Аресибо

Мировая астрофизика понесла тяжелую утрату один из самых больших, и, пожалуй, самый известный радиотелескоп в мире Arecibo, отключен навсегда и будет демонтирован. Он снимался в кино и отправлял сигнал потенциальным братьям по разуму, он искал инопланетян в программе SETI@home и нашел первую планету за пределами Солнечной системы, он картографировал Венеру и пролетающие астероиды, но усталость металла взяла свое через 57 лет после строительства. Первый трос оборвался в августе 2020-го, второй трос в начале ноября, а вчера ученые приняли решение, что ремонт слишком опасен для рабочих и проще подорвать опоры телескопа самим, чем ждать его крушения.



Радиотелескоп построили американцы в 1963 году в Пуэрто-Рико тропическом острове в Карибском море. Место постройки выбиралось по ряду причин, в числе которых географическая широта, удаленность от цивилизации, рельеф местности. Конструкция Arecibo заметно отличается от многих других радиотелескопов. Большинство тарелок, которые астрономы называют главное зеркало, имеют поворотную конструкцию, которая позволяет направлять антенну в любую точку видимого небосвода.



Это расширяет их возможности, но ограничивает размер самые большие поворотные антенны имеют диаметр 100 метров. Arecibo же имеет диаметр 305 метров, но его главное зеркало уложено в котловину старой карстовой воронки (иногда её ошибочно называют потухшим вулканом). Собирающая антенна Arecibo неподвижна относительно земли, зато движется облучатель принимающая антенна в фокусе тарелки. Для этого над главным зеркалом подвешена платформа, на высоте 150 метров.



Подвижность облучателя позволяет радиотелескопу охватывать часть неба в радиусе 20 вокруг зенита, но, чтобы реализовать такую возможность главное зеркало сделали сферическим, а не параболическим. Благодаря наклону земной оси в течение года обсерватория могла наблюдать значительную часть небосвода северного полушария. Подобное техническое решение реализовано и в советско-российском радиотелескопе РАТАН-600, хотя конструкции антенн там заметно отличаются.

Любопытно, что сейчас похожие двухметровые микро-Аресибо для школ и институтов производит российская частная компания Лоретт. Такая компоновка проста по конструкции, легка в перемещении и монтаже и удобна для размещения на крыше.



Радиотелескоп Arecibo в отличие от многих своих меньших собратьев был не просто ухом, он мог и говорить, т.е. работать как радар. Это открывало уникальные возможности для ученых экспериментальную астрономию. В большинстве своем астрономия это пассивная наука, ученые создают научные инструменты и наблюдают, собирают сигналы и свет, которые прилетают на Землю естественным путем. Arecibo же светил в радиодиапазоне сам, и мог принимать отраженные лучи. Так ему удалось картографировать Венеру с разрешением до 1 км. Точнее карты смогли создать только советские Венеры, и американский Magellan.

Arecibo сумел рассмотреть у полюсов Меркурия странные отложения, которые потом зонд Messenger сумел определить как водяной лед.



Да, на ближайшей планете к Солнцу, есть залежи водяного льда!

И ничего подобного он не обнаружил у нашей Луны. Хотя сейчас считается, что приполярный грунт Луны относительно богат на воду, и это подтверждалось независимыми методами но, вероятно, это не ледники, а небольшие кристаллики льда, распределенные в грунте.



В последние годы, радар Arecibo много работал в определении расстояния и даже в картографировании пролетающих околоземных астероидов. В этом деле он практически воплотил идею, из которой и вырос предупреждение угрозы из космоса. Хотя шестьдесят лет назад источником такой угрозы считался Советский Союз, а не Пояс астероидов.

В некоторых случаях Arecibo не наблюдал астероид сам, а только подсвечивал его, а отраженные радиосигналы принимали другие радиотелескопы, например 100-метровый Green Bank Telescope или 70-метровый Goldstone в США. В паре они славно поработали, и теперь мы знаем об астероидах намного больше.

Например, что у некоторых космических камней есть спутники камни поменьше.



Некоторые двойные.



А некоторые контактные двийные, что более характерно для ядер комет.



Самый дальний выстрел Arecibo одноименное послание. Адресат послания звездное скопление М13 будет ждать сигнала 25 тыс лет, а потом нам столько же придется ждать ответа. Поэтому это был скорее красивый пиар, чем реальная наука, зато он обеспечил популярность обсерватории и устойчивое финансирование на протяжении десятилетий. В популяризации помогал и Голливуд, полюбивший футуристичную архитектуру телескопа. Здесь и Джеймс Бонд побеждал злодеев, и Джоди Фостер слушала инопланетные сигналы в фантастическом фильме Контакт.

В астрофизике и наблюдении дальнего космоса Arecibo тоже проявил себя. Сначала подтвердил нейтронную звезду в Крабовидной туманности, а потом сумел услышать планету возле пульсара. Точнее слышал он только пульсар, но характер его радиоимпульсов подсказал ученым, что рядом есть какая-то постоянная помеха. Это оказалась первая подтвержденная внесолнечная планета. Сейчас экзопланет подтвердили уже несколько тысяч, и даже дали Нобелевку, правда не за пульсарную, а обычную звездную, да и ищут другими методами.

Поработал Arecibo и с нашим РадиоАстроном в изучении самых дальних объектов наблюдаемой Вселенной квазаров. Совместно с другими большими телескопами Arecibo внес вклад в одно из самых важных открытий РадиоАстрона определил экстремальную яркость квазаров, которая невозможна по существующим моделям этих явлений.



Радиотелескоп хотя и оставался долгое время самым большим в своем классе, но регулярно модернизировался. Первоначально у него даже не было тарелки это была мелкая сетка, повисшая на тросах над котловиной. Затем на сетку повесили более 30 тыс алюминиевых перфорированных пластин. Это расширило диапазон слышимости радиотелескопа. Для защиты от растущих помех, по периметру тарелки поставили сетчатый забор. В 90-е к облучателю, похожему на большую телевизионную антенну, добавили еще Григорианский купол вторичное зеркало, которое повысило точность принимаемых сигналов, и позволило разместить новое оборудование, как для приема, так и для передачи.



В результате выросли возможности обсерватории, но и увеличилась нагрузка на систему тросов. На трех опорах держалась не только сетчатая основа тарелки с алюминиевыми листами, но и 900-тонная платформа облучателя и Григорианского купола. Но телескоп держался. Его возводили в сейсмически активном регионе, в котором нередки тропические циклоны, поэтому запас прочности там был. Первым сдали бюджеты. Финансовые проблемы начались еще в 2000-е. Уже тогда ученым приходилось писать воззвания к политикам о выделении средств на обсерваторию. И тут география сыграла против науки если б он был на территории США, то его культурное и образовательное значение помогало бы. А так, вся его известность развивала туристическую индустрию Пуэрто-Рико, а за его работу платить приходилось из бюджета США. Поэтому американские чиновники пользовались любым удобным поводом, чтобы урезать бюджет, а у пуэрто-риканских чиновников средств не хватало. Некоторый вклад вносило и NASA, и в сумме удавалось набирать и на работу и на обслуживание телескопа.

Потом и техника начала сдавать.
В 2008 году остров тряхнуло землетрясение в 6 с лишним баллов, и на Arecibo начала расплетаться один из вспомогательных тросов, который держал платформу. Его быстро зафиксировали с помощью стальной шины.
В 2017-м на Пуэрто-Рико обрушился ураган Мария, который оторвал две трети штыря старой тв антенны облучателя. Она упала на тарелку и выбила несколько сегментов.
В 2018 году телескоп утратил звание самого большого, когда Китай закончил строительство 500-метрового FAST.
Наконец в августе 2020-го, без видимых причин, выскочил из крепления один из вспомогательных тросов платформы Arecibo, пробил 30-метровую дыру в главном зеркале, и немного повредил Григорианский купол.



Едва ученые смогли оценить повреждения, и с горем пополам выбить средства на ремонт, как порвался второй трос. И это повреждение оказалось намного серьезнее первого. Дело уже не в размере дыры в главном зеркале, а в том, что это был один из шести тросов, на которых вся тарелка и висела над ложбиной. Оставшиеся тросы затрещали и тоже стали терять мелкие нити. Более того, оказалось, что главный трос лопнул в безветренную погоду, под воздействием 60% от предельно допустимой нагрузки. Т.е. если это не брак конкретного троса, а общее свойство их всех, то остальные могут порваться точно также в любой момент и по взмаху крыла колибри.



В таких условиях аварийные работы чреваты человеческими жертвами, которых пока удавалось избежать. И не то, чтобы в Пуэрто-Рико не нашлось бы достаточного количества суицидальных монтажников, готовых рискнуть за тройной оклад. Просто нынешняя ситуация удобный повод для чиновников поставить окончательный крест на телескопе. Теперь они готовы дать денег только на быструю контролируемую разборку. Обсерватория там останется, но больше как культурный и образовательный объект. Значение же для фундаментальной науки сведется к практически к нулю.

В удалении от крупных населенных пунктов, скрытая от посторонних глаз туманом и холмами, многие десятки лет работала крупнейшая в мире обсерватория Аресибо. Это было чудо инженерии. Зеркало радиотелескопа, 350-тонная тарелка в форме чаши, была собрана из примерно 40 000 перфорированных алюминиевых панелей. Размещался радиотелескоп в естественной воронке диаметром 305 метров.

На высоте примерно 140 метров от чаши находилась 900-тонная платформа треугольной формы. На ней размещалось необходимое для работы с радиосигналами оборудование. За 60 лет своей работы телескоп позволил совершить массу открытий, которые можно назвать революционными. К сожалению, недавно радиотелескоп был разрушен и восстановлению он не подлежит. В этой статье рассказывается о том, что привело к столь печальному финалу. Можно ли было спасти обсерваторию? Может быть, но проблем было очень много. Их вроде бы решили, но наступил неожиданный финал.

Как все начиналось

Впервые я побывал в обсерватории 35 лет назад, когда мне было 12 лет. Мы поехали к родственникам и посетили Аресибо, радиотелескоп, находившийся в нескольких километрах от дома, который мы посетили. Обсерватория произвела на меня огромное впечатление.

В 1995 году я вернулся туда уже будучи студентом. Это было захватывающее время. Тогда обсерватория отмечала свой 30-летний юбилей масштабным обновлением оборудования. В будние дни я анализировал результаты наблюдения нейтронных звезд с Кириаки Ксилури, одним из штатных астрономов обсерватории и экспертом как раз по нейтронным звездам. Как известно, такие звезды, диаметром всего в несколько километров, содержат огромное количество вещества, сжатого до невероятной плотности. Масса нейтронных звезд часто превышает массу Солнца. Результаты наблюдений за такими объектами окно в микро- и макромир, условия которых кардинально отличаются от того, что нам знакомо и того, что мы можем представить.

Размер и чувствительность радиотелескопа из Аресибо сделали его идеальным инструментом по изучению нейтронных звезд. Именно в этой обсерватории Рассел Халс и Джозеф Тейлор открыли первую двойную систему нейтронных звезд два объекта огромной массы, вращающиеся вокруг общего центра по малой орбите. Наблюдения ученых показали, что система теряет энергию, так что звезды медленно, очень медленно сближаются, в точности так, как предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. В октябре 1993 года, менее чем за два года до моего 10-недельного пребывания в обсерватории, эта работа принесла двум ученым Нобелевскую премию по физике, что достаточно редко случается с астрономами.


В конце лета я поднялся на вершину платформы, находящейся над чащей, чувствуя себя нелепо в своей оранжевой каске и боясь взглянуть вниз. Я был на вершине мира. Спустя годы, подавая документы на вступление в аспирантуру, я попытался описать свои ощущения в личном эссе: хотел рассказать, как те 10 недель, проведенных в горах Аресибо, укрепили мое желание стать астрономом.

Постепенный упадок

Да, спустя десятилетие после описываемых выше событий начался упадок Аресибо. В 2005 году Национальный научный фонд (National Science Foundation) решил пересмотреть список грантов, предоставляемый обсерваториям и астрономам. Тогда все это обходилось Фонду в $190 в год. Конечно, Фонд регулярно пересматривал свое портфолио для того, чтобы убедиться в нормальном балансе между долгосрочными исследованиями, которые выполняют обсерватории и краткосрочными, для которых требуются гранты.

К сожалению, баланс никогда не был идеальным. Проблема в том, что новые обсерватории всегда получали средства на развитие, оборудование, операционные расходы. Все это более-менее совпадало с планами Фонда. А вот в случае уже существующих обсерваторий планы выполнялись не всегда. Обычно размер фонда заработной платы увеличивался год от года, соответственно, увеличивался и планируемый бюджет. Но вот финансирование самого NSF далеко не всегда росло такими же темпами. В начале 2000-х Фонд попросил группу крупных астрономов рассмотреть существующие траты, проекты и попробовать урезать расходы на $30 млн.


Обсерватория Аресибо тогда получала 10 млн долларов США ежегодно. Комиссия астрономов сразу же рекомендовала урезать эту сумму до $8 млн, а затем, в 2011 решила урезать расходы еще раз, уже до $4 млн. Комиссия решила стимулировать ученых искать международных партнеров, которые могли бы покрыть часть расходов. Если партнеры не найдутся, комиссия рекомендовала и вовсе закрыть Аресибо к 2011 году. В целом, обсерватории удалось найти финансирование, и просуществовать еще 10 лет.

В то время я получил степень PhD и получил доступ к отчету NSF. Мне было неприятно видеть, что предлагается сделать с обсерваторией. Особенное раздражение вызвал пункт, где говорилось о том, что Пуэрто-Рико, возможно, захочет оплатить операционные расходы обсерватории.

И это в то время, когда Пуэрто-Рико находилось в глубоком кризисе. Не работали многие госучреждения просто потому, что в бюджете закончились средства. В течение двух недель государственный аппарат практически не работал, около 100 000 госслужащих были уволены, правительство закрыло свыше 1600 государственных школ. Откуда, по мнению комиссии, государство могло достать средства?

У Пуэрто-Рико еще и не было сильного лидера в Конгрессе так что лоббировать интересы Аресибо было невозможно. Пример такого лидера Барбара Микульски, которая в начале 2000-х лоббировала запуск команды сервисного обслуживания телескопа Хаббл. У нее все получилось, в 2009 году Хаббл отремонтировали, а так в 2007 году его просто вывели бы из эксплуатации, да и все. С Аресибо, к сожалению, ничего не получилось.

У Пуэрто-Рико нет реального влияния в столице США, нет и делегации в Конгрессе, которая могла бы защищать интересы острова и его жителей. Остров представлен только одним человеком, чиновником, который может голосовать лишь по процедурным вопросам.


К сожалению, финансовые проблемы Пуэрто-Рико лишь начинались, так что Аресибо не ожидало ничего хорошего. К 2015 году 46% населения острова переступили черту бедности, тут уже было не до науки и спасения обсерватории.

Летом 2010 года Колумбийский университет предложил мне работу, и я стал штатным сотрудником. В декабре того же года меня пригласил Фонд для рассмотрения бюджета. Несмотря на усилия комиссии, бюджет Отделения астрономических наук оказался на десятки миллионов долларов США ниже необходимого минимума. Кроме того, большую часть выделенных средств оттягивало на себя строительство ультрасовременного радиотелескопа, Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array. Нужно было финансировать это строительство, а также где-то найти $16 млн в год на строительство Солнечного телескопа Дэниела К. Иноуе ( DKIST ).

В свете всего этого появилась идея окончательно прекратить финансировать Аресибо. Тогда это казалось не просто хорошей идеей, но даже победой. Какие-то средства все же выделялись, но их не хватало на обновление деградирующей инфраструктуры или, тем более, приобретение новых инструментов. Обсерватория нашла новые источники финансирования, в частности, благодаря программе наблюдения за опасными для Земли астероидами.


Благодаря этой программе обсерватория Аресибо, у команды которой был огромный опыт изучения и измерения астероидов, получила около $2 млн, а в 2012 году $3,5 млн. Этого было достаточно для продолжения работы объекта, но не для обновления его инфраструктуры.

Но Фонд продолжал настаивать на идее прекращения работы обсерватории Аресибо. В одном из отчетов подробно рассчитывалась стоимость демонтажа объекта после вывода его из эксплуатации. По правилам, местность должна быть восстановлена до изначального состояния после прекращения работы подобного объекта. Авторы отчета сознательно сильно занизили цену демонтажа и последующих работ для того, чтобы показать привлекательность идеи.

Ситуация ухудшилась после того, как Роберт Керр, руководившией обсерваторией многие годы, решил уволиться. После этого партнеры Аресибо отказались от продления контракта и участь объекта была решена. Правда, в 2017 году у обсерватории появился шанс Университет Центральной Флориды решил защитить обсерваторию. Идея была в том, чтобы возложить финансирование Аресибо на Университет, а значит на штат Флорида. Это рискованный план, поскольку у самого Университета не было опыта в управлении столь масштабным объектом. Администрация штата должна была согласовать этот план, чтобы он стал реальностью.

Спасение телескопа и неожиданный конец всего

Фонд NSF принял предложение Флориды, согласившись не закрывать объект. Но здесь появился и другая проблема, еще более серьезная, чем недостаточное финансирование ураган Мария. Он обрушился на Пуэрто-Рико, причинив всему острову ущерб на 90 млрд долларов США. Обсерваторию тоже потрепало была сорвана с платформы 100-метровая антенна, при ее падении были повреждены сотни алюминиевых панелей. Долгое время к оборудованию в долине под тарелкой можно было добраться лишь на лодке. Тем не менее, восстановить работоспособность радиотелескопа удалось удивительно быстро уже через девять дней после того, как ураган затих, телескоп продолжил собирать данные.

Несмотря на ураган, дело пошло на лад Флорида согласилась взять на себя обслуживание телескопа. Ученые из Фонда предложили добавить в конструкцию специальную систему с криогенным охлаждением, которая позволяла обнаруживать новые пульсары, нейтронные звезды и показывать струи водорода у ближайших галактик. Инструмент планировалось установить в 2022 году. В августе 2019 года Фонд выделил 12,3 млн долларов США на ремонт после урагана, плюс НАСА предоставило крупный грант для реализации программы поиска потенциально опасных для Земли объектов.

Беда пришла, откуда не ждали: лопнул один из метталлических тросов, поддерживающих конструкцию. Он упал с огромной высоты, рассекая все панели в чаше, что попадались ему по пути. Это не было огромной проблемой нужно было просто заменить кабель и 250 уничтоженных панелей.

6 ноября к Пуэрто-Рико отправился транспорт с новым кабелем. Но тут лопнул еще один. И тогда Фонд, представители которого проконсультировались с рядом инженерных компаний, заявил, что любые ремонтные работы будут слишком опасны. Проблема в том, что устойчивость как самой платформы, так и ее опорных башен была нарушена. Когда все это рухнет было уже лишь вопросом времени.

Первого декабря произошла финальная катастрофа лопнуло еще несколько кабелей, и платформа, нависавшая над чащей, рухнула вниз. Было похоже на то, что на телескоп сбросили бомбу.


Сегодня некоторые объекты обсерватории функционируют, но все знают, что радиотелескоп никогда не будет восстановлен. Обсерватории пришел конец. Я так и не смог себя заставить посмотреть запись катастрофы, которая уничтожила Аресибо.


^{Сын автора статьи осматривает телескоп в 2019 году}