Пущинская радиоастрономическая обсерватория
Пу́щинская радиоастрономи́ческая обсервато́рия имени В. В. Виткевича Астрокосмического центра ФИАН (ПРАО АКЦ ФИАН, до 1996 г. Радиоастрономическая станция ФИАН; англ. Pushchino Radio Astronomy Observatory of the Lebedev Physical Institute RAS, PRAO ASC LPI), обсерватория, расположенная в г. Пущино, в 20 км от г. Серпухов Московской области.
Основана 11 апреля 1956 г. ПРАО носит имя своего первого руководителя (тогда ещё Радиоастрономической станции ФИАН) – В. В. Виткевича. Обсерватория является филиалом Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и относится к Российской академии наук и Министерству науки и высшего образования Российской Федерации.
Географическое положение и астроклимат
Пущинская радиоастрономическая обсерватория находится в г. Пущино, на правом берегу реки Ока, в 20 км от г. Серпухов Московской области. Её высота над уровнем моря составляет около 200 м. ПРАО занимает площадь в 143 га.
Для радиоастрономических инструментов сантиметрового и метрового диапазонов длин волн не обязательны ясные ночи (гораздо важнее, чтобы ни днём, ни ночью не было радиопомех). Помеховая ситуация в небольшом городке Пущино в среднем удовлетворительная, тем не менее требуется постоянный её мониторинг и в случае возникновения помех принятие соответствующих мер.
Историческая справка
Радиоастрономическая станция ФИАН (РАС ФИАН) была создана по инициативе научных сотрудников Физического института АН СССР с целью строительства и ввода в строй на территории этой станции больших радиотелескопов высокой чувствительности для обеспечения возможности проведения современных радиоастрономических исследований.
11 апреля 1956 г. вышло распоряжение Совета Министров СССР, разрешающее Академии наук СССР построить в Серпуховском районе Московской области здание Радиоастрономической станции Физического института имени П. Н. Лебедева и установить на этой станции радиотелескоп.
Основателем и первым руководителем РАС ФИАН (с 1956 по 1972) был В. В. Виткевич. После его безвременной кончины в 1972–1988 гг. должность директора РАС ФИАН занимал А. Д. Кузьмин. В 1988–2020 гг. РАС ФИАН (а с 1996 уже ПРАО АКЦ ФИАН) возглавлял Р. Д. Дагкесаманский. С 1 июля 2020 г. ПРАО АКЦ ФИАН руководит С. А. Тюльбашев.
Инструментальная база
Первым крупным радиотелескопом Пущинской радиоастрономической обсерватории стал полноповоротный параболический рефлектор РТ-22 ФИАН с главным зеркалом диаметром 22 м. Научным руководителем этого уникального на тот момент инструмента был А. Е. Саломонович, а главным конструктором – П. Д. Калачёв. В 1958 г. произведена сборка высокоточного главного зеркала РТ-22 на базе РАС ФИАН. В ноябре 1958 г. главное зеркало РТ-22 установлено на опорно-поворотное устройство, а в начале 1959 г. после установки опор облучателя смонтирован первый макет блока с приёмниками и облучателями на длинах волн 3 см и 8 мм. В апреле – мае 1959 г. выполнены первые наблюдения Солнца на длине волны 8 мм, продемонстрированные 7 мая 1959 г. на сессии научного общества имени А. С. Попова, приуроченной ко Дню Радио (Очерки истории радиоастрономии ... 1985. С. 46–47). Точность поверхности главного зеркала этого телескопа обеспечивает возможность проведения наблюдений на длине волны 8 мм и более длинных радиоволнах.
Радиотелескоп РТ-22 с параболическим рефлектором диаметром 22 м, расположенный в Пущинской радиоастрономической обсерватории. Используется для радиоастрономических наблюдений как в спектральных радиолиниях различных атомов и межзвёздных молекул, так и в непрерывном спектре; регулярно работает в качестве элемента радиоинтерферометров со сверхдлинными базами.В конце 1964 г. введён в строй второй крупный радиотелескоп – антенна Восток – Запад Диапазонного крестообразного радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН с апертурой 40 × 1000 м. Это меридианный радиотелескоп, антенно-фидерная система которого позволяет проводить наблюдения космических объектов в диапазоне длин волн от 2,5 до 10 м.
Современный вид радиотелескопа Восток – Запад ДКР-1000.Третий крупный радиотелескоп – большая антенная решётка БСА ФИАН (размерами 187 м с востока на запад и 384 м с севера на юг), работающая в диапазоне длин волн около 3 м. Этот инструмент введён в строй в конце 1973 г. и на протяжении почти 40 лет остаётся одним из самых высокочувствительных и высокоинформативных радиотелескопов метрового диапазона в мире.
Современный вид радиотелескопа БСА (Большая сканирующая антенна) Физического института имени П. Н. Лебедева.Все три перечисленные радиотелескопа (РТ-22, ДКР-1000 и БСА ФИАН) являются достаточно универсальными инструментами и используются для исследований околосолнечной плазмы и солнечного ветра, пульсаров, остатков вспышек сверхновых, радиогалактик и квазаров, областей звёздообразования и межзвёздных газовых туманностей.
Сборка выносной антенны в деревне Дубровино (на берегу Волги, Старицкий район) для измерения скорости солнечного ветра. Такая же антенна была установлена и на берегу Плещеева озера (г. Переславль-Залесский). Скорость солнечного ветра измерялась на основе одновременных наблюдений мерцающих радиоисточников на антенне Восток – Запад ДКР-1000 и на этих двух антеннах.Во 2-й половине 1960-х гг. силами сотрудников обсерватории были сооружены ещё две антенны метрового диапазона длин волн, размерами около 250 × 10 м каждая, одна из которых располагалась в районе г. Старица Тверской области, а другая – на берегу Плещеева озера (г. Переславль-Залесский). Эти антенны предназначались для одновременных с антенной Восток – Запад ДКР-1000 наблюдений межпланетных мерцаний радиоисточников, что, в частности, позволило впервые измерить скорость солнечного ветра на высоких гелиоширотах.
Антенна Север – Юг ДКР-1000 в 1980-е гг. очень эффективно использовалась для наблюдений спектральной линии поглощения атомарного углерода, соответствующей переходу между уровнями с очень большими главными квантовыми числами (747 и 749).
Антенна Север – Юг ДКР-1000.На интерферометре метрового диапазона с переменной базой, образованном антенной Восток – Запад ДКР-1000 и передвижной антенной, специально изготовленной для выносных пунктов интерферометра, в 1970–1980-е гг. выполнены важные исследования структуры радиогалактик и квазаров в метровом диапазоне длин волн.
В 2011–2019 гг. радиотелескоп РТ-22 очень эффективно работал не только по программам наблюдений космических источников радиоизлучения, но и в качестве основной антенны станции слежения в международном проекте наземно-космического интерферометра «Радиоастрон», обеспечивая получение всей научной информации со спутника «Спектр-Р», на котором был расположен космический радиотелескоп КРТ-10.
Научная деятельность обсерватории
В состав Пущинской радиоастрономической обсерватории входят 3 научных отдела:
отдел дискретных радиоисточников;
отдел плазменной астрофизики;
отдел наземно-космической радиоинтерферометрии.
Также в структуру обсерватории входит один научно-технический отдел – отдел радиотелескопов.
В качестве основных направлений исследований, ведущихся в обсерватории, можно выделить:
исследования околосолнечной и межпланетной плазмы по наблюдениям эффектов просвечивания и мерцаний радиоисточников в метровом диапазоне длин волн;
спектральные исследования газовых туманностей и областей звёздообразования, ведущиеся на радиотелескопе РТ-22 в спектральных линиях высоковозбуждённых атомов и в мазерной линии водяного пара (на длине волны 1,35 см);
исследования радиопульсаров – компактных нейтронных звёзд, обладающих мощными магнитными полями;
исследования межзвёздной и межгалактической плазмы;
исследования внегалактических источников радиоизлучения.
До конца 1960-х гг. большое место отводилось исследованиям радиоизлучения Солнца и Луны, планет Солнечной системы и их спутников. Со временем, по мере увеличения числа межпланетных космических аппаратов, радиоастрономические исследования перестали быть столь актуальными, какими они были ранее.
В обсерватории ведутся работы по созданию макета радиотелескопа метрового диапазона длин волн с широким полем зрения. Такой радиотелескоп существенно увеличил бы возможность обнаружения различных спорадических вариаций интенсивности космических источников радиоизлучения. Обсуждаются также возможности модернизации радиотелескопа РТ-22 и использования его в качестве антенны наземной станции слежения в других космических проектах.
Широкие возможности открывает анализ богатых архивных данных, полученных в результате многолетних наблюдений на радиотелескопах обсерватории по нескольким научным программам. Сюда следует отнести многолетний (более 50 лет) мониторинг динамики спектров свыше сотни областей звездообразования в мазерной радиолинии водяного пара (на длине волны 1,35 см). Большой интерес представляют также данные 40-летнего мониторинга времён прихода импульсов излучения десятков пульсаров (тайминг пульсаров). Громадный объём информации содержится и в ежесуточном мониторинге радиоизлучения около ⅓ всей небесной сферы с высоким временным и частотным разрешением, который ведётся на длине волны около 3 м с помощью высокочувствительного радиотелескопа БСА ФИАН уже на протяжении около 8 лет. Перечисленные архивные данные и продолжающиеся наблюдения могут использоваться не только в ведущихся в ПРАО АКЦ ФИАН фундаментальных исследованиях, но и в отработке методики прогноза космической погоды, для ведения пульсарной шкалы времени, для разработки методов космической навигации и в других прикладных исследованиях.
Время от времени тематические сборники статей сотрудников обсерватории издаются в Трудах Физического института имени П. Н. Лебедева РАН. Большинство же публикаций сотрудников ПРАО АКЦ ФИАН выходят в отечественных и зарубежных научных журналах.
Важнейшие научные результаты, полученные в обсерватории
Одной из важнейших задач, стоявших в начале 1960-х гг., была задача определения температуры и давления на поверхности Венеры в преддверии запуска отечественных космических аппаратов серии «Венера» со спускаемыми на поверхность планеты зондами. Потребовавшиеся для этого измерения яркостной температуры планеты в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн выполнены на радиотелескопе РТ-22 ФИАН сотрудником обсерватории А. Д. Кузьминым (Кузьмин. 1960) и независимо американскими радиоастрономами (Mayer. 1958). Однако эти измерения не позволяли сделать уверенный выбор из двух альтернативных моделей атмосферы Венеры, предсказывавших существенно различные значения температуры и давления на поверхности планеты. А. Д. Кузьминым был предложен эксперимент, позволявший сделать однозначный выбор из указанных двух моделей. Этот эксперимент выполнен Кузьминым вместе с американским радиоастрономом Б. Дж. Кларком (Кузьмин. 1965) на радиоинтерферометре Калифорнийского технологического института. Результаты этой работы легли в основу проектирования и изготовления спускаемых зондов на поверхность планеты с советских межпланетных станций серии «Венера».
В 1964 г. сотрудниками РАС ФИАН во главе с Р. Л. Сороченко в радиоспектре туманности Омега впервые зарегистрирована радиолиния высоковозбуждённого атома водорода (Sorochenko. 1964). Эта радиолиния, обусловленная переходом между уровнями атома с главными квантовыми числами 91 и 90 (линия 90α), наблюдалась на длине волны около 3 см на РТ-22 ФИАН.
Первое обнаружение рекомбинационной радиолинии 90α высоковозбуждённого атома водорода в спектре туманности Омега (M17) 27 апреля 1964 по наблюдениям на радиотелескопе РТ-22. Выполнено по материалам статьи: Сороченко Р. Л. Обнаружение в туманности NGC 6618 (Омега) радиоизлучения линии возбужденного водорода / Сороченко Р. Л., Бородзич Э. В. // Доклады Академии наук СССР. 1965. Т. 163, № 3.Возможность наблюдения радиолиний высоковозбуждённых атомов предсказана Н. С. Кардашёвым ещё в конце 1950-х гг. (Кардашев. 1959), но первые попытки наблюдения таких линий, выполненные за рубежом, не дали положительного результата. Следует отметить, что положительный результат получен в том же 1964 г. сотрудниками Пулковской обсерватории (ГАО АН СССР) при наблюдении радиолинии высоковозбуждённого атома водорода (104α) (Дравских. 1964). Этот успех советских радиоастрономов зафиксирован Государственным Комитетом по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР с датой открытия 31 августа 1964 г., когда об этих результатах было сделано сообщение в Гамбурге на XII Генеральной Ассамблее Международного астрономического союза. И указанное открытие, и последовавший за ним обширный цикл работ сотрудников РАС ФИАН легли в основу нового направления исследований в радиоастрономии. Одна из важных работ в этом направлении выполнена на антенне Север – Юг ДКР-1000 ФИАН в 1980-е гг. (Leht. 1989), когда в спектре остатка сверхновой Кассиопея А была зарегистрирована линия поглощения атома углерода 747β. Активным участникам всех этих работ, среди которых 5 сотрудников РАС ФИАН, в 1988 г. присуждена Государственная премия СССР.
К концу 1960-х гг. оформилось тесное сотрудничество группы Р. Л. Сороченко с группой радиоспектроскопистов из ГАИШ МГУ, которые уделяли особое внимание мониторингу вариаций мазерной линии водяного пара на длине волны 1,35 см в известных областях звездообразования. В результате этого сотрудничества накоплен уникальный материал наблюдений на РТ-22 ФИАН спектров более сотни таких объектов на протяжении уже 50 лет, со скважностью (интервалом между последующими наблюдениями каждого объекта) около 1 месяца.
Во 2-й половине 1960-х гг. на радиотелескопе Восток – Запад ДКР-1000 выполнен обширный цикл измерений плотностей потоков излучения радиоисточников в метровом диапазоне длин волн. Анализ спектров большой выборки радиоисточников в диапазоне метровых и дециметровых волн обнаружил наличие космологической эволюции спектров синхротронного излучения внегалактических радиоисточников (Дагкесаманский. 1969; Dagkesamanskii. 1970). Спустя 12 лет эти выводы были подтверждены в работах индийских радиоастрономов.
Открытие в 1967 г. кембриджскими радиоастрономами во главе с Э. Хьюишем пульсаров (Observation of rapidly pulsating radio sources. 1968) ознаменовало появление нового направления в радиоастрономии, связанного с исследованием как периодических, так и изолированных всплесков радиоизлучения различной природы. По инициативе В. В. Виткевича исследование пульсаров сразу же вошло в число наиболее важных научных направлений Радиоастрономической станции, а теперь уже и Пущинской радиоастрономической обсерватории ФИАН. Этому способствовало то обстоятельство, что и радиотелескоп Восток – Запад ДКР-1000, и вступивший в строй позднее радиотелескоп БСА ФИАН позволяли проводить самые разнообразные исследования пульсаров на очень высоком уровне. Уже в 1968 г. был открыт первый «пущинский пульсар» РР 0943 (Новый пульсар PP 0943 ... 1969). Наблюдения пульсаров на этих радиотелескопах позволили выполнить исследования индивидуальных импульсов и спектров пульсаров в широком диапазоне частот (Ю. П. Шитов, В. М. Малофеев, В. А. Извекова), поляризации их излучения (С. А. Сулейманова), стабильности периодов следования импульсов (Т. В. Шабанова). Сотрудниками обсерватории (А. Д. Кузьмин, Ю. П. Илясов, Ю. П. Шитов, Т. В. Шабанова и др.) вместе с коллегами из института ВНИИФТРИ Госстандарта СССР была выдвинута идея использовать пульсары в качестве внеземных стандартов частоты и организовать на этой основе пульсарную шкалу времени (Ильин. 1983). Ныне пульсарная шкала времени ведётся не только в ПРАО АКЦ ФИАН, но и во многих крупных обсерваториях мира, а сотрудники обсерватории исследуют возможности использования пульсаров в целях космической навигации (В. В. Орешко, В. А. Потапов, А. Е. Родин).
К числу важнейших развивающихся и ныне направлений исследований в Пущинской радиоастрономической обсерватории следует отнести изучение межпланетной и межзвёздной плазмы методом просвечивания. Этот метод применяется для изучения параметров протяжённой среды, через которую распространяется излучение, исходящее от более далёких радиоисточников. Анализируя параметры приходящего на Землю излучения радиопульсаров и очень далёких квазаров, удаётся получить сведения не только о характерных параметрах среды, через которую распространяется излучение этих источников, но и о временны́х вариациях этих параметров. Так, ещё в начале 1980-х гг. сотрудник обсерватории В. И. Власов обратил внимание, что с помощью ежедневных наблюдений мерцаний большого числа радиоисточников, расположенных на разных расстояниях от Солнца, можно проследить распространение возмущений межпланетной плазмы, обусловленное корональными выбросами высокоэнергичных частиц (Власов. 1981). Он же обратил внимание и на корреляцию подобных выбросов с возмущениями индексов геомагнитной активности. Всё это впоследствии легло в основу предложенного метода прогноза космической погоды.
Распространение коронального выброса высокоэнергичных частиц от Солнца, прослеженное по наблюдениям усиленных мерцаний радиоисточников 23–26 августа 1979. Выполнено по материалам статьи: Власов В. И. Межпланетные ударные волны по наблюдениям мерцаний радиоисточников // Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 10.В. В. Виткевич инициировал не только экспериментальные, но и теоретические исследования межпланетной плазмы и солнечного ветра, фактически сформировав сильную группу теоретиков, в которую вошли М. В. Конюков, И. В. Чашей и лауреат Государственной премии СССР 1990 г. В. И. Шишов. Эта группа существенно расширила представления о формировании солнечного ветра и создала основу, необходимую для интерпретации регистрируемых мерцаний радиоисточников и эффектов рассеяния их излучения на неоднородностях межпланетной плазмы, а затем и межзвёздной среды.
После модернизации радиотелескопа БСА ФИАН, выполненной в 2009–2012 гг., этот радиотелескоп является лучшим в мире инструментом для исследования возмущений, распространяющихся в межпланетной плазме от Солнца после мощных корональных выбросов. Мониторинг состояния межпланетной плазмы, осуществляемый на этом радиотелескопе, может позволить предсказать не только геомагнитные бури, но и потоки распространяющихся от Солнца высокоэнергичных частиц. Данные этого мониторинга открывают широкие возможности и для поиска различного рода спорадических вариаций космического радиоизлучения, поиска новых пульсаров и одиночных радиовсплесков самого различного происхождения. Именно такие работы ведутся группой молодых сотрудников обсерватории под руководством С. А. Тюльбашева (Tyul'bashev. 2018; 2020).
Участие обсерватории в международных проектах
На протяжении всей истории существования Радиоастрономической станции ФИАН (а позже – Пущинской радиоастрономической обсерватории) её сотрудники тесно сотрудничали со своими зарубежными коллегами. Уже в 1961 г. в Национальной радиоастрономической обсерватории США состоялась первая встреча советских и американских радиоастрономов, в которой с советской стороны приняли участие В. В. Виткевич, А. Д. Кузьмин, Р. Л. Сороченко, П. Д. Калачёв (все сотрудники РАС ФИАН), а также В. А. Санамян (Бюраканская обсерватория, Армянская ССР) и Г. Г. Гетманцев (Научно-исследовательский радиофизический институт – НИРФИ, г. Горький).
Участники советско-американской встречи в Национальной радиоастрономической обсерватории США. 1961. Позже последовала длительная (чуть меньше 1 года) командировка А. Д. Кузьмина в США для постановки наблюдений, обработки и анализа результатов измерений поляризации радиоизлучения Венеры на радиоинтерферометре Калифорнийского технологического института, о которых упоминалось выше. В середине 1960-х гг. в США вышел перевод книги А. Д. Кузьмина и А. Е. Саломоновича «Радиоастрономические методы измерений параметров антенн» (Кузьмин. 1964).
Исследования, проведённые после открытия радиолиний высоковозбуждённых атомов, легли в основу монографии, написанной Р. Л. Сороченко совместно с сотрудником Национальной радиоастрономической обсерватории США М. А. Гордоном и выдержавшей уже по 2 издания на русском и на английском языках (Сороченко. 2003).
В 1970–1980-е гг. сотрудники Пущинской обсерватории в тесном контакте с английскими радиоастрономами из радиоастрономической обсерватории Джодрелл-Бэнк Манчестерского университета (Великобритания) проводили радиоастрономические исследования пульсаров. В те же годы были отдельные работы по исследованию пульсаров и скоплений галактик, выполненные в сотрудничестве с австралийскими и американскими коллегами.
Сотрудники Пущинской радиоастрономической обсерватории принимали активное участие в международном проекте наземно-космического радиоинтерферометра «Радиоастрон». На базе ПРАО АКЦ ФИАН в самом начале 2000-х гг. был сооружён полигон для испытаний 10-метрового космического радиотелескопа КРТ-10. Испытания КРТ-10 прошли на этом полигоне в 2003–2004 гг. В 2011 г. он был запущен в космос на космическом аппарате «Спектр-Р». В течение последующих 9 лет радиотелескоп РТ-22 ФИАН работал в качестве антенны наземной станции слежения проекта «Радиоастрон», принимая основную часть научной информации с аппарата «Спектр-Р». При этом РТ-22, насколько позволяла программа «Радиоастрон», использовался и по своей обычной программе радиоастрономических исследований.
КРТ-10 в укрытии полигона для испытаний космического радиотелескопа.Ныне в мире имеет место довольно тесная кооперация по программе Space Weather («Космическая погода»). Уникальные сведения о состоянии межпланетной плазмы, которые получаются в ходе мониторинга более ⅓ всей небесной сферы по наблюдениям на радиотелескопе БСА ФИАН (Наблюдения коротирующих потоков ... 2019), крайне важны для прогнозирования космической погоды. Не исключено, что именно данные такого мониторинга межпланетных мерцаний лягут в основу не только краткосрочного, но и долгосрочного прогноза космической погоды.
Образовательная и экскурсионная деятельность обсерватории
На базе Пущинской радиоастрономической обсерватории ФИАН обучаются магистранты факультета астрофизики и радиоастрономии Пущинского государственного естественно-научного института (ПУЩГЕНИ) и аспиранты того же института по специальности «астрофизика и звёздная астрономия», а также аспиранты Физического института имени П. Н. Лебедева РАН по той же специальности.
Вечерние и ночные наблюдения в оптические телескопы. Пущинская радиоастрономическая обсерватория, Московская область.Пущинская радиоастрономическая обсерватория открыта для проведения организованных экскурсий, чаще всего школьников г. Пущино и других городов и сёл. Начиная с 2009 г., объявленного ЮНЕСКО Годом астрономии, в ПРАО ФИАН дважды в год проводятся дни открытых дверей. Исключение составил только 2020 г., когда дни открытых дверей были отменены из-за пандемии COVID-19. Однако 10 апреля 2021 г. день открытых дверей уже состоялся. В среднем, в дни открытых дверей обсерваторию посещают не менее 300–400 человек. Всего в год в обсерваторию приходят не менее 2000 экскурсантов.