Главный телескоп будущего: ключ к пониманию всего

На пороге мироздания

Орбитальные обсерватории (или космические телескопы, как удобно) могут дать человеку и прикладные познания. В 2013 году благодаря тому же Hubble удалось открыть спутник Нептуна Гиппокамп. Не исключено, что в будущем с помощью выведенного на орбиту телескопа мы, земляне, сможем найти для себя потенциальный новый дом в другой планетной системе. Земля не вечна: когда-то не будет и ее, и Солнца, и даже всей нашей Галактики. По крайней мере, в привычном понимании этого слова.

Чем же космические телескопы «лучше» земных? Правильнее сказать, что они не лучше и не хуже, а имеют разное предназначение. Атмосфера Земли задерживает гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение космических объектов, а еще бо́льшую часть инфракрасного излучения. Однако перед космическим аппаратом такие вызовы не стоят. Если взять упомянутый Hubble, то его разрешающая способность приблизительно в 7–10 раз выше показателей телескопов, расположенных на Земле. Но за все хорошее приходится платить. В прямом смысле этого слова. Орбитальные обсерватории не только одни из главных инструментов познания Вселенной, но и одни из самых дорогих космических аппаратов в истории. Цена преемника Hubble – телескопа James Webb Space Telescope – давно перевалила за $9 млрд. Астрономическая цена едва не похоронила проект: после многочисленных переносов запуск назначили на октябрь 2021-го.

Де-факто, сейчас это самый важный из всех космических проектов, превосходящий по своей значимости планируемую высадку людей на Луне и даже гипотетическую пилотируемую экспедицию на Марс. Свет первых галактик и звезд, потенциально пригодные для жизни планеты, тайны водных миров нашей системы – об этом и многом другом расскажет «Джеймс Уэбб». Однако есть явление, которое останется неподвластным даже столь могучей обсерватории. Имя ему темная энергия.

Энергия «тьмы»

Если современные предположения верны, то общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 68,3 % из некой субстанции, именуемой темной энергией. Наблюдать ее современными методами невозможно. Она сколь-нибудь заметно не контактирует с обычной материей посредством известных фундаментальных типов взаимодействия за исключением гравитации.

roman.gsfc.nasa.gov

Раньше ученые считали, что расширение Вселенной замедляется за счет гравитации. Однако в конце 90-х исследователи обнаружили нечто, что заставило всех в этом усомниться: удаленные галактики демонстрировали более низкую светимость сверхновых типа Ia, чем должны были. Это подвигло специалистов внести новую космологическую константу, которую и назвали «темной энергией». «Темная энергия действует следующим образом. Представьте себе, что вы подбросили мяч в воздух, а он продолжает лететь вверх все быстрее и быстрее», – говорит доктор Крис Блэйк из Свинбернского университета технологии (Мельбурн, Австралия).

За прошедшие годы человечество не сильно приблизилось к разгадке тайны темной энергии. На каком-то этапе стало ясно, что современные технические возможности не смогут ее решить. Так появился телескоп Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). Вернее, его проект.

Нэнси Грейс Роман

Новый аппарат должен будет сменить сразу три орбитальные обсерватории: упомянутые выше Hubble и James Webb, а также Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE) – инфракрасный телескоп NASA, запущенный в 2009-м.

WFIRST – не слишком «романтичное» название. Не удивительно, что вскоре (а именно – в 2020-м) он получил другое имя – Nancy Grace Roman Space Telescope, или просто Roman Space Telescope. Нэнси Грейс Роман за вклад в создание самого знаменитого телескопа называют «матерью “Хаббла”». ‎Под ее руководством создали и запустили такие космические аппараты, как IUE (International Ultraviolet Explorer), COBE (Cosmic Background Explorer), а также четыре телескопа Orbiting Astronomical Observatory.

Нэнси Грейс Роман. Фото: NASA/ESA, flickr.com

Roman Space Telescope представляет собой широкодиапазонную инфракрасную обсерваторию, которая должна стать шестой «великой» обсерваторией NASA: в нее также входят Hubble (ну никуда без него!), Compton, Chandra, Spitzer и еще не запущенный James Webb. Nancy Grace Roman Space Telescope планируется использовать на гало-орбите, в точке Лагранжа L2 в системе Солнце–Земля. Это означает, что, подобно космическому телескопу James Webb, он не будет вращаться вокруг Земли, а будет обращаться вокруг Солнца.

Каковы главные инструменты Roman Space Telescope? Прежде всего – это главное зеркало диаметром 2,4 м. И хотя основной инструмент Roman Space Telescope в этом смысле не отличается от зеркала Hubble, благодаря новым технологиям его масса составляет менее четверти от массы зеркала старой космической обсерватории. При этом «поле зрения» этой системы в 100 раз больше, чем предыдущей. На практике это означает, что если «Хаббл» смог найти тысячи галактик, то новый телескоп позволит увидеть миллионы. Возможности телескопа выглядят поистине безграничными, однако ученых интересуют, прежде всего, два направления.

Поиск темной энергии. Для этого хотят задействовать несколько методов. Первый – выявление так называемых барионных акустических осцилляций. За этим труднопроизносимым определением стоят колебания в плотности видимого вещества, заполняющего раннюю Вселенную. Они вызваны акустическими волнами плазмы. Это своего рода «замороженные» отпечатки вещества, которое двигалось после Большого взрыва.

Помимо этого, ученые используют метод наблюдения за удаленными сверхновыми, а также слабое гравитационное линзирование. Если в случае со сверхновыми все более или менее понятно, то последнее требует объяснений. Предположим, есть объект, выступающий в качестве источника света: это может быть звезда или квазар. Если на прямой, по которой его свет будет идти к нам, находится другой объект, то последний заслонит от нас источник света. И если препятствие будет массивным, то оно превратится в гравитационную линзу – тело, изменяющее своим гравитационным полем направление распространения электромагнитного излучения. Это можно сравнить с тем, как обычная линза изменяет направление светового луча.

Поиск экзопланет. Вторая основная задача Roman Space Telescope – поиск планет вне нашей системы, то есть экзопланет. Предполагается, что космический телескоп сможет эффективно выявлять относительно крупные планеты, сравнимые по размерам с нашим Юпитером и имеющие массу примерно 10 % земной. Ученые рассчитывают на прямое наблюдение – крайне трудноосуществимое в наших реалиях.

Гравитационное микролинзирование происходит, когда две звезды выравниваются и свет от дальней огибает ближнюю, а та действует как линза, увеличивая его. Если при этом звезда переднего плана имеет планету, то ее гравитационное поле вносит корректировки в линзирование, из-за чего космическое тело проще обнаружить. WFIRST будет наблюдать за этим явлением, чтобы обнаружить экзопланеты, коричневых карликов и даже черные дыры. Иллюстрация: NASA's Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab, nasa.gov

Загадывать рано, но сейчас в NASA рассчитывают, что Roman Space Telescope откроет более 2,5 тыс. экзопланет. Увы, относительно малые планеты, такие как Марс, обнаружить не выйдет. Зато благодаря Roman Space Telescope получится проанализировать структуры других планетных систем и понять, насколько они похожи на нашу. Телескоп поможет определить типы планет, а также изучить кометы и астероиды. Последнее, как надеются идейные вдохновители, позволит раскрыть тайну происхождения Земли.

Среди самых важных задач – изучение тел, расположенных в относительной близости к центру нашей галактики: это может дать новое понимание эволюции планетных систем. Дело в том, что в центре находятся звезды, которые сформировались примерно 10 млрд лет назад (возраст Вселенной ученые оценивают в 13,799 ± 0,021 млрд лет). Среди прочего специалисты хотят понять, формируются ли горячие юпитеры – экзопланеты, которые находятся очень близко к своим светилам, – близ родных звезд или же «мигрируют» ближе к ним с течением времени.

Еще одно направление исследований – изучение так называемых свободно плавающих планет: объектов, которые, предположительно, были выкинуты из своих систем. Пока у ученых нет конкретного понимания, откуда такие путешественники взялись.

Для решения двух главных поставленных задач космический аппарат получит два основных инструмента.

Wide-Field Instrument. Комплекс представляет собой широкоугольную 288-мегапиксельную многоспектральную камеру инфракрасного диапазона. По четкости изображения его можно будет сравнить с Hubble, однако на снимке будет примерно 0,28 квадратных градусов неба, что в сто раз больше аналогичного показателя Hubble. Благодаря инструменту Roman Space Telescope сможет получать панорамные изображения звездного поля, а каждые 15 минут можно будет просматривать больше 200 млн звезд. Wide-Field Instrument полезен как для поиска планет, так и для обнаружения темной энергии.

Coronagraphic Instrument. Коронограф, представляющий собой комплекс из нескольких светонепроницаемых ширм и двух гибких зеркал, поверхность может менять свою форму по команде. Благодаря бортовому компьютеру будет возможно настраивать геометрию поверхности зеркал так, чтобы прибор смог «удалять» свет далеких светил с картинки. Последнее, как ожидается, даст возможность рассмотреть экзопланеты, которые вращаются вокруг этих звезд.

Бег с препятствиями

Как и любой амбициозный проект, Roman Space Telescope систематически сталкивается с трудностями. Чаще всего финансового плана. До недавнего времени сама его судьба висела на волоске. О рисках, в частности, шла речь в отчете NASA, подготовленном в 2017-м. «Риски основной миссии WFIRST значительны, а значит, миссию нельзя реализовать без изменений или дополнительных ресурсов», – говорится в нем. Под словосочетанием «дополнительные ресурсы» имеют в виду, конечно, финансовые средства. Изначально цена программы не выглядела очень «страшной», особенно на фоне других космических программ США. Однако со временем планируемые $1,6 млрд переросли в $3,6 млрд, а затем – в 4,2. Среди причин – техническая сложность. Речь, в частности, идет о коронографе, который оказался более сложным в реализации, чем изначально планировали. В более широком смысле проект стал заложником политической борьбы. Когда к власти пришел Дональд Трамп, он дал понять, что приоритет в космосе – пилотируемые полеты. В том числе к спутнику Земли. Это требовало огромных капиталовложений, так что отказ от нового телескопа и перераспределение бюджета в пользу высадки на Луне казался вполне реальным. Сейчас эти опасения в прошлом. Новая власть имеет принципиально иное понимание NASA: более фундаментально значимые, менее рискованные миссии.

Инженер-оптик в Лаборатории реактивного движения NASA в Пасадене, Калифорния, Камило Мехиа Прада (Camilo Mejia Prada) светит на интерьер испытательного стенда для коронографа, который будет летать на борту Космического телескопа WFIRST. Коронографы используют для изучения солнечной короны. Фото: NASA/JPL-Caltech/Matthew Luem, jpl.nasa.gov

Как бы там ни было, еще до смены администрации проект получил необходимое для текущего этапа финансирование, а в сентябре NASA сообщило о создании основного зеркала телескопа Nancy Grace Roman Space Telescope. Если что и вызывает сомнения, так это дата запуска. Сейчас старт намечен на середину десятилетия, однако все мы хорошо помним историю с телескопом James Webb. Его хотели запустить еще в 2007 году, но сегодня устройство все еще находится на родной планете. Как и мы с вами. И если мы все же хотим переселиться куда-нибудь в будущем или заглянуть пристальнее в космическое прошлое, то без телескопов в темноте Вселенной мы ничего не разглядим.