Лунная форточка во Вселенную

В разговоре с астрофизиком Юрием Ковалевым (ФИАН) о достижениях и перспективах проекта «РадиоАстрон» мы затронули тему Луны. Оказалось, она обещает радиоастрономии новые возможности, которые позволят заглянуть туда, куда еще никто не смотрел. К обсуждению пользы лунной программы для радиоастрономии присоединились Леонид Гурвиц из объединенного института РСДБ в Европе (Joint institute for VLBI in Europe) и Михаил Могилевский из ИКИ РАН.

Заведующий лаборатории внегалактической радиоастрономии Астрокосмического центра Физического института имени П. Н. Лебедева РАН Юрий Ковалев

– Как вы относитесь к идее строительства базы на Луне?

– Если коротко, то строить на Луне радиообсерваторию надо, но идти на Луну только ради этого несерьезно — слишком дорого. Однако если будет принято стратегическое решение, что Россия строит лунную базу, скажу: не поставить на Луне длинноволновый радиотелескоп — преступление. Сверхдлинноволновый диапазон — это единственное окно электромагнитного спектра, которое до сих пор не открыто. Сверхдлинные волны из космоса на Землю не проходят, они отражаются от ионосферы, соответственно, надо ставить телескоп за пределами Земли. Можно ставить free flyer на спутник, можно ставить на Луне. В принципе, на Луне подороже будет. С другой стороны, если там база уже есть, то поставить телескоп, который отработает в течение очень долгого времени, можно и нужно.

– А почему на спутники не ставят?

– На спутники можно ставить, однако вы понимаете, что мы говорим про большие размеры и большое количество приемников излучения. Длина волны порядка двадцати метров. И сколько тот спутник проживет? В то же время телескоп на Луне даже обслуживать особо не надо. Просто «разбросать» проволоку по поверхности. Почему Луна? Проблема не только в том, чтобы поставить на спутник, а в том, что нам нужно защититься от помех Земли — она очень горячая в этом диапазоне.

– То есть нужно строить на обратной стороне?

– Да, Луна здесь рассматривается как защита сверхдлинноволнового радиотелескопа от излучения Земли. Он должен ставиться либо на обратной стороне, либо в кратеры на полюсах. Естественно, будет задача передать данные на Землю. Если вы ставите на обратной стороне Луны, вам нужен ретранслятор, и скорее всего это будет спутник. Если ставите на полюсах, то можно поставить ретранслятор на краю кратера. Варианты обсуждаются, включая реализацию телескопа на спутнике, летающем вокруг Луны. Тогда часть времени телескоп закрыт Луной от Земли и проводит наблюдения. И, соответственно, когда открывается, сбрасывает данные на Землю.

Пока это обсуждается на уровне идей, которые нужно продумать и отработать. Это последнее оставшееся не открытым окно электромагнитного спектра в изучении Вселенной.

Несколько слов про возможные научные задачи. Начнем с исследования так называемой эпохи вторичной ионизации. Это еще одна потенциальная Нобелевская премия, из-за которой длинноволновая радиоастрономия последние годы получила сильнейший толчок в развитии и интересе мирового сообщества. Исследование излучения водорода с разных космологических расстояний во Вселенной позволяет построить трехмерную карту Вселенной в линии нейтрального водорода. Чем дальше находится водород, тем, соответственно, длиннее волна. По значению для космологии это сравнимо с реликтовым излучением.

LOFAR, SKA и другие проекты занимаются изучением эпохи вторичной ионизации и картографированием нейтрального водорода на более коротких волнах. Под эту задачу будет также полезно иметь сверхдлинноволновый радиотелескоп.

Не забудем, что каждое новое окно в электромагнитном спектре приносило свои сюрпризы — результаты, которые невозможно предсказать заранее. Надеюсь, обсуждаемая нами последняя «форточка» не окажется исключением.

– Вы упомянули лунный спутник. Для меня эта тема близка. Как вы считаете, в масштабах микроспутника можно ли реализовать хотя бы прототип такого телескопа?

– Если ваш лунный микроспутник может вывести наружу какой-то диполь или более хитрую измерительную систему, это было бы потенциально полезно. Важный вопрос: насколько внутренние помехи аппарата помешают работе телескопа? Требуется анализ.

– Мы подумаем, вдруг что и получится сделать. Спасибо!
___________________________________________________________________________

Руководитель отделения космических исследований Joint institute for VLBI in Europe Леонид Гурвиц.

– Необходимое для микроволновой радиоастрономии оборудование сравнительно просто. Радиоастрономический приемник для частот этого диапазона (частоты ниже 10-15 мегагерц) может спаять школьник-радиолюбитель. Это довольно дешево. А объем информации, грубо говоря, пропорционален несущей частоте. Поток данных сравнительно небольшой, современная цифровая система справится. Антенные системы, несмотря на свои размеры — довольно большие — очень просты. Это могут быть просто провода, разложенные по поверхности.

– А какой они должны быть длины?

– Юрий Ковалев уже упоминал: длина волны порядка 20 метров, — вот и размер антенны должен быть не меньше. В то же время существуют современные технологии, позволяющие сделать антенну много меньше. К примеру, сотовые телефоны работают на длине волны 20 сантиметров, хотя антенн таких размеров не несут. У них антенны активные, и такие же технологии могут применяться в космосе. Но для лунной поверхности она, может, и не нужна, размотать по поверхности Луны или даже в открытом космосе, катушку с очень тонким проводом не составит труда. Принципиальной разницы между спутником и поверхностью в этом нет.

Спутник выгоднее потому, что посадка на поверхность Луны какой угодно полезной нагрузки — дело сложное и дорогое. У Луны есть главное преимущество — это защита от антропогенных помех. Спутник на низкой орбите вокруг Луны на определенной части своей орбиты затеняется Луной от Земли, и это можно использовать. Поэтому спутник дешевле, чем стационарная лунная обсерватория. С другой стороны, раз уж мы полетим осваивать Луну, эта работа потребует доставки тонн грузов, добавить к ним несколько десятков килограммов полезной нагрузки для радиоастрономии не составит труда. А эффект будет колоссальный. Я думаю в сверхдлинноволновой радиоастрономии запрятаны одна-две Нобелевских премии. Это уже практически закон: если какой-то параметр исследовательской установки улучшается на порядок, а то и порядки величины, или начинается работа в совершенно новой, неосвоенной области, то гарантированно будут открытия, которые трудно предсказать. Это в полной мере относится к нашей теме.

Если пилотируемые полеты на Луну будут, а они определенно будут, то будет непростительно не использовать эту возможность для того, чтобы развернуть там сверхдлинноволновый радиотелескоп. Так что в будущей лунной программе радиоастрономия будет попутным пассажиром, а в открытом космосе можно создавать самостоятельную обсерваторию. Научная мотивация та же самая, но достоинство спутника в том, что можно создать целый рой микроспутников, в котором каждый аппарат несет на себе один антенный элемент, простой, легкий. Этот рой спутников можно поместить где-нибудь либо в тени Луны, например, в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна. Эта точка находится за Луной, там спутники будут защищены от антропогенных помех. Размещение в этой точке имеет ряд ограничений. Точка — это такая идеальная позиция, на самом деле спутник в этой точке совершает так называемые «фигуры Лиссажу» и лишь на некоторых этапах своего перемещения оказывается в тени Луны.

Можно расположить этот рой и на низкой окололунной орбите. Тогда этот рой какую-то часть своей орбиты будет проводить в конусе затенения Земли. Такие варианты рассматриваются, конкретный проект сейчас разрабатывается в Китае. Можно подумать о том, чтобы сверхдлинноволновую обсерваторию запустить куда-то очень-очень далеко. Так далеко, что антропогенные помехи от Земли будут незначительны в силу расстояния. Но надо довольно далеко улететь. Помните, в заставке фильма «Контакт» космический аппарат улетает от Земли, и сначала вокруг него много помех, потом он удаляется все дальше, и на распространение сигнала требуется больше времени. Наконец они перехватывают первую телетрансляцию с берлинской Олимпиады 1936 года, потом первые радиосигналы — и тишина. Так вот, тишина наступает из-за двух факторов: во-первых, они улетели так далеко, что практически во времени переместились, а во-вторых, сказывается фактор расстояния. Расстояние сказывается пропорционально квадрату в знаменателе. То есть если вы удалились в десять раз, то по интенсивности помеха уменьшилась в сто раз. Удалившись в десять раз дальше Луны, мы уменьшим помехи в сто раз. Удалимся в сто раз — уменьшим помехи в десять тысяч.

Соответственно, у нас имеется три способа: на поверхности обратной стороны Луны, на окололунном спутнике или совсем далеко. Варианта отлета совсем далеко в реальной проработке сейчас нет. А варианты на Луне и на окололунном спутнике есть. Этим занимаются китайские коллеги в рамках программы Chang’e. В России лунная программа сейчас тоже возрождается, есть проекты «Луны-25, -26, -27, -28…» К сожалению, пока ни на одном из этих аппаратов нет полезной нагрузки для сверхдлинноволновой радиоастрономии. Это достойно сожаления, поскольку это позволило бы «срезать угол» в гонке за открытиями в этом диапазоне. По технологии и по затратам это сравнительно несложно. Построить такой сверхдлинноволновой радиотелескоп много-много дешевле, чем «Радиоастрон» или другие из серии «Спектр». Полезная нагрузка простая, дешевая, но гарантированно принесет значительные открытия.

Если говорить о тестовом спутнике, который подошел бы для наших целей, то хватило бы аппарата массой несколько килограммов. Мы разрабатывали антенну, которая подходит для наших целей, которая не диполь, а триполь. Этот симбиоз обычного диполя и активной антенны с усилителем, аналого-цифровым преобразователем, системой обработки и передачи тянул на несколько килограмм. Габариты получались, как у небольшого фотоштатива. Если такую штуку выкинуть на окололунной орбите, то она способна там самостоятельно функционировать.

Вам известна китайская организация Харбинский технологический университет? Они работают активно с CNSA по похожему проекту, и они это пытаются вставить в программу Chang’e. Кроме того, в рамках программы Chang’e ведется разработка антенн на двух аппаратах Chang’e. Одна антенна на спутнике-ретрансляторе, а другая на посадочной ступени, садящейся на обратную сторону Луны.

Рассматривается возможность поставить на оба аппарата сверхдлинноволновую полезную нагрузку. Тогда у них получится радиоинтерферометр со сверхдлинными базами, подобный «РадиоАстрону», только в сверхдлинноволновом диапазоне. Китай собирается располагать ретранслятор как раз в точке Лагранжа-2 системы Земля-Луна с известными преимуществами и недостатками этой точки, о чем мы уже говорили. Эта работа уже идет.

Автор благодарит за помощь в подготовке материала заведующего лабораторией физики магнитосферных процессов Института космических исследований РАН Михаила Могилевского.