Поглянути на мільярди років тому

Мережа маленьких антен, що працює як єдине ціле, еквівалентна одному великому телескопу тієї ж сумарної площі. А побудувати таку мережу куди простіше. Фото: SKA Observatory

Почалася споруда найграндіознішого астрономічного інструменту в історії. Циклопічний радіотелескоп розташовуватиметься на двох континентах. Вчені сподіваються, що він допоможе розгадати найбільш хвилюючі загадки пристрою та історії Всесвіту.

Радіотелескоп називається SKAO, ця абревіатура означає «обсерваторія масиву [площею в] квадратний кілометр» (Square Kilometre Array Observatory): більше ста тисяч окремих антен загальною площею більше квадратного кілометра.

Країни — засновники проекту — Австралія, Великобританія, Китай, Італія, Нідерланди, Португалія і ПАР, але географія проекту куди ширша. Розробка технічної частини зажадала семирічної праці 500 інженерів зі 100 організацій, що представляють 20 держав. Над науковою програмою SKAO працювали понад 1 тис. астрономів з 40 країн. За задоволення зазирнути в глибини Всесвіту організатори заплатять 2 млрд (бюджет проекту на 2021-2030 роки). Грандіозна антенна мережа буде вводитися в дію частинами, так що перші наукові дані планується зібрати вже в 2024 році, хоча будівництво буде завершено тільки в 2029 році.

Космос-FM

Астрономи не в змозі поставити експеримент над галактикою або хоча б злітати до сусідньої зірки з вимірювальними приладами. Їм залишається збирати інформацію, що в буквальному сенсі падає з неба: будь-які випромінювання і частинки, що приходять з космосу. На щастя, список таких посланців небес досить різноманітний — від звичайного світла до космічних нейтрино і гравітаційних хвиль.

Солідну роль у пізнанні Всесвіту відіграють радіотелескопи. Перераховувати космічні радіостанції можна довго: це і нейтронні зірки, і чорні діри в ядрах галактик, і міжзоряний газ, і природні мазери (радіолазери), і багато іншого. Радіохвилі легко проходять через хмари пилу і газу, що закривають від оптичних телескопів багато областей космосу. Не перешкода їм і атмосфера Землі, так що радіотелескопи не обов’язково запускати в космос — на відміну від рентгенівських і гамма-інструментів. Радіотелескоп може працювати цілодобово і в будь-яку погоду.

Розмір має значення

Радіосвітність квазара може в трильйони разів перевищувати сумарне енерговиділення Сонця, але не сподівайтеся отримати його міжгалактичний привіт за допомогою побутового радіоприймача. Неймовірна дистанція так послаблює сигнал, що для прийому потрібні величезні антени і спеціальне обладнання.

Далеких об’єктів куди більше, ніж близьких. Тому слабких радіоджерел на небі набагато більше, ніж сильних. Споруджуючи все більш великі і чутливі телескопи, астрономи отримують можливість розгледіти більше космічних «радіоточок». Рахунок пішов на мільйони.

Є й інша причина робити антени побільше: це збільшує дозвіл, тобто здатність бачити тонкі деталі. Детальне зображення куди інформативніше, ніж розпливчасті плями.

Інженерам доводиться померти апетити астрономів. Не можна нарощувати розмір антен до нескінченності: занадто великі конструкції технічно нежиттєздатні. Сьогодні рекорд належить 500-метровому китайському радіотелескопу FAST.

Проект космічного масштабу

Побудувати безліч маленьких антен куди простіше, ніж одну більшу. Така мережа, що працює як єдине ціле, еквівалентна одному великому телескопу тієї ж сумарної площі. Саме цим і скористалися проектувальники SKAO.

Ця система швидше являє собою не один радіотелескоп, а два. Вони будуть побудовані за одним принципом, але розмістяться на різних континентах і стануть працювати на різних частотах. SKA-Mid в ПАР — на середніх (від 350 МГц до 15,3 ГГц), а SKA-Low в Австралії — на низьких (50-350 МГц). Африканська частина складатиметься зі 197 тарілок, схожих на супутникові. 64 антени вже готові і працюють у складі радіотелескопа MeerKAT. Австралійські ж антени будуть схожі не на тарілки, а скоріше на ялинки. І буде їх куди більше: 131 тис. на 512 антенних полях.

Щоб збільшити дозвіл SKAO, конструктори скористалися старим, але безвідмовним прийомом — інтерферометрією. Якщо змусити дві антени, рознесені на 100 км, працювати як єдине ціле (наприклад, з’єднавши їх кабелем), вийде як би шматочок величезного телескопа діаметром 100 км. Дует дозволяє добути інформацію про тонкі деталі, які «побачив» би фантастичний стокілометровий телескоп! Правда, не всю, а тільки частину, прогалини доведеться заповнювати з теоретичних міркувань. Якщо використовувати три антени, інформації буде більше. А найкраще — мережа з численних антен, розкиданих у випадковому порядку всередині кола діаметром 100 км: за дозволом вона буде максимально близька до цільного стокілометрового радіотелескопа.

Саме так і буде влаштована система SKAO. У SKA-Mid максимальна відстань між антенами складе 150 км, а у SKA-Low — 65 км. Розташування антен стане найкращим компромісом між прагненням астрономів розкидати антени випадковим чином і прагненням інженерів заощадити кабель.

До речі, про інформацію. Кожна з двох мереж (австралійська і африканська) буде збирати 8 терабіт даних в секунду. Це забагато навіть для сучасних носіїв, тому інформація буде оброблятися в реальному часі зі швидкістю близько 135 петафлопс (рівень кращих суперкомп’ютерів). Машини просіють дані частим сітом, зберігаючи тільки зерна корисного сигналу і відкидаючи плевели шумів і перешкод. Але навіть після такого стиснення SKAO буде генерувати 710 петабайт даних на рік. Щоб зберегти їх, потрібно було б 730 тис. терабайтних жорстких дисків.

Десятиліття відкриттів

Що астрономи сподіваються з’ясувати за допомогою SKAO?

Насамперед величезний телескоп допоможе нанести на карту розташування цілого мільярда галактик. А це не тільки відповідь на природне питання, що і де знаходиться в космосі, але і відмінний тест для теорій про походження і розвиток Всесвіту. Можливо, завдяки йому вдасться з’ясувати природу загадкової темної енергії, що становить близько 70% всієї енергії у Всесвіті. Ми знаємо про темну енергію завдяки тому, що вона прискорює розширення Всесвіту, але про природу цієї таємничої субстанції поки є лише теорії.

А ще дані SKAO дозволять ретельно виміряти кількість темної матерії — ще однієї загадкової складової космосу. Гравітація темної речовини діє на звичайну матерію, завдяки чому ми і знаємо про її існування. У фахівців є гіпотези на будь-який смак, від екзотичних елементарних частинок до звичайних космічних об’єктів, занадто тьмяних, щоб помітити їх у телескопи. Істини не знає ніхто, але, можливо, вона з’ясується завдяки SKAO.

Нарешті, космічні карти допоможуть ще раз протестувати загальну теорію відносності Ейнштейна, що трактує гравітацію як викривлення простору-часу. Ця теорія, створена століття тому, блискуче витримала вже безліч різних перевірок. Але раптом тепер прийшла пора зайнятися найбільш захоплюючою у світі справою — розробкою нової фізики?

Безпрецедентна чутливість SKAO дозволить розгледіти найбільш далекі радіоджерела, випромінювання від яких подорожувало до Землі багато мільярдів років. Ми побачимо ці космічні об’єкти такими, якими вони були в момент випускання цих радіохвиль, а значить, заглянемо в минуле. Вчені сподіваються буквально побачити епоху зародження перших зірок і галактик, а можливо, і ще більш давні часи.

Крім того, нова обсерваторія допоможе створити унікальну карту всюдисущих магнітних полів, що пронизують космічний простір. Дослідники давно намагаються розібратися, як і коли Всесвіт перетворився на розсип магнітів і як ці поля впливають на життя і смерть зірок, планет і галактик.

У поле зору SKAO потраплять і традиційні для радіоастрономії об’єкти: нейтронні зірки, чорні діри в ядрах галактик, космічні мазери та багато іншого. Планується, що обсерваторія пропрацює не менше 50 років.