К излету первой четверти XXI века в Южном полушарии должен появиться самый большой в истории научный инструмент. Колоссальный по занимаемой площади радиоинтерферометр, уже получивший название «Массив на квадратном километре», позволит заглянуть вглубь времен так далеко, как это только возможно.
Строительство мегарадиотелескопа Square Kilometre Array (SKA), в котором примут участие около 20 стран, начнется, согласно графику, в 2017 году, а на плановую мощность конструкция выйдет в 2024-м. Это не такое отдаленное будущее, однако создание «массива» — вопрос не только времени и денег (проект пока оценивается в 1,5 млрд евро), но и технологий, причем некоторые из них еще только предстоит создать.
Благодаря своим невиданным прежде возможностяv, SKA сможет принять участие в решинии следующих фундаментальных задач: поиск миллисекундных радиопульсаров для детекции гравитационных волн; исследование и понимание природы темной энергии и темной материи; исследование магнетизма во Вселенной и составление 3D-карты космического магнетизма; исследование генезиса и действия черных дыр; изучение эпохи реионизации вселенных и возникновения звезд и галактик; поиск сигналов от внеземных цивилизаций.
Темные дозвездные века
С помощью SKA исследователи рассчитывают собрать материал для получения ответа на вопросы, связанные с генезисом Вселенной и материального мира, такого, каким мы его знаем. Особый интерес представляют события, произошедшие в конце периода так называемых Темных веков (Dark Ages). В это время (380 000 — 150 000 000 лет после Большого взрыва) буйство ионизированных газов сошло на нет и Вселенная была заполнена гелием и атомарным водородом. Несмотря на воцарившийся «мир и покой», в этом древнем пространстве присутствовало излучение (реликтовое, а также излучение атомарного водорода на волне 21 см). Нейтральный атом водорода по причине внутриатомного перераспределения энергии испускает квант радиоизлучения один раз за 11 млн лет, но так как у разных атомов это происходит не одновременно, а их огромное количество, такое излучение создает вполне заметный фон. Больше во Вселенной не было ничего до наступления эпохи реионизации. Именно тогда стали образовываться первые космические объекты: звезды, квазары, галактики и их скопления. Там, где в пространстве вспыхивали первые светящиеся объекты, они нагревали окружающий газ, водород вновь ионизировался, и его излучение на «радиолинии 21» сходило в этих местах на нет. Там, где звездо- и галактикообразование не происходило, фон излучения атомарного водорода сохранялся. Таким образом, улавливая и анализируя древнее излучение нейтрального водорода и значение красного смещения в его спектре, можно составить некую 3D-карту Вселенной, в которой будет видна структура зарождения ранних космических объектов всего через 150 млн лет после Большого взрыва. Именно такую карту с достаточно высоким разрешением и поможет, как надеются ученые, построить SKA.
Создание самого большого в истории научного инструмента – это технологический вызов человечеству, который потребует передовых разработок в материаловедении, вычислительных технологиях и ПО.
В поисках космических часов
Еще одна фундаментальная задача — обнаружение гравитационных волн, существование которых было предсказано Эйнштейном. Собственно, для этого построены наземные интерферометры типа LIGO, пытающиеся «поймать» волну, зафиксировав ее воздействие на время прохождения лазерного луча. Но есть другой метод. Во Вселенной есть космические объекты под названием «миллисекундные радиопульсары», периоды которых отличаются поразительной точностью — на уровне атомных часов. Если очень точно замерить период излучения такого пульсара, а лучше целого массива, то можно обнаружить гравитационную волну, которая для находящегося на Земле наблюдателя внесет искажение в период излучения пульсара или пульсаров. SKA с его огромными возможностями поможет найти новые миллисекундные радиопульсары и с максимальной точностью замерит их периоды, что может значительно продвинуть дело с поиском гравитационных волн.
Эмуляция гиганта
SKA будет состоять из тысяч небольших радиотелескопах расставленных на огромных территориях, принадлежащих нескольким странам. Вычислительная техника объединит поставляемые антеннами данными и сможет эмулировать, таким образом , работу одного радиотелескопа с гигантским фокусирующим зеркалом. Телескоп, или радиоинтерферометр, сможет сканировать небо в десять раз быстрее, чем ныне существующие радиотелескопы, на частотах от 70МГц до 10ГГц. Принимающие устройства SKA включают в себя три типа: традиционные антенны-«блюдца» диаметром 15 м, а также высокочастотные и среднечастотные массивы антенн, могущие принимать излучение из любой точки неба и работающие по типу фазированной антенной решетки. В настоящее время существуют прототипы-демонстраторы, например, голландский LOFAR (около 1% мощности SKA).
Два интернета в день
Чтобы достичь таких впечатляющих результатов, мало тысяч антенн, раскиданных на тысячи километров. SKA — это колоссальный поток данных, который будет ежедневно генерироваться, обрабатываться, анализироваться и храниться. По расчетам специалистов компании IBM, которая активно участвует в проекте SKA в рамках программы DOME, ежедневно инструмент будет генерировать 1 эксабайт (1018 байт) информации, что вдвое больше, чем весь интернет на земном шаре. Получаемый поток данных будет обрабатываться суперкомпьютерами, выступающими в роли процессоров визуализации, — радиоастрономическая информация должна быть представлена в виде неких доступных для анализа карт. Ежедневная продукция этих процессоров составит порядка одного петабайта (1015 байт) в день. И все это богатство надо где-то хранить, обеспечивая при этом легкий доступ к нему для исследователей.
SKA – это не только прикосновение к тайнам времени и пространства, но еще и колссальный поток данных, с которым надо научиться работать.
Как рассказали «ПМ» в лаборатории IBM в Цюрихе, работа над SKA является для ученых компании одним из самых прорывных и масштабных проектов, в которых задействованы «большие данные» (Big Data). Предстоит трудиться сразу над несколькими направлениями — это разработка вычислительных мощностей, способных справиться с объемами данных в эксабайтном масштабе, создание на базе нанофотонных технологий сверхбыстрых магистралей для передачи информации, конструирование нового поколения устройств памяти и хранения данных.