Учёные часто заимствуют идеи у природы. Эволюционные процессы, породившие всё многообразие жизни на Земле, нередко подсказывают решения технических задач. Один из примеров — расположение семян подсолнечника, которые укладываются в математически оптимизированную структуру, известную как спираль Фогеля. Международная команда, строящая радиотелескоп Square Kilometre Array (SKA, «Квадратнокilometровый массив») в Австралии, решила разместить антенны по похожей схеме. Однако, как сообщается в статье в Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems, такой подход выявил крупную слепую зону в данных, что указывает на необходимость доработки природного узора для этой конкретной задачи.
Чтобы понять причину, стоит разобраться, чем занималась команда, ведь полный телескоп ещё не построен. Австралийское подразделение SKA рассчитано на «низкие» радиочастоты от 50 до 350 МГц и носит название SKA-Low. После завершения всего проекта оно будет объединено с ветвью в ЮАР, где для наблюдения более высоких частот используют крупные тарелки. SKA-Low, напротив, задействует огромное количество антенн типа фазированной апертурной решётки: они неподвижны, а наведение на разные участки неба осуществляется за счёт их взаимного расположения и технологии формирования луча.
Каждая отдельная антенна SKALA4.1 внешне напоминает «новогоднюю ёлку», какие десятилетиями стояли во многих домах. Ключевая особенность SKA-Low — масштаб: 512 круглых станций, в каждой по 256 антенн SKALA4.1, распределённых на 75 квадратных километрах австралийской глубинки. В сумме это более 131 000 отдельных антенн, поэтому предварительное тестирование конфигурации совершенно оправданно. Такие проверки уже проводились трижды на специальных испытательных стендах в обсерватории CSIRO Murchison Radio-Astronomy Observatory в Инъярриманха Илгари Бундара.
Второй прототип Aperture Array Verification System 2 (AAVS2) использовал псевдослучайную схему размещения 256 антенн. Случайность была намеренной: ровные строгие ряды создают артефакты данных, известные как «дифракционные лепестки», которые способны полностью испортить собираемую информацию. Однако та же случайность породила другую проблему: по чистому совпадению несколько антенн оказались слишком близко друг к другу. Поскольку антенны сами рассеивают электромагнитную энергию, соседняя антенна может принять это рассеяние за полезный сигнал. Именно это инженеры и наблюдали на AAVS2: на низких частотах, особенно 55 МГц и 78 МГц, близко расположенные антенны резонировали между собой, вызывая сбои в данных.
Тогда команда перешла к другой стратегии в рамках следующего запланированного теста AAVS3, проведённого в 2023 году. На этот раз антенны расположили по спирали Фогеля, которая хорошо работает для подсолнечника. В теории такая схема даёт лучшее из двух миров: антенны распределены равномерно, ни одна пара не скучена слишком плотно, но и линейного порядка, порождающего артефакты, тоже нет. Во время сборки стенда моделирование указало на потенциальную слабость — заметное падение чувствительности на частоте 125 МГц при наведении телескопа строго вверх, туда, где иногда проходит Млечный Путь. Инженеры проверили конфигурацию и обнаружили именно эту проблему: провал чувствительности на 125 МГц, вызванный самой схемой расположения антенн, а не программным или аппаратным сбоем.
Спираль Фогеля отлично предотвращает слишком тесное соседство антенн, но при этом естественно повторяет одно и то же расстояние многократно. Анализ дистанций между антеннами в AAVS3 раз за разом выявлял одно значение — 2,4 метра, что точно соответствует длине волны радиосигнала 125 МГц. Когда сигнал этой частоты приходит строго сверху, антенны начинают взаимодействовать, создавая деструктивную интерференцию и гася сигналы друг друга. Подобные экспериментальные находки как раз и объясняют важность предварительных испытаний перед установкой 131 000 антенн. Поскольку «пробел» в чувствительности SKA-Low недопустим, исследователи предложили альтернативную конфигурацию — «возмущённую спираль Фогеля» (Perturbed Vogel pattern). Она сохраняет базовые подсолнечниковые спирали, но вносит небольшое смещение в положение каждой антенны, чтобы две антенны никогда не оказывались слишком близко и при этом не стояли строго на равном расстоянии.