АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Радиотелескоп БСА

Радиотелескоп БСА (от Большая сканирующая антенна) ФИАН — это радиотелескоп меридианного типа с заполненной апертурой. Принадлежит Пущинской радиоастрономической обсерватории имени В. В. Виткевича Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук (ПРАО АКЦ ФИАН). Радиотелескоп представляет собой антенную решётку, состоящую из 16 384 вибраторов, которые расположены на площади примерно 7 га. Введён в строй в конце 1973 г. БСА ФИАН имеет рабочую длину волны 3 м (рабочую частоту 102,5 МГц) и в этом диапазоне является самым чувствительным радиотелескопом в мире[1].

Данный инструмент используется:

Общие сведения
Радиотелескоп БСА
Организация Пущинская радиоастрономическая обсерватория
Расположение Пущино

История

С 1964‒1965 гг. на антенне «Восток — Запад» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН В. В. Виткевич и его коллеги начали регулярные наблюдения:

  • рассеяния Крабовидной туманности и некоторых других радиоисточников на неоднородностях околосолнечной плазмы;
  • мерцаний компактных радиоисточников из-за рассеяния их излучения неоднородностями солнечного ветра и межпланетной плазмы[2].

С 1968 г. научная деятельность Виткевича была почти полностью сконцентрирована на изучении пульсаров. Вскоре после их открытия в 1967 г. радиотелескоп ДКР-1000 ФИАН был оснащён необходимой приёмной аппаратурой. Наблюдения мерцающих источников и пульсаров на антенне «Восток — Запад» этого радиотелескопа были непродолжительными (~1 мин). Для того чтобы увеличить время наблюдений, можно уменьшить длину инструмента, но в этом случае уменьшится его эффективная площадь. Поэтому было решено создать радиотелескоп для дальнейших исследований пульсаров и мерцающих радиоисточников. Проектирование нового инструмента началось на территории Радиоастрономической станции (РАС) ФИАН под руководством В. В. Виткевича и с Ю. П. Илясова[3].

23 апреля 1969 г. Виткевич выступил с докладом (в соавторстве с Илясовым) на заседании Научного совета по комплексной проблеме «Радиоастрономия» АН СССР в Главной астрономической обсерватории (ГАО) АН СССР в Ленинграде. Совет одобрил сформулированные в докладе предложения и назначил экспертную комиссию под председательством Л. Д. Бахраха для более детального изучения проекта. Под руководством Виткевича коллектив сотрудников РАС ФИАН (В. А. Удальцов, Ю. И. Алексеев, Ю. П. Шитов, В. Н. Брезгунов, С. М. Кутузов, М. М. Тяптин и др.) разработал техническое задание на проектирование аппаратурного комплекса радиотелескопа БСА ФИАН.

Для нового радиоастрономического инструмента необходимо было создать антенную систему, которая имела бы простую конструкцию, а также мобильное управление направления приёма космического радиоизлучения. Проанализировав разные схемы построения радиотелескопов, группа разработчиков (В. В. Виткевич, Ю. П. Илясов, С. Н. Иванов, С. М. Кутузов и др.) сделала выбор в пользу вибраторной плоской решётки, фазируемой по одной координате подобно антенне «Север — Юг» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН. При этом многие технические решения и устройства, разработанные к тому времени для этого радиотелескопа, были использованы при построении радиотелескопа БСА ФИАН, в частности:

  • принципы фазирования и управления направлением приёма;
  • антенные предусилители;
  • электрические фазовращатели дискретного типа на релейных переключателях кабельных задержек;
  • системы управления электрическими фазовращателями.

Конструкторами было решено создать радиотелескоп на одну частоту. Ими была выбрана частота 102,5 МГц, выделенная «Регламентом радиосвязи» для подвижных средств связи (авиация). Основой радиотелескопа БСА ФИАН стала дипольная антенная решётка, состоящая из 16 384 волновых вибратора на частоту 102,5 МГц и размещённая на площади размерами: ~200 м в направлении «восток — запад» и ~400 м — в направлении «север — юг».

Монтаж конструкции радиотелескопа БСА ФИАН начался в 1970 г. Начальник РАС ФИАН, инициатор данного проекта Виткевич не увидел завершённый инструмент (он ушёл из жизни в 1972 г.). Руководство работами по его созданию взяли на себя его ученики — новый начальник РАС ФИАН А. Д. Кузьмин и научный руководитель проекта Ю. П. Илясов. Большую помощь на завершающем этапе строительства оказал заместитель директора ФИАН С. И. Никольский. Строительство радиотелескопа БСА ФИАН было завершено в 1973 г.[4]

Конструкция

При размерах вибраторного полотна 200 м х 400 м, вытянутого в направлении «север — юг», в фазированной антенной решётке (ФАР) радиотелескопа БСА ФИАН было образовано 256 рядов вибраторов с расстояниями 1,5 м (полволны) между ними и с 64 волновыми вибраторами в ряду, в котором они были соединены синфазно. На площади примерно 7 га над плоским проволочным рефлектором были установлены 16 384 волновых вибратора (по 64 в 256 рядах). Вся антенная решётка из 256 рядов была разделена на секции по восемь рядов в каждой[5].

Для управления направлением приёма по углу места в разделённой на секции решётке использовались фазовращатели с антенны «Север — Юг» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН. Для фазирования секций Илясовым было предложено использовать простую и дешёвую диаграммо-образующую систему на основе матрицы Батлера (матрица Батлера — это сеть формирования луча, которая применяется для питания фазированной решётки элементов антенны). Формирование 16-лучевой диаграммы направленности (ДН) антенны радиотелескопа БСА ФИАН осуществляется с помощью фазирующей матрицы Батлера[6].

Высокая помехозащищённость и возможность проводить наблюдения круглосуточно были обеспечены, благодаря:

  • выбранной схеме фазирования;
  • многоэтажной схеме расположения усилителей по тракту с небольшим коэффициентом усиления;
  • предложенным мерам по снижению эффектов паразитного приёма;
  • низкому расположению антенного полотна над проволочным рефлектором.

Антенна радиотелескопа БСА ФИАН работает в узкой полосе частот (~3 МГц) с фильтрацией побочных сигналов на уровнях ниже 25‒30 дБ. Благодаря переключению в антенном тракте фазовращателей дискретного типа, можно за доли секунды изменить направление приёма радиоизлучения небесных объектов[7].

Модернизация конструкции

К середине 1990-х гг. с появлением в полосе частот 100‒108 МГц коммерческих УКВ ЧМ станций Европейского стандарта, конструкторам пришлось перестроить системы радиотелескопа БСА ФИАН для работы в полосе частот 109‒113 МГц. Под руководством С. М. Кутузова были осуществлены перестройка и переналадка антенно-фидерной системы, трёх этажей антенных усилителей и диаграммообразующей схемы (матрицы Батлера). Дополнительно к основному выходу радиотелескопа БСА ФИАН была создана параллельная фазирующая система дискретного типа с использованием матриц Батлера (С. М. Кутузов, Ю. И. Азаренков, В. И. Костромин, В. В. Иванова и др.).

Радиотелескоп БСА ФИАН неоднократно модернизировался. В ходе модернизации, проведённой в 2009—2012 гг., была[8]:

  • разработана 128-лучевая фазирующая система антенны;
  • усовершенствована система распределённого усиления;
  • улучшена система калибровки радиотелескопа.

В ходе модернизации была заметно увеличена чувствительность радиотелескопа БСА ФИАН путём замены 256 антенных усилителей на новые с меньшим шум-фактором. В дополнение к прежней 8-лучевой управляемой ДН была разработана вторая, 128-лучевая стационарная ДН, поле зрения которой составляет порядка 50 квадратных градусов. При этом обе системы диаграммообразования работают параллельно.

С целью поиска и исследования коротких спорадических всплесков радиоизлучения была создана система регистрации, реализующая максимально возможное временное разрешение (~1 мкс), которое определяется полосой пропускания (~2 МГц) антенно-фидерной системы радиотелескопа БСА ФИАН[9].

В результате модернизации информативность этого инструмента увеличилась почти на 3 порядка. При этом объём регистрируемых данных за сутки составляет примерно 55 Гб (годовой массив данных более 20 Тб). Для хранения и работы с такими массивами используется файл-сервер с подключаемыми к нему дисковыми хранилищами данных.

Автоматизация исследований

В начале 1970-х гг. совместными усилиями лаборатории радиоастрономии и отдела счётно-решающих устройств ФИАН был разработан проект автоматизации исследований на радиотелескопе РТ-22 ФИАН. Значительный вклад в процесс внедрения отечественных ЭВМ в технику радиоастрономических наблюдений и измерений внёс Р. Л. Сороченко. В 1972 г. он выступил на специальном заседании Президиума АН СССР с обоснованием и программой компьютеризации отечественной радиоастрономии. В результате было принято решение о необходимости автоматизировать основные радиотелескопы и выделить радиоастрономии фонды АН СССР на управляющие ЭВМ М-6000. В 1973 г. первая подобная ЭВМ была установлена на радиотелескопе РТ-22 ФИАН, а год спустя на радиотелескопах ДКР-1000 ФИАН и БСА ФИАН.

Проект автоматизации радиотелескопа БСА ФИАН был завершён в 1978 г. Установка ЭВМ М-6000 позволила автоматизировать управление антенными системами данного инструмента. В результате учёные могут вести длительные наблюдения, изменяя за доли секунды направление приёма космического радиоизлучения[10].

Технические характеристики

  • Тип радиотелескопа: радиотелескоп меридианного типа с заполненной апертурой (плоская эквидистантная решётка из 16 384 волновых диполей размером 187 м х 384 м).
  • Рабочая частота: 102,5 МГц ± 1,5 МГц.
  • Рабочий диапазон частот: 109—113 МГц.
  • Эффективная площадь антенны: ~30000 м2.
  • Максимальная эффективная площадь антенны: 47 000 м2 (зенит).
  • Поляризация: линейная (восток — запад).
  • ДН: многолучевая (16 лучей) в плоскости меридиана (Н-плоскость) формируется с помощью матрицы Батлера. ДН фиксирована в Е-плоскости (восток — запад) по нормали к плоскости горизонта и имеет электронно-управляемое сканирование в Н-плоскости.
  • Чувствительность: 0,1‒0,5 Ян.
  • Шумовая температура антенной системы: от 560 К до 3500 К (в зависимости от фоновой температуры наблюдаемого участка неба)[11].

Научные результаты

Первые исследования

В середине 1970-х гг. на радиотелескопе БСА ФИАН под руководством Р. Д. Дагкесаманского были выполнены наблюдения ближайшей к нам спиральной галактики Туманность Андромеды. В результате наблюдений удалось подтвердить наличие у неё протяжённого радиогало, подобного радиогало нашей Галактики.

На радиотелескопе БСА ФИАН сотрудниками РАС ФИАН (в том числе, Дагкесаманским) были выполнены наблюдения радиоизлучения рентгеновских скоплений галактик, а также представительной выборки скоплений из каталога Эйбелла. Эти исследования показали, что радиоизлучение рентгеновских скоплений, характеризующееся крутыми радиоспектрами, представляет собой излучение долгоживущих остатков в прошлом активных галактик. При этом вероятность появления активной галактики тем выше, чем больше пространственная плотность галактик в скоплении[12].

Наблюдение и изучение пульсаров

Обладая высокой чувствительностью, радиотелескоп БСА ФИАН позволяет изучать пульсары на низких частотах. Некоторые методы наблюдений пульсаров на радиотелескопе БСА ФИАН:

  • ежедневный мониторинг неба в 96 пространственных лучах, покрывающих 17 000 кв. град.;
  • поиск пульсаров с перебором периодов и мер дисперсии (например, в мониторинговых наблюдениях длительностью 5 лет было обнаружено 5 новых пульсаров)[13];
  • измерение плотностей потоков радиоизлучения пульсаров с записью калибровочного сигнала, величина которого определяется с помощью точечных дискретных источников с известными плотностями потоков;
  • поляризационные измерения радиоизлучения пульсаров (например, получение поляризационных профилей усреднённых импульсов 22 пульсаров).

Некоторые результаты исследований пульсаров на радиотелескопе БСА ФИАН:

  • измерена степень поляризованности радиоизлучения пульсаров в метровом диапазоне длин волн с использованием ионосферы как «вращателя поляризации»;
  • обнаружено радиоизлучение от пульсара Геминга, ранее считавшегося «радиомолчащим» (измерены период, светимость, мера дисперсии и другие параметры этого пульсара);
  • исследовано явления «нуллинга» у пульсара J0810+37 на частоте 111 МГц[14];
  • изучена микроструктура импульсов пульсаров (например, в ходе наблюдения 7 пульсаров на частоте 102 МГц с временным разрешением до 1 мкс).
  • обнаружено импульсное периодическое радиоизлучение от 5 рентгеновских пульсаров;
  • получены интегральные профили, вычислены период и его производная многих пульсаров, сделаны оценки их плотности потока радиоизлучения, измерены меры дисперсии и расстояния до этих астрофизических объектов;
  • исследованы вариации векового замедления вращения и частоты вращения пульсара В1822-09 в течение 1985‒2008 г. (при этом обнаружены «медленные» сбои периода вращения, характерные только для этого пульсара).

На радиотелескопе БСА ФИАН были выполнены работы по ряду международных научных программ, в частности:

Изучение мерцающих источников радиоизлучения

Мерцания обусловлены рефракцией и дифракцией излучения от удалённых компактных радиоисточников на неоднородностях. С 2007 г. сотрудниками ПРАО АКЦ ФИАН ведётся круглосуточный мониторинг мерцающих радиоисточников на радиотелескопе БСА ФИАН[16].

В результате наблюдений были:

  • проанализированы мерцания радиоизлучения на неоднородностях межпланетной плазмы;
  • исследованы угловые размеры и распределение яркости дискретных источников с высоким угловым разрешением посредством анализа спектров мерцаний;
  • выполнен мониторинг мерцающих источников в рамках программы «Космическая погода» (по наблюдениям большого числа мерцающих источников были построены карты распределения неоднородной околосолнечной плазмы) и др.

Изучение галактических источников радиоизлучения

С помощью радиотелескопа БСА ФИАН:

  • исследованы физические условия в активных ядрах галактик (например, проведён поиск радиоисточников в ядрах 16 близких галактик, зарегистрированы компактные компоненты у четырёх радиогалактик);
  • выполнены обзоры галактических источников радиоизлучения, что позволило обнаружить новые компактные галактические объекты;
  • обнаружены завалы спектра у двух близких радиогалактик ЗС 111 и ЗС 465, что позволило получить оценки напряжённости магнитного поля, плотности энергии релятивистских электронов в ядрах этих галактик и др.[17]

Изучение внегалактических источников радиоизлучения

С помощью радиотелескопа БСА ФИАН:

  • проанализированы мерцания большого числа компактных внегалактических радиоисточников на неоднородностях межпланетной плазмы;
  • обнаружена сильная неоднородность распределения магнитных полей в ядрах радиогалактик 3С 111 и 3С 465 (в центральных частях ядер этих галактик, на очень малых масштабах < 0,1 пс, напряжённости магнитных полей на 4‒5 порядков лежат в диапазоне 102 < H < 104 Гс, такие сильные магнитные поля на малых масштабах обнаружены впервые)[18];
  • выявлена неоднородность пространственного распределения мерцающих внегалактических радиоисточников масштабом порядка сотен мегапарсек, что стало одним из первых указаний на существование войдов, или космических пустот, в крупномасштабной структуре Вселенной и др.

Космическая погода

После модернизации радиотелескопа БСА ФИАН, выполненной в 2009—2012 гг., он стал 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, позволяет предсказать не только геомагнитные бури, но и потоки распространяющихся от Солнца высокоэнергичных частиц[19].

Данные этого мониторинга открывают широкие возможности для поиска различного рода спорадических вариаций космического радиоизлучения, поиска новых пульсаров и одиночных радиовсплесков различного происхождения. Такие работы ведутся группой сотрудников ПРАО АКЦ ФИАН под руководством С. А. Тюльбашева.

Изучение транзиентных источников радиоизлучения

В результате наблюдений на радиотелескопе БСА ФИАН было обнаружено примерно 30 вращающихся радиотранзиентов (RRAT). Ежедневные наблюдения в режиме мониторинга проводятся в 32-канальном режиме с шириной канала 78 кГц и частотой опроса 12,5 мс. Большая эффективная площадь радиотелескопа БСА ФИАН обеспечивает высокую флуктуационную чувствительность, что позволяет проводить поиск новых RRAT.

В наблюдениях 2020 г., проведённых на радиотелескопе БСА ФИАН:

  • обнаружены два новых RRAT — J 1549 + 09 и J 2047 + 13[20];
  • получена верхняя оценка периодов вращения RRAT J 1549 + 09 и J 2047 + 13 2047 + 13 P = 2,925 с;
  • подтверждено существование RRAT, импульсы которых появляются реже, чем один импульс за 10 часов наблюдений.

В 2022 г. сообщалось, что в ходе анализа архивных данных мониторинга неба в радиодиапазоне, полученных на радиотелескопе БСА ФИАН, было обнаружено 5 новых RRAT, которые находятся в Млечном Пути.

В рамках проекта PUMPS («Пущинский многолучевой поиск пульсаров») было обнаружено более 80 новых пульсаров и 97 RRAT. По количеству открытых RRAT ПРАО АКЦ ФИАН вышла на первое место в мире[21].

Примечания

  1. ↑ Радиотелескоп БСА ФИАН. Научно-технологическая инфраструктура Российской Федерации.
  2. ↑ Виктор Витольдович Виткевич. Космический мемориал.
  3. ↑ Ю. П. Илясов. Уникальные радиотелескопы метровых волн (история создания). Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН. Архивировано 19 июня 2025 года.
  4. ↑ Р. Д. Дагкесаманский. Пущинская радиоастрономическая обсерватория. Большая Российская энциклопедия (25 декабря 2024). Архивировано 10 августа 2025 года.
  5. ↑ Пущинская радиоастрономическая обсерватория (ПРАО АКЦ ФИАН). Обсерватории России (25 июля 2023). Архивировано 8 сентября 2025 года.
  6. ↑ Ю. П. Илясов. Радиотелескопы метровых волн ФИАН. Научная электронная библиотека диссертаций и авторефератов. Архивировано 18 апреля 2025 года.
  7. ↑ В. А. Алексеев, Г. Б. Гельфрейх, В. В. Зайцев и др. Советские радиотелескопы и радиоастрономия Солнца / А. Е. Саломонович, Г. Я. Смольков. — М.: Наука, 1990. — С. 101–105. — 212 с. — ISBN 5-02-000765-X (В пер..
  8. ↑ В. В. Орешко. [https://iaaras.ru/media/issues/t64/t64_31_Oreshko.pdf Особенности формирования диаграммы направленности антенны БСА ФИАН с использованием матриц Батлера] // Труды Института прикладной астрономии РАН : Журнал. — 2023. — № 64. — С. 31–37. — ISSN 2224-7440. Архивировано 10 декабря 2024 года.
  9. ↑ Дагкесаманский Р. Д., Коваленко А. В., Сальников А. А. Аппаратура и программные средства для регистрации коротких радиовсплесков на телескопе БСА ФИАН // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2022. — № 2.
  10. ↑ К. А. Лапаев. Автоматизированная система наблюдений на радиотелескопах ДКР-1000 Восток-Запад и БСА ФИАН. АКЦ ФИАН.
  11. ↑ Радиотелескоп БСА ФИАН. Филиал "Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН" (г. Пущино) Физический институт П.Н. Лебедева Российской академии наук. Архивировано 19 июня 2025 года.
  12. ↑ Губанов А. Г., Дагкесаманский Р. Д. «Наблюдения Эйбловских скоплений галактик на волнах метрового диапазона» в сборнике «Исследование скоплений галактик и внегалактических источников радиоизлучения» (под ред. А. Д. Кузьмина) // Труды ФИАН : Журнал. — 1988. — Т. 189. — С. 43–54. Архивировано 20 июня 2025 года.
  13. ↑ С. А. Тюльбашев, М. А. Китаева, В. С. Тюльбашев, В. М. Малофеев, Г. Э. Тюльбашева. Обнаружение пяти новых пульсаров на радиотелескопе БСА ФИАН // Астрономический журнал : Журнал. — 2020. — Т. 97, № 6. — С. 505—512. — ISSN 0004-6299. Архивировано 29 января 2023 года.
  14. ↑ Теплых Д. А., Малофеев В. М. Исследование явления “нуллинга” у нового радиопульсара j0810+37 на частоте 111 МГц // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2019. — № 12.
  15. ↑ А. Д. Кузьмин, Ю. П. Шитов. Пульсары — новый класс релятивистских объектов во Вселенной. Пущинская радиоастрономическая обсерватория АКЦ ФИАН. Архивировано 19 июня 2025 года.
  16. ↑ Субаев И. А., Тюльбашев С. А., Чашей И. В. Коротирующие возмущения солнечного ветра в данных мониторинга межпланетных мерцаний на радиотелескопе БСА ФИАН // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2021. — № 6.
  17. ↑ К. А. Лапаев. Автоматизированная система наблюдений на радиотелескопах ДКР-1000 Восток-Запад и БСА ФИАН. Научная электронная библиотека диссертаций и авторефератов. Архивировано 25 апреля 2025 года.
  18. ↑ Черников П.А., Артюх В.С., Тюльбашев С.А., Лапаев К.А. Исследование физических условий в активных ядрах галактик. Физические условия в ядрах двух близких радиогалактик. EPOSLINK.
  19. ↑ Р. Д. Дагкесаманский. Пущинская радиоастрономическая обсерватория. Большая Российская энциклопедия (25 декабря 2024). Архивировано 10 августа 2025 года.
  20. ↑ Логвиненко С. В., Тюльбашев С. А., Малофеев В. М. Обнаружение двух новых RRAT на частоте 111 МГЦ // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук. — 2020. — № 12.
  21. ↑ Артём Доев. Российские астрономы обнаружили радиовсплеск из другой галактики — интервью с сотрудником ФИАН Сергеем Тюльбашевым. Российская академия наук (30 октября 2024). Архивировано 13 июля 2025 года.

Литература

Ссылки

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».