Иркутская астрофизика: на пороге новых научных открытий

Бурятия, Иркутск , 11.09.19 (ИА «Телеинформ»), - В Тункинском районе Бурятии на пусковых объектах Национального гелиогеофизического комплекса РАН заливают фундаменты новых зданий и инструментов. Зачем их строят и что изучают иркутские учёные в соседнем регионе – в материале Телеинформа.

Чтобы добраться до урочища Бадары , где расположена радиоастрофизическая обсерватория Института Солнечно-Земной физики (ИСЗФ) СО РАН – с теми самыми «тарелками», с которыми любят фотографироваться туристы, – нужно мчать по всем известной дороге в посёлок Аршан и не проскочить один из поворотов налево, в село Тунка . Затем – почти что офф-роуд, несколько километров среди ельника по дороге с ухабами, которую в сырую погоду точно преодолеет не каждый автомобиль.

Это урочище для размещения обсерватории выбрано неслучайно. Местность удалена от всех населённых пунктов на 25 километров, что исключает вероятность радиопомех, которые могли бы ухудшить работу одного из крупнейших астрономических инструментов – Сибирского солнечного радиотелескопа.

– Это самое оптимальное место для изучения Солнца. Поверхность здесь плоская, производственных точек рядом нет, населённых пунктов тоже. Этот телескоп всепогодный, облачность для него значения не имеет, поскольку он работает в радиодиапазоне, то есть принимает радиосигналы, – рассказывает заместитель директора ИСЗФ СО РАН, доктор физико-математических наук Сергей Олемской . – В диапазоне видимого света работает Саянская солнечная обсерватория, расположенная неподалёку. Там находятся оптические инструменты, а для них как раз важен критерий количества солнечных дней. С точки зрения астроклимата Тункинская долина – самая лучшая территория для изучения Солнца в России.

Заместитель директора ИСЗФ СО РАН, доктор физико-математических наук Сергей Олемской

Сибирский солнечный радиотелескоп – установка уникальная. Она включает в себя 256 антенных постов (именно так правильно называются «тарелки»), расположенных крестообразно. Радиотелескоп строили на протяжении 10 лет и ввели в эксплуатацию в 1984 году. Оборудование, пережив цикл модернизаций, служит до сих пор, ни одной антенны за все годы утеряно не было, говорят учёные.

Дорога в обсерваторию упирается в низенькие простые ворота из синего профнастила, а за ними открывается удивительный вид: стройные ряды антенных постов на фоне Саянских гор, чьи вершины в конце августа-начале сентября ещё не покрыты снегом. Сейчас помимо этих постмодернистских пейзажей ИСЗФ ИНЦ СО РАН на территории радиоастрофизической обсерватории можно наблюдать индустриальную картину – здесь развернулась масштабная стройка.

Существующая система, введённая в эксплуатацию в конце 1980-х годов, физически ещё прослужила бы долго. Оборудование устарело лишь морально. Когда Сибирский солнечный радиотелескоп начал работать, мировых аналогов он не имел, поскольку считалось, что добиться изображения Солнца с 256 антенн очень сложно.

– За ввод этого инструмента институт Солнечно-Земной физики ИНЦ СО РАН получил Орден Трудового Красного Знамени в советское время. За время его работы было выявлено много уникальных событий, эти научные открытия опубликованы, правда, на пальцах по-простому объяснить их суть сложно. Но исследования, которые проводятся в обсерватории, способствует изучению и прогнозу негативных для планеты Земля явлений солнечной активности, – делится замдиректора института.

До середины 1990-х годов исследователи с помощью этих инструментов получали одномерные сканы, правда, с очень хорошим разрешением, рассказывает заведующий лабораторией мониторинга солнечной активности отдела радиоастрофизики ИСЗФ СО РАН Алексей Губин . Затем появились компьютеры, и астрофизики начали строить двухмерное изображение светила. Теперь моночастоты этих антенн недостаточно для новых исследований, для того чтобы иркутская, да и мировая наука двинулась дальше, нужно что-то большее. А это значит – новые мощные приборы, которые превзойдут все мировые стандарты.

Существующая система антенных постов

Именно на это и рассчитан мегапроект федерального уровня – Национальный гелиогеофизический комплекс РАН. Идеолог мегапроекта и разработчик его концепции – академик Гелий Александрович Жеребцов . Финансирование целиком федеральное, решение о выделении такой крупной суммы было закреплено постановлением правительства РФ от 2014 года. Убедить правительство направить инвестиции в этот проект  была крайне тяжелая задача, академик Гелий Жеребцов доказал правительству, заручившись поддержкой академии наук, стратегическую необходимость создания этих объектов и их научную ценность для мировой науки. Потребовалось 16 поручений президента и правительства РФ и нескольких личных встреч академика Гелия Жеребцова с Владимиром Путиным . Бюджетные инвестиции как раз и направлены на строительство радиогелиографа в Бадарах , а также набора оптических инструментов у соседнего села Торы , Лидара и системы радаров на Малом море, крупного солнечного телескопа на территории Саянской солнечной обсерватории у посёлка Монды , нагревного стенда под Ангарском и центра обработки данных в Иркутске.

Пусковой объект Национального гелиогеофизического комплекса РАН в Бадарах стоит больше 2 миллиардов рублей.  В эту сумму оценивается и строительство зданий, и создание новых антенных постов. На самой территории обсерватории сейчас возводят три коттеджа, где будет жить персонал, – 10 человек в смену, и техническое здание. На стройке трудятся 20 рабочих, они уже заливают фундаменты. Объекты будут одноэтажными, что объясняется сейсмикой Тункинской долины: если Иркутск находится в зоне восьмибалльных землетрясений, то эту территорию может тряхнуть и на все девять баллов. Зато стены зданий в Бадарах такие, что в Иркутске можно на них возвести 16-этажную «свечку», говорят специалисты.

Генеральным подрядчиком работ выступает столичный Лыткаринский завод оптического стекла, подрядчиком на строительстве зданий – московская компания «Инсистемс».  Строительство началось в 2019 году, окончание запланировано уже на 2021 год.

Сам радиогелиограф – это последний этап строительства. Вместо действующих сейчас 256 антенн к 2021 году появятся 528 постов. Сейчас приборы изготавливает томское предприятие «Микран». Как отмечает Алексей Губин, для этого у компании есть и производственная база, и необходимый опыт, кроме того, сотрудничеству  иркутских и томских учёных – не один десяток лет.

Первые прототипы из Томска в Бадары уже протестировали. В серию они не пошли, астрофизики ИСЗФ СО РАН их забраковали. Уже в октябре в обсерваторию поступят 30 новых образцов, выполненных с учётом замечаний.

– Их мы будем «крутить» всю зиму, примерно в январе дадим ответ, всё ли в порядке, и весной 2020 года нам поступят уже остальные 500 антенных постов, – рассказывает Сергей Олемской.

Каждая из антенн находится на своём фундаменте. Чтобы начать изготовление фундаментов под новые антенные посты, строители модернизируют буровую установку. Старые крестообразно расположенные «тарелки» полностью демонтируют, а новый радиогелиограф будет состоять из трёх Т-образных антенных решеток. Это нужно, чтобы захватить как можно более широкий диапазон радиоволн.

Вместо этих антенн уже скоро поставят новое оборудование

У антенных постов, которые готовят для иркутян томичи, шире диапазон частот, он будет работать на частоте от трёх до 24 Ггц. А это значит, что для исследователей Солнца раскрываются невероятные возможности. Уже в ближайшем будущем радиоастрофизическая обсерватория в Тункинской долине фактически сможет получать глубинное изображение звезды, от которой зависит земная жизнь. Речь идёт уже не о двухмерной, а о трёхмерной картинке. С помощью нового радиогелиографа учёные планируют исследовать разные слои короны Солнца, каждый из которых преимущественно излучает на своей частоте.

Ещё одно принципиальное отличие нового оборудования – степень цифровой обработки. Сейчас сигналы со всех 256 антенн суммируются и понять, с какого поста какой сигнал пришёл, невозможно. Кроме того, техникам приходится вручную проверять коммуникации, чтобы длины от всех антенн были одинаковые. С вводом современного радиогелиографа всё это будет отдано на откуп вычислительной техники: каждый сигнал будет оцифровываться отдельно от каждой антенны, обработка целиком ложится на вычислительные мощности, поломки тоже можно искать через компьютер. Это открывает новые возможности в обработке изображений, говорит Алексей Губин.

– Новые результаты позволят получить не только фундаментальные знания, но и решать прикладные задачи: начиная от исследования взрывных процессов на Солнце до их влияния на работу космических средств, наземных систем связи и других технологических систем, – говорит Сергей Олемской.

Однако с вводом новой техники неизбежно встает вопрос о кадровой обеспеченности. Несмотря на цифровизацию процесса, число штатных единиц вырастет вдвое. Это обусловлено не только тем, что коммуникаций, которые необходимо обслуживать, станет больше, но и тем, что и вырастет поток данных наблюдений, для обработки и интерпретации которых нужны высококвалифицированные учёные.

– Здесь есть своя специфика в обслуживании. По моему мнению, на подготовку квалифицированного сотрудника, которого можно оставить на самостоятельное дежурство, уходит до пяти лет. То есть такое время примерно надо обучать условно готового инженера из вуза. Сейчас уровень подготовки специалистов, которые приходят к нам, к сожалению, очень низкий, – говорит Алексей Губин.

Момент проверки наведения инструментов

В обсерваторию после университетов, в основном, идут вчерашние иркутские студенты, получавшие образование по направлениям радиоэлектроника и радиофизика. Однако уже сейчас ИСЗФ СО РАН для подготовки кадров, которые будут работать с новым оборудованием, сотрудничает не только с университетами Иркутска, но и Новосибирска, Москвы и Санкт-Петербурга. В вузах открывают базовые кафедры. Сергей Олемской признаёт: подготовка займёт не один год, причем это должны быть не только выпускники, но и практиканты, начиная с уровня бакалавриата и заканчивая аспирантурой.

Естественно, ждут перемены и действующих сотрудников. Увеличивается не только количество техники, само оборудование становится сложнее. Например, поворотное устройство антенного поста сейчас имеет два двигателя и практически никакого управления, на новых приборах предусмотрены сложные системы управления.

А это значит, что и людям, работавшим на старых инструментах, нужно повышать квалификацию.

Сейчас дежурная смена специалистов включает двух техников, наблюдателя, инженера и научного сотрудника. Сердцем обсерватории они называют неприметное одноэтажное кирпичное здание. Здесь находится наблюдательный пункт, где обрабатываются все сигналы, получаемые телескопом. На компьютерах,  расположенных здесь, учёные и строят то самое двумерное изображение Солнца. Если на звезде наблюдаются какие-то явления – возмущения, вспышки, пятна – информация о них передаётся в Иркутск, а дальше сведения распространяются по астрофизическому сообществу.

Дважды в день, утром и после обеда, наблюдатели проводят так называемый 14-минутный опрос, или проверку наведения инструментов. Через монитор компьютера сотрудник отслеживает состояние антенн. На экран выводится своеобразная диаграмма, на которой отмечен каждый из постов. Если от какой-то антенны нет сигнала, в диаграмме появляется провал и к оборудованию отправляют техника. Пока идёт опрос, наблюдения за Солнцем прерываются.

Тоннели радиоастрофизическая обсерватория ИСЗФ ИНЦ СО РАН

У иркутских астрофизиков есть и свое «подземелье». Все коммуникации расположены именно под землёй, в цоколе наблюдательного пункта. Сигналы от каждой антенны поступают в волноводную систему, смонтированную в подземном тоннеле для поддержания постоянной температуры. Этот момент критически важен.

– Все элементы должны быть при постоянной температуре, чтобы корректно получать сигнал. Если температура меняется, мы сразу видим, что картинка «плывет». Кабели лежат статично, лишний раз их не трогают. Обсерватория наша удалена, потому просто так сюда никто не попадает, из сотрудников сюда могут ходить только определенные лица, – рассказывает Алексей Губин.

Поскольку антенная решетка сейчас крестообразная, то и подземный тоннель имеет четыре луча. В каждом – кабели 64 антенных постов. Расстояние между крайними точками – 622 метра. Как объясняют астрофизики, этим расстоянием и определяется разрешающая способность телескопа. Грубо говоря, столько пикселей и можно поставить на Солнце.

Кстати, все направления в подземном тоннеле подписаны по сторонам света. Это сделано неспроста – для удобства сотрудников.

– Бывают курьезные случаи. Надо же обслуживать систему. Бывает, что люди уходят по тоннелям, а в это время, например, отключается свет. Фактически приходится выползать ползком. Фонарики есть у всех, но не все их берут с собой. Бывает, путают направление. На самом деле, когда долго находишься в тоннеле, забываешь, откуда пришёл и куда идти, – поясняет заведующий лабораторией мониторинга солнечной активности отдела радиоастрофизики ИСЗФ СО РАН.

Когда в эксплуатацию введут новые антенны, для их коммуникаций будет использоваться эта же система подземных тоннелей.

Любая обсерватория мира и оборудование в ней – фактически уникальные сооружения, штучные. Потому вокруг каждой из них формируется центр коллективного пользования. Время работы регламентировано, создаётся очередь из разных стран, институтов, академий наук.

– Для работы в нашей обсерватории в принципе любая организация может подать заявку, составить программу наблюдений. Мы выделяем время, и они могут пользоваться инструментами. Есть часть данных, которые предоставляются бесплатно, они выкладываются в интернет. Нашим наблюдательным временем пользуется Китай, Япония. Европейские учёные обращаются к нам на порядок реже, потому что мы от них удалены, – говорит Алексей Губин.

Кстати, Солнце «живёт» по 11-летнему циклу или циклу Швабе. Сейчас, говорит Сергей Олемской, мы приближаемся к его минимуму. Но, как показали наблюдения, на звезде всё равно могут происходить супервспышки.

– Сейчас главная задача обсерватории – изучить предикторы (предупреждающие сигналы) вспышек, чтобы заранее успеть их спрогнозировать. Последствия их, конечно, известны. Допустим, если бы вспышка Кэррингтона произошла бы сегодня, то у нас вышла бы из строя вся спутниковая, сотовая связь, и другие телекоммуникации, как наземного, так и космического базирования, – говорит замдиректора ИСЗФ.

Вспышка Кэррингтона – это мощнейшая за историю наблюдений геомагнитная буря. Она произошла в начале сентября 1859 года и вызвала отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Но не каждое солнечное явление даёт солнечную вспышку, отмечают иркутские астрофизики.

Некоторые данные, полученные во время наблюдений, ученые выкладывают в свободный доступ

– На ранней стадии диагностировать, будет ли вспышка и какой мощности, невозможно. Чтобы давать такие прогнозы, нам нужно уметь делать трёхмерное исследование Солнца как в оптическом, так и в радиодиапазоне и, конечно же, должна быть какая-то заблаговременность, чтобы предпринять какие-либо меры для предотвращения последствий – вывести спутники с орбиты или перевести на ночную сторону Земли, что-то обесточить, – говорит Сергей Олемской.

Алексей Губин поддерживает: сейчас увидеть вспышку можно лишь за 10-12 часов. А от этого зависят и выходы в открытый космос, и корректировка спутников. Космическая погода влияет даже на авиаперелёты, в особенности, через Южный и Северный полюса.

Новое оборудование радиоастрофизической обсерватории в Бадарах, безусловно, приближает науку к этой цели. Радиогелиограф обеспечит научный задел на 20-30 лет вперед. Вместе со вторым пусковым комплексом Национального гелиогеофизического комплекса РАН в соседнем селе Торы, в котором монтируют оптические инструменты, он открывает невероятно широкие возможности для астрофизики.

Алёна Кашпарова, фото автора, Телеинформ

Читайте также:

Интереснейшие публикации иркутских СМИ — в соцсетях: FaceBook , ВКонтакте , Одноклассники , Telegram