НА ПУТИ К ВСЕЛЕННОЙ. КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ
Теоретические модели эволюции Вселенной нуждаются в подтверждении, которое дают наблюдения с помощью астрономических инструментов. Расширение знаний о космосе требует новых видов исследований. «На помощь» наземным инструментам приходят космические аппараты с разнообразными телескопами на борту. О достижениях и проблемах российской астрономии корреспондент МР побеседовала с Борисом Шустовым, профессором, членом-корреспондентом РАН, научным руководителем Института астрономии.
Текст: Екатерина Борисова
«Ключ» к Вселенной
На современном этапе развития астрономии для наблюдения за космическими объектами и процессами уже недостаточно наземных оптических и радиотелескопов. Чтобы найти «ключ» к Вселенной, необходимо иметь доступ к заатмосферным средствам. Возможности наземных телескопов ограничены из-за того, что атмосфера «обрезает» большие участки электромагнитного излучения, приходящего от космических источников. А это для астрономов прежде всего информация. Причём излучение может лежать в ненаблюдаемом с Земли диапазоне электромагнитного спектра. Поэтому о каких-то космических телах мы знаем много, а о существовании иных лишь догадываемся по косвенным признакам.
Например, в оптическом диапазоне яркость галактики увеличивается к центру. На периферии галактика тускнеет и сливается с космическим чёрным фоном. В ультрафиолетовом диапазоне наоборот ― именно периферийные, невидимые в оптике области ярко сияют. Галактика как бы окружена ультрафиолетовой шалью, и эффект этот дают горячие молодые звёзды.
Температуру звезды оценивают по тому, в каком диапазоне она излучает больше всего. Старые звёзды, которых много в центральных областях галактики, хорошо видны через обычную оптическую камеру. А благодаря ультрафиолетовым телескопам стало известно об интенсивном образовании молодых звёзд на периферии галактик, ранее считавшихся пустынными.
Из-за избирательной прозрачности нашей атмосферы наблюдение космоса с Земли возможно лишь в оптическом и частично в радиодиапазонах. Космические объекты, излучающие в инфракрасном, миллиметровом, ультрафиолетовом, рентгеновском, гамма-диапазонах, недоступны для наблюдений с помощью наземных инструментов, в космос необходимо выводить телескопы.
Один из таких Т‑170M космической обсерватории «Спектр-УФ» создаётся Институтом астрономии РАН (ИНАСАН) в кооперации с российскими партнёрами и небольшой долей зарубежного участия. Он предназначен для получения изображений и спектроскопии в недоступном для наблюдений наземными инструментами ультрафиолетовом (УФ) участке электромагнитного спектра: 110—320 нанометров.
«Спектр-УФ» ― третий из аппаратов российской серии «Спектр». Первый телескоп «Спектр-Р», запущенный в 2011 году, завершил свою миссию. Второй ― «Спектр-Рентген-Гамма» (Спектр-РГ) готовится летом выйти на орбиту. Каждый из аппаратов создан под определённый диапазон электромагнитного спектра, что позволит увидеть то, о чём раньше можно было лишь догадываться.
Задачи отечественного «Хаббла»
Телескоп предназначен для работы в ультрафиолетовом диапазоне при длине волны примерно в 2―3 раза короче, чем то, что наблюдаем глазом. Человек, в отличие от пчелы, это излучение видеть не может. Более того, жёсткое ультрафиолетовое излучение не пропускается воздухом. Если длина волны короче 200 нанометров, то даже небольшой слой воздуха его полностью поглощает и не даёт распространяться. Наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне ― для космических обсерваторий.
Известный всем телескоп «Хаббл» изначально планировался для работы с излучением именно в этом участке электромагнитного спектра. Позднее применение телескопа было расширено на оптический и даже немного на инфракрасный участки. Ультрафиолетовый диапазон интересен тем, что богат с точки зрения насыщенности информацией о космических объектах и процессах. Поэтому российскими учёными сделана акцентированная попытка реализовать отечественный «Хаббл». Наш телескоп примерно такого же класса, но меньше в диаметре. У телескопа имени Хаббла диаметр — 240 см, а у телескопа Т‑170М обсерватории «Спектр-УФ» ― 170 см. Для космоса это крупный инструмент.
Мы живём в странной Вселенной. Если провести её инвентаризацию, то получится, что 70 % космического пространства занимает непонятная тёмная энергия. Исследователи плохо понимают, что это такое. Примерно 26 % ―тоже непонятно что, некое тёмное вещество (не энергия), которое проявляет себя в гравитационном отношении. Оно тяготеет, но никакими другими способами не проявляется, ничего не излучает и не поглощает; распределено неравномерно, но на больших масштабах доминирует. Это огромная загадка для физики.
В Солнечной системе тёмного вещества мало ― меньше одного процента. Но в масштабах нашей Галактики его масса сравнима с массой светящегося вещества (звёзд и межзвёздного газа). Взяв ещё больший объём, увидим, вероятно, что тёмной материи во Вселенной в 5―6 раз больше обычной. Иными словами, мир состоит из очень странных субстанций, которые мы изучаем. Но, что они представляют, ответа нет. И пока эта загадка не будет решена, никто не может сказать, что хорошо понимает мир, в котором живём, т. е. Вселенную. Поиск барионного (обычного) вещества ― одна из задач «Спектр-УФ».
Технических проблем нет, но…
Вопрос готовности и планов запуска телескопа ― один из самых больных в научной программе. Значительная часть компонентов сделана. Изготовлены механические конструкции, почти полностью готова оптика. Все компоненты прошли тестирование, включая статические нагрузки, динамические, ударные, тепловые тесты. Технических проблем нет. Не завершена работа над созданием тех приборов, которые анализируют излучение. Ведь что такое телескоп? Это концентратор электромагнитного излучения, который собирает поток с большой площади с помощью огромного зеркала и направляет этот поток в концентрированном виде на приборы для последующего анализа. Можно построить изображение объекта (вспомните замечательные картинки с телескопа имени Хаббла), а можно разложить излучение по длинам волн или, как говорят в физике, получить спектр излучения объекта.
Обычному человеку спектры не очень понятны, они не столь наглядны, как изображения, но именно спектральные исследования ― основной путь получения информации об астрофизических объектах. Они позволяют узнать, как движется вещество в объекте наблюдений, какая там температура, плотность, химический состав. Собственно, главная научная приборная начинка телескопа ― спектрограф и камера.
Степень готовности обсерватории в целом примерно 70 %. Нужно закончить работу как над приборами, так и над платформой (спутником, на котором будет располагаться телескоп). Конструкция космического аппарата ― это платформа, которая обеспечивает имеющуюся полезную нагрузку энергопитанием и радиосвязью, а также задаёт необходимую ориентацию.
О подготовке к запуску
«Спектр-УФ» может полностью заменить телескоп «Хаббл», если его запустят вовремя. Но сроки всё время смещаются. Ещё недавно это был 2021 год, сейчас планы перенесены на 2024-й, что связано с неправильным уровнем планирования научных исследований.
В какое-то время у нас в стране хватались за множество амбициозных проектов, хотя денег и сил на них не было. Лет пять назад список проектов сократили, сделав его более реальным, но до конца дело так и не довели. К тому же правила постоянно меняются. Уровень планирования в Федеральной космической программе таков, что впору вспоминать поговорку: закон что дышло, куда повернул, туда и вышло. Так, в релизе программы, который появился в конце прошлого года, вдруг «зазвучало» резкое сокращение затрат на научные проекты. В горизонте планирования на три года произошло тяжёлое поражение многих космических научных проектов. На «Спектр-УФ» финансирование на 2020―2021 год сокращено более чем в 10 раз! Как выполнить проект?
Партнёры
У нас было серьёзное международное сотрудничество. В частности, с Германией. Но Германия также участвует в российском проекте «Спектр-РГ», который будет запущен на орбиту в этом году. Ведущая организация по проекту ― Институт космических исследований РАН.
Космическая обсерватория «Спектр-РГ» состоит из двух телескопов ― российского и немецкого. Германский рентгеновский телескоп, изготовленный в Институте внеземной физики имени Макса Планка (г. Гархинг), называется eROSITA. Его создание оказалось дороже более чем в 5 раз по сравнению с первоначальными немецкими расценками. В итоге немцы вышли из проекта «Спектр-УФ». На участие в нём уже не было денег. На данный момент наш единственный крупный партнёр ― Испания.
«Спектр-УФ» и «Кеплер»
«Кеплер» ― поисковый инструмент, предназначенный для обнаружения экзопланет. Миссия «Спектра-УФ» ― исследования наиболее перспективных объектов в плане анализа химического состава их атмосфер с помощью методов спектроскопии, при этом телескоп может проводить детальное изучение.
Нам интересно узнать, что это за экзопланеты, есть ли там вода? Это важно для науки, да и всегда хочется найти что-то, что напоминало бы Землю.
Сфера гигантских вложений
NASA готовит к запуску космический телескоп «Джеймс Уэбб», который должен работать в инфракрасном диапазоне. Это не замена американского «Хаббла», как указывается в некоторых СМИ. Выведение телескопа на орбиту откладывается больше десяти лет. Его безумная стоимость создаёт дополнительные сложности для реализации проекта.
Инфракрасная техника, а тем более космическая, не может стоить дёшево. «Джеймс Уэбб» изначально планировался дорогим, но финансовые вложения в него давно многократно превысили первоначально запланированную цифру. Предполагалось, что стоимость его будет около 3 млрд долларов, сейчас она более 10 млрд и приближается к 13 млрд.
Современная космическая наука требует огромных вложений, которые невозможно просчитать на ранних стадиях планирования, потому что все приборы уникальны. Никто и никогда их раньше не делал.
Вообще космос стал сферой совершенно гигантских финансовых вливаний. Только на одной геостационарной орбите находится аппаратура стоимостью более 200 млрд долларов.
Быть свободным от общества нельзя…
Будущие масштабные космические проекты одной стране, даже такой, как США, не потянуть. Они делаются в кооперации. Что касается вовлечённости России в международные проекты и влияния на них санкций ― и то и другое имеет место быть.
В. И. Ленин говорил, что «жить в обществе и быть свободным от общества нельзя». К мировому сообществу и конкретно к мировой космической науке это вполне применимо. У России ― серьёзные технологические проблемы, например, в части высокотехнологичных приёмников излучения в ультрафиолетовом диапазоне. Мы покупаем их в Англии. Приёмник ― не просто кремниевый чип, но ещё и электроника. Качественная радиационно стойкая электроника была американская. В связи с санкциями поставки в Россию этих элементов прекратились, что сильно повлияло на планы. Роскосмос не стал закрывать проект, а решил перепроектировать некоторые детали телескопа. Задача была решена на менее совершенных электронных компонентах, но в ущерб компактности и массы конструкции. Пришлось перепроектировать весь приборный узел, потому что изменились масса, частоты колебаний, система теплорегулирования. Это отбросило нас на определённое время назад, хотя задачу мы выполнили.
Иные международные проекты с участием России
Помимо «Спектра-РГ», запуск которого впереди, можно назвать ещё один интересный проект ― Trace Gas Orbiter (TGO), являющийся частью программы «ЭкзоМарс». Она реализуется Россией совместно с Европейским космическим агентством. TGO был запущен в 2016 году и успешно выполняет свои функции. Он летает в верхних слоях марсианской атмосферы, анализируя её состав. Получаемые результаты важны для понимания, почему атмосфера Марса именно такая, почему она практически исчезла, как долго ещё будет существовать и т. д. Одновременно идёт картирование распределения воды на Марсе.
В рамках российско-итальянского сотрудничества создан прибор Pamela. Он изучает состав космических частиц: электронов, позитронов, необычных частиц, которые свидетельствовали бы о природе тёмного вещества. Похожий проект, но с большей долей российского участия ― «Нуклон».
Из работающих в космосе программ с нашим участием можно также упомянуть международную космическую обсерваторию Integral. Она функционирует c 2002 года. Обсерватория была создана для наблюдений в жёстком коротковолновом диапазоне рентгеновского и гамма-излучения.
О развитии теории Большого Взрыва и новых открытиях
Гипотеза Большого Взрыва впервые была высказана отечественным математиком А. А. Фридманом около ста лет назад, как чисто теоретическая модель. Существенно усовершенствовал её другой выдающийся учёный-соотечественник Г. А. Гамов, который вывел закон расширения Вселенной. Опирался он на удивительное открытие американца Э. Хаббла: чем дальше Галактика, тем с большей скоростью она удаляется от нас. Если рассматривать это расширение в обратном порядке, то мысленно можно вернуться к тому времени, когда всё начало разлетаться.
В наши дни появились данные наземных и космических экспериментов, которые переводят космологию из теоретической науки в наблюдательную. На ранних стадиях разлёта Вселенной началась её структуризация, то есть выделение неоднородностей. Ведущую роль в этом процессе сыграло то самоё тёмное вещество, о котором мы ничего не знаем. Неоднородности (гало, сгустки) из тёмного вещества потянули за собой барионное вещество, а из него образовались скопления галактик и сами галактики. Как этот процесс происходил, мы понимаем с всё большей детализацией, хотя и нельзя сказать, что картина ясна на сто процентов. Когда зародились первые галактики, первые звёзды, эволюция Вселенной сильно усложнилась. Кстати, одна из загадок, которая вновь интенсивно обсуждается, хотя и казалась почти решённой, ― как произошли галактики. Однозначного ответа пока нет.
В последнее время сильно продвинулась наука о происхождении молекул в космосе и космических основах появления жизни. То, что в газопылевых облаках образуются молекулы и даже органика, стало известно более полувека назад с появлением радиотелескопов. Органические молекулы вмерзали в первичные ледяные (с примесью пыли) образования (кометезимали), которые, вполне возможно, и принесли органику на Землю.
Большой прогресс в астрохимии ― науке, занимающейся исследованием этих вопросов, недавно был отмечен премией Кавли. Её получила президент Международного астрономического союза Эвина ван Дисхук (Нидерланды). Она показала, как эволюционирует органическое вещество, как появляются тяжёлые органические молекулы в космосе, могут ли они там сохраняться, как эти исходные кирпичики распространяются во Вселенной. Фактически мы приблизились к пониманию астрономических основ зарождения жизни.
Дальнейшие исследования и открытия потребуют, в том числе расширения арсенала научно-исследовательской аппаратуры, что, в свою очередь, создаст условия для новых достижений. Россия не может оставаться на обочине всех этих процессов. Это не в наших интересах. Мы обязаны быть полноценным участником космических программ. Сворачивание космических исследований приведёт нас на периферию мировой науки и вернёт в прошлое.
Будет ли Россия в авангарде или в арьергарде цивилизации ― выбирать нам. Но в любом случае в одиночку познать Вселенную не удастся никому.
