Космический инструментарий Как и чем астрономы скоро будут изучать Вселенную: астрообзор «Ленты.ру»
Гравюра Фламмарион, раскрашенная в 1998 году Хуго Хайкенвельдером
Лето — традиционно пора затишья в науке. Это сказывается и на количестве препринтов, публикуемых на сайте arXiv.org. Однако затишье — отличный повод заглянуть в будущее, узнать, какие космические миссии находятся в разработке. Особое внимание сейчас приковано к Европейскому космическому агентству, линейка миссий которого на ближайшие десятилетия еще только формируется. «Лента.ру» предлагает обзор проектов, посвященных фундаментальным исследованиям космоса от ESA.
Еще в 2004 году Европейское космическое агентство объявило о старте новой программы фундаментальных космических исследований, рассчитанной на 2015-2025 годы. Программа, получившая название Cosmic Vision (Видение космоса), подразумевает создание ряда космических аппаратов для изучения как тел Солнечной системы, так и объектов, находящихся далеко за ее пределами. Это аппараты, которые способны заглянуть еще дальше во Вселенную и увидеть еще больше — в смысле подробности наших знаний о ней.
Все инструменты, создаваемые в рамках Cosmic Vision, изначально относятся к одному из трех классов — малому (S), среднему (M) или большому (L), в зависимости от масштабов, сложности и стоимости проекта. На сегодняшний день решение о воплощении в жизнь некоторых из них уже принято — это CHEOPS, Euclid, JUICE. Однако полный список миссий только предстоит определить. Так, лишь месяц назад истек срок подачи заявок на вторую и третью миссии L-класса (обозначаемые соответственно L2 и L3).
В данном случае заявка — это статья объемом 20 страниц, список авторов которой насчитывает несколько десятков (и даже больше сотни) человек из Европы, а также США, Австралии и других стран. В этой статье авторы детально описывают научную программу предлагаемой миссии, используемые методы (в том числе инженерные ноу-хау), обосновывают ее практическую реализуемость за отведенное время. (Планируется, что миссии L2 и L3 будут запущены в 2028 и 2034 годах соответственно).
Авторам важно как можно больше рассказать о себе, заручиться поддержкой коллег, и поэтому свои заявки они выкладывают в открытый доступ. В том числе и в архив электронных препринтов, где традиционно появляются свежие научные работы. Кроме того, на сайтах некоторых проектов можно виртуально «подписаться» в поддержку проекта, что уже сделали несколько сотен действующих ученых.
В течение этого года эксперты ESA будут рассматривать и оценивать полученные заявки, а в ноябре планируется объявление тех научных направлений, которые в дальнейшем и будут реализовываться как миссии L2 и L3. А пока ниже приводится обзорный рассказ о некоторых из них.
Athena+
Имя древнегреческой богини — покровительницы-много-чего (в том числе и наук) получил проект рентгеновской космической обсерватории нового поколения. Символ «+» в его названии означает, что это усовершенствованный вариант миссии. Дело в том, что несколько лет назад проект «Афина» уже участвовал в конкурсе ESA на первую миссию L-класса (L1), но проиграл проекту JUICE, космическому зонду, который в 2022 году направится в систему Юпитера для исследования самой большой планеты нашей системы и ее трех больших спутников — Европы, Ганимеда и Каллисто.
Название заявки авторов «Афины» — «The Hot and Energetic Universe» — может быть переведено как «Горячая и (высоко)энергетичная Вселенная». Оно непосредственно отражает две базовые задачи, которые обсерватория будет призвана решить.
Первая из них — это наблюдения горячего межгалактического газа в области относительно далеких красных смещений z = 2-3, что соответствует эпохе, когда Вселенной было лишь 2-3 (из тринадцати с половиной) миллиарда лет. Сегодняшние галактики и их скопления были сформированы именно из такого газа, и собственно процесс их формирования невозможно изучить, если наблюдать лишь относительно близкие (то есть уже довольно старые) объекты. Необходимо «заглянуть» далеко в прошлое, для чего и нужен большой телескоп. Причем рентгеновский, так как излучает такой газ преимущественно в рентгеновском диапазоне.
Разумеется, это будет не первый подобный телескоп в космосе. Но авторы заявляют, что «Афина», обладающая высокими чувствительностью, пространственным и спектральным разрешением, условно говоря, на порядок превзойдет существующие инструменты в задаче наблюдения далеких галактик и их скоплений. То есть позволит что-то рассмотреть более детально, а что-то и открыть вновь.
Вторая задача «Афины» — изучение процессов, управляемых сверхмассивными черными дырами, находящимися в центральных областях галактик. Эти процессы, связанные, как правило, с переработкой и выбросом гигантского количества вещества, характеризуются очень большими энергиями. Яркий (во всех смыслах) тому пример — квазары, светимость которых в десятки раз превышает суммарную светимость всей нашей Галактики. Столь мощный источник в центре галактики не может не влиять на эволюцию последней. А значит, его изучение пересекается с первой задачей миссии и дополняет ее, позволяя тем самым выдавать более полную информацию о явлении.
Галактика NGC 1365 со сверхмассивной черной дырой в центре
Изображение: NASA
Однако возможности «Афины» не ограничиваются только этими двумя задачами. Телескоп с эффективной собирающей площадью до 2-2,5 квадратных метра и разрешающей способностью в несколько угловых секунд будет способен наблюдать практически любой достаточно яркий рентгеновский источник. Авторы приводят весьма обширный список направлений астрофизики, где их детище могло бы принести пользу — от взаимодействия солнечного ветра с планетами и кометами в нашей системе до изучения нейтронных звезд и межзвездной среды нашей галактики, заполненной пылью и газом.
Проект «Афина» выглядит одним из наиболее перспективных в рамках конкурса ESA, и весьма вероятно, что именно эта обсерватория займет свою вахту на орбите в 2028 или 2034 году.
EUVO
Другой проект, поданный на конкурс, называется просто — Европейская ультрафиолетовая и оптическая обсерватория (European Ultraviolet-Visible Observatory). При этом она в большей степени ультрафиолетовая, чем оптическая, то есть в первую очередь предназначена для изучения квантов электромагнитного излучения с длиной волны в два-три раза меньшей, чем видимый свет. Такие кванты, как и рентгеновские, хорошо поглощаются земной атмосферой, поэтому телескоп, работающий в этом диапазоне, необходимо выводить в космос.
EUVO будет представлять из себя телескоп диаметром ни много ни мало 8 метров, что сразу выделяет его среди всех космических инструментов, способных наблюдать в том же диапазоне длин волн. К слову, работающий уже 10 лет на орбите ультрафиолетовый телескоп GALEX имеет диаметр лишь 50 сантиметров.
EUVO будет снабжен чувствительными фотодетектором и спектрометрами. Последних будет два — для наблюдений с высоким и средним спектральным разрешением.
Набор научных задач, которые авторы предлагают решать с помощью EUVO, также весьма широк. Это исследование и сложных молекул, находящихся в межзвездной среде, и молодых горячих (голубых) звезд, и остатков звездной эволюции — белых карликов, которые в оптическом диапазоне куда более тусклые, чем в ультрафиолетовом. А еще при помощи EUVO можно будет изучать атмосферы планет Солнечной системы и даже проверять «непостоянство» фундаментальных постоянных, если таковое имеет место в нашей Вселенной.
Планета OGLE-2005-BLG-390L b в созвездии Скорпиона
Изображение: NASA
Но тем не менее есть пара задач, на которых авторы особенно акцентируют внимание сообщества. Первая их них относится к исследованию экзопланет. В том числе с целью поиска тех из них, на поверхности которых возможна органическая жизнь. Дело в том, что многие молекулы — маркеры жизни поглощают и излучают именно ультрафиолетовые кванты. Например, тот же озон. С одной стороны, он защищает живые организмы на поверхности планеты от губительных ультрафиолетовых лучей. А с другой, он переизлучает эти же кванты обратно в космическое пространство. При помощи EUVO, говорят авторы, такое переизлучение можно будет наблюдать и для далеких планет.
Вторая задача связана с изучением межгалактического газа и поиском недостающей барионной материи. Проблема в том, что если на основе многочисленных наблюдений подводить баланс материи во Вселенной, то выясняется, что мы «не видим» не только некую темную материю и темную энергию, но также и до 30 процентов обычного (барионного) вещества. Что-то делает эту материю очень тусклой для наших телескопов, и есть основания надеяться, что в ультрафиолетовом диапазоне она все-таки себя проявит. От этой проблемы, конечно, не веет такой экзотикой, как от той же темной материи, но это не мешает ей оставаться одной из наиболее интересных загадок современной астрофизики.
Интересно, что одним из аргументов авторов проекта в пользу своего детища является то, что сегодня в России также разрабатывается подобный космический телескоп (о нем мы расскажем далее), и если только он один будет выведен на орбиту, то Европа не сможет занять ведущие позиции в ультрафиолетовой астрономии.
Безымянный проект по изучению экзопланет
Авторы следующего проекта, еще пока не имеющего конкретного названия, решили, в отличие от предыдущего проекта, не распыляться и полностью сосредоточиться на бурно развивающейся теме экзопланет. Детальное изучение конкретных объектов является основной и, в общем, единственной задачей предлагаемой ими космической обсерватории.
И в самом деле, сегодня нам достоверно известны уже сотни планет, обращающихся около других звезд. Их список — результат двадцатилетней работы как наземных наблюдательных программ, так и ряда космических миссий. Однако прошлые наблюдения в первую очередь были нацелены все-таки на обнаружение таких планет, нежели на их детальное исследование.
Это логично — в астрономии, почти не имеющей возможности ставить прямые эксперименты над изучаемыми объектами, всегда важно, что называется, накопить статистику. Важно обнаружить как можно больше объектов одного класса, находящихся в разных условиях и обладающих различными индивидуальными характеристиками. Собственно, поэтому и важны многочисленные наблюдательные программы, рассчитанные на не очень подробные, но массовые исследования все более слабых объектов.
Что же до экзопланет, то, как считают авторы заявки, сегодня мы уже переступили тот порог, когда начальные данные (статистика) накоплены, вся возможная информация из них получена, и необходимо переходить к детальному исследованию конкретных объектов. В первую очередь речь здесь идет об исследовании атмосфер экзопланет — их собственного свечения и прошедшего через них света звезды-хозяйки.
Одна из первых задач, которая волнует авторов, — это уверенное обнаружение и исследование планет земного типа, имеющих твердую поверхность и сложную атмосферу. По сути, она заключается в поиске возможных свидетельств органической жизни на таких планетах и попытке что-то сказать об их (планет) внутреннем строении. Впрочем, признаком биологической активности на планете может быть и излишне экзотическая (по составу и свойствам) атмосфера, выделяющаяся среди атмосфер схожих планет. Найти и выделить такую экзотику также должен помочь новый телескоп.
Надо понимать, что решение задач, связанных с исследованием экзопланет, потребует от создателей обсерватории немалого инженерного мастерства — для создания как самого телескопа, так и фотоприемной аппаратуры к нему. Из-за того, что планеты расположены очень близко к своим звездам и, по сравнению с ними, являются невероятно тусклыми, наблюдать их весьма сложно. Авторы же предлагают две наблюдательные стратегии, которые, в принципе, позволят уверенно выделить сигнал от планеты на фоне засветки от яркой звезды. Первая предполагает, что в ходе наблюдений звезда будет искусственно заслоняться специальным экраном, расположенным перед телескопом. Так ее свет будет гораздо меньше мешать наблюдениям самой планеты. Второй же вариант будет работать только для тех планет, которые, с нашей точки зрения, двигаясь по своей орбите, проходят по диску звезды. В этом случае можно будет следить за тем, как изменяется совместный спектр излучения звезды и планеты. Понятно, что его звездная составляющая будет меняться слабо, а планетная — сильно. Если отделить одно от другого, можно будет получить для анализа спектр непосредственно планеты.
Все это в конечном итоге позволит изучить не только состав атмосфер планет, но и их ближайшее окружение — возможные кольца и спутники. Кроме того, это еще и знания об облачности на планетах, динамике атмосфер, аэрозолях, магнитных полях и структуре поверхности.
Если программа будет реализована, это будет существенным прорывом в изучении планетных систем. Более того, дальнейшее продвижение науки о планетах, настаивают авторы, возможно только в том случае, если похожий проект будет реализован.
FIRI
«Большинство квантов света, приходящих к нам от источников во Вселенной, относятся именно к дальнему инфракрасному диапазону». Этими словами начинают свою заявку авторы проекта инфракрасной обсерватории FIRI высокого пространственного разрешения. Может, они и лукавят, но тем не менее свет, переносимый инфракрасными квантами (с энергией лишь в несколько раз меньшей, чем у квантов видимого диапазона), несомненно, несет очень большой объем информации об объектах и явлениях Вселенной. Неслучайно такие флагманские обсерватории последних лет, как телескопы Спитцера (диаметром 85 сантиметров) и Гершеля (диаметром 3,5 метра), работали именно в инфракрасном диапазоне. И даже готовящаяся на смену «Хабблу» американская обсерватория «Джеймс Уэбб» (JWST) отчасти также будет работать в ближнем инфракрасном диапазоне.
Инфракрасные кванты позволяют нам увидеть то, что скрыто — в отличие от видимого света, они довольно легко проходят сквозь плотные облака космической пыли — твердых микроскопических частиц микронного размера. А «пылят» в космосе очень и очень многие процессы. В первую очередь, за толстым слоем пыли в буквальном смысле скрыты ранние этапы образования звезд и планет. Формирование и тех, и других происходит внутри облака достаточно плотного газа, перемешанного с пылью, плотность которой только увеличивается в ходе гравитационного коллапса.
Космос в инфракрасном диапазоне
Исследование таких «колыбелей» — первая задача, которую будет решать предлагаемая инфракрасная обсерватория. Авторы предлагают сделать качественный рывок в рамках этих задач благодаря субсекундному пространственному разрешению и высокой чувствительности. Так, диаметр главного зеркала обсерватории (правда, не полноразмерного) предлагается довести до 20 метров. (Здесь же авторы не забывают упомянуть и о наблюдении образования планет земного типа, которые в будущем могут стать обитаемыми. Вообще, можно подумать, что возможность поиска жизни на экзопланетах является необходимым условием конкурса космических обсерваторий ESA.)
Однако дальний инфракрасный диапазон — это еще и изучение пылевой составляющей галактик. Как нашей, так и других, в том числе довольно далеких. А наблюдение далеких объектов, в свою очередь, позволяет ставить космологические задачи. Например, эволюция пылевой составляющей галактик разных типов, которая связана с эволюцией вещества в галактиках вообще.
Более того, если поданный проект будет доведен до реализации, то результаты его наблюдений смогут органично дополнить данные, поступающие с других перспективных (как JWST или SKA) или уже работающих (как ALMA) инструментов, наблюдающих в миллиметровом или ближнем инфракрасном диапазонах.
PRISM
Наконец, еще одна заявка (возможно, не последняя — на официальном сайте ESA списка поданных проектов пока нет) предлагает обратить внимание на изучение такого свойства света небесных тел, как поляризация.
PRISM — проект сканирующего телескопа диаметром 3,5 метра, который будет не попеременно направляться в разные точки неба (как другие предлагаемые миссии), а непрерывно, медленно просматривать все небо и формировать один большой «кадр». Работать он будет в дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах длин волн. А его оборудование составят два прибора, позволяющие изучать спектр и поляризацию принимаемого излучения.
Напомним, что свет, с волновой точки зрения, представляет собой распространяющиеся в пространстве колебания векторов электрического и магнитного полей. Чаще всего плоскость, в которой колеблется вектор электрического поля не остается одной и той же, а случайным образом быстро меняется. Тогда соответствующий свет называется неполяризованным. Однако в некоторых физических процессах возникает и поляризованный свет, для направления вектора электрического поля которого существует предпочтительная плоскость. Измерение того, насколько сильно колебания поля «тяготеют» к одной плоскости (степени поляризации), ориентации этой плоскости и зависимости этих величин от длины волны или характеристик источника и составляет задачу изучения поляризации.
Авторы и здесь (как и ожидается от заявки на большой проект) представляют весьма широкий класс задач, для которых будет полезен PRISM. Из них, однако, можно выделить две фундаментальных. Это, во-первых, открытие и наблюдение далеких скоплений галактик при помощи так называемого эффекта Сюняева-Зельдовича, заключающегося в рассеянии квантов реликтового излучения на частицах горячей плазмы, окружающей скопления. Авторы обещают увеличить число известных далеких скоплений галактик в десять раз по сравнению с их сегодняшним списком.
А во-вторых, это поляризационные наблюдения реликтового излучения. То есть измерение степени и плоскости поляризации реликтовых квантов по всему небу. Такие наблюдения призваны решить вопрос о свойствах (и существовании вообще) реликтовых гравитационных волн. Последние являются эхом процессов, происходивших в самой ранней Вселенной и повлиявших на поляризационные свойства реликтового фона. Например, можно будет экспериментально подтвердить (а то и не подтвердить) идею о том, что в первые моменты своей жизни Вселенная прошла стадию так называемой инфляции. На этой стадии размеры Вселенной за короткий промежуток времени увеличились на много порядков. Инфляционная теория позволяет объяснить многие результаты космологических наблюдений, хотя твердого прямого подтверждения того, что инфляция действительно имела место, у нас пока нет.
Meanwhile in Russia...
Разумеется, не бывает «нашей» или «не нашей» фундаментальной науки. Наука почти полностью интернациональна. Однако, говоря о масштабных проектах Европейского космического агентства, справедливости ради надо упомянуть, что и в России на данный момент реализуются (на разных стадиях) четыре космические обсерватории уровня описанных выше проектов. И призваны они решать примерно те же задачи. Инструментальную платформу этих обсерваторий разрабатывает НПО имени Лавочкина, а научную часть — российские астрономические институты: Институт космических исследований, Астрокосмический центр Физического института Академии наук, Институт астрономии Академии наук и другие.
Все эти проекты можно объединить в единый проект «Спектр». Первый из них, «Радиоастрон» (или «Спектр-Р»), был успешно выведен на орбиту еще в 2011 году и уже два года приносит ученым новые данные. С его помощью стало возможным наблюдать радиоисточники с беспрецедентным угловым разрешением, поскольку он участвует в интерферометрической сети телескопов размером в десятки тысяч километров.
«Радиоастрон», он же «Спектр-Р»
Фото: НПО имени Лавочкина
Кроме него в период до 2025-2030 года (по плану — вообще до 2020 года) предполагается запуск еще трех обсерваторий. Первая из них это — «Спектр-Рентген-Гамма» для наблюдений в рентгеновском и гамма диапазонах. Работа в этом диапазоне делает ее похожей на европейский проект «Афина». Следующий аппарат — «Спектр-УФ» — предназначен для наблюдений в ультрафиолетовом диапазоне. Именно его как «конкурента» упоминали в своей заявке авторы проекта EUVO. И, наконец, «Спектр-М» («Миллиметрон») — 12-метровый телескоп, предназначенный для наблюдений в инфракрасном и миллиметровом диапазонах длин волн.
История этих проектов началась еще на рубеже советского времени и новой России. Контрольные даты в планах их разработок приходилось неоднократно переносить, потому что реализовать проекты такого масштаба в существующих российских реалиях весьма непросто. Но сегодня есть надежда, что последние установленные даты все же окажутся финальными и еще до старта первой большой миссии по европейской программе Cosmic Vision (2022 год) Россия подарит миру группировку мощных космических обсерваторий. Но это будет уже совсем другая история...