«Спектры» российской науки15.02.2021 13:02

Человечество создало множество замечательных космических телескопов. Наверное, самый известный — долгожитель «Хаббл», чиненный-перечиненный еще астронавтами шаттлов. Европейская Gaia с огромной матрицей, составившая карту уже почти полутора миллиардов звезд. Китайская первая долговременная ультрафиолетовая обсерватория на Луне, установленная на зонде «Чанъэ-3». И многие, многие другие. Вместе с ними тайны Вселенной изучают и российские телескопы программы «Спектр». 8 февраля, в День российской науки, я рассказал о них в онлайн-лекции. Под катом видео и текстовый пересказ.

Если у вас вызвало удивление приветствие, поясняю: с января этого года я еще и штатный лектор Уфимского городского планетария. Мы дружим много лет, на общественных началах я проводил в нем лекции с 2016 года. Теперь они будут регулярнее.

О программе

Истоки того, что стало телескопами программы «Спектр», можно проследить еще в давнем советском прошлом. Борис Евсеевич Черток пишет про проект радиотелескопа со стометровой антенной, который хотели запускать сверхтяжелой ракетой-носителем Н-1. В 80-х годах были идеи вывести на сверхтяжелой ракете-носителе «Энергия» на расстояние более миллиона километров от Земли аппарат с тридцатиметровой антенной, который бы работал в режиме интерферометра с наземными телескопами. Рентгеновский «Спектр» задумали создать еще в 1987. А ультрафиолетовый — в начале 90-х. И идеи рождались не на пустом месте — в 1979 году на станции «Салют-6» работал первый в мире космический радиотелескоп, а с 1989 по 1999 годы функционировала обсерватория «Гранат» с приборами, наблюдающими в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах. Космические телескопы стояли и на модуле «Квант-1» станции «Мир». В пертурбациях 90-х проекты чудом выжили, а в нулевых вынужденно «похудели», уменьшившись в размерах, но, с другой стороны, по ним началась настоящая работа. Первым на орбиту в 2011 году отправился радиотелескоп «Спектр-Р» с десятиметровой антенной.

Спектр-Р

Космический радиотелескоп «Спектр-Р» вместе с наземными телескопами по всему миру образовал проект «Радиоастрон». Космическая часть представляла собой аппарат массой 3295 кг, построенный на платформе «Навигатор» НПО Лавочкина (на которой также основаны метеорологические спутники серии «Электро-Л»), с десятиметровой антенной, состоящей из 27 лепестков. «Спектр-Р» вывели на высокоэллиптическую орбиту — на короткое время он опускался к Земле до высоты примерно 500 км, а большую часть времени проводил в районе наивысшей точки высотой 350 тысяч километров (чуть ближе Луны). С наземной стороны первоначально работали главным образом радиотелескопы в Пущино с антенной 22 м и Грин-Бэнк в США с антенной 43 м. Но в проект вступали все новые участники, и в итоге с наземной стороны поучаствовали 58 радиотелескопов, включая даже легендарный и совсем недавно трагически разрушившийся радиотелескоп Аресибо.

Совместная работа космической и наземной части позволила сформировать радиоинтерферометр со сверхдлинной базой — представьте себе антенну размером в 350 тысяч километров! Огромная база интерферометра дала возможность получить уникальное и непревзойденное разрешение — 8 микросекунд дуги. В переводе на бытовой язык, если вы положите два радиопередатчика на поверхность Луны на расстоянии трех сантиметров друг от друга, то «Радиоастрон» заметил бы два радиоисточника с промежутком между ними. Для сравнения, у телескопа «Хаббл» одна точка — это 55–65 метров лунной поверхности. Но эти телескопы работают в разных диапазонах.

Для чего нужны телескопы, работающие один в инфракрасном, один в ультрафиолетовом, а третий вообще в радиодиапазоне? Дело в том, что разные объекты и процессы во Вселенной излучают в различных диапазонах. Если мы, например, хотим изучать рождение звезд, то это инфракрасный и видимый диапазоны — молодые звезды разогреваются и начинают светить видимым светом. А в сантиметровых волнах, на которых работал «Радиоастрон», видно то, что происходит в активных ядрах галактик, квазарах (похожий на звезду радиоисточник). Там материя вращается вокруг черной дыры, падает в нее, но какая-то часть выбрасывается перпендикулярно в виде джета — движущейся на околосветовой скорости струи плазмы.

Уже вскоре после запуска «Спектр-Р» произвел фурор в астрофизике. Опираясь на существующие модели ученые спрашивали команду создателей аппарата: «ну, найдете вы штук пять источников, отнаблюдаете их, а дальше?» Выяснилось, что эти модели никуда не годились — радиоисточников оказалось гораздо больше, и работы «Радиоастрону» хватало. За все время, с 2011 по 2019 годы, было проведено примерно 4 тысячи наблюдений, изучено 160 ядер активных галактик, 20 пульсаров (нейтронных звезд), 12 космических мазеров (источников микроволнового излучения) и 2 мегамазера около ядер галактик. И, конечно же, наблюдения объектов с уникальной разрешающей способностью не могли не принести сюрпризы.

Наземные радиотелескопы могли видеть джет как нечто однородное, но наблюдения «Радиоастрона» показали, что плотность материи в джете резко меняется. То есть, он закручен. Причем соотношение длины и ширины джета к размеру черной дыры говорило, что, вопреки предыдущим представлениям, в образовании джета должен участвовать и аккреционный диск падающей в черную дыру материи.

На изображении выше джет активного галактического ядра 3С84. Черная дыра вверху, и она слишком маленькая, чтобы породить такой длинный закрученный поток материи.

На еще одной иллюстрации видны спиралевидные структуры на расстоянии до 10 тысяч гравитационных радиусов (радиус горизонта событий черной дыры).

Также «Спектр-Р» пронаблюдал и такие редкие вещи, как джет от двух вращающихся друг вокруг друга черных дыр.

Следующее открытие «Радиоастрона» очень важно для будущих наблюдений. Оказалось, что межзвездное вещество может быть турбулентным и этим вносить помехи в наблюдаемую картину. На рисунке выше пример моделирования таких помех. К сожалению, на пути от Земли к центру нашей галактики Млечный путь, где, по современным представлениям, находится черная дыра, расположено как раз такое турбулентное облако. Данные, собранные «Спектром-Р», дают надежду на разработку алгоритмов восстановления исходного изображения.

«Спектр-Р» успешно проработал дольше гарантийных сроков и вышел из строя только в начале 2019 года — аппарат передавал сведения о своем состоянии, но не слушался команд с Земли. После нескольких месяцев безуспешных попыток восстановить управление миссию признали окончательно завершенной 30 мая 2019 года.

Спектр-РГ

«Спектр-Рентген-Гамма», второй аппарат серии, был запущен в 2019 году и пока что благополучно работает. Здесь уже знакомая вам платформа «Навигатор» от НПО Лавочкина несет на себе два рентгеновских телескопа, немецкий и российский. Они работают в разных, но дополняющих друг друга диапазонах. Главная задача проекта — составление карты всего неба в рентгеновском диапазоне с новым уровнем точности и разрешающей способности. Вообще, в астрофизике есть общее правило, что новый инструмент должен быть на порядок (в десять раз) лучше.

Обсерватория стала первым российским аппаратом, работающим в окрестностях точки Лагранжа L2, расположенной в полутора миллионах километров за Землей на линии Солнце — Земля.

Конструкция немецкого телескопа eROSITA

Специфика рентгеновского диапазона заключается в том, что, во-первых, рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой, и для его наблюдения необходимо запускать космические аппараты. Во-вторых, оно очень плохо отражается, и приходится делать очень длинные телескопы, работающие в режиме косого падения (это как если бы вы наблюдали отражение на поверхности воды, приблизив к ней лицо). Соответственно, «Спектр-РГ» стал первым российским аппаратом с телескопом косого падения.

Это же фото в большом размере

В 2020 году была опубликована карта первого из восьми запланированных обзоров неба, содержащая 1,1 миллиона рентгеновских источников, что в несколько раз превышает количество объектов, открытых за все время существования рентгеновской астрономии. Российский телескоп ART-XC также фиксировал гамма-всплески.

Пользу от новой обсерватории наглядно показывает еще одна история. Американский оптический телескоп зарегистрировал вспышку, которую определили как кандидаты в сверхновые. Однако наблюдения этого же участка неба «Спектром-РГ» обнаружили мягкое рентгеновское излучение, которое означало, что вспышка — не сверхновая, а приливное разрушение звезды. В ничем не примечательной галактике звезда оказалась слишком близко к черной дыре, стала вытягиваться из-за приливных сил (ее ближняя к черной дыре часть притягивалась сильнее, чем дальняя) и разрушилась. А обнаруженный чуть позже наземным телескопом Кека спектр события с линиями водорода, гелия и кислорода подтвердил правильность интерпретации события.

Будем надеяться, что «Спектр-РГ» проработает еще долго и будет радовать нас новыми открытиями.

Спектр-УФ

Третий телескоп серии, «Спектр-УФ», как легко догадаться, будет работать в ультрафиолетовом диапазоне. Этот инструмент будет не создавать обзорную карту неба, а наблюдать за конкретными объектами. Одной из интереснейших задач станет наблюдение за открытыми экзопланетами и получение их спектра. Таким образом, мы сможем дистанционно узнать состав их атмосфер, что очень любопытно с точки зрения ответа на вопрос, насколько распространены планеты, похожие на Землю, и есть ли надежда обнаружить там следы жизни. Еще одной задачей аппарата будет поиск скрытого диффузного барионного вещества. По различным оценкам, существующие телескопы не видят от половины до 70% газа и пыли, находящихся в так называемой тепло-горячей фазе, которую сможет видеть «Спектр-УФ». В целом ультрафиолетовый диапазон позволяет решать множество различных научных задач.

Ожидается, что телескоп будет запущен в конце 2025 года на тяжелой «Ангаре» и отправится на геостационарную орбиту. Зеркало основного прибора, 170-сантиметрового телескопа, уже изготовлено и ждет финальной операции — нанесения специального покрытия. Оно очень нестойкое в земных условиях, поэтому зеркало нужно покрывать отражающим ультрафиолет слоем непосредственно перед запуском.

Спектр-М

Ну и последний аппарат, запуск которого можно ожидать в обозримые сроки — «Спектр-М», он же «Миллиметрон». Это тоже радиотелескоп, как и «Спектр-Р», но работающий не в сантиметровом, а в миллиметровом диапазоне длин волн. Ожидается, что это будет без преувеличения уникальная конструкция — десятиметровая охлаждаемая антенна из композитных материалов должна будет дать возможность заглянуть еще глубже в квазары, чем это сделал «Радиоастрон». И главной сенсацией этого проекта может стать обнаружение в центре квазаров не черных дыр, а кротовых нор — пока еще фантастических объектов, представляющих собой «окна» в другой участок пространства или даже другую Вселенную. Хотя, конечно же, человечество не сможет в обозримом будущем извлечь из этой сенсации пользу и отправить в червоточину какого-нибудь героического Джозефа Купера — уж слишком далеко находятся от нас эти объекты. До ближайшего известного квазара 1,7 миллиарда световых лет.

Как ожидается, «Миллиметрон» должен полететь в районе 2030 года.