Великий SKAO: зачем строится самый большой в мире телескоп

Международный консорциум астрономов дал старт строительству самого большого астрономического инструмента в истории. Гигантская установка, расположенная на двух континентах, позволит проникнуть в самые глубокие тайны Вселенной. 1 июля 2021 года началось сооружение самого грандиозного телескопа в истории науки. Он будет состоять из более чем 100 000 антенн общей площадью больше квадратного километра, расположенных на двух континентах. Проект называется SKAO, или «Обсерватория массива [площадью в] квадратный километр» (Square Kilometre Array Observatory). Какие же секреты космоса поможет раскрыть этот циклопический инструмент?

Вселенная как радиостанция

Не секрет, что звезды и галактики светятся, и астрономы улавливают их свет с помощью телескопов. Но небесные тела испускают и многие другие излучения: радио- и инфракрасные волны, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Например, холодный межзвездный газ вообще не излучает света, а нейтронные звезды дают его ничтожно мало. Зато, то и другое — прекрасные радиостанции. Горячий межгалактический газ тоже не светится, зато испускает рентгеновские лучи, а астероиды лучше всего видны в инфракрасном диапазоне. То есть невидимые для наших глаз излучения дают нам шанс изучить целый зоопарк объектов, которых мы вообще не заметили бы в обычный телескоп. И даже если небесное тело ярко светится, лучше проанализировать все испускаемые им излучения, чтобы собрать больше информации. Наконец, радиоволны, инфракрасные или рентгеновские лучи прекрасно проходят через облака межзвездной пыли, закрывающие от нас многие области космоса.

Словом, астрономам давно уже мало старых добрых оптических телескопов. Именно поэтому существуют радио-, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-инструменты.

Радиоволны выгодно отличаются от своих собратьев по электромагнитному спектру тем, что проходят через атмосферу. Благодаря этому радиотелескопы не обязательно выводить в космос (что очень дорого), их можно строить и на Земле. Более того, для такого инструмента не помеха ни облака, ни дневной свет: он может вести наблюдения круглосуточно и в любую погоду.

Радиоастрономия как область науки возникла примерно в конце 1940-х годов. За прошедшие десятилетия она подарила нам немало открытий, от нейтронных звезд до сверхмассивных черных дыр.


Чувство и разрешение

Самая важная характеристика радиотелескопа — чувствительность. Это способность фиксировать тусклые, слабые объекты. Их всегда гораздо больше, чем мощных и ярких, просто потому, что далеких объектов куда больше, чем близких. Чем выше чувствительность, тем больше космических объектов удается разглядеть. Именно поэтому полвека назад астрономы насчитывали на небе сотни радиоисточников, а современные обзоры включают миллионы объектов.

Другой важный параметр — разрешающая способность, то есть способность различать тонкие детали изображения. В низком разрешении мы видим мир словно близорукий человек без очков: как набор расплывчатых пятен. Понятно, что чем больше разрешение телескопа, тем больше информации можно получить с его помощью.

И чувствительность, и разрешающая способность зависят прежде всего от размера антенны: чем больше, тем лучше. История радиоастрономии — это история строительства все более крупных телескопов. Но рано или поздно громадная антенна начинает деформироваться под собственной тяжестью, возникает и множество других проблем. Самый большой действующий радиотелескоп на сегодняшний день — китайский FAST. Это «тарелка» диаметром 500 метров, расположенная в естественной карстовой впадине. Сооружение такого исполина было настоящим инженерным подвигом, и пока никто не взялся его превзойти.


Сила в единстве

Однако астрономы давно нашли выход из тупика гигантомании. Радиотелескопу не обязательно иметь одну громадную антенну: ее можно заменить множеством маленьких. Целая армия небольших антенн суммарной площадью в один квадратный километр по чувствительности эквивалентна единой антенне той же площади, то есть радиусом около 560 метров. Только построить множество мелких антенн куда проще, чем одну гигантскую.

С разрешающей способностью можно проделать еще более впечатляющий трюк. Возьмем то же множество небольших антенн, по общей площади равных одной 560-метровой. Разбросаем эти элементы хаотично в радиусе, скажем, 100 километров. По разрешению такая система будет представлять собой нечто среднее между уже упомянутой 560-метровой антенной и фантастической антенной радиусом 100 километров! Этот фокус на сухом научном языке называется интерферометрией. Чувствительность от этого, правда, не увеличится, зато разрешение может стать просто грандиозным.

Именно по этому принципу будет устроена SKAO — самая большая в мире сеть радиоастрономических антенн общей площадью более одного квадратного километра. Система будет иметь два крыла: SKA-Mid в ЮАР и SKA-Low в Австралии. Африканская часть будет работать в среднем (mid) диапазоне радиочастот: от 350 МГц до 15,3 ГГц. Она будет состоять из 197 относительно небольших (диаметром менее 15 метров) «тарелок», максимальное расстояние между которыми составит 150 километров. К слову, 64 антенны уже готовы и функционируют в составе телескопа MeerKAT. Австралийское крыло будет принимать радиоволны низких (low) частот: 50–350 МГц. Антенны здесь будут устроены иначе: не «тарелки», а скорее «елочки», и будет их ни много ни мало 131 000, сгруппированных в 512 антенных полей. Максимальное расстояние между антеннами (от которого, напомним, зависит разрешение) составит 65 километров.

Объем информации, собранный такой масштабной сетью антенн, тоже будет громадным. Каждая из двух частей телескопа (африканская и австралийская) будет генерировать 8 терабит (именно бит, не байт) в секунду. Пытаться сохранить такой объем данных — абсолютно безнадежная задача, поэтому сигнал будет обрабатываться в реальном времени двумя компьютерами со скоростью около 135 петафлопс. Появись такие машины сегодня, они заняли бы места в тройке лучших суперкомпьютеров мира. Программы будут отсеивать шумы и помехи и «концентрировать» полезный сигнал. Но даже после такой процедуры SKAO будет производить 710 петабайт информации в год. Чтобы сохранить эти данные, потребовалось бы 1,5 млн типичных ноутбуков.

Кстати, о цифрах. Бюджет проекта на 2021–2030 годов составляет €2 млрд. Эта сумма включает расходы как на строительство, которое планируется завершить в 2029 году, так и на эксплуатацию. Дело в том, что сеть будут вводить в строй по частям, и первые научные данные SKAO получит уже в 2024 году. Всего же обсерватория должна проработать не менее 50 лет.

Грандиозный проект имеет семь стран-учредителей. Это Австралия, Великобритания, Китай, Италия, Нидерланды, Португалия и ЮАР. Еще девять государств (Германия, Индия, Испания, Канада, Франция, Швейцария, Швеция, Южная Корея и Япония) имеют статус наблюдателей в Совете SKAO. В разработке телескопа-рекордсмена участвовали 500 инженеров, представляющих 20 стран мира. Эта работа заняла более семи лет. Число соавторов научной программы проекта еще более впечатляет: более 1000 ученых из 40 стран.


Вопросы к мирозданию

Для чего же предприняты все эти колоссальные усилия? Прежде всего, беспрецедентная чувствительность нового телескопа поможет ему принимать излучение межзвездного водорода даже из самых далеких галактик. Это поможет составить карту расположения целого миллиарда «звездных островов» и сравнить эти данные с предсказаниями космологических теорий. Возможно, при этом будет раскрыта тайна темной энергии — загадочной субстанции, ускоряющей расширение Вселенной. Также данные SKAO позволят измерить количество темной материи в космосе и проверить теорию гравитации Эйнштейна (общую теорию относительности).

Кроме того, глядя вглубь космоса, мы смотрим в прошлое. Ведь радиоволнам требуется время, чтобы достичь Земли. Далекую галактику мы видим не такой, какова она сейчас, а такой, какой она была в момент испускания этого сигнала. Новый сверхчувствительный инструмент поможет астрономам заглянуть во времена образования первых галактик и звезд, а может быть, и дальше. Специалисты хотят узнать, когда именно зажглись первые звезды, откуда взялись загадочные облака водорода между галактиками, и получить ответы на многие другие вопросы.

Также SKAO поможет создать беспрецедентную карту магнитных полей, пронизывающих всю Вселенную. Астрофизики давно пытаются разобраться, как и когда возник этот вездесущий магнетизм, как он влияет на жизнь звезд и галактик. Пока специалистам не хватает данных об этом. Но уж чего-чего, а данных у SKAO будет предостаточно.

«Мишенями» для новой обсерватории станут и такие излюбленные радиоастрономами объекты, как нейтронные звезды и квазары. Займется она и быстрыми радиовсплесками – загадочными вспышками радиоизлучения, открытыми, кстати, совсем недавно: в 2007 году. Не исключено, что в огромном массиве собранной SKAO информации тоже обнаружится что-то совершенно неожиданное.