Телескоп «Аресибо»

На фото — радиотелескоп «Аресибо» (Arecibo Telescope) вскоре после своего открытия. «Аресибо» был введен в строй ровно 60 лет назад, 1 ноября 1963 года. На тот момент он был самым крупным радиотелескопом в мире.

Своим появлением «Аресибо» в первую очередь обязан американскому физику Уильяму Гордону (William E. Gordon), предложившему идею измерения температуры и плотности земной ионосферы, основанную на эффекте томсоновского рассеяния радиоволн на свободных электронах. В апреле 1958 года Гордон сделал первый доклад с изложением своих идей, а уже осенью разработал предварительный проект радиотелескопа, с помощью которого их можно было бы полноценно реализовать. По проекту Гордона, телескоп представлял собой параболическую антенну диаметром 1000 футов (305 метров): только такое большое зеркало позволило бы надежно зарегистрировать слабый рассеянный радиосигнал. Вдоль оси антенны поднималась башня высотой 133 м (по другим данным — 150 м), на вершине которой, в фокусе антенны, располагались излучатель и приемник: с учетом специфики телескопа предусматривалась его работа не только в пассивном (прием), но и в активном (излучение) режиме.

Уильям Гордон (слева) и профессор Уильям Макгвайр (William McGuire) из Корнеллского университета обсуждают проект Гордона. Фото из статьи J. D. Mathews, 2013. A short history of geophysical radar at Arecibo Observatory

В октябре 1958 года ученик Гордона Кеннет Боулз (Kenneth L. Bowles) провел эксперимент, подтвердивший жизнеспособность идеи Гордона. Более того, Боулз показал, что расчеты Гордона не совсем верны (он использовал неточную оценку флуктуаций плотности в плазме) и можно обойтись «тарелкой» гораздо меньшего диаметра. Но к моменту публикации его результатов идея постройки 1000-футового телескопа успела широко распространиться среди ученых, которые тут же запланировали самые разные эксперименты, для проведения которых был нужен именно такой телескоп. Поэтому вопрос уменьшения его размеров не рассматривался — благо, деньги на строительство нашлись.

Получить финансирование для строительства такой огромной тарелки было непросто, но помогли военные. Летом 1957 года была успешно испытана первая в мире межконтинентальная баллистическая ракета (МБР) — советская Р-7; вскоре прошла испытания первая американская МБР «Атлас». Гонка вооружений набирала обороты. Перед военными ведомствами ее участников встала проблема защиты от МБР — в частности, как можно более раннего обнаружения их запуска вероятным противником. Было предложено немало разных подходов к решению этой задачи, один из которых основывался на идеях загоризонтной радиолокации: многократно отражаясь от земной поверхности и от нижней кромки ионосферы, радиоволны определенных длин могут огибать поверхность Земли, используя «коридор» между этими двумя поверхностями в качестве своеобразного волновода. В теории это дает возможность заглянуть хоть на другую сторону земного шара и «увидеть» стартовавшие ракеты: либо по отразившемуся от них сигналу, либо по искажению радиоволн, проходящих через оставленный ракетой след из ионизированных газов. Однако для практического использования этого метода необходимо было лучше изучить свойства ионосферы — чтобы понять, как именно волны будут распространяться и отражаться. А еще военных интересовало влияние высотных ядерных взрывов на ионосферу — в частности, на распространение в ней радиоволн. Так что Пентагон, интересы которого представляло только что созданное агентство перспективных исследовательских проектов ARPA (ныне — DARPA), был заинтересован в исследовании ионосферы не меньше, чем гражданские ученые. В итоге ARPA и выделило финансирование: окончательный контракт был подписан в ноябре 1959 года.

Иллюстрация принципа загоризонтной радиолокации. Рисунок из книги И. И. Ануреев, 1971. Оружие противоракетной и противокосмической обороны

До сентября 1960 года, когда началось сооружение телескопа, проект неоднократно претерпевал изменения. Инструмент стремились сделать максимально полезным для академических исследований, а предложенная Гордоном конструкция практически не давала возможности наводить телескоп на различные области небесной сферы: это сильно ограничивало его применение в интересах радиоастрономии. В итоге остановились на сферическом зеркале, над которым располагалась специальная платформа с приемником и излучателем: ее удерживали 18 тросов, закрепленных на трех высоких башнях. Наведение телескопа на заданную точку небесной сферы осуществлялось путем перемещения платформы; точность позиционирования составляла при этом доли сантиметра. Позже подобную схему использовали и при создании некоторых оптических телескопов — например, Хобби–Эберли.

Телескоп решили строить на острове Пуэрто-Рико: его карстовые воронки (см. статью Удивительный карст в долине реки Синей) хорошо подходили для размещения вогнутого зеркала, уменьшая объем необходимых для строительства земляных работ. Телескоп и вся создаваемая вокруг него обсерватория получили название по близлежащему городу Аресибо (см. Arecibo). Размеры телескопа поражали воображение: сферическое зеркало имело диаметр 305 м и площадь более 80 000 м² (больше, чем 10 футбольных полей!). Платформа с приемником и излучателем висела на высоте 150 м и весила 820 т. Гордон, которого называли «отцом „Аресибо“», стал первым директором обсерватории. Помимо основного радиотелескопа в ней расположился еще один, 12-метровый (он использовался в паре с большим в режиме интерферометрии), а также лидар (см. картинку дня «Заливы Каролины»). В 1997 году был открыт центр для посетителей — интерактивный музей, посвященный телескопу, астрономии и исследованиям атмосферы. Есть в Аресибо и смотровая площадка. Общая площадь обсерватории, в которой трудились 140 человек (по состоянию на начало 2000-х), составляет примерно 50 гектаров.

Строительство телескопа. Август 1963 года. Фото из статьи J. D. Mathews, 2013. A short history of geophysical radar at Arecibo Observatory

Телескоп неоднократно модернизировался. Так, его зеркало изначально представляло собой сетку из стальной проволоки (присмотритесь к заглавной фотографии: сквозь сетку хорошо видна расположенная за ней растительность). Но в 1973 году сетка была заменена на 38 778 алюминиевых панелей размером примерно 1 на 2 м каждая: это позволило увеличить диапазон рабочих частот телескопа. Панели общей массой 300 т поддерживались сеткой из стальных тросов, суммарная длина которых составляла почти 50 км, что предотвращало искривление зеркала под действием температурных деформаций или ветровых нагрузок. Позже в ходе модернизации телескопа было добавлено еще несколько приемников и один дополнительный излучатель, что еще больше расширило возможности телескопа. По периметру зеркала был установлен экран, снижающий шумы от теплового излучения Земли.

Платформа с приемниками и излучателями над зеркалом телескопа. Также виден экран по периметру зеркала. Фото © Mario Roberto Durán Ortiz с сайта commons.wikimedia.org, 22 июня 2019 года

«Аресибо» внес огромный вклад в развитие науки, особенно радиоастрономии (см. статью Нобелевские пульсары в небе «Аресибо»). А в 1974 году телескопу довелось поучаствовать в очередной попытке человечества установить связь с внеземными цивилизациями: 16 ноября в сторону звездного скопления М13 (см. картинку дня Сокровище Геркулеса) было отправлено «послание Аресибо» — радиосигнал, содержащий базовую информацию о нескольких химических элементах, Солнечной системе, устройстве молекулы ДНК и человеке (см. статью Межзвездные радиопослания). Послание землян достигнет M13 через 25 тысяч лет.

В 2000-е годы объем средств, выделяемых Национальным научным фондом (NSF) и НАСА на работу обсерватории, был сильно сокращен; рассматривался даже вариант с ее закрытием, если не будут найдены другие источники финансирования. Вскоре добавились проблемы, связанные с износом оборудования и воздействием природных катаклизмов. В 2014 году землетрясение повредило один из тросов, удерживавших платформу, а в 2017 году ураган «Мария» повредил одну из антенн и зеркало телескопа. Эти неисправности удалось устранить. Однако 10 августа 2020 года во время урагана «Исайя» (см. Hurricane Isaias) оборвался один из тросов, удерживавших платформу; зеркало телескопа снова оказалось повреждено. 7 ноября история повторилась: лопнул еще один трос. После этого было сочтено, что как дальнейшая эксплуатация телескопа, так и попытки его отремонтировать могут быть слишком опасны. 19 ноября NSF объявил о прекращении работы телескопа. 1 декабря оборвались еще несколько тросов, и платформа с приемниками и излучателями рухнула на зеркало телескопа. При этом обрушились верхушки всех трех башен, одна из которых повредила сооружения обсерватории.

«Аресибо» после катастрофы. Фото с сайта smithsonianmag.com

Вскоре после этого начался демонтаж телескопа — который, кстати, тогда уже не был самым большим радиотелескопом в мире: в 2016 году в Китае вступил в строй радиотелескоп FAST с 500-метровым зеркалом (правда, в отличие от «Аресибо», FAST может работать только в пассивном режиме). А до этого в 1974 году в Карачаево-Черкессии был открыт 576-метровый РАТАН-600 (однако он, в противоположность «Аресибо» и FAST, не обладает заполненной апертурой: его зеркало образует не сплошную поверхность, а огромное кольцо).

Сравнение размеров радиотелескопов (сверху вниз) «Аресибо», FAST и РАТАН-600. Рисунок с сайта commons.wikimedia.org

Изначально планировалось построить на месте «Аресибо» новый телескоп, однако в октябре 2022 года NSF объявил, что там будет создан национальный образовательный центр по науке, технологиям, инженерии и математике. По последним сведениям, он может открыться уже в начале 2024 года. А вот будет ли сооружен преемник «Аресибо» где-либо еще, пока неясно.

Частично разобранное зеркало телескопа. На заднем плане видны две из трех башен. Фото © Ángel Enrique Valentín с сайта nature.com

Демонтаж телескопа огорчил не только ученых: в твиттере даже появился хэштег #WhatAreciboMeansToMe, под которым люди, работавшие на телескопе или посещавшие его, делились своими воспоминаниями. Кстати, на «Аресибо» доводилось проводить исследования и российским ученым, см. статью Новый год в обсерватории «Аресибо». Кроме того, благодаря впечатляющему внешнему виду телескопа обсерватория Аресибо не раз становилась объектом внимания кинематографистов: в ней снимались эпизоды научно-фантастических картин «Особь» и «Контакт» и даже 17-го фильма «бондианы» «Золотой глаз». Кстати, это не единственный случай, когда агента 007 можно увидеть в интерьерах настоящей обсерватории (см. картинку дня Четверть века VLT).

Фото из статьи J. D. Mathews, 2013. A short history of geophysical radar at Arecibo Observatory.

Алексей Деревянкин