130 тысяч антенн за €2 миллиарда. Зачем человечество строит крупнейший радиотелескоп в истории

Международный проект, потянувший на €2 млрд и два континента

«SKA (Square Kilometre Array) — проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра. Название проекта отражает первоначальный план (разработки начала 1990-х годов) создать радиотелескоп с общей собирающей площадью антенн около 1 квадратного километра. С тех пор проект телескопа был переработан, и по плану собирающая площадь должна значительно превысить 1 квадратный километр», — говорится в определении телескопа.

Впрочем, даже подобное описание только частично отражает настоящий масштаб всего проекта. Так, SKA Observatory (SKAO) состоит из двух отдельных радиотелескопических комплексов, расположенных в Южной Африке и Австралии, — их планируется связать в единую цифровую сеть.

Южноафриканская часть охватывает средний диапазон радиочастот, а австралийская — низкий.

В целом основной задачей комплекса называют «составление подробной карты развития первого миллиарда лет существования Вселенной». Для этого, по сути, с 2022 года и ведутся работы по возведению мощнейшего радиотелескопа, состоящего из более чем 130 тыс. специализированных антенн, и это только в Австралии.

Массив из 197 классических спутниковых тарелок возводили в засушливом регионе Кару (ЮАР) с 2016 года. Штаб-квартира всего комплекса при этом находится в Великобритании.

Известно также, что проект обсерватории оценивается примерно в €2 млрд, притом что изначально хотели уложиться в €1,5 млрд. Сумма, мягко говоря, существенная. Над построением и будущей работой системы совместно работают представители 14 государств. Все они входят в международный консорциум.

Зачем вообще нужна радиоастрономия

Более научный ответ на вопрос звучит так: радиоволны в самом дальнем конце электромагнитного спектра длиннее в сравнении с волнами видимого света. Благодаря этому радиоастрономия получает преимущества от больших расстояний между антеннами: чем больше расстояние, тем четче подобный телескоп «видит» радиоволны.

Другими словами, как говорится на сайте самой обсерватории, радиоастрономия дает возможность взглянуть на Вселенную с неизведанной стороны. Условно, снимки, сделанные с помощью оптики космического телескопа «Хаббл», весьма детализированы, но существует множество деталей, которые они просто не способны запечатлеть. Радиотелескопы решают этот вопрос.

«Радиотелескопы, которые улавливают радиоволны, излучаемые различными астрономическими объектами и явлениями, позволяют взглянуть на Вселенную в ином ключе», — утверждается на официальном сайте SKA.

Проще говоря, люди могут видеть волны видимого света, но в электромагнитном спектре присутствует и другие разновидности излучения — от самых длинных волн (радиоволны) до наиболее коротких (гамма-лучи). Различные типы света также излучаются естественным образом объектами в космосе. Для обнаружения различных длин волн используются разные типы телескопов.

В чем основные преимущества радиотелескопов

Радиотелескопы принимают радиоволны из космоса с помощью антенн, которые зачастую (хотя и необязательно) выглядят как увеличенная версия спутниковой тарелки. Собранные сигналы передаются через систему цифровой обработки, что позволяет преобразовать астрономические данные в изображения.

Если чуть упросить, то картинка собирается не напрямую, а через череду математических преобразований.

В отличие от оптических телескопов, работа которых во многом зависит от облачности и других погодных явлений, радиотелескопы можно использовать практически в любую погоду, в том числе облачную, ведь более длинные волны без препятствий проходят сквозь облака.

Одной из основных возможностей радиотелескопов также называют возможность обнаружения невидимого газообразного водорода — самого распространенного элемента во Вселенной, излучающегося на частоте в 1420 МГц. Такие телескопы также способны выявлять области космоса, скрывающиеся за космической пылью, поскольку радиоволны распространяются сквозь пылевые облака.

SKA-Low и SKA-Mid

А теперь подробнее про основные составные элементы проекта SKA.

SKA-Low, то есть австралийская часть проекта, состоит из 131 072 антенн-«елочек», которые призваны улавливать низкий диапазон радиочастот от 50 до 350 МГц. Такие антенны разделены на 512 станций, по 256 антенн на каждую.

Такие «елочки» представляет собой гигантский радиоинтерферометр, а вместо одной тарелки проект объединяет сигналы от тысяч отдельных антенн, имитируя работу одного колоссального телескопа.

В частности, от центрального ядра диаметром 1 километр в стороны расходятся три спиральных «рукава», которые охватывают значительную территорию. Максимальное расстояние между двумя наиболее удаленными станциями при этом равняется 74 километрам.

В сравнении с телескопом LOFAR в Нидерландах, на сегодня являющимся одним из лучших инструментом такого формата на планете, SKA-Low отличится на 25% более высоким разрешением, в 8 раз большей чувствительностью, а также, как утверждается, возможностью исследовать небо в 135 раз быстрее.

SKA-Mid — среднечастотная (от 350 МГц до 15,4 ГГц с потенциалом расширения до 24 ГГц) часть, сегменты которойнаходятся в пустынном регионе Кару в Южной Африке.

Финальный массив, как полагается, объединит 197 поворотных параболических антенн. Из них 64 — это чаши уже существовавшего южноафриканского телескопа MeerKAT, которые встроят в общую систему.

От центрального ядра диаметром около 1 километра антенны будут расходиться тремя спиральными «рукавами» на большое расстояние. Две самые удаленные друг от друга антенны SKA-Mid расположатся на расстоянии 150 километров друг от друга.

«Возможности радиотелескопа определяются тремя ключевыми показателями: разрешением, чувствительностью и скоростью обзора. По сравнению с современными телескопами, работающими в этом частотном диапазоне, SKA-Mid обеспечит значительный прогресс по всем трем направлениям», — заключают в SKA.

Зачем проекту две клетки Фарадея

В октябре в The Register писали: работы по возведению центра обработки данных, обслуживающего SKA в Западной Австралии, практически завершены.

Вместе с тем инженерам пришлось установить две клетки Фарадея, которые защищают оборудование от утечки радиоволн. Это важно, так как даже малейшие помехи в теории способны нарушить работу крайне чувствительных антенн радиотелескопа. Входы и выходы в здание ЦОДа экранировали, чтобы минимизировать утечку сигналов.

По словам директора обсерватории (он говорил с изданием в октябре прошлого года), в ЦОДе разместят 100 стоек, в основном FPGA, запрограммированных для фильтрации многих терабайтов данных, которые SKA будет собирать каждый день. Это необходимо, чтобы только имеющие ценность данные передавалась по оптоволоконному каналу с пропускной способностью до 10 ТБ/с, который соединяет объект с суперкомпьютерами в городе Перт, столице Западной Австралии.

Возведение дата-центра в регионе Мерчисон, как уточняется, обусловлено тем, что это один из самых отдаленных районов региона. Соответственно, там наблюдается минимальный уровень радиопомех, что критично в случае с проектом SKA.

Научные задачи, которые надеются разрешить с помощью SKA

Учитывая описанные выше технически возможности, программа SKA, как утверждают ее создатели, призвана расширить границы знаний о Вселенной и ответить на фундаментальные вопросы астрофизики.

Впрочем, уже имеется и более конкретный список вопросов, с которыми SKA может помочь. Так, основные цели исследований разделены на ключевые группы:

• Исследование «космического рассвета»: изучение периода, когда во Вселенной появились самые первые звезды и сформировались галактики. Предположительно, это происходило не более чем через 50 млн лет после Большого взрыва.
• Проверка теории Эйнштейна: изучение положений общей теории относительности в нестандартных условиях, например вблизи черных дыр и пульсаров, поиск возможных отклонений.
• Космология и темная энергия: изучение крупномасштабной структуры Вселенной, ее расширения и природы темной энергии / темной материи.
• Эволюция галактик: наблюдение за тем, как галактики становились больше, изменялись и взаимодействовали друг с другом на протяжении миллиардов лет.
• Детальное картирование и исследование Млечного Пути (нашей галактики) для понимания его структуры и межзвездной среды.
• Поиск истоков жизни: обнаружение органических молекул в дисках вокруг молодых звезд и исследование возможности существования молекулярной жизни на других планетах в целом.
• Анализ поведения Солнца: исследования солнечной активности, солнечного ветра и космической погоды, напрямую влияющих на Землю.
• Изучение космического магнетизма: картирование магнитных полей в космосе и разбор того, как они появляются и какую роль играют в эволюции звезд и галактик.
• Исследование космических явлений вроде быстрых радиовсплесков (FRB) и гамма-всплесков.

Если все пойдет по плану, первые данные со SKA поступят в центры обработки уже в 2027 году. При этом полноценный ввод комплекса в работу намечен на 2029-й.

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by