VLBI, включая космическую VLBI

В методе VLBI применяются одновременные наблюдения радиоисточника с использованием антенн, разнесенных на большие расстояния. Зачастую антенны находятся в разных странах или на орбите Земли. Ни один из наземных методов астрономических исследований не позволяет добиться углового разрешения, доступного для наблюдений VLBI. Антенные решетки VLBI с максимальными базовыми линиями, достигающими диаметра Земли, позволяют добиться углового разрешения, не превышающего одну дуговую миллисекунду. Антенные решетки VLBI позволяют точно подбирать частоты наблюдений путем использования высокостабильных атомных часов для поддержания фазовой когерентности без привязки к эталону в реальном времени. Когда водородные мазеры используются в качестве часов, когерентное время интегрирования, как правило, ограничивается только уровнями отклонений в разности хода лучей при распространении через атмосферу и ионосферу. Однако на высоких частотах стабильность мазеров (10^–14) может оказаться ограничивающим фактором; например, на частоте 100 ГГц она ограничивает когерентное время интегрирования до 1000 с. Данные, полученные на станциях с отдельными антеннами, либо записываются (в настоящее время на магнитные диски), либо передаются по высокоскоростным глобальным вычислительным сетям. Скорость записи или передачи данных зависит от научных задач и процедур наблюдения, а также от имеющихся в наличии технических средств. Максимальные значения скорости передачи, используемые на практике, достигают 2 Гбит/с. Это является новым стандартом, принятым для антенной решетки со сверхдлинной базой (VLBA), – специальным инструментом VLBI, включающим десять станций наблюдения, распределенных по всей территории Соединенных Штатов Америки. Центральный пункт обработки данных выравнивает воспроизводимые сигналы по времени с учетом значительной задержки светового потока, достигающей 20 мс, и совмещает все пары сигналов для формирования продуктов корреляции.

Разрешение, доступное для метода VLBI, позволяет радиоастрономам наблюдать относительные перемещения отдельных сгустков плазмы с высокой энергией, извергаемых на релятивистских скоростях из активных галактических ядер. В пределах Галактики Млечного Пути метод VLBI позволяет измерять расстояния на основе параллакса по всему галактическому диску. В настоящее время действует интенсивная программа наблюдений, целью которой является исследование спиральной структуры Галактики с беспрецедентной точностью. VLBI является главным компонентом при определении небесной и наземной систем координат, а также стандартного времени. Кроме того, данный метод успешно применяется в других областях – от перемещения пластов земной коры до точного углового позиционирования удаленных космических аппаратов.

Чувствительность сетей VLBI к помехам от активных служб обсуждалась в п. 4.4, а использование определенных полос частот – в п. 5.8.

Космическая VLBI

Космическая VLBI выводит разрешающую способность метода VLBI за рамки ограничений, связанных с размером Земли, путем задействования антенны в решетке наблюдения на высокой околоземной орбите. В следующих подразделах приведен обзор прошлых, текущих и планируемых на будущее космических полетов (п. 7.2.1.1), особенностей инструментальных средств, характерных для космической VLBI (п. 7.2.1.2), и в особенности требований, предъявляемых данным методом к частотам связи (п. 7.2.1.3).

Проекты космической VLBI

В Таблице 7.1 приведены основные параметры проектов космической VLBI, описанных в настоящем разделе. Частоты, указанные в таблице, и последующее обсуждение относятся к радиоизлучениям, принимаемым от космических радиоисточников естественного происхождения.

 

 

ТАБЛИЦА 7.1

Исследования с космической VLBI

Экспедиция/ эксперимент	Даты	Параметры орбиты	Диаметр антенны	Полосы частот наблюдения (ГГц)
Эксперимент TDRSS VLBI	1986–1988	Геосинхронная 38 000 км	4,9 м	2,271–2,285 15,35–15,43
VSOP/HALCA	1997–2003	Апогей 21 400 км Перигей 560 км Наклонение 31°	8 м	1,60–1,73 4,7–5,0 22,0–22,3
Радиоастрон	2011	Апогей 280 000–353 000 км Перигей 7100–81 500 км Наклонение 5°–85°	10 м	0,316–0,332 1,652–1,684 4,812–4,852 22,212–22,252
Миллиметрон	2019	Точка L2 Солнца-Земля, 1,5 ´ 106 км от Земли	10 м	18–26, 31–45, 84–116, 211–275, 602–720, 787–950
Антенная решетка космической VLBI в длинноволновой части миллиметрового диапазона	2020	Апогей 60 000 км Перигей 1200 км Наклонение 28,5°	Двойные 10-метровые антенны	6–9 20–24 40– 46

 

Технические возможности космической VLBI впервые были продемонстрированы в 1986 году с применением антенны диаметром 4,9 м, установленной на спутнике системы TDRSS (слежения и передачи данных) агентства NASA [Levy et al., 1989]. В первом эксперименте использовалась рабочая частота 2,3 ГГц. Последующие эксперименты были проведены в 1988 году на частоте 15 ГГц с использованием той же спутниковой системы.

Первые научные наблюдения с применением орбитальной антенны, специально предназначенной для VLBI, проводились в рамках японской исследовательской программы VSOP – Программы космической обсерватории VLBI [Hirabayashi et al., 1998] – с 1997 по 2003 год. В рамках этой программы в 1996 году Институтом космической науки и астронавтики (ISAS, в настоящее время является частью JAXA (Японское агентство аэрокосмических исследований)) был запущен спутник "HALCA". Спутник "HALCA" был оборудован 8-метровой антенной и находился на эксцентрической орбите с апогеем 21 400 км и орбитальным периодом 6,3 ч. Рабочими диапазонами частот были
1,6; 5 и 22 ГГц, однако последний из них не использовался для плановых наблюдений из-за ограниченных технических характеристик. Минимальная ширина синтезируемого луча составляла 1,8 и 0,6 дуговых миллисекунд на частотах 1,6 и 5 ГГц соответственно. Сигнал с суммарной шириной полосы 32 МГц оцифровывался и передавался на землю по линии связи 128 МБит/с на частоте 14,2 ГГц. Специальная сеть наземных телеметрических станций была предоставлена организациями ISAS, НАСА и NRAO. В наблюдениях VSOP была задействована разветвленная сеть радиотелескопов наземного базирования, координация которой осуществлялась международным консорциумом по всему миру. Союз URSI организовал рабочую группу по глобальному VLBI, в компетенцию которой входила координация наземных антенных решеток и вопросы совместимости при приеме и передаче данных. Основными научными целями исследований VSOP являлись, в числе прочих, активные галактические ядра, области мазеров OH, пульсары и вспыхивающие звезды.

В настоящее время космические исследования VLBI проводятся в рамках российской программы "Радиоастрон". Космический аппарат "Радиоастрон" с 10‑метровой антенной на борту был разработан Астрокосмическим центром Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук и Научно-производственным объединением им. С. А. Лавочкина. В 2011 году аппарат был выведен на высокоэксцентрическую орбиту, максимальный апогей которой (353 000 км) почти достигает расстояния до Луны. Непреднамеренные возмущения орбиты, вызываемые Луной, используются для внесения быстрых изменений в орбитальные параметры и обеспечивают качественное покрытие апертуры при быстрой перемене направлений на небосводе. "Радиоастрон" – это первая космическая программа VLBI, в которой используется бортовой стандарт частоты на основе водородного мазера. Он работает в диапазонах частот 0,32; 1,66; 4,8 и 22 ГГц. Сигнал с суммарной шириной полосы 32 МГц оцифровывается и передается на землю по линии связи 128 Мбит/с на частоте 15 ГГц. В соответствующей наземной сети VLBI работает несколько основных радиотелескопов по всему миру. Недавно в рамках программы "Радиоастрон" были выдвинуты предложения по ключевым направлениям научных исследований, в том числе по галактическим ядрам, сверхмассивным черным дырам, релятивистским потокам, галактическим и внегалактическим мазерам, а также пульсарам.

Запуск космической обсерватории "Миллиметрон", предложенной Астрокосмическим центром Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук, запланирован на 2019 год. Комплекс, оборудованный 10-метровой антенной, будет работать в точке либрации L₂ Солнце-Земля в полосах наблюдения в диапазоне от 18 до 950 ГГц. Уникальные характеристики "Миллиметрона", не представленные в предыдущих космических программах VLBI, включают в себя поверхность антенны с криогенным охлаждением и хранение результатов наблюдения на борту. Научными целями программы являются, в том числе, исследование формирования звезд и планетарных систем, релятивистских стадий эволюции звезд, супермассивных черных дыр, а также галактической и космологической эволюции. Один из главных аспектов проекта связан с однозеркальными антеннами и здесь не рассматривается.

Антенная решетка космической VLBI в длинноволновой части миллиметрового диапазона – это первый этап построения космической миллиметровой решетки VLBI, проектные исследования по которому утверждены Комитетом космических научных проектов китайской Академии наук. Запуск аппарата запланирован на 2020 год. Каждый из модулей сдвоенного космического аппарата, оборудованных 10‑метровой антенной, вращается на орбитах с апогеем 60 000 км в плоскостях под углом 120° и ведет наблюдения в диапазонах частот 8, 22 и 43 ГГц. Оборудование космического аппарата включает в себя бортовые стандарты частоты на основе водородного мазера и систему хранения данных. Линия передачи данных космос-Земля поддерживает скорость передачи данных до 2 Гбит/с. Научными целями программы являются, в том числе, исследование сверхмассивных черных дыр, мегамазеров во внегалактических аккреционных дисках, струй в активных галактических ядрах и эволюции массивных звезд.

7.2.1.2 Отличительные особенности космической VLBI и развитие этого метода
в последнее время

Некоторые аспекты метода космической VLBI, которые ограничивали возможности в ранних исследовательских программах, в настоящее время уступают место более современным технологиям. В частности, в программе "Радиоастрон" успешно использовался бортовой водородный мазер. В будущем его планируется применять в российских и китайских проектах. Однако система двусторонней передачи фазы, используемая в VSOP, работает удовлетворительно и может по‑прежнему применяться в будущем в качестве резервного варианта.

Ограничения, накладываемые на определение орбиты в первых космических программах, также могут быть значительно ослаблены благодаря увеличению диапазонов задержки интерферометров и частоты интерференции, поддерживаемых современными программными корреляторами.

Возможность хранения результатов наблюдений на борту для последующей передачи на Землю может привести к значительному упрощению наземной поддержки космических программ. Хотя в таком рабочем режиме может быть достаточно и одной наземной телеметрической станции, требуется более широкая полоса передачи, обратно пропорциональная коэффициенту заполнения линии вниз. В то же время многие исследовательские задачи программ космической VLBI крайне зависимы от чувствительности и предъявляют все более жесткие требования к полосе пропускания при передаче данных по линии вниз.

Одна из проблем, связанных с обработкой изображений в космической VLBI, на данный момент еще не решена – обычный метод самокалибровки, используемый при анализе данных VLBI, не эффективен для антенных решеток, в которых одна станция – космическая антенна – геометрически изолирована от всех остальных станций. Множество космических антенн, которые планируется включить в состав антенной решетки космической VLBI в длинноволновой части миллиметрового диапазона, могут стать первым шагом на пути к преодолению этого ограничения.

Требования к частотам для работы космической VLBI

Совместное использование частот для космической VLBI представляет собой более сложную задачу, чем для наземной VLBI. Это связано с трехсторонними требованиями к линиям управления, двусторонними сигналами фазового переноса и широкополосной передачей данных по линии космос-Земля. Все эти случаи требуют защиты от вредных помех, когда рабочие полосы попадают в полосы частот, используемые другими системами космических исследований.

Полосы частот, используемые в действующих космических программах VLBI, расположены в полосах, выделенных для космических исследований: 7,190–7,235 ГГц (Земля-космос),
8,025–8,500 ГГц (космос-Земля), 14–15,35 ГГц (космос-Земля) и 14,5–15,35 ГГц (Земля-космос). Этих распределений достаточно для удовлетворения требований космических программ к полосе пропускания. Однако будущие программы, вероятно, потребуют полос пропускания в несколько гигагерц для передачи данных по линиям вниз, распределенных на частотах выше 20 ГГц. Для двух запланированных программ космической VLBI, описываемых в конце п. 7.2.1.1, частоты для широкополосной передачи данных по линиям вниз еще не выбраны. Другие распределения возможны в полосах 37–38 ГГц (космос-Земля), 40–40,5 ГГц (Земля-космос) и 74–84 ГГц (космос-Земля).

Процесс резервного фазового переноса требует предварительного планирования соответствующих линий связи, хотя в настоящее время это уже не актуально. В связи с наличием ионосферных и тропосферных эффектов распространения волн необходимо, чтобы частоты находились в диапазоне 7–20 ГГц. Частоты передачи для линии вверх (Земля-космос) и линии вниз (космос-Земля) должны быть как можно более близкими, но поскольку они обычно не совпадают, необходимо моделировать атмосферу, чтобы обеспечить компенсацию для эффекта изменений длины пути.

Критерии защиты для линий связи околоземных пилотируемых и непилотирумых исследовательских спутников приведены в Рекомендации МСЭ-R SA.609. Они также подходят для линий связи телеметрии и синхронизации планируемых космических систем VLBI. Рекомендуемые пороговые уровни вредных помех, которые не должны превышаться в течение более чем 0,1% времени, составляют –216 дБ(Вт/Гц) для приемника земной станции и –177 дБ(Вт/кГц) – для спутникового приемника. Полосы частот, которые должны использоваться для линий связи в планируемых проектах космических VLBI, распределены многим службам радиосвязи. Однако рассмотрение потенциальных уровней помех в зависимости от положения спутников на орбите показывает, что эффективное совместное использование полос частот возможно. В некоторых случаях может потребоваться тщательная координация.