Громадная антенна на фото выше – это Мерчисонская радиоастрономическая обсерватория в Западной Австралии. Она состоит из 36 комплексов с зеркальными антеннами работающими в диапазоне 1.4 ГГц. Главное зеркало каждой антенны достигает 12 метров в диаметре, а все вместе антенны лишь часть радиотелескопа Pathfinder. Десятки таких антенн работают слаженно, чтобы увидеть самые дальние горизонты вселенной, однако в скором времени сотни тысяч антенн планируют объединить в одну систему. Кому интересно прошу под кат.

Радиотелескопы типа Pathfinder развернуты по всей планете и многие из них к 2030 году планируют объединиться в систему Square Kilometre Array (SKA), имеющую общую площадь приема более одного квадратного километра. Это будет комплекс из двух тысяч антенных систем в Африке и полумиллиона радиокомплексов из Западной Австралии.

Проект, над которым одновременно работают Австралия, Канада, Китай, Индия, Италия, Нидерланды, Новая Зеландия, Южная Африка, Швеция и Соединенное Королевство, позволит разгадать множество тайн вселенной. Он сможет измерить огромное количество пульсаров, звездных осколков и других космических тел, излучающих электромагнитные волны вдоль своих магнитных полюсов. Наблюдая за подобными объектами вблизи черных дыр, смогут быть открыты новые физические законы и, возможно, будет разработана единая теория квантовой механики и гравитации.


Работа над строительством SKA будет проходить в несколько этапов со строительства системы SKA1 и других более мелких составляющих. Непосредственно SKA-1 будет состоять из SKA1-mid в южной части Африки, и SKA1-low в Австралии.


SKA-mid, изображенная на фото будет состоять из 197 антенн диаметром до 15 метров каждая

SKA1-low предназначена для сбора низкочастотных радиоволн, появившихся в космосе несколько миллиардов лет назад. Для приема таких волн будут использоваться мелкие турникетные антенны. Они принимают сигналы в широком диапазоне частот, учитывая телевизионный и FM. Антенны SKA1-low работают в диапазоне от 50 до 350 МГц, их внешний вид изображен ниже:





В планах руководства проекта установить более 131 тысячи таких антенн уже к 2024 году. Все они будут разделены на кластеры по 256 штук в каждом, а их сигналы будут объединяться и передаваться по одной волоконно-оптической линии связи.

Принцип работы антенн в одном массиве аналогичен работе оптического телескопа. Различие лишь в том, что радиотелескоп фокусирует не оптическое излучение, а радиоволны. А чем принимаемая длина волны, тем больше диаметр зеркальной антенны, как например у радиотелескопа FAST в Китае, который также в будущем станет частью SKA.



Проблема в том, что бесконечно увеличивать размер зеркала не получится, а строить мощные сооружения по типу FAST получится не везде. Именно поэтому проще использовать множество распределенных антенн поменьше. В качестве примера можно привести антенны для радиоастрономии Murchison Widefield Array (MWA). Антенны MWA работают в диапазоне от 80 до 300 МГц:



Эти антенны также входят в состав SKA1-low в Австралии и способны заглянуть в темный период ранней вселенной, которая существовала 13 миллионов лет назад в момент когда зарождались звезды и другие объекты начали нагревать вселенную, заполненную атомами водорода. Примечательно то, что до сих пор можно обнаружить радиоволны, излучаемые этими нейтральными атомами водорода. Волны испускались с длиной волны 21 см, но к тому времени, как они достигли Земли, прошли миллиарды лет космической экспансии, растянувшие их еще на несколько метров.

На изображении ниже секции с MWA-антеннами. Каждая секция содержим по 16 антенн, которые объединяются между собой в единую сеть с помощью оптоволокна:



Антенны MWA принимают радиоволны частями с разных направлений одновременно. Входящие сигналы усиливаются в центре каждой антенны с помощью пары малошумящих усилителей, а затем направляются в ближайший формирователь луча. Там волноводы различной длины придают сигналам антенны определенную задержку. При правильном выборе этой задержки формирователи луча «наклоняют» диаграмму направленности массива так, что радиоволны, поступающие с определенного участка неба, достигают антенну в одно и то же время, как если бы они принимались одной большой антенной.

Такие антенны делятся на две группы каждая из которых отправляет сигналы на один приемник. Он распределяет сигналы между разными частотными каналами. После приемник по оптике отправляет сигнал в обсерваторию. Там данные коррелируются, путем перемножения сигналов и их интеграции по времени. Этот подход позволяет создать единый сильный сигнал, как будто он был принят одним большим радиотелескопом.

Дальность видимости такого виртуального радиотелескопа также пропорциональна его размеру. В случае с телескопом, состоящим из множества антенн, его максимальное разрешение будет определяться расстоянием между приемными частями. И чем оно больше, тем точнее разрешение.

Благодаря этому свойству астрономы создают виртуальные телескопы, охватывающие континенты. Благодаря таким махина даже удается разглядеть черные дыры в центре Млечного пути. Однако размер не главное в деле получения точной информации об изучаемом во вселенной объекте. На качество разрешения влияет и общее количество антенн и их расположение относительно друг друга.

Данные, полученные с помощью MWA, отправляются через сотни километров в ближайший центр обработки данных с суперкомпьютером. MWA может отправлять более 25 терабайт данных в день и в ближайшие годы c выходом SKA1-low эта скорость станет еще выше. И 131 000 антенн в составе радиотелескопа SKA1-low, работая в одном общем массиве, будет собирать каждый день более терабайта данных.

А вот так решается проблема с электропитанием радиотелескопов. В Мерчисонской радиоастрономической обсерватории электропитание антенных комплексов обеспечивается за счет солнечных панелей емкостью в 1,6 мегаватт:



До недавнего времени антенны обсерватории работали на дизель-генераторах, а сейчас помимо солнечных панелей она имеет еще и огромное количество блоков литиево-ионных батарей, которые могут хранить 2,6 мегаватт-часов. Некоторые части антенного массива вскоре получат собственные солнечные панели.

В таких амбициозных проектах всегда довольно остро стоит вопрос финансирования. На данный момент бюджет строительства SKA1 в Южной Африке и Австралии составляет около 675 миллионов евро. Это сумма, установленная 10 странами-членами проекта: Австралией, Канадой, Китаем, Индией, Италией, Нидерландами, Новой Зеландией, Южной Африкой, Швецией и Соединенным Королевством. Но это финансирование не покрывает всю стоимость SKA1, на которые надеются астрономы. Поэтому обсерватория пытается привлечь больше стран к партнерству, которое могло бы увеличить финансирование.

Радиотелескопы позволяют наблюдать за далекими космическими объектами: пульсарами, квазарами и др. Вот так, например, с помощью радиотелескопа FAST удалось обнаружить в 2016 году радиопульсар: