ТАК ДАЛЕКО, ТАК БЛИЗКО!

Дата: 
01 февраля 2021
Журнал №: 

О чём вы думаете, устремляя взгляд в ночное небо? Рассматривая невооружённым глазом звёзды? До невозможности трудно вообразить межзвёздные дистанции. Ведь наша жизнь — лишь крохотная вспышка. Она — всё, что у нас есть. И потому день ото дня мы в поиске тех знаний, которые изменят мир.

Текст  Александра Ломова

Тотальная «перепись» Вселенной
12 апреля 1961 года — лишь краткое мгновение в бесконечности пространства-времени. Однако именно оно стало точкой невозврата, горизонтом событий и будет ещё долго определять движение жизни людей. С тех пор прошло 60 лет, наполненных плодотворной работой в области освоения космического пространства. И хотя мировая космонавтика в раздумье о путях развития, но основные векторы уже видны. Это наращивание усилий по освоению дальнего космоса (прежде всего, Луны и Марса), качественные изменения работы на околоземном космическом пространстве, масштабные исследования Вселенной, которые отечественные учёные проводят в сотрудничестве с иностранными коллегами.

Ракета-носитель «Протон-М» с астрофизической обсерваторией «Спектр-РГ» успешно стартовала с космодрома Байконур в июле 2019 года. Затаив дыхание, этого запуска ждали не только российские учёные. Миссия у аппарата — поистине вселенского масштаба. Больше 560 дней он ведёт наблюдение с помощью двух телескопов — прибора eRosita, изготовленного в Германии, и российского ART-XC. Таких сложных оптических приборов человечество не делало за всю свою историю.

Главная задача в том, чтобы создать подробную «карту» Вселенной в рентгеновских лучах. Телескоп eRosita — основной инструмент на борту «Спектр-РГ» — составляет обзор нового поколения, покрывающий весь мягкий рентгеновский диапазон. Российский телескоп ART-XC сопровождает наблюдения в более жёстком диапазоне вплоть до энергий 30 кЭв. Почему это необходимо?

Ни для кого не секрет, что человеческий глаз видит в оптическом диапазоне спектра, покрывающем волны длиной от 380 до 740 нанометров. Со стороны волн с большей длиной находятся инфракрасный, микроволновый и радиодиапазоны. С другой стороны — ультрафиолетовый, рентгеновский и гамма-диапазоны. Свечение объектов во Вселенной может происходить на разных длинах волн. Существуют объекты, относительно яркие только в высокоэнергетических областях спектра, таких как рентгеновский и гамма-диапазон. Исследовать их с поверхности Земли невозможно, так как волны столь малой длины полностью поглощаются атмосферой. Для их изучения нужно подняться над газовой оболочкой планеты.

В случае «Спектра-РГ» «подняться» — значит быть примерно в точке Лагранжа L2, на расстоянии полутора миллионов километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу. Дело в том, что как раз в этой области суммарная гравитация Земли и Солнца уравновешивается центробежными силами. Поэтому любой объект, размещённый в этой области, делает один оборот вокруг Солнца синхронно с Землёй за один земной год. В долгосрочной перспективе эта «точка» неустойчива, и без периодической корректировки орбиты не обойтись.

Рентгеновский обзор позволяет обнаружить тяжёлые скопления галактик во Вселенной. Эти данные содержат информацию о крупномасштабной структуре распределения вещества и её эволюции. Когда мы делаем обзор неба, то видим не один объект, а десятки, сотни, миллионы. Наблюдая приблизительно схожие, можно проследить их жизнь на разных этапах времени. Только представьте, какую невероятную возможность предоставляет рентгеновский обзор — заглянуть в историю Вселенной, в то, что происходило на протяжении десяти миллиардов лет.

У аппарата «Спектр-РГ» хватает чувствительности, чтобы увидеть нашу Галактику насквозь. Учёным удаётся обнаружить всё больше тесных двойных систем, где компактный объект — нейтронная звезда, чёрная дыра или белый карлик. Все они наносятся на карту, попадают в своеобразную тотальную перепись «населения». Ежегодно происходят интереснейшие события, например, приливные разрушения звёзд чёрными дырами, заметные в качестве вспышек в рентгеновском диапазоне. Объединив усилия, оба прибора — eRosita и ART-XC — регистрируют ядра активных галактик, которые скрыты от нас толстым слоем газа, пыли, но отчётливо видны в жёстком рентгеновском излучении. Здесь просто незаменим российский прибор ART-XC: он расширяет энергетический диапазон, выполняя уникальную задачу.

Российская орбитальная обсерватория «Спектр-РГ» осуществляет третий обзор неба из восьми запланированных. Отсканировано более пяти тысяч квадратных градусов на небесной сфере. Полученные данные позволили повысить контрастность многоцветной рентгеновской карты неба, которую продолжает накапливать телескоп eRosita. Ряд структур, обнаруженных на карте первого обзора, видны более чётко. На повестке дня — их детальное исследование.

В пределах досягаемости — Луна
Наши исследования дальнего космоса неизбежно начинаются с Луны — единственного внеземного астрономического объекта, на котором побывал человек.

В декабре прошлого года китайский зонд «Чанъэ‑5» благополучно приземлился на лугах в северном Китае после 23‑дневной экспедиции. Он собрал около двух килограммов лунного грунта. Последний раз подобные образцы на Землю доставила советская миссия «Луна‑24» в 1976 году, а экипаж последнего в истории «Аполлона» увёз с собой больше ста килограммов. Чем так заинтересовало человечество лунное вещество?

Изучение лунного грунта способствует более глубокому пониманию происхождения Луны. В районе, где работала китайская станция «Чанъэ‑5», могут быть достаточно молодые горные породы. Возраст грунта, доставленного «Аполлонами», значительно старше. Поэтому разнообразные образцы могут рассказать нам об истории формирования и развития не только Луны, но и Солнечной системы.

В последнее время внимание исследователей приковано к полюсам Луны, где были обнаружены залежи воды. Возможно, она занесена туда межзвёздными странниками — кометами. Изучая кометное вещество, замёрзшее на лунных полюсах, люди получают доступ к межзвёздному веществу, которое, вероятно, содержит в себе сложные предорганические соединения. Его доставкана Землю и изучение в земных лабораториях с большой вероятностью поможет раскрыть секрет возникновения жизни на Земле.

Миссия российской автоматической станции «Луна‑25», запуск которой запланирован на октябрь 2021 года, также — исследование грунта. Состав реголита, поверхностного слоя рыхлого и разнозернистого лунного грунта, будет определяться на месте. Подтверждение наличия воды, которая обнаружена косвенными методами, важно для последующего освоения Луны. Если таковое будет установлено, то это откроет в перспективе возможность построения обитаемых лунных баз.

Упомянутый выше реголит на 40 % состоит из кислорода. После его извлечения путём термохимических реакций, он становится пригодным для производства ракетного топлива. Из лунного грунта, скорее всего, можно будет получать гелий‑3 для использования в качестве источника термоядерной энергии — по некоторым смелым расчётам, его запасов хватит населению нашей планеты на пять тысяч лет. Это поистине важно, если учесть, что в настоящее время изотоп гелий‑3 на Земле добывают в небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов в год. На Луне запасы этого ценного изотопа составля ют около 500 тысяч тонн. В ходе термоядерного синтеза, когда в реакцию вступает одна тонна гелия‑3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию примерно 15 миллионов тонн нефти. Конечно, чтобы проводить дальнейшие эксперименты и лучше понимать перспективы изучения Луны, нужны образцы лунного грунта. Поэтому доставка новых порций реголита на Землю критически необходима для будущих миссий.

В пределах досягаемости — Марс
Часто о Луне говорят как о перевалочном пункте по дороге на Марс. Но пилотируемые полёты к Красной планете — задача весьма отдалённого будущего. И тем не менее мы уже добрались до Марса, исследуем его пески и с уверенностью воплощаем в реальность то, что столетиями оставалось мечтой.

Из всех планет Солнечной системы ни одна не привлекала к себе столько внимания как Марс. Первая попытка запуска автоматической межпланетной станции (АМС) к Марсу была предпринята в 1960 году в Советском Союзе. Однако только в 1971 году посадочный модуль советской АМС «Марс‑2» успешно достиг поверхности планеты. Далее были: американские Mariner, советские «Фобосы», марсоходы Sojourner, Opportunity, Curiosity и многие другие. Сейчас наступает новый этап исследования дальнего космоса. И главное событие здесь — проект «ЭкзоМарс» (ExoMars).

Совместный проект Роскосмоса и Европейского космического агентства (ЕКА) по исследованию Марса ставит перед собой ряд научных задач. В их числе — исследование состава атмосферы и климата планеты с орбиты, изучение возможного вулканизма Марса через измерение содержания вулканических газов в атмосфере, поиск ответа на вопрос, как распределён в атмосфере метан. Задача вовсе не так проста, как кажется.

Отправка на Марс космических аппаратов сопряжена с определёнными трудностями: расстояние между Землёй и Марсом колеблется от 55 млн км (когда обе планеты находятся по одну сторону от Солнца) до 400 млн км (когда Солнце находится между ними). Наиболее удобное время для запуска наступает во время сближения планет. Такие периоды происходят примерно раз в два года и длятся около трёх месяцев.

В предыдущий раз планеты сближались в 2016 году. Тогда на космодроме Байконур и состоялся успешный запуск Trace Gas Orbiter (TGO) — орбитального аппарата для изучения газовых примесей атмосферы. Созданный специалистами Европейского космического сообщества модуль несёт четыре научных прибора, два из которых разработаны в Институте космических исследований РАН. К апрелю 2018 года TGO переведён на низкую круговую орбиту и приступил к выполнению миссии.

Вопрос о присутствии метана в атмосфере представляет в последнее время наибольший интерес. Дело в том, что метан быстро разлагается под ультрафиолетовым излучением, а значит, он постоянно поступает из неизвестного источника. Вариантов немного: это либо результат деятельности биосферы (живых организмов), либо геологической активности. Аппарат ищет источники некоторых следовых газов в атмосфере, чтобы понять, побочным продуктом каких процессов является этот простейший углеводород. Если бы выяснилось, что его наличие — следствие деятельности живых организмов, то мы смогли бы чуточку смелее ответить на ставший комедийным вопрос: «А есть ли жизнь на Марсе?»

Trace Gas Orbiter определит участки поверхности, где выделяется метан, чтобы спускаемый аппарат АМС «ЭкзоМарс‑2022» совершил посадку в обозначенном месте. График миссии предусматривает запуск ровера и посадочной платформы в августе—сентябре 2022 года. До этого планировалось осуществить запуск в 2020 году, однако руководителями Роскосмоса и ЕКА принято решение провести дополнительные испытания космического аппарата с доработанным оборудованием и с окончательной версией программного обеспечения. Перенос запуска связан и с тем, что во время заключительного этапа подготовки ход работ был нарушен в связи с общим ухудшением эпидемиологической ситуации в странах Европы.

Проект «ЭкзоМарс» ждёт своего часа. Он станет первой миссией, позволяющей проводить поиск признаков жизни на глубине до двух метров под поверхностью Марса.

Космическая гонка?
Каждый год на Земле осуществляется около сотни запусков ракет, а иногда и больше. Далеко не все важные запуски отмечаются в прессе, и человечество узнаёт лишь о наиболее громких из них. Например, не так давно компания SpaceX предпринимателя и миллиардера Илона Маска доставила на орбиту рекордные 143 аппарата, 10 из которых — спутники системы высокоскоростного доступа в интернет Starlink. SpaceX впервые вывела их на полярную околоземную орбиту. Остальные аппараты на борту, так называемые кубсаты, изготавливались и запускались в интересах различных государственных и частных заказчиков.

Взрывной рост индустрии кубсатов заметен не только по количеству запусков. Спутники покрывают 100 % поверхности земного шара, их эксплуатируют свыше 60 государств. Помимо Starlink важным достижением в освоении околоземного космического пространства можно считать создание спутниковой системы персональной связи «Гонец», а также качественные улучшения российской спутниковой системы навигации ГЛОНАСС. Благодаря им на Земле осуществляется мониторинг любого вида транспорта, обеспечивается подвижная персональная связь, проводится экологический мониторинг с помощью технологий дистанционного зондирования. Но стоит помнить о том, что в ближайшем будущем околоземные орбиты окажутся перенасыщены летательными аппаратами и космическим мусором, поэтому первоочередным будет объединение усилий многих государств для создания и улучшения общепланетарной распределённой организации движения.

Вместе с производством и запуском кубсатов своеобразным трендом в космической отрасли стало условное соревнование в производстве многоместных пилотируемых космических кораблей. Успешные запуски корабля Crew Dragon компании SpaceX в мае и ноябре прошлого года заставили инженеров разных стран задуматься над усовершенствованием своих аналогичных проектов. Подобные пилотируемые корабли уже принято относить к новому поколению, и хотя «начинка» принципиально не меняется, дискуссии вызывают в основном лишь ракеты-носители.

Дело в том, что примерно половина стоимости ракеты — это стоимость двигателей. Отдать ли предпочтение современным двигателям с закрытой схемой (с дожиганием генераторного газа) или использовать недорогие, но проверенные временем двигатели открытого цикла? На этот вопрос разные компании отвечают по-разному. Например, SpaceX решила выводить тот же Crew Dragon на орбиту с помощью ракеты-носителя Falcon 9, предпочтя жидкостные ракетные двигатели без дожигания (это существенно понизило стоимость). Российская «Ангара-А5 использует двигатели вроде РД‑191 с дожиганием окислительного газа, работающие на нетоксичных компонентах (керосин и жидкий кислород). Похожая «Ангара-А5М », запуск которой предварительно запланирован на конец 2024 года, будет применяться для запуска российских пилотируемых кораблей «Орёл». Аналогично устроены и индийские двигатели Vikas, возможности которых позволят вывести на орбиту индийский пилотируемый космический корабль «Гаганьян». Каждая ракета-носитель имеет свой уникальный функционал, но важна и многозадачность. Доставляемые ими пилотируемые космические корабли ориентированы на полёты не только к орбитальным станциям на низкой околоземной орбите, но и к Луне, Марсу, а также к астероидам.

Сейчас всё больше приходится слышать о «космической гонке». Но в освоении космического пространства вряд ли может идти речь о соревновании. Проектирование того или иного аппарата, в том числе и пилотируемых кораблей, строго зависит от целей и приоритетов. Кто-то делает дорогостоящие шоу, суть которых — в «катании» туристов по орбите. Кто-то тратит неимоверные усилия, чтобы собрать бесценный лунный грунт и как можно глубже изучить его в земных лабораториях. А кто-то конструирует замысловатые биологические лаборатории, помещает их в спускаемые автоматические станции и сажает на поверхность Марса в попытке найти признаки жизни. Казалось бы, так далеко шагнул за последние десятилетия смелый человек от Земли! Но он всё ещё так близко!

Когда-то русский учёный-историк Василий Ключевский на вопрос, зачем мы изучаем историю своей страны, ответил — чтобы лучше понять самих себя. Сегодня на вопрос — почему мы изучаем Солнечную систему, можно ответить — чтобы понять своё место во Вселенной. Но какими бы грандиозными ни были нынешние и будущие планы, покоряя и обживая космос, важно помнить primum non nocёre. Ведь наша жизнь — лишь крохотная вспышка. А наша Земля — всё, что у нас есть.