18 июля исполнится два года с момента запуска космического радиотелескопа 'Спектр-Р' на орбиту. За это время специалистами НПО им. С.А. Лавочкина и смежными организациями, такими как Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН), Институт космических исследований РАН, Европейское космическое агентство и многими другими, была проделана большая работа.

В преддверии двухлетия успешного функционирования космического радиотелескопа (КРТ) 'Спектр-Р' на орбите, ученые поделились основными научными результатами амбициозного международного проекта 'РадиоАстрон'. В большом конференц-зале ФГУП 'НПО им. С.А. Лавочкина' состоялось несколько заседаний научно-технического совета (НТС), посвященных подведению итогов второго года жизни КРТ.

Радиоинтерферометрия

На первую встречу были приглашены ученые Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, работники предприятий космической отрасли, специалисты НПО им. С.А. Лавочкина.

Со вступительным словом перед собравшимися выступил Генеральный директор ФГУП 'НПО им. С.А. Лавочкина' Виктор Владимирович Хартов. Он рассказал какой непростой путь удалось пройти с момента зарождения идеи создания космического интерферометра (проект 'РадиоАстрон'), до ее успешной реализации и практических результатов.

На НТС также присутствовал один из авторов идеи радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, академик, директор АКЦ ФИАН Николай Семенович Кардашев. 'Надо сказать, что впервые удалось построить телескоп, как единый физический инструмент: интерферометр с наземными радиотелескопами, размеры которого сопоставимы с расстоянием от Земли до Луны. Такой инструмент для изучения космоса никто, никогда еще не создавал. Он дает возможность, разглядеть и понять размеры далеких объектов вселенной и исследовать протекающие там процессы' - отметил ученый.

Затем о результатах, достигнутых за время нахождения на орбите космического радиотелескопа (КРТ) 'Спектр-Р', рассказал доктор физико-математических наук, руководитель научной программы 'РадиоАстрон' (АКЦ ФИАН) Юрий Юрьевич Ковалев. Начал он с первых результатов ранней научной программы. 'Наблюдения с помощью КРТ - уникального инструмента для радиоастрономии, уже преподнесли ученым немало сюрпризов, - подчеркнул исследователь. - Ядра квазаров оказываются ярче, чем считалось ранее, и это требует переосмысления механизма излучения джетов (струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики) в далеких галактиках. Межзвездная среда, которая по всем предсказаниям теоретиков до запуска РадиоАстрона в космос должна была привести к сильнейшему искажению, расплыванию и ослаблению излучения пульсаров, этого не делает. В результате, радиоастрономам удастся значительно улучшить теорию межзвездной среды и понимание структуры ее неоднородностей'.

Говоря про формальные рекорды, он уточнил, что их уже сейчас достаточно много. 'Первый успешный наземно-космический интерферометр на 92 и 1.3 см, первый водородный стандарт частоты российского производства успешно работают на орбите уже почти два года, достигнут абсолютный рекорд углового разрешения в мировой астрономии. Это ли не повод радоваться и ожидать новых открытий от ключевой научной программы проекта, которая стартует в июле 2013 года и включает в себя реализацию семи наиболее интересных задач по исследованию активных галактик, сверхмассивных черных дыр, пульсаров, мазеров, межзвездной среды, транзиентных объектов и вопросов гравитации?' - сказал Ю.Ю. Ковалев.

Эксперимент 'Плазма-Ф'

О результатах выполняемого на борту КРТ 'Спектр-Р' плазменно-волнового эксперимента 'Плазма-Ф', рассказал в своем докладе на тему 'Солнечный ветер как лаборатория турбулентности' член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики космической плазмы ИКИ РАН (Институт космических исследований) Анатолий Алексеевич Петрукович. Выступление состоялось также в стенах НПО Лавочкина.

Эксперимент 'Плазма-Ф' имеет как прагматическую цель - непрерывный мониторинг межпланетной среды (как часть 'Космической погоды'), так и исследовательскую - изучение высокочастотной турбулентности межпланетной среды и магнитосферы Земли. Измерения получены двумя основными приборами: монитором потоков энергичных частиц МЭП и быстрым монитором солнечного ветра БМСВ. Основной особенностью этих измерений является очень высокое временное разрешение, позволившее обнаружить ряд новых свойств солнечного ветра и потоков энергичных частиц.

Солнечный ветер - это поток плазмы и магнитного поля, испускаемый Солнцем постоянно и во все стороны и образующий гелиосферу, окруженную межзвездным веществом. Солнечный ветер и межпланетное магнитное поле взаимодействуют с магнитосферой Земли, передавая ей энергию возмущений от Солнца. Магнитные бури - это периоды аномально сильного взаимодействия, связанные с солнечными вспышками и выбросами плазмы из Солнца.

Типичная скорость солнечного ветра - 400 км/с (т.е. расстояние от Солнца до Земли он проходит за трое суток). Типичная концентрация на орбите Земли 5-10 частиц в см3. Длина свободного пробега протонов солнечного ветра больше расстояния Земля-Солнце, т.е. солнечный ветер - 'бесстолкновительная' среда характерная для космической плазмы, но недостижимая в лабораторных условиях на Земле, чем и объясняется большой интерес к его изучению.

Солнечный ветер и межпланетное магнитное поле взаимодействуют с магнитосферой Земли, передавая ей энергию возмущений от Солнца. Магнитные бури - это периоды аномально сильного взаимодействия, связанные с солнечными вспышками и выбросами плазмы из Солнца.

В бесстолкновительной плазме солнечного ветра взаимодействие между частицами осуществляется с помощью волн, образующих каскад возмущений на различных пространственных масштабах от миллионов км, до десятков и сотен км.

Научные задачи эксперимента 'Плазма-Ф' включали в себя мониторинг межпланетной среды и исследование вариаций солнечного ветра в диапазоне от суток до долей секунды с рекордно высоким временным разрешением в 30 мсек. (на один-два порядка лучше всех прежних российских и зарубежных экспериментов).

Благодаря этому удалось обнаружить излом в частотном спектре турбулентности на частоте около 1 Гц, соответствующий масштабу разворота протона в межпланетном магнитном поле (около 1000 км) и разделяющий инерциальный и диссипативный режимы турбулентности. Этот излом спектра предсказывался теоретически, но никогда еще не наблюдался. В этом эксперименте удалось также впервые измерить толщину фронтов межпланетных ударных волн, варьирующую в пределах 50 - 500 км. Вблизи этих фронтов наблюдались интенсивные квазигармонические осцилляции всех параметров плазмы, включая направление потока.

Были обнаружены также быстрые (в диапазоне нескольких секунд) и большие вариации содержания ионов гелия в солнечном ветре, что может свидетельствовать о весьма мелкой (менее 10 000 км) структуре ('зернистости') солнечной короны в области зарождения солнечного ветра.

На основе анализа первых результатов измерений в эксперименте 'Плазма-Ф' на космическом аппарате 'Спектр-Р' показано, что этот эксперимент успешно решает задачи мониторинга параметров межпланетной среды и магнитосферы Земли и исследования их турбулентности в секундном и субсекундном диапазонах.

Напомним, что основной частью проекта 'РадиоАстрон' является космический радиотелескоп 'Спектр-Р', созданный в НПО им. С.А. Лавочкина на базе космической платформы 'Навигатор'. Спектр-Р работает на высокоэллиптической орбите (350 тыс. км от Земли), что позволяет ему обеспечивать создание самой длинной радиоинтерферометрической базы на сегодняшний день.

По информации пресс-службы НПО имени С.А. Лавочкина, АКЦ ФИАН и ИКИ РАН.

По сообщению Астрокосмического центра ФИАН, тринадцать заявок от примерно 200 исследователей из 18 стран мира (Россия, США, Германия, Астралия, Италия, Нидерланды, Великобритания, Украина, Испания, Япония, Южная Корея, Южная Африка, Польша, Китай, Венгрия, Мексика, Индия, Греция) были получены в рамках объявленного открытого конкурса Ключевой Научной Программы РадиоАстрон на период времени июль 2013 г. - июнь 2014 г. AO-1. В частности, российские заявители представляют четыре института Российской академии наук (ФИАН, ИПА, ИКИ и ГАО Пулково) и два университета (МГУ и УрФУ).

Для максимально эффективного использования ресурсов космического телескопа, ученым рекомендовалось создать консорциумы для решения задач в рамках ключевой научной программы, и с этой целью миссия провела рабочее совещание в Бонне в декабре 2012 г. Полные заявки поданы к 8 февраля 2013 г. Суммарный запрос на наблюдательное время составил 1,8 тысяч часов. Возможность технической реализации заявок была проанализирована миссией. Научная экспертиза предложенных проектов была осуществлена международным научным советом экспертов РадиоАстрон и результаты утверждены руководителем проекта РадиоАстрон академиком Н. С. Кардашевым. В международный совет экспертов РадиоАстрон входят: Phil Edwards (председатель, CSIRO, Австралия), Tim Pearson (Caltech, США), Михаил Попов (АКЦ ФИАН, Россия), Richard Porcas (MPIfR, Герма- ния), Elaine Sadler (Университет Сиднея, Австралия) и Mark Reid (Harvard-Smithsonian CfA, США). Ниже приведен список семи программ, отобранных для наблюдений в рамках периода AO-1, в порядке приоритета, начиная с наивысшего.

Группа A:

- 'Обзорядер активных галактик с наивысшим угловым разрешением', PI: Юрий Ковалев (АКЦ ФИАН, Россия)

- 'Исследования пульсаров с РадиоАстрон', PI: Carl Gwinn (Университет Калифорнии в Санта Барбаре, США)

Группа B:

- 'Структура ядер в близких галактиках с разрешением 3-500 радиусов Шварцшильда', PI: Tuomas Savolainen (Институт радиоастрономии общества Макса Планка, Германия)

- 'Магнитные поля в джетах активных галактик', PI: James Anderson (Институт радио- астрономии общества Макса Планка, Германия)

Группа C:

- 'Внутренняя структура и физика компактных джетов в активных галактиках', PI: Mane Perucho (Университет Валенсии, Испания)

- 'Наблюдения радиотранзиентов при помощи наземно-космической интерферометрии' PI: Кирилл Соколовский (АКЦ ФИАН и ГАИШ МГУ, Россия)

- 'Исследования водяных и гидроксильных мазеров с экстремальным угловым разрешением', PI: Андрей Соболев (Уральский Федеральный Университет, Россия)

Обзор ядер активных галактик с наземно-космическим интерферометром РадиоАстрон продолжает приносить интереснейшие результаты. Список объектов исследования пополнили известные квазары 3C273 и 3C279, первый из которых привел Мартина Шмидта (Caltech) в 1963 году к открытию квазаров, в то время как для обоих объектов несколько позднее международныя группа астрофизиков открыла кажущееся сверхсветовое движение скустков плазмы в релятивистских струях.

РадиоАстрон успешно зарегистрировал излучение обоих объектов на больших наземно-космических базах. Более того, 3C273 позволил РадиоАстрон превзойти абсолютный рекорд по угловому разрешению, принадлежавший ранее наземной РСДБ системе, работавшей на 1.3 мм. Сигнал от квазара на длине волны 1.3 см зарегистрирован на базе интерферометра в 8.1 диаметров Земли, реализуя угловое разрешение в 27 микросекунд дуги. См. рисунок 1.

На более длинных волнах в 18 и 6 см, интерферометру удалось зарегистрировать излучение многих компактных ядер в рамках продолжающегося обзора вплоть до 20 диаметров Земли.

В начале февраля 2013 г. успешно проведены первые наблюдения одной из близких активных галактик M87 в созвездии Девы. Для нее угловое разрешение РадиоАстрон сравнимо с ожидаемым размером тени центральной сверхмассивной черной дыры согласно предсказаниям теории. В этом эксперименте впервые приняла участие фазированная решетка VLA NRAO (США) после ее модернизации. Наблюдения прошли успешно. Научная группа продолжает обработку данных.

Рис 1. Рекордное обнаружение ультра-компактного ядра в квазаре 3C273 наземно-космическим интерферометром РадиоАстрон. На традиционной диаграмме представлена величина отклика в зависимости от запаздывания (delay) и частоты интерференции (fringe rate). Диапазон наблюдений 1.3 см, база интерферометра 8 диаметров Земли (7.6 гига длин волн), наблюдения РадиоАстрон-GBT 2 февраля 2013 г.

Пульсары на больших базах интерферометра и межзвездная среда

При распространении радиоизлучения через неоднородную межзвездную плазму возникает ряд эффектов: увеличение угловых размеров источника излучения, увеличение длительности импульса пульсара, искажения спектра радиоизлучения, модуляция интенсивности приходящих импульсов со временем (мерцания). Эти эффекты получаются в результате интерференции лучей, приходящих в точку наблюдения разными путями из-за преломления на неоднородностях межзвездной плазмы, образующих случайным образом рассеивающие или собирающие 'линзы'. Для далеких пульсаров современная теория, трактующая перечисленные выше эффекты рассеяния, предсказывает подавление амплитуды ожидаемого интерференционного отклика до величин, лежащих далеко за пределами чувствительности интерферометра Радиастрон.

Рис 2. Рисунок показывает структуру отклика, полученного интерферометром РадиоАстрон-GBT на длине волны 92 см от далекого пульсара B0329+55, находящегося на расстоянии 6 тысяч световых лет. Для источника, не подвергшегося эффектам рассеяния, на представленной диаграмме должен быть единственный пик. На самом деле наблюдается тесный ансамбль интерференционных откликов, каждый из пиков которого соответствует интерференции лучей, прошедших через свою комбинацию преломлений на неоднородностях плазмы.

На прилагаемом рисунке продемонстрирован новый результат, полученный по далекому пульсару В0329+54, находящемуся на расстоянии в 2 килопарсека. Рисунок показывает структуру интерференционного отклика на традиционной диаграмме запаздывание (delay) -- частота интерференции (fringe rate). Для обычного источника, не подвергшегося эффектам рассеяния, на этой диаграмме должен быть единственный пик. На самом деле наблюдается тесный ансамбль интерференционных откликов, каждый из пиков которого соответствует интерференции лучей, прошедших через свою комбинацию преломлений на неоднородностях плазмы. Представленная диаграмма получена на частоте 316 МГц в канале с правой круговой поляризацией на интерференционной базе между 100-м радиотелескопом GBT Национальной радиоастрономической обсерватории США в Грин Бэнке и космическим радиотелескопом при удалении в 290 000 км и при проекции базы интерферометра в 150 000 км. Наблюдаемая интерференционная структура медленно меняется со временем с характерным масштабом около 100 секунд.

Современная трактовка эффектов рассеяния при распространении радиоволн через неоднородную межзвездную плазму в нашей галактике предсказывала, что длинноволновое радиоизлучение от пульсаров и квазаров будет размываться и, в результате, РадиоАстрон не сможет зарегистрировать от них коррелированный сигнал на больших наземно-космических базах для длин волн 18 и 92 см. Полученные результаты опровергают это предсказание и полностью меняют имеющиеся представления о структуре неоднородностей межзвездной плазмы в нашей галактике.

Галактические водяные мазеры

В рамках ранней научной программы РадиоАстрон был обнаружен коррелированный сигнал от водяного мазера в области формирования массивных звезд W3~IRS5, расположенной на расстоянии 1.83 килопарсеков в спиральном рукаве Персея нашей Галактики. Коррелированный сигнал был получен между космическим радиотелескопом 'Спектр-Р' проекта РадиоАстрон и наземными телескопами: 40-м радиотелескопом в Йебесе (Испания) и 32-м радиотелескопом в Торуни (Польша). Сеанс интерферометрических наблюдений проводился 2 февраля 2013 г. Проекция базы наземно-космического интерферометра составляла около 5.42 диаметра Земли, что обеспечило угловое разрешение до 40 микросекунд дуги. На расстоянии W3~IRS5 от Земли это соответствует линейному разрешению 0.074 астрономической единицы (11 миллионов километров или 8 диаметров Солнца).

Рис 3. W3 IRS5: Кросс-корреляционный спектр мазерного излучения воды на длине волны 1.3 см от компактной детали, полученный между 10-м космическим радиотелескопом и наземными телескопами: 40-м радиотелескопом в Йебесе (справа) и 32-м радиотелескопом в Торуни (слева). Время накопления составляет 570 секунд. По осям отложены: нормализованная амплитуда коррелированного сигнала и фаза в радианах в зависимости от частоты спектральной детали в МГц. Величина проекции базы интерферометра составляла 5.42 диаметра Земли для базы Йебес-КРТ и 5.28 для базы Торунь-КРТ.

Рис 4. Интерференционный отклик мазерного излучения воды на длине волны 1.3 см от области звездообразования W3~IRS5 по наблюдениям РадиоАстрон с испанским телескопом Йебес. По вертикальной оси: амплитуда коррелированного сигнала, горизонтальные оси: остаточные величина частоты интерференции (fringe rate) и спектральная частота (frequency).

В этом эксперименте установлен рекорд углового разрешения, когда либо полученного при исследовании космических мазеров, см. рисунки 3-5. Та