Мы живем в золотой век астрономии. Не только визуальные телескопы, такие как JWST, открывают древние галактики и экзопланеты, но и наземные радиотелескопы, такие как Телескоп Горизонта Событий, который сделал первое изображение черной дыры, помогают нам исследовать самые глубокие тайны вселенной и физики. Даже строится радиотелескоп, который сможет обнаруживать биосигнатуры в атмосферах экзопланет и, возможно, найти инопланетную жизнь (подробнее читайте здесь)! Так что следующие несколько десятилетий астрономии и астрофизики ожидает бум открытий, который изменит представление человечества о себе в этой огромной вселенной. К сожалению, некоторые из этих великолепных телескопов могут вскоре стать бесполезными, что преждевременно положит конец этому золотому веку. Но, к счастью, у нас может быть решение. Позвольте мне объяснить.
Под угрозой здесь находятся радиотелескопы. Они выглядят как гигантские спутниковые антенны, но на самом деле не создают изображение. Вместо этого они записывают сигнал. Если вы объедините несколько радиотелескопов вместе и используете некоторые компьютерные трюки, вы можете собрать эти сигналы в изображение, как это сделал Телескоп Горизонта Событий для своего наблюдения за сверхмассивной черной дырой M87. Но радиотелескоп должен быть удивительно чувствителен, чтобы уловить эти невероятно тусклые радиосигналы из глубокого космоса. Для того чтобы дать вам представление о том, насколько они чувствительны, говорят, что современные радиотелескопы могли бы уловить сигнал мобильного телефона с Юпитера!
Однако многие наши устройства работают на радиоволнах, такие как WiFi, мобильные телефоны, микроволновые печи, телевизоры и, ну, радиоприемники. Эти местные источники в тысячи раз мощнее, чем сигналы из глубокого космоса, которые хотят выделить астрономы. Так же, как местное световое загрязнение может помешать работе визуального телескопа, местный радиошум может сделать радиотелескоп бесполезным.
Вот почему многие радиотелескопы находятся в зонах радиотишины. Возьмем, к примеру, Обсерваторию Грин-Бэнк, расположенную в Национальной зоне радиотишины в США. Эта зона площадью 13 000 квадратных миль находится вдалеке от любого густонаселенного города, что означает очень мало радио-, мобильных или телевизионных сигналов. Любой, кто находится в зоне, должен соблюдать строгие правила, чтобы не излучать радиоволны, что означает отсутствие WiFi, микроволновых печей, мобильных телефонов или даже бензиновых автомобилей, так как их свечи зажигания на самом деле создают радиоволны. Даже есть патрульная группа, которая выслеживает бродячие радиоволны и отключает их, позволяя телескопу работать без ошибочных считываний, которые могут выглядеть как сигналы от продвинутых инопланетян на далекой экзопланете.
Но законы Национальной зоны тишины и ее патрули не имеют власти над тем, что происходит в космосе, а космос собирается стать гораздо более шумным из-за радиоволн! Вы видите, с появлением дешевых космических полетов, количество спутников, входящих на орбиту, увеличивается. Возьмем, к примеру, Starlink: Илон Маск хочет запустить на орбиту 42 000 спутников Starlink! И эти спутники общаются с поверхностью и друг с другом с помощью радиоволн. Для сравнения, насколько это увеличит радиошум: в январе 2022 года на орбите находилось всего чуть более 8 000 спутников, и большинство из них не были коммуникационными спутниками, такими как Starlink. И это не только Starlink; множество новых космических компаний хотят наполнить небеса своей технологией.
Весь этот новый радиошум над головой заслонит остальную часть космоса, и некоторые из самых глубоких тайн вселенной могут остаться скрытыми от взгляда.
Но мы работаем над некоторыми решениями.
Вы можете подумать, что мы можем просто создать закон, аналогичный зоне запрета полетов для спутников над зонами радиотишины, но это непрактично. Спутники имеют сложные орбиты, которые пересекают весь мир, и попытка заставить все спутники избегать одного места — это почти невозможно. Более того, многим спутникам, таким как спутники GPS, землемерия и наблюдения за погодой, необходимо летать над этой областью для выполнения своей работы. Вместо этого нам нужно гораздо более изящное решение.
Здесь вступают в игру некоторые выдающиеся ученые. Кристофер Гордон Де Пре, Кристофер Р. Андерсон и Мария Желева — все они ученые, пишущие для The Conversation — которых я бы настоятельно рекомендовал вам читать — и их команда недавно опубликовала статью на эту тему. Они общались с операторами и регуляторами спутников, чтобы узнать, есть ли жизнеспособное решение проблемы конгестии радиошума, и, возможно, придумали идею. Вместо радиотихой зоны предложить радиодинамичную зону. Позвольте мне объяснить.
Существуют техники, которые позволяют нам делить радиоспектр. Например, устройства 4G и 5G могут работать на одной и той же частоте, но они не мешают друг другу в доступе к интернету. Это достигается с помощью трех основных методов: наложение, подложение и переплетение. Наложение и подложение здесь нам не помогут, но переплетение может. Здесь устройства излучают и принимают сигналы последовательно. Другими словами, устройства 4G и 5G, делящие радиопространство через переплетение, могут начать с работы сети 4G на несколько миллисекунд, затем выключиться и позволить сети 5G общаться на несколько миллисекунд и так далее. На самом деле, сети 4G и 5G уже выполняют нечто подобное, что называется динамическим распределением спектра.
Теперь, радиотелескопу нужно больше, чем несколько миллисекунд, чтобы собрать полезные данные, но это не мешает ему динамически делить свое радиопространство. Радиотелескоп мог бы организовать что-то вроде переплетения с более длительными периодами деления с нависающими спутниками, позволяя им общаться, когда это не повлияет на показания телескопа, и обеспечивая надлежащую радиотишину, когда он записывает. Он даже мог бы информировать спутники о том, чтобы они общались на определенной частоте, которую он не использует, при условии, что обе стороны могут функционировать без помех.
Это может звучать просто, но на самом деле это не так. Радиоволны отскакивают в нашей атмосфере и могут делать довольно странные вещи, поэтому обеспечение того, чтобы у этой динамичной радиосистемы не было утечек, и калибровка телескопа для фильтрации любых утечек, которые он все же считывает, потребует времени для разработки. Именно поэтому Де Пре, Андерсон и Желева настаивают на полевых испытаниях для разработки этой технологии, пока не стало слишком поздно, и это именно то, чего стремится достичь их программа Национальных Радиодинамических Зон.
Но будет ли этого достаточно? Эта технология и подход теоретически могут обеспечить будущее радиоастрономии, но только если они будут полностью разработаны и внедрены. До того, как мы обеспечим безопасность этого невероятно продуктивного уголка астрономии, еще долгий путь. Так что давайте надеяться, что программа Национальных Радиодинамических Зон получит необходимое финансирование и возможности, чтобы начать делать разницу, прежде чем мы потеряем эту невероятную область науки.