Где в России строить субтерагерцовую обсерваторию? Ученый ИПФ РАН рассказал об исследованиях астроклимата на Эльбрусе

Сотрудники Института прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова совместно с коллегами из МГТУ им. Н.Э. Баумана побывали в экспедиции на Эльбрусе для исследования астроклимата на этой территории. С помощью радиометра, разработанного в ИПФ РАН, ученые измерили яркостную температуру на высоте 4000 метров, тем самым зафиксировав новую реперную точку для дальнейших исследований. Изучение астроклимата помогает выявить наиболее благоприятные места для размещения субтерагерцовых обсерваторий. Строительство такого инструмента на территории России позволит подключиться к проекту «Телескоп Горизонта Событий» и, как следствие, повысит общую разрешающую способность наблюдений.

Астроклимат — это комплекс атмосферных и метеорологических условий, характеризующих качество астрономических наблюдений для конкретной местности, в зависимости от которых принимается решение, целесообразно ли строить обсерваторию на этой территории. Например, одно из самых подходящих мест на нашей планете — это пустыня Атакама в Чили, высота которой более 5000 метров над уровнем моря. Там достаточно сухо, что благоприятно для радиоастрономии, а за счет большой высоты общее затухание электромагнитных волн минимально.

Для современных инструментов, работающих в субтерагерцовом диапазоне, кроме паров воды критично поглощение на молекулярном кислороде. Чем выше мы поднимаемся, тем воздух становится более разреженным, кислорода меньше, и тем качественнее наблюдения. В идеале лучше выйти за пределы атмосферы, то есть наблюдать в космосе. Такие инструменты есть, но они дороги в разработке и сложны в обслуживании. Гораздо удобнее наблюдать с земной поверхности, но для этого необходимо размещать обсерватории в наиболее благоприятных местах.

Площадка должна соответствовать сразу нескольким критериям: быть достаточно сухой и с большим количеством благоприятных дней. Например, Нижний Новгород, который находится не более 200 м над уровнем моря, имеет высокую влажность и очень большое число пасмурных дней, поэтому говорить о строительстве здесь субтерагерцовых инструментов вообще не представляется возможным.

Приборы, которые используются для исследования астроклимата, называются микроволновые радиометры. Это приемники, регистрирующие яркостную температуру объекта наблюдения. Если говорить об идеальных условиях для радиоастрономических наблюдений, то это яркостная температура фона в районе 5-10 К, которая характерна для солидного высокогорья или на борту летательного аппарата.

Если говорить про умеренные широты, то здесь яркостная температура достигает 150−200 К, а иногда и все 300 К, что соответствует полному затуханию сигнала. Бывает так, что у объектов, которые приходится наблюдать, яркостная температура находится в районе 3 К, а ее вариации составляют еще на порядок меньшую величину. Вероятность качественно прописать такой объект на фоне 150 К очень низкая. Поэтому для повышения качества наблюдений надо снизить общий фон, то есть забраться повыше в горы, так как величина фона непосредственно связана с затуханием сигнала в атмосфере. Однако должна быть не только высокая гора, но и достаточно благоприятная погода.

В недавней экспедиции ученые ИПФ РАН и МГТУ им. Н.Э. Баумана наблюдали яркостную температуру в районе 90 К на склоне Эльбруса на высоте 4000 м с помощью радиометра. Однако такая величина была зафиксирована лишь единожды ночью. Радиометр, который использовали исследователи, создали в Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова в 2021 году специально для МГТУ. Гора Эльбрус удобна тем, что там есть развитая инфраструктура, но из-за большой влажности и непредсказуемости погоды строить субтерагерцовый инструмент на Эльбрусе нецелесообразно, однако провести первые испытания радиометра можно.

Кроме радиометра МГТУ им. Н.Э. Баумана в распоряжении ученых есть еще несколько подобных инструментов. Основной радиометр МИАП-2, с помощью которого проведено достаточно много наблюдений за последние 12 лет, совсем недавно вернулся из Восточных Саян с пика Хулугайша (высота 3015 м). В конце мая закончился полугодовой цикл измерений на площадке Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, и, по предварительным данным, там вполне благоприятные условия для возможного размещения первого в России субтерагерцового телескопа.

Субтерагерцовый диапазон крайне перспективен для радиоастрономии, и в мире успешно используются уже более десятка таких инструментов. Например, проект NOEMA, представляющий собой массив из 12 пятнадцатиметровых антенн в Альпах, или одна из самых современных субтерагерцовых обсерваторий ALMA в пустыне Атакама, представляющая собой комплекс из 66 антенн.

Все они могут объединяться в единую сеть и проводить наблюдения с очень высоким разрешением. А проект по объединению носит название Телескоп Горизонта Событий, которому удалось зарегистрировать тень черной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь.

Но в РФ пока ни одного подобного инструмента нет. В российском астрономическом сообществе ведутся серьезные дискуссии на этот счет. Современный инструмент нужен, это не оспаривается, но необходимо разместить его в оптимальном месте, где будет и хороший астроклимат, и инфраструктура, и это место должно иметь достаточное количество ясных дней для наблюдений. Поэтому ученые находятся в поисках подходящих площадок для того, чтобы и российские астрономы могли подключиться к проекту Телескоп Горизонта Событий, повысив общую разрешающую способность наблюдений.

Перспективным выглядит пик Хулугайша, а также несколько мест на Северном Кавказе, есть некоторые положительные результаты в Якутии. Но часто те площадки, которые потенциально пригодны, не имеют вообще никакой инфраструктуры. Построить дороги и наладить каким-то образом жизнь этой обсерватории иногда стоит в разы дороже, чем строительство самого телескопа. Поэтому лучше найти места, где уже хотя бы что-то имеется.

«Мы поймали несколько июньских дней на Эльбрусе, когда была хорошая погода, и измерили яркостную температуру неба на высоте 4000 м над уровнем моря, а спустя два дня — на высоте 1800 метров в альплагере МГТУ Джан-Туган, где мы жили», – рассказывает научный сотрудник ИПФ РАН Кирилл Минеев. – «У нас сейчас получаются три реперные точки: 4000 метров — склон Эльбруса, 1800 метров — альплагерь и крыша учебного корпуса МГТУ — пара сотен метров. Но опять же, Москва — это условия городской застройки, где общий фон достаточно большой. Поэтому интересно обработать данные и сравнить результаты, а также сопоставить с результатами, полученными в кооперации с партнерами из Специальной астрофизической обсерватории РАН и Астрокосмического центра ФИАН на пике Хулугайша. Пока могу сказать так: Эльбрус красивый, но субтерагерцовую обсерваторию лучше строить не там. Есть более благоприятные места».

Со следующей экспедицией исследователи отправятся в Нижний Архыз на площадку телескопа БТА САО РАН, где есть места, интересные с точки зрения наблюдения. Ученые ИПФ РАН считают, что это достаточно хорошая площадка для тестовой апробации первой субтерагерцовой антенны.

«Сейчас у нас в разработке находится еще один прибор совершенно нового типа, работающий непосредственно в частотном диапазоне Телескопа Горизонта Событий. С помощью него мы планируем верифицировать уже солидный архив данных, накопленный более чем за десять лет. Это позволит получить еще более объективную картину и, наконец, сформировать железные рекомендации российским астрономам относительно места размещения новейшей отечественной субтерагерцовой обсерватории», – подытоживает Кирилл.

Экспедиция на Эльбрус ученых ИПФ РАН состоялась в рамках гранта Российского научного фонда №23-79-00006.