос был основан на «великолепной семерке» — ракете Р-7, построенной под руководством Сергея Павловича Королёва, перед которым была поставлена задача создать средство доставки водородной бомбы на другой континент. С этой задачей Королёв и его коллеги справились блестяще. Это не могло не обеспокоить тех, кому предназначался ракетный груз. Срочно понадобились контр­меры, в частности — способность мгновенной регистрации запуска стратегических ракет со стартовых площадок, находящихся далеко за горизонтом, на другой стороне планеты.

Конструкторы так называемых загоризонтных радиолокаторов большие надежды возлагали на «непрозрачность» земной ионосферы на метровых и более длинных радиоволнах. Нижняя кромка ионосферы с одной стороны и поверхность Земли с другой — создавали свое­образный волновод, в котором распространялись прямые и отраженные сигналы радиолокатора. Но их распространение было сложным, многие параметры такого волновода были неясны. Взлетающие межконтинентальные ракеты и их головные части, движущиеся к цели, прошивали ионосферу и верхние слои атмосферы, оставляя там разнообразные следы. Их тоже надо было научиться распознавать. Одним словом, изучение ионосферы становилось задачей стратегической важности.

Примерно в то же время радиофизик Уильям Гордон из Корнеллского университета предложил экспериментальную установку для изучения плотности и температуры ионосферы по так называемому эффекту некогерентного «обратного рассеяния» радиоволн на свободных электронах. Сердцем установки должен был стать мощный радиолокатор, радар. Гордон оценил мощность прямого и отраженного сигналов, используя доступные на тот момент данные о распределении плотности электронов и «подставляя» эти величины в хорошо известные формулы томсоновского рассеяния электромагнитного излучения. Отраженный сигнал оказывался довольно слабым. По оценке Гордона, регистрация искомого эффекта требовала приемной антенны не менее 300 м в диаметре. Интерес к ионосферной тематике подогревался и тем, что она находилась в центре внимания программы Международного геофизического года (1957–1958).

Но, кроме ионосферных задач, Гордон и его коллеги задумывались и о других возможных применениях большого радара — например, планетных и солнечных исследованиях. Эти задачи требовали размещения радара не слишком далеко от экватора. К осени 1958 года стало ясно, что среди многих потенциальных месторасположений телескопа лидирует тропический остров Пуэрто-Рико: северная широта около 18 градусов, много естественных карстовых провалов, которые помогут значительно сократить стоимость выборки грунта. Но главное — территория под американским контролем: на этом твердо настаивали американские военные, проявлявшие к проекту всё больший интерес. Они же помогли получить необходимое финансирование на сооружение гигантского объекта. В качестве отражателя была избрана сферическая чаша, сформированная металлической сеткой и смотрящая в зенит. А облучатель антенны было решено разместить на платформе, подвешенной на мощных стальных тросах, поддерживаемых тремя высокими бетонными башнями.

Строительство антенны началось в окрестностях провинциального (даже по пуэрториканским понятиям) городка Аресибо примерно через год после первых проектных оценок. Но еще до его завершения несколько корнеллских астрофизиков и сам Уильям Гордон стали понимать, что в расчеты необходимой чувствительности приемной антенны закралась ошибка: доплеровское уширение спектральной линии рассеянного сигнала примерно в сто раз меньше, чем полагалось изначально. Соответственно, и интенсивность сигнала в этой линии должна быть на два порядка выше расчетной. В переводе на язык, понятный финансистам проекта: в исходных расчетах требуемая площадь антенны была завышена в сто раз, стало быть, ее диаметр можно было сделать в десять раз меньше, а стоимость — даже страшно подумать… По неподтвержденной легенде, это понимание послужило причиной нескольких серьезных сердечных приступов. Но ошибка — ошибкой, а остановить проект было уже невозможно, должна была быть построена.

Первые же ионосферные эксперименты с 305-метровой антенной на частоте 430 МГц (длина волны около 70 см) ответили на все исходные радиофизические вопросы с огромным запасом по чувствительности. Встал вопрос: что же делать дальше?

А дальше началась научная работа, недоступная никакому другому инструменту. Действительно, площадь собирающей поверхности антенны «Аресибо» превосходила суммарную площадь всех остальных существовавших в то время радиотелескопов, вместе взятых. (Не забудем, что чувствительность телескопа прямо пропорциональна площади его собирающей радио поверхности.) При этом антенный комплекс «Аресибо», в отличие от подавляющего большинства других радиоастрономических инструментов, мог работать как в пассивном (только прием), так и в активном (излучение) режимах.

После официальной «инаугурации» обсерватории «Аресибо», состоявшейся 1 ноября 1963 года, были развернуты работы по трем научным направлениям: исследования ионосферы и верхней атмосферы Земли; радиолокационные исследования Солнечной системы; галактическая и внегалактическая радиоастрономия. В последующие полвека удельный вес этих трех направлений в работе обсерватории слегка варьировался, но все они оставались на повестке дня.

Один только перечень всех выдающихся достижений уникального радиотелескопа «Аресибо» занял бы львиную долю газетного разворота. Назовем лишь некоторые из них.

Детализация физических процессов некогерентного рассеяния в ионосфере Земли с помощью активных и пассивных инструментов «Аресибо» значительно превзошла требования, поставленные исходной задачей. В эпоху прямых спутниковых экспериментов в ионосфере и магнитосфере Земли инструментарий «Аресибо» стал наиболее надежной связкой прямых и дистанционных измерений плазменной компоненты околоземного пространства.

Телескоп «Аресибо» с высоты птичьего полета. Публикуется с разрешения Обсерватории «Аресибо».
Телескоп «Аресибо» с высоты птичьего полета. Публикуется с разрешения Обсерватории «Аресибо».

Первые же опыты по радиолокации Меркурия привели к открытию неожиданного -орбитального резонанса: два меркурианских года строго равны трем меркурианским дням. Такой изящный арифметический феномен очень многое говорит о процессе формирования нашей планетной системы. Радиолокация Титана, спутника Сатурна, указала на существование высохших гидрокарбонатных озер — так называемых палеоозер. Где озера — там жидкость, где жидкость — там может быть жизнь… Кроме того, радиолокатор «Аресибо» существенно дополнил наши представления о топографии поверхности Венеры. Сравнительно недавно в программу обсерватории «Аресибо» добавилась задача поиска опасных для Земли астероидов.

Радиотелескоп «Аресибо» в течение нескольких десятилетий оставался самым чувствительным инструментом по исследованию пульсаров — вращающихся нейтронных звезд, обладающих магнитным полем. Именно благодаря «Аресибо» были открыты первый миллисекундный пульсар и первая экзопланета, обращающаяся вокруг нейтронной звезды. Тщательный мониторинг эволюции периода пульсара в двойной звездной системе позволил Джозефу Тейлору и Расселу Халсу впервые экспериментально подтвердить существование гравитационных волн — авторы открытия были удостоены Нобелевской премии по физике 1993 года.

Многолетние в «Аресибо» помогли построить самые подробные трехмерные карты распределения атомарного водорода в окрестностях Галактики. Развитие технологий, позволившее 305-метровому телескопу регистрировать загадочные сверхкороткие космические радио, а установкам LIGO и VIRGO —, привело к возникновению нового раздела науки — полиинформационной астрономии (; также бытует перевод «». — Ред.).

Начиная с 1960-х годов «Аресибо» играл важную роль в поиске внеземных цивилизаций и даже попытках обратиться к этим гипотетическим цивилизациям посредством специальных радиопосланий.

Всё перечисленное выше никак невозможно признать ошибкой Уильяма Гордона и его коллег. Побольше бы таких «ошибок»! Недаром в 2010 году 305-метровому радиотелескопу было присвоено официальное название «Радиотелескоп имени Уильяма Гордона».

Первые десять лет своего существования «Аресибо» находилась под управлением Корнеллского университета по поручению и при финансовой поддержке Агентства перспективных исследовательских проектов (ARPA). Оно было сформировано президентом Эйзенхауэром для координации американского ответа на запуск советского спутника. В начале 1970-х обсерватория «Аресибо» перешла под крыло Национального научного фонда США, но продолжала управляться Корнеллским университетом до 2013 года.

В начале 1970-х годов был кардинально модернизирован. Сеточная отражающая поверхность основного зеркала была заменена на твердую, сформированную из алюминиевых панелей; это позволило расширить диапазон частот, доведя его верхнюю границу до 3 ГГц (длина волны — 10 см). Был установлен новый передатчик для планетной радиолокации на частоте 2,3 ГГц с рекордной для своего времени мощностью 420 кВт. Двадцатью годами позже была проведена вторая существенная реконструкция, включавшая установку экрана по периметру основного зеркала для снижения нежелательных шумов, а также нового большого вторичного рефлектора, позволившего еще раз поднять верхнюю рабочую частоту — на сей раз до 10 ГГц. Мощность передатчика была доведена до 2 МВт. В последние десять лет был заложен инструментальный фундамент для передовых исследований по поиску гравитационных волн в диапазоне наногерц, «радиофотографирования» неба в спектральной линии атомарного водорода на волне 21 см, радиоинтерферометрических экспериментов в составе европейской и глобальной сетей и многого другого.

Кроме того, работа радиотелескопа «Аресибо» стала предпосылкой развития общего и академического образования на тропическом острове. «Эль Радар» (так называет антенну местное испаноговорящее население острова) превратился в символ Пуэрто-Рико в не меньшей степени, чем мюзикл «Вестсайдская история». За несколько десятилетий почти все школьники Пуэрто-Рико хотя бы раз побывали в обсерватории «Аресибо», ее музее и великолепном образовательном центре. Тысячи молодых пуэрториканцев избрали для себя профессиональный путь под влиянием научно-технического чуда «Эль Радар».

Однако в начале нашего века начался трудный для обсерватории период. принял решение сократить свое участие в финансировании «Аресибо» в четыре раза, предложив другим заинтересованным ведомствам или спонсорам взять на себя бремя расходов. Причиной послужила гигантская бюджетная нагрузка, связанная с содержанием новых приоритетных и очень дорогостоящих астрономических обсерваторий, таких как Атакамская миллиметровая система апертурного синтеза (ALMA, Atacama Large Millimeter Array) и оптическая Обсерватория имени Веры Рубин. Частично финансирование «Аресибо» продолжило NASA и другие правительственные ведомства и частные университеты. С периодом организационных пертурбаций совпала и массированная атака на остров природных сил: мощные тропические ураганы и участившиеся землетрясения изрядно потрепали инфраструктуру обсерватории. Университет Центральной Флориды, возглавивший управление обсерваторией в 2017 году, с трудом справлялся с бременем забот о сложном и всё еще очень продуктивном в научном и образовательном смысле инструментарии «Аресибо».

Нынешний коронавирусный год нанес обсерватории почти нокаутирующий удар (автор просит не рассматривать это утверждение как ссылку на происки высших сил и прочую чертовщину). В августе 2020 года разрушился и при падении повредил отражающую поверхность телескопа один из вспомогательных тросов, обеспечивающих механическую стабилизацию 900-тонной фокальной платформы. Срочно были изысканы немалые средства (несколько миллионов долларов) на ремонтные работы. Ремонт должен был вот-вот начаться. Но 1 декабря 2020 года, через 57 лет и один месяц после «инаугурации» обсерватории, произошел катастрофический разрыв одной из трех групп силовых тросов, поддерживавших платформу. Она рухнула со 150-метровой высоты на чашу основного рефлектора. Ремонт уникальной аппаратуры, находившейся на платформе, невозможен. Отражающей поверхности тоже нанесен значительный ущерб. Еще за две недели до этой катастрофы, опираясь на заключения нескольких независимых экспертиз, Национальный научный фонд США объявил о своем решении демонтировать 305-метровый радиотелескоп.

Означает ли это полный и окончательный финал радиоастрономии и радарных исследований в Пуэрто-Рико? Этот вопрос находится в центре практически непрекращающихся в последние недели и порой очень эмоциональных ­дебатов в мировом научном сообществе. Есть точка зрения, что радиотелескоп «Аресибо» свою роль сыграл и должен стать достоянием истории. Сегодня есть новые инструменты: например, в полтора раза больший по размеру и в чем-то повторяющий «Аресибо» китайский радиотелескоп FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope). Но он не обладает возможностями радиолокатора «Аресибо», и его инструментальное оснащение иное. Не сможет китайский телескоп заменить «Аресибо» и в радиоинтерферометрических исследованиях. Помимо негативного научно-практического эффекта, трудно переоценить моральный ущерб от потери горячо любимого пуэрториканцами «Эль Радара».

Сразу несколько инициативных групп пытаются организовать широкую кампанию в поддержку создания нового, соизмеримого научного инструмента на месте павшего титана. Пример подобного возрождения существует: в 1988-м рухнул 100-метровый радиотелескоп Национальной радиоастрономической обсерватории «Грин-Бэнк» в штате Западная Вирджиния. Сенатору от этого штата Роберту Бёрду удалось быстро мобилизовать правительственную поддержку сооружения в этой же обсерватории нового, чуть большего по размеру и гораздо более совершенного, телескопа. Сегодня этот инструмент, носящий имя сенатора Бёрда, — крупнейший полноповоротный радиотелескоп на планете. Оптимисты надеются, что с приходом администрации президента Байдена (которая обещает более уважительно относиться к науке, чем ее предшественница) судьба радиотелескопа «Аресибо-2.0» не безнадежна.

Радиотелескоп «Аресибо» умер. Да здравствует радиотелескоп «Аресибо»!

Леонид Гурвиц,
профессор Объединенного европейского радиоинтерферометрического института
и Делфтского технологического университета (Нидерланды)

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

См. также:

Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (6 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: