Введение

66 радиотелескопов в пустыне Атакама на севере Чили

Большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Атакама (ALMA) – это астрономический интерферометр, состоящий из 66 радиотелескопов в пустыне Атакама на севере Чили, предназначенный для наблюдения электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Массив был построен на высокогорном плато Чахнантор – вблизи обсерватории Льяно-де-Чахнантор и эксперимента Atacama Pathfinder Experiment. Это место было выбрано благодаря большой высоте и низкой влажности, что критически важно для уменьшения шума и снижения ослабления сигнала в атмосфере Земли. ALMA позволяет получить новые данные о рождении звезд в раннюю звёздную эру и создавать детальные изображения процессов формирования звёзд и планет в окрестностях Солнца. ALMA является международным проектом, в котором участвуют Европа, США, Канада, Япония, Южная Корея, Тайвань и Чили. Стоимость проекта составляет около 1,4 миллиарда долларов США, что делает его самым дорогим наземным телескопом, находящимся в эксплуатации. Научные наблюдения с помощью ALMA начались во второй половине 2011 года, а первые изображения были представлены прессе 3 октября 2011 года. Массив работает в полную силу с марта 2013 года.

Обзор

Первоначальный массив ALMA состоит из 66 высокоточных антенн и работает на длинах волн от 3,6 до 0,32 миллиметра (31–1000 ГГц). Массив обладает значительно более высокой чувствительностью и разрешением, чем у предыдущих субмиллиметровых телескопов, таких как однозеркальный телескоп Джеймса Клерка Максвелла или существующие интерферометрические сети, такие как Submillimeter Array или установка Plateau de Bure Института радиоастрономии миллиметрового диапазона (IRAM). Антенны могут перемещаться по пустынному плато на расстояния от 150 м до 16 км, что обеспечит ALMA мощное переменное "увеличение", концептуально схожее с тем, что используется на площадке Very Large Array (VLA) в Нью-Мексико, США. Высокая чувствительность достигается главным образом за счет большого количества антенн, составляющих массив. Телескопы были предоставлены европейскими, североамериканскими и восточноазиатскими партнерами ALMA. Американские и европейские партнеры предоставили по 25 антенн диаметром 12 метров, в общей сложности 50 антенн, которые формируют основной массив. Восточноазиатские страны-участницы предоставляют 16 антенн (четыре диаметром 12 метров и двенадцать диаметром 7 метров) в виде Atacama Compact Array (ACA), являющегося частью расширенного ALMA. Используя антенны меньшего размера, чем в основном массиве ALMA, с помощью ACA можно получать изображения областей большего поля зрения на заданной частоте. Сближение антенн позволяет получать изображения источников с большим угловым размером. ACA работает совместно с основным массивом для расширения его возможностей широкопольного обзора.

История

ALMA своими концептуальными корнями обязана трем астрономическим проектам: Миллиметровому массиву (MMA) Соединенных Штатов, Большому южному массиву (LSA) Европы и Большому миллиметровому массиву (LMA) Японии. Первый шаг к созданию того, что впоследствии стало ALMA, был сделан в 1997 году, когда Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO) и Европейская южная обсерватория (ESO) договорились о реализации совместного проекта, объединившего MMA и LSA. Объединенный массив объединил чувствительность LSA с частотным диапазоном и удачным расположением MMA. ESO и NRAO работали совместно в технических, научных и управленческих группах, чтобы определить и организовать совместный проект между двумя обсерваториями при участии Канады и Испании (последняя позднее стала членом ESO). Серия резолюций и соглашений привела к тому, что в марте 1999 года название нового массива было выбрано как "Atacama Large Millimeter Array", или ALMA, а 25 февраля 2003 года было подписано Соглашение ALMA между североамериканскими и европейскими сторонами. ("Альма" означает "душа" на испанском языке и "ученый" или "обладающий знаниями" на арабском языке.) После нескольких лет взаимных обсуждений проект ALMA получил предложение от Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), в соответствии с которым Япония предоставит ACA (Atacama Compact Array) и три дополнительных приемных диапазона для большого массива, чтобы сформировать Enhanced ALMA. Дальнейшие переговоры между ALMA и NAOJ привели к подписанию соглашения на высоком уровне 14 сентября 2004 года, в соответствии с которым Япония стала официальным участником Enhanced ALMA, известного как Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. Церемония закладки первого камня состоялась 6 ноября 2003 года, и был представлен логотип ALMA. На ранней стадии планирования ALMA было решено использовать антенны ALMA, разработанные и изготовленные известными компаниями в Северной Америке, Европе и Японии, вместо использования единой конструкции. Это было обусловлено главным образом политическими причинами. Несмотря на различные подходы, выбранные поставщиками, каждая из антенных конструкций, по всей видимости, способна соответствовать строгим требованиям ALMA. Всего 26 компонентов, спроектированных и изготовленных в Европе, были транспортированы специализированной аэрокосмической и астрокосмической логистической компанией Route To Space Alliance и доставлены в Антверпен для последующей отправки в Чили.

Строительство

Комплекс был построен преимущественно европейскими, американскими, японскими и канадскими компаниями и университетами. С 2002 года на Большом Радиомассиве были протестированы три прототипа антенн. Компания General Dynamics C4 Systems и её подразделение SATCOM Technologies заключили контракт с Associated Universities, Inc. на поставку двадцати пяти 12-метровых антенн, а европейский производитель Thales Alenia Space предоставил остальные двадцать пять основных антенн (это был крупнейший европейский промышленный контракт в области наземной астрономии). Японская компания Mitsubishi Electric получила заказ на сборку 16 антенн для Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). Поставка антенн на площадку осуществлялась с декабря 2008 года по сентябрь 2013 года.

Изображения из первоначальных испытаний

К лету 2011 года в рамках обширной программы тестирования перед началом фазы ранних научных наблюдений было введено в строй достаточное количество телескопов для получения первых изображений. Эти первые изображения позволили впервые оценить потенциал новой установки, которая в будущем будет создавать изображения значительно более высокого качества по мере увеличения масштаба массива. Объектом наблюдения стала пара сталкивающихся галактик с сильно искажённой формой, известная как галактики Антенны. Хотя ALMA и не наблюдала всё слияние галактик целиком, полученное изображение стало лучшим из когда-либо созданных изображений галактик Антенны в субмиллиметровом диапазоне, демонстрирующим облака плотного холодного газа, из которых формируются новые звёзды, невидимые в видимом свете.

Исследования комет

11 августа 2014 года астрономы опубликовали исследования, в которых впервые с использованием Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) были детально описаны распределение HCN, HNC, H2CO и пыли внутри ком комет C/2012 F6 (Lemmon) и C/2012 S1 (ISON).

Планетарное образование

Изображение протопланетного диска, окружающего HL Tauri (очень молодую звезду T Tauri в созвездии Телец), было опубликовано в 2014 году и показало серию концентрических ярких колец, разделенных щелями, что свидетельствует о формировании протопланет. По состоянию на 2014 год, большинство теорий не предполагали формирования планет в такой молодой (возрастом от 100 000 до 1 000 000 лет) системе, поэтому новые данные послужили толчком для пересмотра теорий развития протопланетных дисков. Одна из теорий предполагает, что более высокая скорость аккреции может быть обусловлена сложным магнитным полем протопланетного диска.

Телескоп горизонта событий

ALMA участвовала в проекте Event Horizon Telescope, который получил первое прямое изображение черной дыры, опубликованное в 2019 году.

Фосфин в атмосфере Венеры

ALMA участвовала в заявленном обнаружении фосфина, биомаркера, в атмосфере Венеры. Поскольку на Венере не существует известных небиологических источников, способных производить фосфин в обнаруженных концентрациях, это могло бы указывать на наличие биологических организмов в атмосфере Венеры. Последующие повторные анализы поставили под сомнение достоверность обнаружения, хотя более поздние исследования подтвердили полученные результаты. Обнаружение остаётся предметом споров и требует дополнительных измерений.

Глобальное сотрудничество

Большой миллиметровый/субмиллиметровый массив Атакама (ALMA) — международное астрономическое сооружение, представляющее собой партнерство Европы, Северной Америки и Восточной Азии в сотрудничестве с Республикой Чили. Финансирование ALMA в Европе осуществляется Европейской южной обсерваторией (ESO), в Северной Америке — Национальным научным фондом США (NSF) в сотрудничестве с Национальным исследовательским советом Канады (NRC) и Национальным научным советом Тайваня (NSC), а в Восточной Азии — Национальными институтами естественных наук Японии (NINS) в сотрудничестве с Академией Синика (AS) на Тайване. Руководство строительством и эксплуатацией ALMA от имени Европы осуществляет ESO, от имени Северной Америки — Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO), находящаяся в управлении Associated Universities, Inc (AUI), а от имени Восточной Азии — Национальная астрономическая обсерватория Японии (NAOJ). Объединенная обсерватория ALMA (JAO) обеспечивает единое руководство и управление строительством, вводом в эксплуатацию и эксплуатацией ALMA. Ее нынешний директор с февраля 2018 года — Шон Доэрти.

Региональный центр ALMA (ARC)

Региональный центр ALMA (ARC) был разработан как интерфейс между сообществами пользователей основных стран-участниц проекта ALMA и JAO. Деятельность по обеспечению работы ARC также разделена между тремя основными регионами (Европа, Северная Америка и Восточная Азия). Европейский ARC (под руководством ESO) был дополнительно разделен на узлы ARC, расположенные в различных городах Европы: Бонн, Бохум, Кельн, Болонья, Ондржеёв, Онсала, IRAM (Гренобль), Лейден и JBCA (Манчестер). Основная задача ARC заключается в оказании помощи сообществу пользователей в подготовке заявок на наблюдения, обеспечении эффективного достижения научных целей программами наблюдений, организации службы поддержки для подачи заявок и программ наблюдений, доставке данных ведущим исследователям, поддержании архива данных ALMA, помощи в калибровке данных и сборе обратной связи от пользователей.

Комплектный массив Атакама

Atacama Compact Array, ACA, представляет собой подмножество из 16 близко расположенных антенн, которое значительно расширит возможности ALMA в изучении небесных объектов с большим угловым размером, таких как молекулярные облака и ближайшие галактики. Антенны, формирующие Atacama Compact Array – четыре 12-метровые и двенадцать 7-метровых – были изготовлены и поставлены Японией. В 2013 году Atacama Compact Array был назван массивом Морита в честь профессора Коичиро Мориты, члена японской команды ALMA и разработчика ACA, скончавшегося 7 мая 2012 года в Сантьяго.

Прекращение работы

В августе 2013 года работники телескопа объявили забастовку с требованием повышения заработной платы и улучшения условий труда. Это одна из первых забастовок, затронувших астрономическую обсерваторию. Остановка работы началась после того, как обсерватория не смогла достичь соглашения с профсоюзом работников. Через 17 дней было достигнуто соглашение, предусматривающее сокращенный график работы и более высокую оплату за работу на большой высоте. В марте 2020 года ALMA была закрыта из-за пандемии COVID-19. Это также привело к переносу срока подачи заявок на 8-й цикл наблюдений и приостановке публичных посещений объекта. 29 октября 2022 года ALMA приостановила наблюдения из-за кибератаки. Наблюдения были возобновлены через 48 дней, 16 декабря 2022 года.

График реализации проекта

Временная линия Дата Событие 1995 год Совместные испытания площадки ESO/NRAO/NAOJ в Чили. Май 1998 Начало фазы 1 (проектирование и разработка). Июнь 1999 Европейский/Американский меморандум о взаимопонимании по проектированию и разработке. Февраль 2003 Окончательное европейско-североамериканское соглашение, с 50% финансирования от ESO и 50% финансирования, разделенного между США и Канадой. Апрель 2003 Начало испытаний первого прототипа антенны на испытательном объекте ALMA (ATF) в Сокорро, Нью-Мексико. Ноябрь 2003 Церемония закладки первого камня на площадке ALMA. Сентябрь 2004 Европейский, Североамериканский и Японский проект соглашения, в рамках которого Япония предоставит новые расширения для ALMA. Октябрь 2004 Открытие совместного офиса ALMA в Сантьяго, Чили. Сентябрь 2005 Тайвань присоединяется к проекту ALMA через Японию. Июль 2006 Европейский, Североамериканский и Японский договор о доработанном ALMA. Апрель 2007 Прибытие первой антенны в Чили. Февраль 2008 Прибытие двух транспортеров ALMA в Чили. Июль 2008 Первое перемещение антенны с использованием транспортера. Декабрь 2008 Приемка первой антенны ALMA. Май 2009 Первая интерферометрия с двумя антеннами в Операционном вспомогательном центре (OSF). Сентябрь 2009 Первый перенос антенны ALMA на Чайнантор. Ноябрь 2009 Замыкание фазы с тремя антеннами в Чайнанторе. 2010 Объявление конкурса на проекты ранней науки с разделением рисков. Сентябрь 2011 Начало раннего научного цикла 0. Шестнадцать 12-метровых антенн в 12-метровом массиве. Февраль 2012 Первая статья, опубликованная на основе данных ALMA. Январь 2013 Начало раннего научного цикла 1. Тридцать две 12-метровые антенны в 12-метровом массиве. 13 марта 2013 года – торжественное открытие ALMA. 23 сентября 2013 года Прибыла и принята 66-я и последняя антенна. Июнь 2014 Начало второго цикла ранней науки. Тридцать четыре 12-метровые антенны в 12-метровом массиве, девять 7-метровых антенн в 7-метровом массиве и две 12-метровые антенны в TP-массиве. Июнь 2018 года 1000-я опубликованная статья, основанная на данных ALMA. Март 2020 года ALMA приостановила работу в связи с кризисом, вызванным COVID-19.