18 июля 2011 года ракета «Зенит» вывела с Байконура аппарат «Спектр-Р». Под ее обтекателем находилась сложенная радиоантенна: на орбите 27 лепестков раскрылись вокруг центральной части и собрались в чашу диаметром 10 м. Впечатляющий размер для космоса. И все же главное начиналось далеко за пределами аппарата. Орбитальная тарелка была лишь одним концом будущего телескопа. Второй оставался на Земле — в обсерваториях России, Европы, США, Австралии и Азии.
Космический радиотелескоп «Радиоастрон»: задачи проекта
Чем дальше разнесены антенны радиоинтерферометра, тем более мелкие детали он способен различить. Наземные сети упирались в размер планеты: расстояние между их крайними точками уже нельзя было заметно увеличить. Тогда одну антенну решили отправить на высокоэллиптическую орбиту. При удалении «Спектра-Р» от Земли росла интерферометрическая база — в пределе до 350 000 км, почти до лунного масштаба. Геометрия менялась на каждом витке, и астрономы получали целый набор ракурсов одного радиоисточника.
Проект создавали для исследования компактных радиоисточников: окрестностей сверхмассивных черных дыр, их дисков и джетов, нейтронных звезд, мест рождения новых светил и межзвездной плазмы. Требовалось добраться до процессов, которые на обычной карте сливались в одну точку.
Как работал «Радиоастрон» и аппарат «Спектр-Р»
Космическая и несколько наземных антенн одновременно слушали один источник. Каждая записывала пришедшую радиоволну вместе с меткой сверхточного водородного стандарта частоты. Наземные участники сохраняли свои записи, космический поток принимали станции слежения. Затем материалы сводили в корреляторе: искали один и тот же сигнал, пойманный в разных точках и с небольшой задержкой.
Решающим был размах: максимальная база достигла 26,7 диаметра Земли. Всего к проекту подключились 58 наземных радиотелескопов. Камеры на борту не было.
Радиоизображение восстанавливали из множества таких измерений, сделанных при разном положении аппарата и наземных антенн. Получалась карта яркости и поляризации радиоволн. Цвета, контуры и нити на ней показывали распределение излучающей плазмы и направление магнитного поля, хотя человеческий глаз сам этот свет увидеть не способен.
Радиоизображения «Радиоастрона»: джеты черных дыр
Самыми выразительными стали карты активных ядер галактик — мест, где сверхмассивная черная дыра втягивает вещество и выбрасывает часть плазмы в узкие релятивистские струи. В наблюдениях BL Lacertae космическая антенна работала вместе с 15 наземными телескопами. Проект получил изображение с рекордной для своего времени детализацией: ученые увидели ударные волны у основания джета, а карта поляризации указала на возможную спиральную геометрию магнитного поля.
Другие радиокарты охватили ядра 3C 84, 3C 273, S5 0836+710 и еще целый ряд квазаров. Они помогли измерить ширину джетов у самого основания и проследить, как струя собирается в узкий поток. Позднее в данных по квазару 3C 279 исследователи различили несколько длинных нитей внутри одного джета. Поляризация указывала на спиральное магнитное поле, а переплетенный рисунок связали с неустойчивостями плазмы. Радиокарта стала схемой работы космического ускорителя.
Что «Радиоастрон» узнал о пульсарах и космических мазерах
Черные дыры оказались лишь частью маршрута. Радиоволны пульсаров по пути к Земле рассеиваются на неоднородностях межзвездной плазмы, словно свет за матовым стеклом. Огромная база позволила различить мелкую структуру этого рассеянного изображения. По ней ученые уточняли свойства турбулентной среды между звездами и учились отделять искажения от устройства самого источника.
Еще одной целью были космические мазеры — компактные области, где молекулы усиливают радиоизлучение. Такие природные маяки встречаются в регионах звездообразования и дисках галактик. При наблюдении водяного мегамазера в галактике NGC 4258 система добралась до интерференционного масштаба около 8 микросекунд дуги — рекорда проекта. В области Цефей А моделирование ограничило размер двух мазерных компонентов сверху величиной примерно с диаметр Солнца.
Завершение миссии «Спектр-Р» и наследие проекта
После полугодовой проверки аппаратуры началась регулярная научная программа. Сам «Спектр-Р» прожил на орбите семь с половиной лет вместо расчетных трех. В январе 2019 года он перестал принимать команды с Земли. Вернуть управление не удалось, и в мае проект закрыли решением государственной комиссии.
За это время наземно-космический интерферометр провел больше 4000 сеансов и исследовал около 250 объектов. Обработка накопленных записей продолжилась уже после остановки аппарата — именно так появилась карта нитей в джете 3C 279. Замолчал спутник. Телескоп размером больше Земли остался в научных статьях, радиокартах и опыте для следующих космических интерферометров.
Ранее Наука Mail рассказала о «Спектре-РГ» — другой российской орбитальной обсерватории, которая составляет рентгеновскую карту неба.