Неожиданный телевизионный сигнал приводит к новому методу фильтрации нежелательных радиочастот

Автор: CC0 Public Domain

Астрономы, анализирующие данные с радиотелескопа Murchison Widefield Array в Западной Австралии, столкнулись с неожиданной загадкой.

Телескоп, состоящий из 4096 паукообразных антенн, предназначенных для обнаружения радиоволновых сигналов, возникших более 13 миллиардов лет назад, по-видимому, наткнулся на нечто гораздо более локальное: телевизионную трансляцию.

Это было озадачивающе, учитывая, что телескоп расположен в обозначенной зоне радиомолчания, где австралийское правительство регулирует уровни сигнала от всего радиокоммуникационного оборудования, включая телевизионные передатчики, устройства Bluetooth, мобильные телефоны и многое другое, чтобы свести к минимуму помехи для телескопов в этом районе. Еще более озадачивающим было то, что телевизионный сигнал проносился по небу.

«И тут нас осенило», — сказал Джонатан Побер, физик из Университета Брауна и руководитель исследований в США в рамках проекта Murchison Widefield Array. «Мы сказали: «Могу поспорить, что сигнал отражается от самолета». Мы наблюдали эти сигналы почти пять лет, и несколько человек предположили, что это самолеты, отражающие телевизионные трансляции. Мы поняли, что, возможно, на этот раз нам удастся подтвердить эту теорию».

Для этого Побер привлек аспирантку Брауновского университета Джейд Дюшарм для проведения астрономического детективного исследования. Результаты работы этой пары, опубликованные в Publications of the Astronomical Society of Australia, не только подтвердили гипотезу о самолетах, но и предоставили астрономам новый метод определения и фильтрации нежелательных радиочастот — цель, которая становится все более важной, поскольку небо над Землей становится все более шумным из-за развертывания большего количества спутников.

«Астрономия сталкивается с экзистенциальным кризисом», — сказал Побер. «Растет беспокойство — и даже некоторые сообщения — о том, что астрономы вскоре не смогут проводить высококачественные радионаблюдения, какими мы их знаем, из-за помех от спутниковых созвездий. Это особенно сложно для телескопов, таких как Murchison Widefield Array, которые наблюдают за всем небом одновременно. Нет возможности направить наши телескопы в сторону от спутников».

Традиционно, когда в данных радиотелескопа обнаруживаются нежелательные сигналы, известные как радиочастотные помехи (RFI), эти данные отбрасываются как загрязненные. Это связано с тем, что эти сигналы непредсказуемы, и без четкой модели их происхождения их практически невозможно вычесть из данных, объяснил Дюшарм.

«В итоге получается, что огромное количество данных выбрасывается, чтобы не испортить ни одну часть наблюдений», — сказал Дюшарм.

Для Дюшарма и Побера новое исследование было направлено на создание основы для решения этой масштабной проблемы путем разработки нового метода отслеживания RFI от близлежащих объектов. Для этого пара объединила два существующих метода отслеживания, используемых в этой области.

(Слева) Изображение, выведенное WSClean для нашего целевого наблюдения на произвольно выбранном временном шаге. (Справа) Координаты списка источников, возвращенные WSClean для того же временного шага. Размеры точек пропорциональны интенсивности источника, измеренной WSClean. Мы отмечаем, что излучатель RFI значительно ярче всех других зарегистрированных источников и остается таким для всех интересующих нас временных шагов, не изображенных здесь. Автор: Publications of the Astronomical Society of Australia (2025). DOI: 10.1017/pasa.2024.123

Первая, известная как коррекция ближнего поля, настраивает телескоп на фокусировку на объектах, расположенных ближе к Земле, которые обычно вызывают помехи. Телескопы предназначены для наблюдения в дальнем космосе, но коррекция ближнего поля позволяет им точнее отслеживать близлежащие объекты. Вторая технология, формирование луча, заостряет фокусировку объекта, создавая более точный «луч», который указывает, откуда исходят помехи — в данном случае, отражаясь от самолета.

Объединив два метода, исследователи отследили самолет и проанализировали, как отраженные радиоволны изгибались от его поверхности. Это позволило им вычислить, что самолет летел на высоте около 38 400 футов и двигался со скоростью около 492 миль в час. Они также обнаружили, что сигнал RFI, отражавшийся от самолета, исходил из диапазона частот, связанного с австралийским цифровым телеканалом Channel 7.

Команда не смогла идентифицировать конкретный полет из-за неполноты общедоступных бортовых журналов, но Побер сказал, что успешное сочетание двух методов открывает новые двери в области радиоастрономии.

«Это ключевой шаг к тому, чтобы сделать возможным удаление антропогенных помех из данных», — сказал он. «Точно определяя и удаляя только источники помех, астрономы могут сохранить больше своих наблюдений, сократить досадную потерю данных и увеличить шансы на важные открытия».

Следующие шаги в проекте включают попытку фактического удаления широковещательных радиочастотных сигналов из данных, которые они рассматривали, чтобы они оставались полезными для команды MWA. Затем ученые надеются усовершенствовать метод и расширить его для фильтрации помех от спутников и других космических объектов. Однако исследователи отмечают, что, хотя этот метод хорошо зарекомендовал себя для отслеживания самолетов, применить его к другим источникам помех, таким как спутники, будет сложнее.

Исследование также подчеркивает, насколько быстро растет проблема RFI. По данным Управления ООН по вопросам космического пространства, по состоянию на июнь 2023 года на орбите Земли находилось 11 330 спутников, что почти на 40% больше, чем в январе 2022 года.

Ожидается, что этот спутниковый бум будет только расширяться в ближайшие десятилетия, создавая серьезную проблему для способности радиоастрономии изучать такие явления, как черные дыры, образование галактик и происхождение Вселенной. Лидеры науки уже предприняли некоторые действия. Например, с 2019 года Национальная радиоастрономическая обсерватория Национального научного фонда и SpaceX совместно работают над разработкой систем обмена данными в реальном времени, чтобы попытаться свести к минимуму помехи со стороны спутников для наблюдений телескопа.

Тем не менее, продолжаются дебаты о том, будет ли достаточно любых действий, поскольку мир все больше наполняется искусственными сигналами. Некоторые, как Побер, задаются вопросом, не является ли лучшим путем действий уйти от шума, выйдя за его пределы — и построить радиотелескопы в таких местах, как Луна.

Больше информации: Jade M. Ducharme et al, Altitude estimation of radio frequency interference sources via interferometric near-field corrections, Publications of the Astronomical Society of Australia (2025). DOI: 10.1017/pasa.2024.123

Источник: Brown University