Астрофизическая обсерватория "Спектр-Р"

• изучение галактик и квазаров в радиодиапазоне; 
• изучение структуры и динамики районов, непосредственно прилегающих к массивным черным дырам; 
• изучение черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике; 
• измерение расстояний и скоростей пульсаров и других галактических источников;
• изучение структуры межзвездной плазмы; 
• изучение эволюции компактных внегалактических источников; 
• определение фундаментальных космологических параметров.

Заказчиком космического комплекса «Спектр-Р» является Федеральное космическое агентство, головным исполнителем - НПО им С.А. Лавочкина, разработчиком комплекса научной аппаратуры - Астрокосмический центр ФИАН.

Космический аппарат «Спектр-Р» включает в свой состав:

• базовый служебный модуль «Навигатор»;
• бортовой комплекс научной аппаратуры - космический радиотелескоп (КРТ);
• комплекс научного эксперимента «Плазма-Ф»;
• блок преобразования интерфейсов.

Конструктивно БМ «Навигатор» представляет собой восьмигранный корпус, на гранях которого закреплены:

• элементы двигательной установки,
• панели батареи фотопреобразователей с приводами поворота,
• радиаторы системы обеспечения теплового режима.

К нижнему торцу корпуса крепится тепловая сотопанель, на которой установлена практически вся аппаратура базового модуля.

На верхний торец корпуса устанавливается целевая аппаратура - космический радиотелескоп.
В состав БМ «Навигатор» входят следующие основные системы:

• бортовой комплекс управления (БКУ);
• бортовая аппаратура командно-измерительной системы (БА КИС);
• антенно-фидерная система (АФС);
• телеметрическая система (ТМС);
• система ориентации солнечной батареи (СОСБ);
• система электроснабжения (СЭС);
• двигательная установка (ДУ);
• система обеспечения теплового режима (СОТР);
• система управления остронаправленной антенны (СУ ОНА).

Международный проект «Радиоастрон» – это уникальная по своим масштабам и сложности программа Роскосмоса, Российской Академии наук (Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева, Институт космических исследований РАН) и международной кооперации, нацеленная на изучение Вселенной в радиодиапазоне длин волн.

В рамках данного проекта НПО Лавочкина выступало разработчиком и создателем космической составляющей – десятиметрового орбитального радиотелескопа «Спектр-Р». После выведения на высокоапогейную орбиту космический аппарат «Спектр-Р» стал элементом наземно-космического интерферометра совместно с глобальной наземной сетью радиотелескопов. Созданный единый комплекс наземно-космического интерферометра позволил получать изображения, измерять угловые размеры и коррелированный поток, яркость и характеристики рассеяния, радиолинии и взаимное расположение деталей различных объектов Вселенной с рекордным угловым разрешением. В качестве наземных элементов интерферометра использовалось более 58 крупнейших радиотелескопов мира, среди которых Аресибо и ГБТ (США), Эффельсберг (Германия), Вестерборк (Нидерланды), Евпатория (Украина во время работы), Усуда (Япония), Тидбинбиллаи Паркс (Австралия), Робледо (Испания), ТианМа (Китай), Российская система «Квазар-КВО» и многие др.

«Спектр-Р» – почти четырёхтонный (около 3850 кг.) космический аппарат, спроектированный по модульному принципу. Он состоит из платформы «Навигатор» и космического радиотелескопа. Служебный модуль «Навигатор» - разработанная НПО Лавочкина унифицированная платформа для создания на её основе космических аппаратов, предназначенных для выполнения различных задач (астрофизика, метеорология). Платформа имеет лётную квалификацию, кроме астрофизической обсерватории «Спектр-Р», на её базе созданы КА серии «Электро-Л», работающие на геостационарной орбите.

Космический аппарат «Спектр-Р» занесен в книгу рекордов Гиннеса в категории «Самый большой космический твердотельный радиотелескоп». Зеркальная антенна космического радиотелескопа диаметром 10 метров изготовлена из композиционного материала и состоит из 27 раскрывающихся лепестков и центрального зеркала диаметром 3 метра. Конструкция антенны и система раскрытия разработаны в НПО Лавочкина совместно с АКЦ ФИАН. Успешное проведение операции раскрытия лепестков космического телескопа и последующее подтверждение его основных характеристик продемонстрировало высочайший уровень конструкторского проектирования и отработки этой сложнейшей задачи.

Запуск КА «Спектр-Р» состоялся 18 июля 2011 года с космодрома Байконур. Научная программа космической обсерватории, утвержденная научным руководителем проекта, академиком Н.С. Кардашевым, стартовала в марте 2012 года после полугодового периода технологической отработки функционирования служебных систем и научного комплекса, включая работу в режиме наземно-космического интерферометра. Заметим, что лепестки интерферометра были получены в рамках первого же проведенного испытательного сеанса. За 7.5 лет функционирования на орбите, вместо трёх определённых в тактико-техническом задании, космический аппарат выполнил все основные возложенные на него функции и показал отличную работу в качестве источника данных далеко за пределами первоначальной научной программы. Научные результаты получили широкое международное признание, астрофизики ведущих астрономических учреждений по всему миру принимали активное участие в ключевой научной программе. Более 200 человек из более 20 стран мира связаны плодотворной международной кооперацией в осуществлении научной программы проекта «Радиоастрон». Исследовано несколько сотен объектов: ядер галактик, квазаров, пульсаров, областей звездообразования. За время работы был зафиксирован целый ряд достижений и интереснейших результатов.

Исследования физики излучения в ядрах галактик крайне важны. По результатам массовых наблюдений внегалактических объектов, оказалось, что ядра квазаров значительно ярче, чем считалось ранее на основе теоретических предсказаний и результатов измерений наземных интерферометров. Яркостная температура многих квазаров превышает 10 в 13 степени градусов Кельвина, это минимум в 10 раз выше предыдущих значений. Данный результат требует переосмысления природы излучения джетов и ядер активных галактик и квазаров. Обсуждаются следующие варианты. Возможно, релятивистское усиление излучения много выше известных на сегодня значений. Или работает какой-то механизм ре-ускорения частиц, лавинообразно теряющих свою энергию на излучение. Не исключен и сценарий, согласно которому в струях излучают релятивистские протоны, а не электроны, хотя протоны намного сложнее ускорить до скорости света.

Один из важнейших прорывов – понимание механизма формирования выбросов плазмы из центров галактик. Существуют две конкурирующие теории. В результате беспрецедентного разрешения наземно-космического интерферометра проекта «Радиоастрон» удалось построить изображение выброса в галактике Персей А и впервые в истории измерить ширину его основания. Это исследование показало, что основание джета очень широкое (многие сотни гравитационных радиусов центральной черной дыры) и имеет цилиндрическую форму. Скорее всего, выброс формируется закруткой от широкого аккреционного диска, а не относительно маленькой центральной черной дыры. То есть сама сверхмассивная черная дыра не играет ключевую роль в формировании джета. Полученные данные являются первым серьезным аргументом в пользу данного механизма появления выбросов плазмы в галактиках. (рис. 1)

Рис. 1. Джет активного галактического ядра 3С84. Вверху: источник джета, сверхмассивная черная дыра (Giovannini и др., 2018, Nature Astronomy, 2, 472)

Важнейшим вопросом для ускорения плазмы до релятивистских скоростей является структура магнитного поля в основании выбросов галактик. Поляризационные измерения РадиоАстрона позволили выявить, что поле имеет тороидальную форму. Высочайшее разрешение позволило в рамках проекта исследовать распространение плазменных нестабильностей по джетам квазаров. Ученые считают, что доминируют нестабильности типа Кельвина-Гельмгольца. РадиоАстрон также смог увидеть прецессию джета, вырывающегося из системы с двойной черной дырой, подтвердив предсказания теории (рис.2).

Рис. 2. Джет блазара 0836+71, движущийся на нас с отклонением 3°. Цветом показана карта, снятая наземным радиоинтерферометром, синими контурами — карта «Радиоастрона». На правой панели тот же источник, что и на левой (верхнее пятно), но на более высокой частоте и в большем масштабе (Vega-Garcia и др., 2019, A&A)

РадиоАстрону удалось открыть новый эффект рассеяния – в начале на пульсарах, потом он был подтвержден по результатам наблюдений центра нашей галактики и квазаров. В результате, специалистам по радиоастрономии удалось значительно улучшить теорию межзвездной среды и понимание структуры её неоднородностей. Ранее в основе теории межзвездной среды были заложены результаты астрономических измерений, которые состояли только в наблюдениях космических объектов с планеты Земля. А в результате работы наземно-космического интерферометра была получена информация про гораздо более мелкие масштабы. Открытый эффект позволяет не только восстановить характеристики межзвездной среды, но и исправить «испорченное рассеянием изображение», добраться до центра нашей галактики (рис 3).

Рис.3. Результат рассеяния радиоволн на неоднородностях межзвездной среды (Johnson и др., 2016, ApJ, 820, L10)

Особый предмет гордости – это абсолютный рекорд углового разрешения, который был получен в ходе научной программы 2017-2018 годов при наблюдении мегамазера водяного пара в диске галактики NGC 4258 совместно с телескопом в Медичине (Италия). «РадиоАстрону» удалось вплотную подойти к своему теоретическому пределу, достигнув разрешения в 8 микросекунд дуги (в миллионы раз больше, чем разрешение человеческого глаза). Это непревзойденное угловое разрешение в мировой астрономии. Такое разрешение позволило бы «увидеть» с Земли на Луне источник радиоволн диаметром 3 см.

Продолжая обсуждение мазеров, в области звездообразования массивных звёзд Цефей А обнаружены две компактные мазерные детали с угловыми размерами меньше 15 микросекунд дуги каждая, то есть размером примерно с Солнце. Эти объекты являются самыми маленькими, когда-либо наблюдавшимися в мазерах нашей Галактики. Наиболее вероятным объяснением происхождения данной структуры является турбулентность, возникшая в результате взаимодействия потока газа с каким-то препятствием.

Существенный вклад в науку «Радиоастрон» внёс в результате проведения плазменно-волнового эксперимента «Плазма-Ф». Научные задачи эксперимента 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, который предсказывался теоретически, но никогда еще не наблюдался. Были обнаружены также быстрые и большие вариации содержания ионов гелия в солнечном ветре, что может свидетельствовать о весьма мелкой структуре («зернистости») солнечной короны в области зарождения солнечного ветра.

Опубликовано около сотни научных статей в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых изданиях. Ученым России и других стран предстоит дальнейшая обработка и анализ данных как минимум на протяжении следующих нескольких лет. Стоит отметить, что часть исследований были направлены на изучение эффектов, открытых на ранних этапах проекта. Некоторые исследования требовали формирования полётного задания усложненного формата, существенного увеличения сеансов управления и сеансов научных исследований. Совместная слаженная работа всех участников проекта позволила обеспечить высокую эффективность выполнения научной программы, потери которой составили всего 1-2%.

После завершения ранней научной программы в июне 2013 года международный проект «Радиоастрон» перешёл на принятие заявок по принципу открытого конкурса, к так называемой открытой научной программе. «Радиоастрон» был открыт для заявок всему международному сообществу. Интерес учёных не сокращался, а только возрастал год от года. Научная экспертиза поступивших заявок осуществлялась международным научным советом экспертов, а результаты утверждались руководителем проекта – руководителем АКЦ ФИАН и «РадиоАстрона» академиком Н.С. Кардашевым. После этого формировалась очередная научная программа наблюдений наземно-космического интерферометра на ближайший год.

По состоянию на 2019 год проведение наблюдений объектов Вселенной в рамках международного проекта «Радиоастрон» осуществлялось уже в рамках шестого года научной программы (АО 6), предоставляющей целый ряд специфических и уникальных возможностей для обнаружения и обработки изображений космических источников радиоизлучения с непревзойденно высоким угловым разрешением в интересах всего мирового научного сообщества.

Проект «Радиоастрон» является одним из самых амбициозных и уникальных в своем классе и не имеет аналогов в мире. Очевидные успехи проекта имеют неразрывную связь с высоким потенциалом работ, заложенным со времен создания первых для НПО Лавочкина космических обсерваторий. Орбитальная обсерватория «Астрон» (1983-1989 гг.) – 7 лет успешной работы в космосе. Космическая астрофизическая обсерватория «Гранат» (1989-1998 гг.) – 9 лет работы на орбите. Управление космическим аппаратом все эти годы осуществлялось из ЦУПа НПО Лавочкина специалистами Главной оперативной группы управления: АО «НПО Лавочкина», АКЦ ФИАН, МОКБ «Марс», ИПМ РАН, АО «РКС», ОКБ «МЭИ».

Активное существование КА «Спектр-Р» более 7 лет, что превышает гарантийный срок активного существования более чем в 2 раза, в очередной раз доказало, что НПО Лавочкина под силу не только реализовывать успешные астрофизические миссии, но и многократно перевыполнять первоначально намеченную программу. Дополнительные 4,5 года реализации научных исследований оправдали и перевыполнили самые смелые ожидания, возложенные на проект.

«РадиоАстрон» в цифрах:

• 7,5 лет на орбите.
• 26,7 диаметра Земли (350 тыс. км) — максимальная база интерферометра.
• 8 микросекунд дуги — максимальное разрешение — при наблюдении мазеров водяного пара в аккреционном диске в галактике M106 (мегамазера). С расстояния более 20 млн. световых лет получен абсолютный рекорд углового разрешения в астрономии на сегодняшний день — 8 микросекунд дуги на максимальной базе интерферометра и длине волны 1,3 см. Разрешение 8 микросекунд дуги позволило бы «увидеть» с Земли на Луне источник радиоволн диаметром 3 см.
• Водородный стандарт частоты производства «Время-Ч» (Нижний Новгород) стабильностью 10−14 с/с, или 1 секунда в 3 млн. лет.
• 10 м — диаметр антенны  КА «Спектр-Р» — абсолютный рекорд для космических радиотелескопов с заполненной апертурой.
• До 25 радиотелескопов на Земле в одновременной работе.
• Всего 58 радиотелескопов участвовало в наблюдениях «Радиоастрона» из России, Европы, США, Африки, Австралии, КНР, Южной Кореи, Японии.
• 3 коррелятора: АКЦ ФИАН (Россия), Радиоастрономический институт Макса Планка ­(Германия), Объединенный институт РСДБ в Европе (Нидерланды).
• 2 станции слежения и сбора научной информации: 22-метровая антенна Пущинской радиоастрономической обсерватории (Россия) и 43-метровая антенна GreenBankObservatory (США). Скорость передачи данных на Землю с любого положения космического аппарата на орбите — 128 Мбит/с.
• 4 петабайт — объем накопленных данных.
• Диапазоны наблюдений: 92 см, 18 см, 6,2 см, 1,2−1,7 см.
• 250 объектов Вселенной изучено.
• Более 4000 наблюдательных сеансов.
• 240 ученых из 23 стран мира приняли участие в наблюдениях.

Бортовой комплекс научной аппаратуры космического радиотелескопа
Бортовой комплекс научной аппаратуры космического радиотелескопа (БКНА КРТ) предназначен для проведения астрофизических исследований. 
КРТ обеспечивает:

• прием слабых радиосигналов от астрономических радиоисточников в диапазонах длин волн 92 см, 18 см, 6 см и 1,35 см;
• преобразование этих сигналов в цифровую форму;
• передачу цифрового потока данных на Землю.

КРТ работает в радиометрическом и интерферометрическом режимах. В состав БКНА КРТ входят:

• радиоэлектронный комплекс КРТ (РЭК КРТ);
• антенна КРТ;
• высокоинформативный научный радиокомплекс (ВИРК).

Радиоэлектронный комплекс КРТ включает в себя:

• фокальный модуль ФМ (фокальный узел и фокальный контейнер) КРТ;
• приборный модуль ПМ (научный контейнер и водородные стандарты частоты БВСЧ).

Фокальный модуль (ФМ) располагается в фокальной области рефлектора и содержит фокальный узел (ФУ) с охлаждаемыми радиационной системой охлаждения блоком антенных облучателей и малошумящими усилителями (МШУ) диапазонов 1,35 см, 6 см, 18 см и фокальный контейнер с приемной аппаратурой, предназначенный для:

• приема сигналов от двухканальных МШУ диапазонов 1,35 см, 6 см, 18 см и от двухполяризационного антенного облучателя диапазона 92 см;
• формирования гетеродинных частот;
• приема команд управления из научного контейнера и от систем КА;
• выбора и передачи на промежуточной частоте принятых и калиброванных сигналов в научный контейнер.

Приборный модуль (ПМ) располагается под антенной, является ее несущей конструкцией и включает в себя:

• ферму;
• научный контейнер;
• водородные стандарты частоты (Н-мазер).
• Антенна КРТ состоит из следующих частей:
• антенный рефлектор;
• блок антенных облучателей. 

Аппаратура ВИРК включает в себя:

• передающее устройство на 15,0 ГГц для передачи научной информации КРТ - 2 комплекта;
• приемное устройство на 7,2 ГГц, входящее в состав приемоответчика (транспондера) - 2 комплекта;
• передающее устройство на 8,4 ГГц, входящее в состав приемоответчика - 2 комплекта;
• блок логики и коммутации - 1 шт.

Комплекс научного эксперимента (КНЭ) «Плазма-Ф»
КНЭ «Плазма-Ф» предназначен для:

• мониторирования основных параметров среды, а именно - плазмы солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и потоков энергетических частиц («космическая погода»);
• исследования турбулентности плазмы и поля межпланетной среды с очень высоким временным разрешением.

Комплекс научного эксперимента «Плазма-Ф» состоит из:

• магнитометра ММФФ, имеющего датчики феррозондового и индукционного типов и штангу для их установки;
• быстрого монитора солнечного ветра - БМСВ;
• монитора электронов и протонов - МЭП;
• системы сбора научной информации - ССНИ-2.

Прибор ММФФ предназначен для измерения магнитных полей в космической плазме в области низких и высоких частот.
Прибор БМСВ предназначен для измерения потока ионов и определения концентрации, скорости как вектора (т.е. модуля и направления) и температуры в невозмущенном солнечном ветре или в магнитослое Земли.
Прибор МЭП предназначен для измерений энергий протонов и электронов.
Прибор ССНИ-2 (система сбора научной информации) предназначен для сбора информации от научных приборов комплекса «ПЛАЗМА-Ф», обработки её по определенным алгоритмам, хранения и подготовки для передачи на Землю через ТМС КА.