Око Поднебесной: зачем Китай построил крупнейший радиотелескоп мира
Радиотелескоп "Аресибо", в который поместится пирамида Хеопса, более полувека оставался самым большим в мире. Два года назад китайцы обошли американцев, запустив в действие FAST. Заместитель директора обсерватории профессор Бо Пен рассказывает, зачем КНР потратила почти 200 миллионов долларов на эту "стройку тысячелетия".
Гонки на "тарелках"
"В 2005 году, когда мы готовили FAST, мы мечтали об открытии новых пульсаров, расположенных далеко за пределами нашей галактики и ее спутников. Недавно их уже нашли при помощи других телескопов, работающих, правда, в рентгеновском диапазоне. Это не отменило, но несколько скорректировало нашу задачу: теперь мы пытаемся открыть первый внегалактический радиопульсар", - объясняет профессор.
Сегодня на орбите Земли и ее поверхности десятки различных обсерваторий наблюдают за радиоволновой, инфракрасной, рентгеновской, ультрафиолетовой, микроволновой и даже гравитационной Вселенной. Правительства и частные организации, такие как проект Breakthrough Listen Юрия Мильнера, готовы выделять десятки и сотни миллионов долларов на эти исследования.
Всего век назад астрономы изучали далекие звезды и галактики, пользуясь лишь собственным зрением и относительно простыми оптическими телескопами, совершенно не похожими на гигантские обсерватории современности.
Только в 1932 году ученые, благодаря счастливой случайности, осознали, что есть и другие способы наблюдения за Вселенной. Карл Янский, один из инженеров американской фирмы Bell Telephone, пытался понять, почему в системе телефонной радиосвязи, разработанной этой корпорацией, возникали загадочные помехи, не связанные с грозами или радиостанциями.
Он обнаружил, что эти помехи возникали с периодичностью ровно раз в "астрономические" сутки, и сделал вывод, что их источником были не объекты на поверхности Земли, а светящаяся лента нашей Галактики. Эти сигналы, как выяснили первые радиоастрономы примерно через треть века после опытов Янского, порождены сверхмассивной черной дырой в ее центре.
Первые радиотелескопы появились в конце 1930 годов. Они открыли возможность изучения совершенно новой, "чужой" Вселенной, многие объекты которой не видны в других диапазонах электромагнитных волн и ранее не были известны ученым.
В последующие годы радиотелескопы стали главным инструментом для исследования самых далеких, холодных и невидимых уголков мироздания, постепенно увеличиваясь в размерах и приобретая все более причудливые и необычные формы.
К примеру, помимо классических "тарелок", таких как FAST или "Аресибо", есть радиотелескопы кольцеобразной формы, такие как РАТАН-600, а также своеобразные "виртуальные" телескопы, например, американские VLA и ATA, объединяющие ресурсы десятков или даже сотен отдельных приемников в одну гигантскую виртуальную обсерваторию.
Различия в устройстве и предназначении всех этих обсерваторий не позволяют выделить среди них однозначного лидера. Самым большим одиночным радиотелескопом до недавнего времени считалась 305-метровая радиотарелка "Аресибо", построенная в карстовой пещере на острове Пуэрто-Рико в 1963 году.
Но два года назад в провинции Гуйчжоу завершилась очередная социалистическая "стройка века" - пятисотметрового радиотелескопа FAST с площадью тарелки примерно в два раза больше, чем у "Аресибо".
Китай делает сам
Эта обсерватория, как отметил Пен, должна была выглядеть совсем иначе. Ее главный идеолог, известный китайский радиоастроном Нань Женьдун (Nan Rendong), предложил построить в КНР крупнейший составной радиотелескоп мира KARST, состоящий из трех десятков относительно "небольших" тарелок диаметром 200 метров. Он должен был стать одной из "половинок" интернациональной обсерватории SKA, в который планировалось включить небольшое число больших и относительно большой набор небольших радиотарелок.
Международные партнеры не поддержали эту идею и решили реализовать более простой вариант SKA на территории ЮАР и Австралии. Его телескопы сейчас постепенно собираются на двух площадках в двух государствах южного полушария.
Неудача не заставила Китай отказаться от обсерватории - Женьдун и его единомышленники просто радикально пересмотрели свои планы, одновременно уменьшив их масштаб и сделав "стройку тысячелетия" еще более монументальной, не прекращая при этом сотрудничества со SKA. Вместо россыпи мелких телескопов в Китае успешно построили первую 500-метровую радиотарелку, служившую прототипом "большого" KARST.
"Можем ли мы создать еще более крупный телескоп? Тут можно сказать сразу и да, и нет. С одной стороны, успех FAST говорит о том, что ничто этому не мешает. С другой, увеличение размеров бесполезно без увеличения чувствительности инструментов. Без этого проще и рациональнее построить что-то вроде SKA вместо нового KARST", - продолжает Пен.
Амбиции FAST, по словам профессора, заключались не только в гигантских размерах и сложностях, связанных с сооружением столь большой рукотворной структуры, но и в характере работы самого телескопа.
В отличие от "Аресибо" и ряда других крупных радиотелескопов, чья форма всегда остается неизменной, каждый сегмент тарелки FAST, состоящей из 4,5 тысячи треугольных "чешуек", можно поднять или опустить примерно на полметра. Это радикально расширяет обзор телескопа и дает ему целый ряд новых научных возможностей, недоступных фактически для всех других радиообсерваторий.
"Уникальная адаптивная поверхность нашей тарелки позволяет использовать ее для изучения того, где рождаются радиоволны, вырабатываемые пульсарами. Сразу несколько моих коллег сейчас пытаются понять, как выглядят эти всплески и какие физические процессы внутри нейтронных звезд отвечают за их формирование", - добавляет Лей Цянь (Lei Qiang), один из членов научной команды FAST.
Помимо этого, FAST способен исполнить мечту многих радиоастрономов и получить первые данные по структуре так называемой тени черной дыры - особой области в ближайших окрестностях горизонта событий, где возникает его своеобразное отражение. Тогда ученые смогут понять, как устроены черные дыры и правильно ли их описывает теория относительности.
Тень невидимки
"Ничто не мешает нам провести подобные наблюдения, однако для этого понадобится большая удача. Для получения "фотографии" тени нужно, чтобы черная дыра находилась относительно близко к Земле и при этом обитала в двойной звездной системе в компании пульсара. Пока у нас нет кандидатов на эту роль", - уточняет астрофизик.
Помимо поисков тени черной дыры и изучения тайн рождения пульсаров, FAST уже сейчас занимается изучением структуры межзвездной среды, в поведении которой российские астрономы несколько лет назад выявили аномалии. В планах китайских исследователей также наблюдения за гравитационными волнами.
"В принципе, мы способны обнаружить и гравитационные волны, однако это дело очень далекой перспективы, так как для этого требуются десятилетия непрерывных наблюдений за одними и теми же источниками. Соответственно, нам нужно прождать как минимум 10-20 лет для того, чтобы однозначно сказать, есть ли у нас такая техническая возможность", - отмечает Цянь.
Подобные долгосрочные наблюдения, как надеется ученый, помогут FAST проверить теорию относительности, а также найти источник одного из самых загадочных объектов радиовселенной - так называемых FRB-вспышек (быстрых радиовсплесков), о существовании которых ученые узнали всего десять лет назад. Их иногда называют "сигналами пришельцев" из-за необъяснимой периодичности в их структуре и пока непонятной природы.
"У нас уже есть все необходимое цифровое оборудование для наблюдений за FRB-всплесками и потенциальными сигналами инопланетных цивилизаций. Сейчас мы заняты поисками внегалактических пульсаров и еще не ведем систематических наблюдений такого рода", - говорит Цянь.
Как и "Аресибо", FAST может стать одним из важных элементов еще более крупных инструментов - наземно-космических интерферометров, объединяющих ресурсы нескольких наземных радиотарелок и космических обсерваторий в гигантские виртуальные радиоантенны.
Одним из самых успешных и крупнейших проектов такого рода почти десять лет назад стал российский комплекс "РадиоАстрон", задействовавший десятки наземных радиотелескопов и космический аппарат "Спектр-Р".
По словам Цяня, сейчас специалисты FAST проверяют "железо" и софт, необходимый для работы телескопа в подобном режиме. В ближайшее время FAST присоединится к интерферометрам, построенным на базе китайских телескопов, а в будущем, как надеется ученый, станет частью "РадиоАстрона" и других международных проектов.
В скором времени, добавил Пен, возможности FAST по участию в работе интерферометров значительно расширятся, когда телескоп "научится" работать на частотах в 8-10 гигагерц. Это значительно расширит границы ее применения, позволит изучать Вселенную намного глубже и расширит участие новой китайской обсерватории в международных проектах.
