Попытки на глазок пересчитать все антенны Сибирского радиогелиографа по умолчанию обречены на провал: на очередной сотне обязательно собьёшься. Проще обратиться к официальным данным Института солнечно-земной физики СО РАН. Согласно им, в составе гелиографа, построенного на территории Радиоастрофизической обсерватории в Бадарах, 528 тарелок: 129 трёхметровых, 192 диаметром 1,8 м и 207 метровых. Для сравнения, Сибирский солнечный телескоп, который заработал в 1984 году и сейчас выводится из эксплуатации, состоял из 256 антенн. Их диаметр – 2,5 м, они работают на частоте 5,7 ГГц, то есть улавливают волны длиной 5,2 см.

Диапазон частот нового радиогелиографа – от 3 до 24 ГГц, что, если не вдаваться в технические тонкости, даёт возможность сканировать большее число слоёв атмосферы Солнца и получать более детальные снимки. «Это можно сравнить с компьютерной томографией, – научный сотрудник лаборатории мониторинга солнечной активности ИСЗФ СО РАН Дмитрий Жданов проводит аналогию с медициной. – Когда вы какой-то орган изучаете, вы делаете срезы по слоям: меняете положение устройства и делаете сканы. На Солнце так сделать нельзя. Но есть замечательное свойство самой природы светила: излучение формируется по слоям. Изменяя частоту, мы изменяем высоту наблюдений и можем посмотреть, к примеру, где началась вспышка и как она со временем развивается».

Выйти из плоскости

Сама идея изучения космических тел за счёт их электромагнитного излучения не нова. Гипотеза о том, что те же светила излучают волны в радиодиапазоне, невидимые для человеческого глаза, возникла ещё в конце XIX века. Однако экспериментальное подтверждение этой теории произошло в только в 40-х годах XX века. Тогда в условиях второй мировой войны разными радиоастрономами независимо друг от друга и на разных частотах были открыты две составляющие солнечного радиоизлучения: излучение «спокойного» Солнца и радиоизлучение во время солнечных вспышек. После войны на фоне этих открытий радиоастрономия начала бурно развиваться по всему миру.

Базовые её принципы известны не одно десятилетие. Фокус в том, чтобы с их помощью получить максимально детализированное трёхмерное изображение. «Одна антенна будет видеть Солнце как точку, – объясняет Жданов. – Если мы построим очень большую антенну, она увидит скан: лимб, то есть западный и восточный края, и плоскую поверхность между ними. Если мы возьмём две антенны на севере и юге и ещё две на западе и востоке, то сможем получить простейшее изображение».

Так и был построен Сибирский солнечный телескоп: тарелки выставили в форме креста с базой 623м. Изображение получали за счёт частотного сканирования – метода, известного с середины прошлого века, хорошо изученного и для реализации не требующего установки сверхсложного и дорогого оборудования. При всех достоинствах у подобной технологии есть существенные недостатки. Первый – то, что на построение изображения уходит несколько минут. Учитывая, что те же вспышки на солнце развиваются за доли секунды, это непозволительно много. Второй – разные слои атмосферы Солнца непрозрачны для радиосигналов разной частоты. Поэтому при работе с волнами в 5,7 ГГц учёные могли «увидеть» процессы на высоте около 10 тыс. км.

Сибирский радиогелиограф, в свою очередь, действует по методу синтеза. Плюс технологии заключается в том, что можно получить изображение практически мгновенно, минус – в том, что все антенны необходимо синхронно попарно сравнивать между собой, а для этого требуется коррелятор – сложная программно-аппаратная вычислительная машина. «Когда строился старый телескоп, вычислительных мощностей для этого просто не существовало», – подчёркивает Жданов. В начале девяностых для радиоинтерферометра в японской обсерватории «Нобеяма», состоящего из 84 антенн метрового диаметра, пришлось поставить суперкомпьютер. Три десятилетия спустя столь дорогое решение уже не понадобилось, хотя без установки в Бадарах дополнительного оборудования для увеличения вычислительных мощностей дело не обошлось. Это понимаешь, когда оказываешься в подземной части комплекса: расходящиеся строго по сторонам света круглые в сечении тоннели, навевающие ассоциации с подводной лодкой, сходятся в аппаратном зале, похожем на центр обработки данных с многочисленными стойками, приёмниками и коммутационными шлейфами, в которых легко запутаться человеку со стороны.

«Крестообразность даёт избыточность»

Все научные методы и технические решения изначально опробовали на небольшом прототипе, состоявшем из десяти антенн. Его начали проектировать в 2005 году, строительство закончили в 2014-м. Большой радиогелиограф начали возводить после того, как 28 апреля 2018 года правительство России внесло изменения в распределение предполагаемой стоимости объектов Национального гелиогеофизического комплекса РАН. Разработкой его концепции и технического задания руководили представители ИСЗФ СО РАН: заведующий отделом радиоастрофизики Александр Алтынцев и заведующий лабораторией мониторинга солнечной активности Сергей Лесовой. Сметная стоимость радиогелиографа составила чуть более 1,3 млрд рублей. Антенны для него изготовило научно-производственное объединение «Развитие» из Железногорска, что в Красноярском крае, электронику и поворотные устройства – фирма «Микран» из Томска.

Пока строили гелиограф, действующий телескоп продолжал работать. При этом для метровых и трёхметровых антенн с поворотными устройствами подготовили новые фундаменты. Тарелки на 1,8 м устанавливали на уже имеющиеся бетонные основания, с которых демонтировали старое оборудование. Каждая из антенных решёток радиогелиографа имеет Т-образную форму. Все три установлены параллельно друг другу, так что комплекс в сборе вписан в ту же площадку в виде креста. Расстояние от центра до крайней точки – 365 м. Большинство антенн расставлены с одинаковым шагом, однако интервал между крайними метровыми тарелками больше по сравнению с центральными. «Могли использовать и крестообразную решётку, – говорит Жданов. – Но крестообразность даёт избыточность информации. Поэтому мы применили более простую и дешёвую схему».

Пока действует одна решётка, состоящая из трёхметровых антенн. Диапазон её рабочих частот – от 3 до 6 ГГц. «Антенны в режиме реального времени следуют за Солнцем и принимают радиосигналы, – ведущий инженер-электроник обсерватории Павел Дедюхин поглядывает на небо, где сгущаются тучи – прогноз обещает дождь, переходящий в мокрый снег. – Они функционируют в любую погоду, потому что радиосигналу облака не помеха». Летом гелиограф работает с 8 часов утра до 18 часов. Зимой – с 10 до 16 часов, то есть весь световой день с поправкой на требуемый угол возвышения Солнца над горизонтом.

Новая надежда

«В ходе тестовых наблюдений мы проверили, правы ли были в своих расчётах при проектировании радиогелиографа, – добавляет Лесовой, чьи слова приводит пресс-служба Института солнечно-земной физики. – Теперь определяем точность всех его составных частей. Уже сегодня можно с уверенностью сказать, что расчёты наши верны, инструмент работает очень хорошо». Среди новых антенн пока можно разглядеть ряд старых: в первый же момент замечаешь поворотные устройства, окрашенные в зелёный, обращаешь внимание и на большую глубину тарелок. К тем решёткам гелиографа, которые уже установлены, но пока не работают, подводят силовые кабели и прочие коммуникации. Работают вручную, так что лопаты на фоне высокотехнологичного оборудования не кажутся чем-то инородным, как и доски, переброшенные через узкие траншеи.

Все антенны планируют запустить до конца лета, если не помешают непредвиденные обстоятельства. Тогда гелиограф заработает в полную силу. Ежедневно он будет передавать в Иркутск по 20 гигабайтов данных – в разы больше, чем старый телескоп. «Здесь у нас в основном центр приёма информации и её первичной обработки – перевода в свой формат файлов, записи и хранения, – говорит Дедюхин. – Все системы дублированы, чтобы ничего не пропало. Моя задача как инженера – обеспечить непрерывность наблюдений, дальнейшей обработкой данных занимаются учёные». Информация, полученная в ходе наблюдений за Солнцем, при этом находится в открытом доступе, так что ей могут воспользоваться не только российские исследователи, но и их коллеги из-за рубежа.

С помощью Сибирского радиогелиографа учёные намерены решить сразу несколько фундаментальных задач. В широком смысле это изучение природы солнечных вспышек и корональных выбросов массы. Список прикладных задач тоже впечатляет: от измерения индекса солнечной активности, которая напрямую влияет на людей, высокоточную технику и вообще едва ли не на всё происходящее на Земле, до краткосрочного, за два-три дня, прогноза мощных вспышек. Помимо этого в ИСЗФ СО РАН будут разрабатывать и новые инструментальные средства мониторинга солнечной активности в радиодиапазоне. «Очень большая надежда на гелиограф возлагается в трёхмерном изучении Солнца и природы вспышек», – заключает Жданов.