Австралийская компактная антенная решётка

История строительства антенной решётки ATCA восходит к середине 1970-х годов, когда объединённым комитетом, состоящим из австралийских учёных, был предложен проект радиоинтерферометра AST (англ. Australian Synthesis Telescope), который планировалось построить в обсерватории Паркса в дополнение к уже работавшему там 64-метровому радиотелескопу. Концепция разрабатывалась совместно Государственным объединением научных и прикладных исследований (CSIRO), Сиднейским университетом и обсерваторией Маунт-Стромло. В 1978 году после длительных дискуссий было принято решение, что радиоинтерферометр должен состоять из множества небольших подвижных радиоантенн. Однако в итоге проект был отклонён правительством Австралии из-за узкого научного потенциала и недостаточного финансирования — всего 9 млн австралийских долларов^[5].

Ситуация изменилась в 1981 году с приходом нового руководителя Отдела радиофизики CSIRO Роберта Фрейтера (англ. Robert Frater). Он расширил масштаб проекта, сделал его более инновационным и перенёс будущую площадку из обсерватории Паркса в окрестности небольшого города Наррабри, на место закрывающейся солнечной радиообсерватории. Новый план позволил интегрировать будущую решётку в эффективную сеть телескопов, состоящую из трёх элементов: вблизи Наррабри, в обсерватории Паркса и в обсерватории Сайдинг-Спринг. Был разработан новый дизайн радиотелескопа, учитывающий потребности различных астрономических групп. Новый проект также позволил расширить научные задачи инструмента, включив в них наблюдения в спектральных линиях на малых длинах волн с высоким угловым разрешением, исследования в широком диапазоне длин волн, а также радиоинтерферометрию со сверхдлинными базами (РСДБ). После нескольких месяцев лоббирования и обещания Фрейтера потратить 80% средств на территории Австралии федеральное правительство в августе 1982 года утвердило финансирование; окончательное одобрение проект получил в ноябре 1983 года^[5].

Телескоп был объявлен официальным проектом в честь двухсотлетия Австралии и должен был быть открыт в 1988 году. Совместно с инженерами компаний-партнёров были созданы передовые конструкции 22-метровых радиоантенн, технологии производства которых передали местной промышленности, что стало значительным стимулом для развития национальных телекоммуникационных технологий. Это не только дало толчок развитию беспроводных телекоммуникаций в стране, но и позволило австралийским предприятиям выйти на азиатский рынок, принеся десятки миллионов долларов прибыли. Общая стоимость составила 50 млн австралийских долларов (в ценах 1988 года), при этом 80% средств были израсходованы внутри страны. Пять лет напряжённой работы увенчались успехом: первый скоррелированный сигнал (аналог первого света в оптической астрономии) был принят телескопом в августе 1988 года. Официальное открытие состоялось 2 сентября 1988 года в присутствии премьер-министра Австралии Роберта Хоука^[5].

В проект ATCA были заложены высокая разрешающая способность, широкая полоса пропускания и способность точно измерять поляризацию радиосигналов, благодаря чему комплекс изначально превзошёл по гибкости многие старые обсерватории Северного полушария Земли. В результате Австралия сохранила за собой статус одного из мировых лидеров в области радиоастрономии, а телескоп стал уникальным и ведущим научным инструментом этого типа в Южном полушарии^[5].

Антенная решётка ATCA является частью Австралийского национального комплекса телескопов (ATNF) и находится под управлением Государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO). В состав ATNF входит также несколько других крупных наблюдательных комплексов, включая обсерваторию Паркса, а также радиоинтерферометр ASKAP на западе Австралии^[3].

Радиоинтерферометр ATCA расположен в Обсерватории имени Пола Уальда (англ. Paul Wild Observatory), названной в честь австралийского радиоастронома Джона Пола Уальда (1923—2008), который руководил развитием данной площадки, а впоследствии стал председателем CSIRO^[6]. Это место находится в 25 км к западу от небольшого города Наррабри, в сельской местности Нового Южного Уэльса, примерно в 500 км к северо-западу от Сиднея^[3][2][7]. Площадка расположена на высоте 236 м над уровнем моря^[1].

ATCA является одним их ведущих радиоастрономических инструментом в Южном полушарии Земли. Она работает 365 дней в году, 24 часа в сутки^[3][8]. Около 80% всего времени в году выделяется на научные наблюдения, и менее 5% этого времени теряется из-за сильного ветра, плохой погоды или неисправностей оборудования; остальные 20% годового времени используется для технического обслуживания и тестирования^[8][2]. Астрономы со всего мира могут подавать заявки на использование телескопа. Наблюдатели могут управлять им из диспетчерской или из другого места через Интернет. При удалённом использовании телескопа на площадке всегда присутствует штатный сотрудник обсерватории^[2].

Решётка ATCA открыта для широкого круга посетителей. Комплекс включает в себя туристический центр, и которого можно наблюдать за работой решётки; в нём представлен ряд информационных дисплеев и аудиовизуальных презентаций, в то время как на прилегающей территории есть экспонаты и развлечения для посетителей. Регулярно проводятся дни открытых дверей, а также мероприятия, приуроченные к особым событиям, таким как годовщина первой высадки человека на Луну или крупные юбилеи самого телескопа^[6].

Антенная решётка ATCA представляет собой радиоинтерферометр, то есть радиосигналы, принимаемые каждой антенной, объединяются и обрабатываются совместно для получения более детальных изображений, чем могла бы обеспечить одна антенна^[8][2].

ATCA состоит из 6 одинаковых параболических радиоантенн диаметром 22 м каждая, работающих в режиме апертурного синтеза для получения радиоизображений. Каждая антенна установлена на альт-азимутальной монтировке. Пять из них могут перемещаться по железнодорожному пути длиной 3 км, ориентированному с востока на запад. В его центре имеется также короткий участок пути длиной 214 м, ориентированный перпендикулярно основному участку, с севера на юг. Шестая антенна расположена в 3 км к западу от конца главного пути. Таким образом, максимально возможная база составляет 6 км. Каждая антенна имеет массу около 270 тонн^[1][2].

Подвижные антенны могут быть установлены на любой из 44 станционных опор, расположенных вдоль железнодорожного пути. Эти опоры обеспечивают питание антенн и сетевые соединения, позволяющие передавать команды из здания управления к антенне и получать наблюдательные данные от антенны. Они оснащены высокоскоростными оптическими линиями для передачи данных. Минимальный доступный шаг изменения базы составляет 15,3 м, а минимальная физическая база — 30,6 м^[1]. В здании управления сигналы от каждой антенны комбинируются с сигналами от всех остальных антенн в серии попарных сравнений для формирования изображений космических радиоисточников^[2].

Решётка может использоваться для наблюдений в пяти диапазонах длин волн от 3 мм до 27 см, что соответствует частотам примерно от 105 ГГц до 1,1 ГГц^[1]. Точность наведения на определённую точку небесной сферы превышает 2″^[8][2].

ATCA является частью Австралийского национального комплекса телескопов (ATNF) и часто используется совместно с другими его инструментами — 64-метровым радиотелескопом обсерватории Паркса, одиночной 22-метровой радиоантенной «Мопра» близ Кунабарабрана и некоторыми другими — образуя радиоинтерферометрическую сеть со сверхдлинными базами^[4].

Радиоинтерферометр ATCA доступен для использования астрономами со всего мира. Ежегодно радиотелескопы CSIRO (ATCA, «Мопра» и 64-метровый радиотелескоп обсерватории Паркса) используются более чем 400 астрономами из более чем 130 учреждений Австралии и других стран^[2]. Около трети пользователей ATCA являются сотрудниками CSIRO, ещё около трети — представителями других австралийских научных учреждений, а оставшуюся треть составляют зарубежные астрономы. Наблюдения на телескопе часто проводятся в дистанционном режиме. В среднем, в разное время суток выполняются два астрономических проекта. Средняя продолжительность наблюдений составляет около 3 суток. После подачи заявок на использование решётки ATCA они проходят независимую экспертизу и лучшим из них выделяется наблюдательное время. Использование телескопов является бесплатным^[3].

Ежегодно антенная решётка ATCA используется более чем 100 наблюдательными группами для изучения таких тем, как^[8]:

• ранние стадии звездообразования и поздние стадии эволюции звёзд;
• молекулы в космическом пространстве;
• взрывы сверхновых звёзд и остатки сверхновых, излучающие в радиодиапазоне;
• магнитные поля в галактиках;
• радиоизлучающие струи вещества, выбрасываемые чёрными дырами;
• распределение водорода в ближней Вселенной.

Среди наиболее значимых достижений — получение первого трёхмерного изображения радиационных поясов Юпитера, первые убедительные доказательства связи взрывающихся звёзд с гамма-всплесками и первое изображение, показывающее, как газ перемешивается в межзвёздном пространстве^[8].

Среди главных достижений научной работы ATCA можно выделить следующие^[9]:

• 1991 год: получено первое радиоизображение остатка сверхновой в процессе его формирования (SNR 1987A в Большом Магеллановом Облаке).
• 1992 год: зафиксированы самые длинные на тот момент релятивистские струи в радиодиапазоне (радиогалактика 0319–453).
• 1995 год: созданы первые трёхмерные модели радиационных поясов Юпитера, показавшие свойства его магнитного поля ближе к планете, чем могли измерить космические аппараты.
• 1996 год: созданы самые подробные карты распределения водорода в Магеллановых Облаках.
• 1998 год: получены первые доказательства связи гамма-всплесков со сверхновыми звёздами.
• 2001 год: наблюдения показали, что скопление галактик Abell 3667, состоящее примерно из 500 галактик, образовалось в результате слияния двух меньших скоплений. Это первое наблюдательное доказательство такого процесса.
• 2001 год (совместно с телескопом обсерватории Паркса): построена первая трехмерная структура галактики, повернутой плашмя к земному наблюдателю (Большое Магелланово Облако).
• 2002 год (совместно с космической рентгеновской обсерваторией «Чандра»): впервые зафиксирован весь жизненный цикл релятивистских струй микроквазара XTE J1550–564 — от момента их извержения до замедления и угасания.
• 2003 год: доказано, что при гамма-всплесках выделяется примерно одинаковое общее количество энергии, что указывает на их общее происхождение.
• 2004 год: первые наблюдения нейтронной звезды, испускающей релятивистскую струю. Это поставило под сомнение идею о том, что только черные дыры способны создавать условия, необходимые для разгона струй до таких экстремальных скоростей.

Решётка ATCA является одним из самых передовых телескопов своего типа. Всего в мире насчитывается около десятка таких инструментов. По числу публикаций и цитирований она входит в тройку лучших телескопов своего класса^[8].

Хотя решётка ATCA является телескопом, предназначенным в основном для радиоастрономических наблюдений, в 2007 году она была оснащена приёмниками, позволяющими принимать радиоизлучение с длиной волны 7 мм. Это позволяет время от времени использовать её для помощи NASA в отслеживании космических аппаратов^[2].