Ученые обработали серию радиолокационных наблюдений Венеры и составили карты ее поверхности с 1988 по 2020 год. Рассказываем о результатах обработки данных планетарных радаров и возможностях радиолокационной астрономии.
Радиолокационное изображение поверхности Венеры, полученное с помощью передатчика Аресибо и приемника Грин-Бэнк. Крупные кольцеобразные структуры - короны, особый тип венерианских вулканов. / © Campbell et al., (NRAO/AUI/NSF); NAIC
Поверхность Венеры, самой близкой к нам планеты, скрыта от прямых наблюдений плотной углекислотной атмосферой и сплошным слоем облаков, состоящих из концентрированной серной кислоты. Пролетая над ночной стороной Венеры, можно заметить слабое и размытое свечение ее ландшафта, раскаленного до 460 градусов Цельсия, а в некоторых участках инфракрасного диапазона можно разглядеть с орбиты детали размером до нескольких километров — и это все, на что можно рассчитывать.
Но существует один диапазон электромагнитного излучения, в котором венерианская атмосфера полностью прозрачна, — радиоволны. Помимо проникающей способности, они обладают еще одним уникальным преимуществом. Естественное свечение небесных тел в радиодиапазоне невелико, зато «яркость» и направленность искусственных передатчиков радиоволн бывают огромными. В отличие от всех других диапазонов, в радиодиапазоне небесные тела можно «подсвечивать» — причем как с Земли, так и с космических аппаратов.
Неудивительно, что радиолокация — главный метод картографирования Венеры. Наземные радиолокационные исследования этой планеты начались еще в 1960-1970-х, а позднее к ним присоединились орбитальные аппараты, оснащенные радарами: советские «Венеры» и американские Pioneer-Venus и Magellan. Данные, переданные последним из них, позволили получить первую и пока единственную полную карту Венеры с разрешением до 200 метров.
Долгое время главной радиолокационной обсерваторией был радиотелескоп «Аресибо», который обладал самой большой сплошной антенной (300 метров) и был оснащен мощным передатчиком радиоволн. В 2020 году он разрушился, но за свою более чем полувековую службу успел стать инструментом многих радиолокационных исследований.
Недавно команда ученых под предводительством Брюса Кэмпбелла выпустила итоги всех радиолокационных наблюдений Венеры с помощью телескопов «Аресибо» и «Грин-Бэнк», проведенных с 1988 по 2020 год. Современная наземная радиолокация немного уступает орбитальной в разрешении, зато ее можно проводить гораздо чаще запусков орбитальных аппаратов.
Ученые обработали данные наблюдений в 1988, 2012, 2015, 2017 и 2020 годах и составили карты поверхности Венеры с разрешением от одного до двух километров. Пока заметных изменений в рельефе планеты и отражающих свойствах ее поверхности не выявили. Тем не менее ученые тщательно охарактеризовали свойства отраженных сигналов, что в будущем позволит точнее спроектировать и настроить радары планируемых космических аппаратов VERITAS и EnVision.
Кроме того, ученые продолжают обработку данных: тщательное удаление шума, после которого станет возможно обнаруживать небольшие изменения поверхности и подготовить «список целей» для планируемой венерианской флотилии. К обработке могут подключиться все желающие исследователи; данные доступны здесь.
Технические подробности радиолокации небесных тел примечательны своей сложностью, и все-таки их можно объяснить «на пальцах».
Сначала передатчик отправляет в сторону небесного тела специальным образом рассчитанную серию импульсов радиоизлучения с чередующейся фазой. Длительность каждого импульса составляет несколько микросекунд, а их количество — несколько тысяч. Сигнал, отраженный от ближайшей к приемнику точки на поверхности Венеры, приходит первым. Затем приходят сигналы, отраженные от все более далеких участков диска планеты, а последними — отраженные от рельефа на краях видимого диска. Зная форму исходного сигнала, по форме отраженного сигнала можно точно рассчитать зависимость яркости отражения от расстояния до отражающих областей.
За счет движения планет относительно друг друга сигналы также испытывают допплеровский сдвиг, который можно измерить подобно тому, как радар измеряет скорость автомобиля.
На этот сдвиг накладываются дополнительные сдвиги, вызванные суточным вращением Венеры вокруг ее оси: участки поверхности, движущиеся «от нас», возвращают сигнал чуть пониженной частоты, а участки, движущиеся «к нам», наоборот, ее повышают. С помощью этого явления можно устранить неопределенности ориентации отражающих участков, расположенных на одном и том же расстоянии от приемника.
Фактически приемник регистрирует «графики» — зависимости яркости отраженного сигнала и его допплеровского сдвига от времени. Первое пропорционально отражающей способности поверхности (каменные россыпи отражают радиоволны лучше, чем ровные лавовые поля), а второе — скорости, с которой эти участки движутся относительно нас. И после обработки сигнал, сначала похожий просто на волны на экране осциллографа, превращается в настоящее изображение.
В будущем ученые планируют развивать возможности радиолокационной астрономии. Ее разрешение может превосходить разрешение телескопа «Хаббл» в несколько раз — к примеру, радиолокация часто используется для рассматривания околоземных астероидов. Но ранее она сталкивалась с существенным ограничением по «дальнобойности». Когда для радиолокации и приема сигнала могли задействовать лишь один и тот же радиотелескоп — «Аресибо», — за время путешествия сигнала «туда и обратно» Земля вместе с приемником успевала отвернуться прочь.
Теперь же достаточно чувствительные приемники распределены по всей планете и могут работать как единое целое. Самый впечатляющий пример такой решетки — будущая обсерватория Square Kilometre Array суммарной площадью один квадратный километр, которую полностью введут в строй около 2027 года.
Разрушение Аресибо не задержит надолго развитие радиолокационной астрономии: в 2024-м радиотелескоп «Грин-Бэнк», уже продемонстрировавший впечатляющие возможности радиолокации, получит передатчик мощностью 500 киловатт. Вскоре вся Солнечная система станет доступна для радиолокации.
