100-метровый радиотелескоп
в Эффельсберге, Германия.
Будучи одним из самых больших телескопов на Земле,
он способен регистрировать радиоволны, идущие до нас
миллиарды лет от самых далёких квазаров и галактик.
Чем большую собирающую поверхность имеет радиотелескоп,
тем чувствительнее он к сигналам из космоса, -
это позволяет наблюдать очень слабые источники.
Больший размер телескопа также позволяет получать более чёткие изображения,
как говорят астрономы, с большим угловым разрешением.
"Очевидно, что существует предел на
размер телескопа, который мы можем построить.
К счастью, его можно обойти с помощью одной изящной идеи,
которая обозначается словом "интерферометрия".
В интерферометре
несколько телескопов имитируют один большой телескоп.
Они одновременно наблюдают одну и ту же область неба.
Зарегистрированные данные передаются на суперкомпьютер, называемый коррелятором.
Он синхронизирует данные для каждой пары
телескопов и объединяет их для создания изображения.
Интерферометрия может быть осуществлена на расстояниях между радиотелескопами в тысячи километров.
Такие системы называются "радиоинтерферометрами со сверхдлинными базами" или РСДБ-системами.
Европейская РСДБ-сеть (EVN) является плодом сотрудничества
ведущих радиоастрономических институтов Европы,
а также Азии и Африки.
Имея доступ к 27 телескопам в 13 странах,
EVN способна имитировать телескоп с диаметром до 10 000 км,
что почти равно диаметру Земли.
Имея столько станций на таких больших расстояниях друг от друга,
EVN способна получать изображения с разрешением, превосходящим
разрешение лучших оптических телескопов.
"РСДБ даёт нам фантастическое разрешение.
В сущности разрешение настолько велико, что мы можем наблюдать динамику структуры
астрономических объектов. Это практически невозможно при использовании
иных астрономических методик."
Как и в случае компактных интерферометрических решеток,
данные РСДБ-наблюдений посылаются с телескопа на коррелятор.
Коррелятор EVN расположен здесь,
в Объединённом Европейском Институте РСДБ (JIVE) в Нидерландах.
Коррелятор специально спроектирован таким образом, чтобы было возможно его совершенствование
для обеспечения совместимости с обновлениями и модернизацией оборудования
различных телескопов.
Усовершенствования коррелятора позволяют поддерживать его возможности на самом передовом уровне,
помогая при поиске ответов на такие астрономические вопросы, как, например, когда и как
сформировались первые галактики.
При стандартных РСДБ-наблюдениях
данные с телескопов посылаются на коррелятор
на магнитных лентах или жёстких дисках.
Доставка дисков со всего мира является дорогостоящей процедурой.
Они могут быть повреждены или утеряны при транспортировке, а в записанных на них данных
могут появиться ошибки.
Кроме того, физическая пересылка носителя обусловливает значительную задержку между
наблюдением и получением астрономом обработанных данных.
В добавок к этому, планирование РСДБ-наблюдений, как правило, требует
серьёзной предварительной координации между большим числом институтов,
эксплуатирующих телескопы.
Это ограничивало возможности для незапланированных наблюдений
транзиентных событий, таких как сверхновые и другие
быстропротекающие космические явления.
До недавних пор.
В последние годы JIVE осуществил множество модернизаций коррелятора EVN.
Наиболее значительное из них позволяет передавать данные по
опто-волоконным сетям непосредственно на коррелятор в реальном времени наблюдений.
"Эта технология называется РСДБ реального времени,
электронная РСДБ или е-РСДБ (e-VLBI) для краткости.
Мы используем эту технологию для потоковой передачи данных с телескопов
непосредственно на коррелятор, где они коррелируются в темпе поступления."
При столь быстрой передаче и обработке данных проблемы на
телескопах могут немедленно быть обнаружены и исправлены,
что может "спасти" ценные эксперименты.
Астрономы получают данные для интерпретации в течение нескольких часов, а не недель после наблюдения.
Кроме того, процедурные изменения позволяют в короткие сроки организовывать
наблюдения при обнаружении транзиентной активности.
"Некоторые из наиболее интересных
астрофизических явлений носят
транзиентный характер; при этом многие из них
происходят на большом расстоянии от нас.
Для изучения излучения от таких объектов, как коллапсирующие звёзды или
аккрецирующие чёрные дыры, радиоастрономы должны организовывать
наблюдения на крупнейших телескопах в кратчайшие сроки.
РСДБ рельного времени позволяет делать это намного легче, чем
раньше, давая возможность наблюдать гораздо большее число транзиентных источников.
За последние годы мы смогли провести исследования нескольких
сверхновых - взрывающихся звёзд, микроквазаров, имеющих
сильно коллимированные релятивистские потоки (джеты), и даже звезды,
разорванной на части сверхмассивной чёрной дырой."
Эти достижения стали возможны благодаря проекту EXPReS.
В рамках этого проекта, финансируемого Европейской Комиссией и координируемого JIVE,
коррелятор был модернизирован для обработки данных в режиме реального времени.
Также в рамках проекта была завершена значительная часть работ по подключению
телескопов к единой сети транспортировки данных.
Данные с телескопов со всего мира поступают на
суперкомпьютер, представляющий собой мозг РСДБ-системы.
То что вы видите здесь на экране - это полная скорость передачи данных,
поступающих на обработку..."
Теперь режим е-РСДБ является стандартным для EVN.
Наблюдения в режиме е-РСДБ уже успели привести к научным открытиям,
улучшившим наше понимание того, как формируются и эволюционируют
галактики.
Усовершенствования последних лет приблизили е-РСДБ
к традиционному РСДБ
по ширине полосы приёма сигнала и разрешению изображения.
Сегодня JIVE работает над тем, чтобы сделать е-РСДБ еще лучше.
Основные усилия JIVE сосредоточены на разработке коррелятора на новой платформе,
необходимого для возрастающих скоростей передачи данных, планируемых EVN.
Инженеры JIVE и EVN используют новейшую электронику для предоставления
необходимых вычислительных мощностей для будущих радиоастрономических наблюдений.
С 2010 года JIVE координирует проект NEXPReS.
Вместе с 14 институтами-партнёрами JIVE соединяет
лучшее из двух "миров" - скорость и гибкость е-РСДБ
с устойчивостью и надёжностью традиционной РСДБ, осонованной на записи данных на диски.
Одно из главных направлений работы по проекту затрагивает проблему сбоев в работе сетей,
способных нарушать нормальную передачу данных.
Целостность данных обеспечивается их буферизацией
как на телескопах, так и на корреляторе.
Связанные с этим усовершенствования повысят возможности мониторинга
и устранения неполадок "на лету". Это позволит автоматизировать процесс корреляции.
Другое направление деятельности в рамках NEXPReS - проблема более эффективного использования
сетей - т.н. "пропускная способность по требованию".
"В настоящий момент для е-РСДБ мы используем статические оптические сети,
работающие по двухточечному протоколу.
Они "включены" всё время, вне зависимости от того, используете вы их или нет.
Это не слишком эффективное использование ресурсов.
Поэтому мы работаем над режимом "пропускной способности по требованию", который позволяет
динамически распределять пропускную способность канала по мере необходимости
и не задействовать её при ненадобности."
Кроме этого, выделенные оптические каналы связи имеют ограниченную пропускную способность в 1 гигабит в секунду.
EVN запланирована модернизация сетей до 4 и 10 гигабит в секунду.
Третье направление проекта имеет дело с проблемой ограниченного быстродействия
существующего централизованного аппаратного коррелятора.
За последнее время в JIVE был разработан программный коррелятор,
базирующийся на распределённой архитектуре.
За счёт использования сетевых и вычислительных ресурсов,
уже имеющихся у EVN, NEXPReS позволит проводить больше
РСДБ-наблюдений с минимальным расходом ограниченных ресурсов.
Наконец, последний крупный вызов при совмещении традиционной и е-РСДБ -
это хранение и архивирование огромного количества данных,
генерируемых при наблюдениях.
Во время типичного EVN-эксперимента генерируется 12 Гб данных в секунду.
Это примерно соответствует одному высококачественному полнометражному фильму -
каждую секунду в течение 12 часов.
В рамках NEXPReS разрабатываются сетевые хранилища, обладающие
высокой ёмкостью и пропускной способностью, для размещения этих данных.
Данные разработки в области е-РСДБ следующего поколения
принесут пользу радиоастрономам всего мира.
Кроме того, передовые разработки JIVE для EVN
имеют важное значение для перспективных телескопов.
Высокий уровень автоматизации и распределённая архитектура
будут использоваться при проектировании радиотелескопа "Квадратный километр" (Square Kilometre Array).
В добавок к этому, указанные исследования имеют огромное значение для
планетных исследований в рамках таких проектов, как "Венера Экспресс" Европейского Космического Агентства,
а также для космических РСДБ-телесков, таких как "РадиоАстрон".
Разработки JIVE расширяют возможности европейской
ИТ-инфраструктуры.
"Показано, что фундаментальная наука оказывает
стимулирующее воздействие на экономику.
Нетрудно представить, как технологии, которые мы используем
в е-РСДБ, будут влиять на другие науки, образование, коммуникации
и даже на сферу развлечений."
JIVE, прокладывая путь к будущему радиоастрономии и этих приложений.