НА ПУТИ К ВСЕЛЕННОЙ. КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Дата: 
01 марта 2019
Журнал №: 
Рубрика: 

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

Галактика в оптическом и рентгеновском диапазонах

«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.

Первый телескоп «Спектр-Р»

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.

Телескоп «Хаббл»

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.

Б. Шустов на выставке. Испания. 2013 г.

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?

Телескоп «Кеплер»

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.

Дополнительный материал: 
Телескоп «Джеймс Уэбб»

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.

Проект Trace Gas Orbiter

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.

Туманность

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.