Космическая микроволновая обсерватория «Планк» завершила свою работу: телескоп отработал не только свои положенные 15 месяцев, но и более полутора лет сверх этого. 23 октября 2013 года инженеры Европейского космического агентства выключили передатчик аппарата. За два дня до этого они использовали остатки топлива для того, чтобы перевести инструмент на безопасную гелиоцентрическую орбиту, где он сможет находиться еще очень долгое время.
Обычно под термином «телескоп» понимается устройство, позволяющее рассмотреть удаленные и потому слишком мелкие объекты. Однако с появлением космических обсерваторий определение пришлось переосмыслить: теперь телескопом называют устройство, которое позволяет получить изображение астрономического объекта. В случае с оптическим диапазоном смотреть на небо, очевидно, имеет смысл лишь через каким-то образом повышающий четкость изображения прибор, но в случае с другими диапазонами важна сама возможность увидеть, например, Солнце в ультрафиолете или все небо в гамма-излучении. Пусть даже с меньшей четкостью, чем мы видим звезды невооруженным глазом.
В микроволновом диапазоне (часто диапазон частот около терагерца выделяют отдельно, в так называемое терагерцевое излучение) можно обнаружить излучение холодных пылевых облаков и проследить за рождением звезд, но это далеко не самое интересное.
Фон, сигнал и шум
Строго говоря, «Планк» не предназначен для исследования каких-либо конкретных объектов. Его построили для наблюдения за реликтовым излучением, которое приходит со всех сторон, куда бы ни был повернут детектор. Реликтовое излучение, оно же микроволновый фон, возникло при Большом Взрыве, точнее — вскоре после него: когда вещество остыло достаточно, чтобы стать прозрачным. По сути это первичное электромагнитное излучение, и оно является едва ли не главным источником нашей информации о ранней Вселенной: никаких звезд или иных светящихся объектов в этот период еще не было.
Микроволны, оно же сверхвысокочастотное (СВЧ) излучение: электромагнитное излучение с длиной волны от 1 метра до 1 миллиметра. Впрочем, эти ограничения условны: излучение с длиной волны от 3 до 0,03 миллиметров иногда определяют как терагерцевое; четкой границы, за которой резко меняются свойства излучения, не существует.
По вариациям микроволнового фона (температура и поляризация излучения немного отличаются в разных точка неба) ученые могут сделать вывод о том, как происходило расширение Вселенной. Причем это верно, в том числе, и для одной из самых ранних стадий, стадии инфляции, когда Вселенная расширялась намного быстрее, чем сегодня. О том, что именно извлекают астрономы и физики из реликтового излучения, «Лента.ру» писала неоднократно: этим феноменом интересуются в контексте инфляционной модели, движения групп галактик, эпохи реоинизации, поиска гравитонов и многого другого.
Из всех аналогичных инструментов «Планк» не только самый зоркий, но и вдобавок обладает наиболее высокой чувствительностью к изменению спектра излучения: если бы речь шла о видимом свете, мы могли бы говорить о способности различать несколько миллионов оттенков цвета. Детекторы «Планка» способны засечь изменения температуры излучения на несколько стотысячных долей кельвина, а именно эта информация в наибольшей степени интересовала астрофизиков.
Точка Лагранжа L2
Точками Лагранжа называют такие точки вблизи двух массивных тел, в которых другое тело, с много меньшей массой, может находиться в состоянии равновесия. Точкой L1 называют место между Луной и Землей (там гравитация этих небесных тел компенсирует друг друга), а точка L2 относится к системе Солнце-Земля и ее расположение показано на этой схеме.. Иллюстрация: NASA, ESA
Разумеется, перед детектором не должно быть посторонних препятствий, поэтому обсерваторию разместили в точке Лагранжа L2, подальше от Земли с ее радиопомехами и засветкой. Дело в том, что изучать реликтовое излучение вообще очень непросто.
Прежде всего, вспышка, возникшая при рождении Вселенной, подвержена эффекту красного смещения и ее длина волны из-за расширения пространства стала намного больше. А законы физики гласят, что чем больше длина волны, тем меньше температура того тела, которое могло бы испустить такое излучение. Из этого, в свою очередь, проистекает необходимость охлаждать и детектор — поскольку иначе он не сможет заметить источник излучения из-за собственного тепла. Температура микроволнового реликтового фона равна 2,752 кельвина, или примерно минус 270,4 градуса Цельсия: если не охлаждать детектор жидким гелием, то и излучение зафиксировать не получится.
Микроволновая антенна в Холмдейле
Фото: Fabioj / Wikipedia
Жидкий гелий позволил «Планку» проработать с мая 2009 по январь 2012 года в холодном режиме и выполнить пять полных обзоров всего неба с использованием всех его детекторов. В это время детекторы с температурой всего 0,1 кельвина были самыми холодными объектами во Вселенной: по крайней мере, если говорить об известной ученым части и о постоянно охлаждаемых предметах, а не разовых экспериментах (в опытах с квантовыми системами десятки милликельвин — рядовая температура).
Второй проект ESA, связанный с точкой Лагранжа и криогенным телескопом, — обсерватория Гершель. Этот инфракрасный телескоп позволил вести наблюдения в том диапазоне, на который приходится максимум теплового излучения от холодных объектов вроде облаков межзвездной пыли.
Когда гелий иссяк, астрономы оставили только низкочастотные детекторы. Несмотря на то, что теоретически низкая частота соответствует еще меньшим температурам источника излучения, низкочастотный блок оказался менее чувствителен к помехам. Максимальная длина волны (чем длина волны больше, тем ниже частота), на которую был рассчитан прибор, составляла один сантиметр (частота 30 гигагерц). Такое излучение обнаруживают детекторами, которые устроены не так, как детекторы волн с частотой в десятки и сотни раз выше, и за счет этой разницы в конструкции приборов низкочастотный блок смог работать и без гелия.
Низкочастотное излучение «Планк» обнаруживал при помощи антенн и микроволновых усилителей, выполненных по схожему с радиоприемником в сотовом телефоне принципу (в стандарте GSM 1800 рабочая частота составляет примерно 1,8 гигагерца). А вот высокочастотные волны пришлось ловить при помощи специальных антенн, выполненных в виде ажурной сетки внутри фокусирующего излучение волновода. Сетка под действием излучения нагревалась, и этот нагрев обнаруживал электронный термометр: подобная схема отличалась высокой чувствительностью, но не работала без глубокого охлаждения.
С низкочастотным блоком «Планк» сделал еще три полных обзора неба, и 19 октября 2012 года обсерватория была выключена. Больше года инженеры никак не вмешивались в ее существование, однако настало время задуматься о дальнейшей судьбе отработавшего свое инструмента.
Высокочастотный детектор, схема
Схема: официальное описание аппарата, ESA
На вечное хранение
Просто так взять и оставить «Планк» на его рабочем месте нельзя. Аппарат, вышедший из строя или утративший связь с Землей, будет мешать другим обсерваториям. Риск столкновения с чем-то еще чрезвычайно мал, но даже продолжающие посылать сигналы в случайном направлении радиопередатчики могут сбить с толку другие аппараты. Правила утилизации космической техники требуют сжечь остатки топлива и выключить бортовое оборудование, причем в итоге телескоп должен выйти на траекторию, исключающую возврат к Земле или Луне. По крайней мере, в ближайшие несколько столетий.
Уникальный инструмент не сожгли в атмосфере (а такая судьба неизбежно ждет легендарный «Хаббл», так как корректировать его орбиту уже нечем) и не разбили о поверхность Луны, как предлагали поступить с инфракрасным «Гершелем». «Гершель» в 2013 году тоже закончил работу из-за исчерпавшихся запасов гелия, его хотели сбросить на Луну, но потом от этой идеи отказались: официально помешала сложность и дороговизна проекта, а по неофициальной информации у ученых просто не поднялась рука «убить» свое детище, в которое вложено столько сил и средств.
На официальном сайте ESA незадолго до прекращения миссии говорилось, что отключать передатчики «Планка» будет кто-то со стороны. Паоло Ферри, руководитель центра управления полетами, сказал, что в задачу специалистов входит поддержание контакта с аппаратами и борьба за их работоспособность: поэтому передать команды, переводящие «Планк» в нерабочее состояние, придется кому-то из ученых. Этим человеком стал Ян Таубер.
В 12:10 по Гринвичу (16:10 по московскому времени) была отключена система зарядки аккумуляторов и радиопередатчики. «Планк» прекратил свое существование в качестве научного инструмента, но в условиях межпланетного пространства он имеет все шансы сохраниться на очень долгое время. Может быть, где-нибудь к 2113 году его даже найдут и доставят в музей.