Взглянуть на миллиарды лет назад

Анатолий Глянцев
«Коммерсантъ Наука» №3, сентябрь 2021

Сеть маленьких антенн, работающая как единое целое, эквивалентна одному большому телескопу той же суммарной площади. А построить такую сеть куда проще. Фото: SKA Observatory

Началось сооружение самого грандиозного астрономического инструмента в истории. Циклопический радиотелескоп будет располагаться на двух континентах. Ученые надеются, что он поможет разгадать самые волнующие загадки устройства и истории Вселенной.

Радиотелескоп называется SKAO, эта аббревиатура означает ‘обсерватория массива [площадью в] квадратный километр’ (Square Kilometre Array Observatory): более ста тысяч отдельных антенн общей площадью больше квадратного километра.

Страны — учредители проекта — Австралия, Великобритания, Китай, Италия, Нидерланды, Португалия и ЮАР, но география проекта куда шире. Разработка технической части потребовала семилетнего труда 500 инженеров из 100 организаций, представляющих 20 государств. Над научной же программой SKAO трудились более 1 тыс. астрономов из 40 стран. За удовольствие заглянуть в глубины Вселенной организаторы заплатят €2 млрд (бюджет проекта на 2021–2030 годы). Грандиозная антенная сеть будет вводиться в строй частями, так что первые научные данные планируется собрать уже в 2024 году, хотя строительство будет завершено только в 2029 году.

Космос-FM

Астрономы не в силах поставить эксперимент над галактикой или хотя бы слетать к соседней звезде с измерительными приборами. Им остается собирать информацию, что в буквальном смысле падает с неба: любые излучения и частицы, приходящие из космоса. К счастью, список таких посланцев небес весьма разнообразен — от обычного света до космических нейтрино и гравитационных волн.

Солидную роль в познании Вселенной играют радиотелескопы. Перечислять космические радиостанции можно долго: это и нейтронные звезды, и черные дыры в ядрах галактик, и межзвездный газ, и природные мазеры (радиолазеры), и многое другое. Радиоволны легко проходят через облака пыли и газа, закрывающие от оптических телескопов многие области космоса. Не помеха им и атмосфера Земли, так что радиотелескопы не обязательно запускать в космос — в отличие от рентгеновских и гамма-инструментов. Радиотелескоп может работать круглосуточно и в любую погоду.

Размер имеет значение

Радиосветимость квазара может в триллионы раз превышать суммарное энерговыделение Солнца, но не надейтесь получить его межгалактический привет с помощью бытового радиоприемника. Невообразимая дистанция так ослабляет сигнал, что для приема требуются огромные антенны и специальное оборудование.

Далеких объектов куда больше, чем близких. Поэтому слабых радиоисточников на небе гораздо больше, чем сильных. Сооружая все более крупные и чувствительные телескопы, астрономы получают возможность разглядеть больше космических «радиоточек». Счет пошел на миллионы.

Есть и другая причина делать антенны побольше: это увеличивает разрешение, то есть способность видеть тонкие детали. Детальное изображение куда информативнее, чем расплывчатые пятна.

Инженерам приходится умерять аппетиты астрономов. Нельзя наращивать размер антенн до бесконечности: слишком большие конструкции технически нежизнеспособны. Сегодня рекорд принадлежит 500-метровому китайскому радиотелескопу FAST.

Проект космического масштаба

Построить множество маленьких антенн куда проще, чем одну большую. Такая сеть, работающая как единое целое, эквивалентна одному большому телескопу той же суммарной площади. Именно этим и воспользовались проектировщики SKAO.

Эта система скорее представляет собой не один радиотелескоп, а два. Они будут построены по одному принципу, но разместятся на разных континентах и станут работать на разных частотах. SKA-Mid в ЮАР — на средних (от 350 МГц до 15,3 ГГц), а SKA-Low в Австралии — на низких (50–350 МГц). Африканская часть будет состоять из 197 тарелок, похожих на спутниковые. 64 антенны уже готовы и работают в составе радиотелескопа MeerKAT. Австралийские же антенны будут похожи не на тарелки, а скорее на елочки. И будет их куда больше: 131 тыс. на 512 антенных полях.

Чтобы увеличить разрешение SKAO, конструкторы воспользовались старым, но безотказным приемом — интерферометрией. Если заставить две антенны, разнесенные на 100 км, работать как единое целое (например, соединив их кабелем), получится как бы кусочек огромного телескопа диаметром 100 км. Дуэт позволяет добыть информацию о тонких деталях, которые «увидел» бы фантастический стокилометровый телескоп! Правда, не всю, а только часть, пробелы придется заполнять из теоретических соображений. Если использовать три антенны, информации будет больше. А лучше всего — сеть из многочисленных антенн, разбросанных в случайном порядке внутри круга диаметром 100 км: по разрешению она будет максимально близка к цельному стокилометровому радиотелескопу.

Именно так и будет устроена система SKAO. У SKA-Mid максимальное расстояние между антеннами составит 150 км, а у SKA-Low — 65 км. Расположение антенн станет наилучшим компромиссом между стремлением астрономов разбросать антенны случайным образом и стремлением инженеров сэкономить кабель.

Кстати, об информации. Каждая из двух сетей (австралийская и африканская) будет собирать 8 терабит данных в секунду. Это многовато даже для современных носителей, поэтому информация будет обрабатываться в реальном времени со скоростью около 135 петафлопс (уровень лучших суперкомпьютеров). Машины просеют данные частым ситом, сохраняя только зерна полезного сигнала и отбрасывая плевелы шумов и помех. Но даже после такого сжатия SKAO будет генерировать 710 петабайт данных в год. Чтобы сохранить их, потребовалось бы 730 тыс. терабайтных жестких дисков.

Десятилетия открытий

Что астрономы надеются выяснить с помощью SKAO?

Прежде всего громадный телескоп поможет нанести на карту расположение целого миллиарда галактик. А это не только ответ на естественный вопрос, что и где находится в космосе, но и отличный тест для теорий о происхождении и развитии Вселенной. Возможно, благодаря ему удастся выяснить природу загадочной темной энергии, составляющей около 70% всей энергии во Вселенной. Мы знаем о темной энергии благодаря тому, что она ускоряет расширение Вселенной, но о природе этой таинственной субстанции пока есть лишь теории.

А еще данные SKAO позволят тщательно измерить количество темной материи — еще одной загадочной составляющей космоса. Гравитация темного вещества действует на обычную материю, благодаря чему мы и знаем о его существовании. У специалистов есть гипотезы на любой вкус, от экзотических элементарных частиц до обычных космических объектов, слишком тусклых, чтобы заметить их в телескопы. Истины не знает никто, но, возможно, она выяснится благодаря SKAO.

Наконец, космические карты помогут еще раз протестировать общую теорию относительности Эйнштейна, трактующую гравитацию как искривление пространства-времени. Эта теория, созданная век назад, блестяще выдержала уже множество самых разных проверок. Но вдруг теперь пришла пора заняться самым увлекательным в мире делом — разработкой новой физики?

Беспрецедентная чувствительность SKAO позволит разглядеть самые далекие радиоисточники, излучение от которых путешествовало к Земле многие миллиарды лет. Мы увидим эти космические объекты такими, какими они были в момент испускания этих радиоволн, а значит, заглянем в прошлое. Ученые надеются буквально увидеть эпоху зарождения первых звезд и галактик, а может быть, и еще более древние времена.

Кроме того, новая обсерватория поможет создать уникальную карту вездесущих магнитных полей, пронизывающих космическое пространство. Исследователи давно пытаются разобраться, как и когда Вселенная превратилась в россыпь магнитов и как эти поля влияют на жизнь и смерть звезд, планет и галактик.

В поле зрения SKAO попадут и традиционные для радиоастрономии объекты: нейтронные звезды, черные дыры в ядрах галактик, космические мазеры и многое другое. Планируется, что обсерватория проработает не менее 50 лет.