Звезда в 3D. Иркутские физики снова стали первыми в мире в изучении Солнца и обошли коллег из Китая

1974 год. В Тункинской долине, в урочище Бадары, установили первый антенный пост. С него зародилась радиоастрофизическая обсерватория иркутского Института солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН. Спустя 50 лет антенный пост по-прежнему находится в рабочем состоянии, но в качестве музейного экспоната. В 2023 году в обсерватории вводят уникальный инструмент — единственный в мире действующий многоволновый радиогелиограф. Корреспонденты «ИрСити» съездили в Бадары, своими глазами увидели новое оборудование и узнали, почему Китай не смог ввести аналогичный инструмент.

Радиоастрофизическая обсерватория ИСЗФ РАН скрыта от любопытных глаз лесом. Чтобы добраться до нее, нужно проехать несколько километров по разухабистой грунтовой дороге. В день нашего визита пасмурно, тучи закрывают фантастический вид на Восточный Саян, но для работы Сибирского солнечного радиотелескопа — одного из крупнейших радиоинтерферометров России — это никогда не было препятствием. Он принимает радиосигналы, а потому для него критически важно отсутствие радиопомех, а не погодные условия. Хотя их телескоп тоже «видит».

— Когда приходит циклон, радиосигнал немного ослабевает. Мы по графику буквально за полминуты-минуту видим, что Солнце сейчас закроется и будет дождь — так и происходит, — говорит инженер Анатолий Муратов.

Тункинская долина — идеальное место с точки зрения астроклимата для наблюдений Солнца, об этом физики говорили не раз. Еще она хороша тем, что мало заселена. Это позволяет оберегать Сибирский солнечный радиотелескоп от радиопомех до сих пор, поскольку урочище Бадары оторвано ото всех ближайших населенных пунктов на 25 километров.

А началось всё с тестового антенного поста, который установили здесь в 1974 году. Он до сих пор несет свое дежурство — теперь как, пусть и действующий, но памятник. Оборудование работает на шаговом двигателе — и, поворачиваясь, тикает, будто часы. До недавнего времени звучание было более объемным: его в унисон издавали сразу 256 старых антенных постов.

— Это придавало особый колорит, — немного с ностальгией говорит заместитель директора Института солнечно-земной физики СО РАН Сергей Олемской.

Сейчас всё оборудование современной и бесшумное.

Сибирский солнечный радиотелескоп ввели в эксплуатацию в 1986 году. Тогда он был настоящим прорывом: в мировом научном сообществе считалось, что добиться изображения Солнца с 256 антенн одновременно практически невозможно. Но иркутские физики сделать это смогли — и аналогов тому оборудованию просто не существовало.

Старый радиогелиограф мог бы работать и сейчас. Физически он был вполне себе ничего. Но современные научные потребности он уже удовлетворять не мог. Антенны «ловили» радиосигналы только на одной частоте — 5,7 ГГц и позволяли создавать лишь двухмерное изображение Солнца.

— Новый объект нужен был, потому что появлялись новые задачи, которые нужно решать. Кажется, Солнце изучено полностью. Его недра с теоретической точки зрения мы действительно изучили достаточно хорошо. Мы знаем, как происходит переполюсовка глобального магнитного поля, как зарождается и работает динамо-машина в недрах Солнца. Но совершенно не знаем, почему на нём не работают элементарные законы физики, которые работают на планете Земля, — объясняет Сергей Олемской.

На Земле, например, чем мы дальше находимся от источника тепла, тем нам становится холоднее. На Солнце всё по-другому. На его поверхности температура достигает 6000 °С. Если удалиться от него всего на несколько сотен километров — как от Иркутска доехать до Черемхово — она возрастет уже до 1,5 миллиона градусов.

— Это на два порядка ниже, чем в эпицентре ядерного взрыва. И почему так происходит, мы не знаем. И именно в этом слое происходит ускорение частиц, именно там появляются ударные волны, которые вызывают такие негативные явления, как сход с орбиты 40 спутников компании SpaceX, который произошел в прошлом феврале, — говорит замдиректора ИСЗФ.

Разобраться с этим — одна из главных задач нового оборудования.

Проектировать многоволновый радиогелиограф начали ровно 10 лет назад — тогда еще за счет средств РАН, а потом — с федеральным финансированием. Строительно-монтажные работы на радиогелиографе начались в 2018 году. Общая стоимость объекта — 2,5 миллиарда рублей, при этом 2 миллиарда были потрачены только на саму технологию. На строительство — оставшиеся 500 миллионов рублей.

— 10 лет — это долго, — говорит Сергей Олемской. — Много времени заняло само проектирование. Объект уникальный, он нестандартный, потому долго искали проектировщика.

— Самый большой вклад — именно в интеллектуальный потенциал, — подхватывает Анатолий Муратов. — Люди год-два работают, разрабатывают НИОКРы (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. — Прим. ред.). Мы этого не видим, а люди копаются-копаются, думают, работают, многие наработки откладывают в сторону, выбирают лучший вариант. Железо — это уже итог.

Старые антенны на территории радиоастрофизической обсерватории ИСЗФ демонтировали и официально списали. На их месте смонтировали 528 новых антенных постов — ровными рядами они тянутся настолько, насколько хватает взгляда человеческих глаз. От каждого поста под землю уходят коммуникации. Для того чтобы они находились в одном температурном режиме для нивелирования дополнительного шума, еще на старте создания обсерватории построили подземный тоннель. Его лучи расходятся по сторонам света — как и «тарелки» на поверхности.

Большая часть из них, кстати, уже прошла юстировку — своеобразную настройку для того, чтобы все антенны работали как единый механизм в диапазоне от 3 до 24 Ггц. Снимки Солнца в таком диапазоне еще не делал никто. Первые две линии уже работают в опытном режиме и дают научные результаты.

— До монтажа всей линейки мы выставили 30 первых антенных постов. Из них вытащили сильно зашумленный сигнал. Изготовитель поправил то, что было нужно, и, в конце концов, мы добились сигнала без шума. Если бы мы не производили все эти маневры, мы бы эти уникальные результаты просто не получили. Получили бы только какой-то шум, — объясняет Сергей Олемской.

Именно на этапе юстировки споткнулись китайские коллеги иркутских ученых. В КНР тоже построили многоволновый радиогелиограф, только другой формы: у нас он в виде креста, у них — спирали. Но запустить его так и не смогли.

— Первый радиогелиограф был локомотивом мировой науки. А сегодня локомотив мировой науки — вот этот инструмент, — добавляет ученый. — Сам факт получения первых результатов вызвал фурор среди ученых всего мира.

С вводом нового оборудования иркутские физики получают возможность наблюдать и глобальную систему Солнце — Земля, начиная от недр Солнца и заканчивая ближним космосом. А еще — строить 3D-модель околосолнечного космического пространства. В конечном итоге это позволит прогнозировать негативные явления, которые возникают из-за солнечной активности и влияют на жизнь землян — так, как это было с упомянутым сходом спутников SpaceX.

— Тогда это произошло, потому что негативные явления, которые были вызваны и родились в недрах Солнца, сказались на ближнем космосе. Произошло вздутие атмосферы, спутники оказались в ее плотных слоях и сошли с геостационарной орбиты, — рассказывает Сергей Олемской, добавляя, что приоритет над прикладными задачами всё же у фундаментальных исследований.

Анатолий Муратов показывает своё рабочее место: у окна с видом на лес, «тарелки»-антенны и с фиалками на подоконнике стоит компьютер. Именно на нём аккумулируются первичные данные, которые поступают с нового оборудования. Изображения Солнца строится в реальном времени, ярким цветом выделяется зона его активности. Это своеобразные «скрины», в трехмерную картинку их сводят уже в Иркутске.

— С новым оборудованием наблюдать Солнце — просто заглядеться, — говорит инженер.

В день нашего визита звезда неспокойна, но в пределах нормы. Ярких событий, которые могут влиять на околоземное пространство, на самом деле, не так много.

— Но для нас магнитная буря — это норма, активное Солнце — норма, — говорит Анатолий Муратов. — Это по телевизору такие явления вызывают социальную активность, а для нас они обычные.

В Бадарах раньше наблюдали только конкретные события на Солнце — теперь планируют следить за звездой и в ее спокойном состоянии. Это позволит самостоятельно производить индекс интегральной солнечной активности F10.7, который сейчас российские ученые получают от зарубежных коллег. Это индекс представляет собой информацию о солнечной активности, на основе потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10,7 сантиметра, что необходимо для построения моделей прогнозирования состояния верхней атмосферы и ближнего космоса.

Многоволновый радиогелиограф — это часть Национального гелиогеофизического комплекса РАН. Официально оборудование планируют ввести в эксплуатацию в конце 2023 года. Вместе с комплексом оптических инструментов в Торах, который заработал в 2022 году, он завершает первый этап создания комплекса.

То, что в России такой крупный проект вообще стал возможным, — заслуга академика Гелия Александровича Жеребцова. Ещё в 2007 году он разработал программу Национального гелиогеофизического комплекса и добился поддержки не только РАН, но и руководства России — и президента, и правительства.

С вводом нового оборудования, которое, к слову, по преимуществу отечественного производства, в Институте солнечно-земной физики планируют вдвое увеличить штат научных сотрудников: с 500 до 1000. Кадры учреждение готовит для себя самостоятельно. При институте открыта магистратура со стипендией в 20 тысяч рублей и практически готовой кандидатской работой при выпуске из аспирантуры. Защищать ее, кстати, тоже можно в Иркутске: в институте есть свой диссертационный совет.

В будущем потребность в кадрах может возрасти, поскольку многоволновым радиогелиографом в Бадарах и комплексом оптических инструментов в Торах Национальный гелиогеофизический комплекс РАН не завершается. На следующих этапах будут строить систему радаров и мезостратосферный лидар — мощный лазер для исследования верхних слоев атмосферы (оба инструмента возведут на побережье Байкала в Иркутской области), нагревный стенд под Ангарском и центр обработки данных в Иркутске.

Завершится реализация проекта вводом в 2030 году самого крупного объекта — коронографа. Солнечный телескоп построят в Саянской солнечной обсерватории в поселке Монды в Бурятии. Возводить его начнут уже в 2023 году.

Больше новостей, фотографий и видео с места событий — в нашем Telegram-канале. Подписывайтесь и узнавайте всё самое интересное и важное из жизни региона первыми.