Знакомьтесь: орбитальная спутниковая система «Спектр». Именно с ней Россия обогнала американский «Хаббл»
О достижениях Хаббла известно сегодня каждому. Легенда космонавтики позволила открыть далекие миры, удивительные галактики и приблизить человечество к звездам.
Но время не стоит на месте. На смену приходят новые технологии, их воплощения в железе. Вдвойне приятно, что проект не только разработан, но и производится в нашей стране.
Знакомьтесь: российский орбитальный комплекс телескопов «Спектр».
История программы «Спектр»
Первая идея о сверхтяжелом орбитальном радиотелескопе появилась ещё при создании стометровой ракеты Н-1.
Удалось это только в 1979 году, когда на орбитальной станции «Салют-6» запустили первый в мире космический радиотелескоп.
Задолго до «Хаббла»: необходимость исследований дальнего космоса в различных диапазонах для фундаментальной науки, актуальной космогонии и прикладной космонавтики не вызывала сомнений.
В 1983 году на орбиту вышла советская автоматическая станция для астрофизических наблюдений «Астрон» с 80-сантиметровым ультрафиолетовым телескопом и комплексом рентгеновских спектрометров.
За 6 лет работы аппарат позволил получить важные данные в области нестационарных явлений, разобраться с появлением туманностей, зафиксировать детально вспышку сверхновой и исследовать шлейф кометы Галлея.
В 1989 году Советский союз успел вывести в космос при участии Франции, Дании и Болгарии международный проект «Гранат» с приборами, наблюдающими в оптическом, рентгеновском и гамма-диапазонах.
С его помощью было получено высокодетализованное изображение области центра галактики, открыто более десятка неизвестных ранее аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звезд, составлены подробные каталоги гамма-всплесков.
Космические телескопы стояли и на модуле «Квант-1» станции «Мир».
Первоначальный проект «Спектр» сочетал орбитальный телескоп с тридцатиметровой антенной и распределенный комплекс наземных лабораторий.
Комплексная конструкция позволяла увеличить дальность и «четкость» исследований. Кроме того, ученые предложили строить телескопы для разных частот.
Сначала был разработан радиотелескоп, в 1987 появилось дополнение с рабочим спектром в рентгеновском диапазоне. Уже в начале девяностных прибавился ультрафиолетовый.
Вывод первого телескопа проекта предполагался в 1997 году. Отсутствие финансирования отложило запуск, одновременно с тем позволив доработать составляющие и заручиться международной поддержкой.
В результате первый аппарат комплекса, радиотелескоп «Спектр-Р» с десятиметровой антенной, отправился на орбиту только в 2011 году. В 2021 его вывели из эксплуатации.
Вероятно, после вывода «Хаббла» 30 июня 2021 «Спектр» окажется единственным внеземным исследователем далекого космоса, и будет таковым по меньшей мере до 2035 года.
Как работает и для чего нужен «Спектр»
На научном языке «Спектр» называется «интерферометр со сверхдлинной базой» — комбо из одного интерферометра на орбите и ряда аналогичных устройств на Земле, связанных собой каналом данных.
Говоря проще, комплекс позволяет наблюдать один и тот же источник радиоволн в далеком космосе несколькими телескопами (уже упомянутым космическим и наземными).
Каждый «участник» сохраняет картинку с указанием заранее определенных с высокой точностью собственных координат и синхронизированным по встроенным атомным часам времени.
Местоположение орбитального телескопа измеряют с помощью множества средств. Так, для аппарата «Спектр-Р» были задействованы
- 64-метровый управляющий телескоп в Центре космической связи «Медвежьи озёра»,
- 72-метровый телескоп в Восточном центре дальней космической связи «Уссурийск»,
- доплеровские радары в Пущино и Грин-Бэнке (США),
- совмещенные с ними лазерные дальномеры
и множество других объективных средств измерений. Полученные данные сводятся в единую модель мгновенного месторасположения космической части комплекса с высочайшей точностью.
Полученные из космоса снимки сопоставляются с наземными и получается что-то вроде видеоролика в несколько кадров, на которых можно различить не только объекты (в том числе короткоживущие), но даже их перемещение.
С их помощью можно измерить не только длительные радиосигналы, но даже изменение их движения. И зарегистрировать короткие события.
Каждый этап «Спектра» позволяет провести определенную часть изучения дальнего космоса.
«Радиоастрон» работает в радиодиапазоне, отслеживая активные ядра галактик (точнее джеты — движущиеся на околосветовой скорости струи плазмы, выбрасываемые черной дырой) и квазары в диапазоне длин волн 1,2 — 92 сантиметра.
«Спектр-РГ» позволит видеть древнее, реликтовое гамма-излучение, которое расскажет о самом начале нашей вселенной.
Инфракрасный телескоп «Спектр-УФ», как и «Хаббл», увидит рождение и динамику молодых звезд, светящихся в видимом спектре.
Ещё один радиотелескоп, «Спектр-М», должен повысить «глубину» человеческих знаний об объектах во Вселенной, помогая заглянуть в сердце галактик.
1. Космический радиотелескоп «Спектр-Р» и проект «Радиоастрон»
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.
Аппарат вывели на высокоэллиптическую орбиту: большую часть времени он проводил в 350 тысячах километров от Земли, изредка опускаясь до 500 километров.
Для «Радиоастрона» висящий на орбите «Спектр-Р» дополняли данными с
И это только основные участники эксперимента: всего свой вклад внесли 58 радиотелескопов.
Совместная работа космической и наземной части позволила сформировать единую антенну размером в 350 тысяч километров с разрешением 8 микросекунд дуги (8 миллионных долей угловой секунды).
Невероятная точность, с которой не сравнится ни один существующий сегодня прибор.
Находясь на Земле, «Радиоастрон» позволил бы измерить расстояние между парой радиопередатчиков на Луне на расстоянии трех сантиметров друг от друга.
При этом у «Хаббла» минимальная точность бы позволила определить только кратер в 55–65 метров лунной поверхности.
«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.
2. Рентгеновский «Спектр-РГ», который создает новую карту Вселенной
Второй аппарат серии получил название «Спектр-Рентген-Гамма» и отправился на орбиту в 2019 году — фактически, опаздывая на 21 год относительно первоначальных планов проекта, созданного в 1987 году совместным коллективом ученых СССР, Финляндии, ГДР, Дании, Италии и Великобритании.
Аппарат представляет собой ту же платформу «Навигатор» разработки НПО Лавочкина, на которой базируется и комплекс «Спектр-Р», однако состав оборудования принципиально отличается.
Изначально предполагалось оборудовать исследовательский комплекс 3 рентгеновскими и 1 ультрафиолетовым телескопами, а так же парой мониторов неба и детектором гамма-всплесков.
В окончательном варианте остались только российский ART-XC и немецкий eROSITA.
Они работают в разных, но дополняющих друг друга диапазонах, выполняя картографирование всего неба в рентгеновском диапазоне с новым уровнем точности и разрешающей способности.
«Спектр-РГ» позволит регистрировать до 90 тысяч новых рентгеновских объектов ежегодно, ранее недоступных для человеческой науки.
Обсерватория, выведенная в июле 2019 (против запланированного 2011) стала первым российским аппаратом, работающим в точке Лагранжа L2 на высоте полутора миллионов километров за Землей на линии Солнце — Земля.
Таким образом, на станцию действует только гравитация системы «Земля-Солнце», поэтому относительно Земли станция практически неподвижна.
В результате, с помощью нового «Спектра» будет построена подробная рентгеновская карта Млечного Пути и ближайших галактик.
Работа займет 6,5 лет и позволит обнаружить новые гравитационные линзы, открыть новые ядра и скопления галактик, уточнить модель темной энергии и, возможно, процесс эволюции темной материи — таинственных космологических сущностей.
3. «Спектр-УФ» с ультрафиолетовым спектром работы для поиска жизни
Третий аппарат серии, обсерватория «Спектр-УФ», предназначен для точечного слежения с помощью УФ-телескопа Т-170М за конкретными объектами в ультрафиолетовом диапазоне и задуман ещё в 1990 году.
За это время несколько раз поменялся и сам проект, и его участники: сегодня предполагается существенный вклад не только России, но и Великобритании, Испании, Мексики и Японии.
Его основа, уникальное 170-сантиметровое зеркало, уже готово и ждет своего часа. Бортовое оборудование (в числе которого необходимые для функционирования спектрографы) стран-партнеров будет поставлено к 2022 году.
Основная задача аппарата — подробные исследования ключевых объектов космоса: ядер галактик, экзопланет.
Ультрафиолетовый обзор позволит оценивать спектр объектов и получать данные о изотопном составе, что позволит уточнить модели космоса, узнать состав атмосфер планет и, возможно, найти следы жизни.
Дополнительная задача аппарата — поиск скрытого диффузного барионного вещества, межгалактических облаков из горячих пыли и газа, которые практически невидимы для существующих телескопов.
Первоначальный запуск орбитальной составляющей комплекса в связи с последовательными сокращениями бюджета с 1997 года плавно перетек на 2021, а следом, из-за санкций 2014 года — на 2025–2026 год.
На данный момент ожидается, что телескоп будет запущен в конце 2025 года на тяжелой «Ангаре» с космодрома Восточный и отправится на геостационарную орбиту.
4. Радиотелескоп «Спектр-М», который заглянет за горизонт событий
«Спектр-М», он же «Миллиметрон» — последний планируемый аппарат серии, в создании которого участвуют Россия, Китай, Франция, Швеция, Нидерланды, Италия.
По проекту представляет собой радиотелескоп миллиметрового диапазона («Спектр-Р» — сантиметрового) с десятиметровой охлаждаемой антенной из композитных материалов, базирующейся на расстоянии 1,5 миллиона километров от нашей планеты.
Орбитальная часть будет дополняться наземными базами, однако в отличие от предшественника, будет работать и в независимом режиме.
С помощью наземных составляющих комплекс получит точность, которая с Земли могла бы разглядеть волос на Луне.
А с орбиты — заглянуть за горизонт событий. Не шутка: «Миллиметрон» позволит увидеть квазары «изнутри».
Основная задача комплекса — исследование физических процессов ранней Вселенной.
«Миллиметрон» создан искать искажения реликтового излучения и кротовые норы, тех самых мифических окон в другой участок пространства или даже другую Вселенную, которые могут являться центром квазара.
Что ещё важнее, терагерцовый диапазон «Миллиметрона» позволит увидеть спектральные следы сложных молекул, среди которых могут находится следы вероятной жизни.
Первоначальный проект предполагал вывод на орбиту в 2019 году. Сокращение финансирования привело к сдвигу сроков на 2029–2030 годы.
Открытия «Спектра», которые изменили астрономию
Уже первый аппарат серии «Спектр-Р» произвел фурор, позволив переписать существующие модели Вселенной и открыть тысячи новых объектов, хотя предполагалось, что их число можно будет пересчитать по пальцам.
За время функционирования аппарата с 2011 по 2019 год астрономы с помощью системы провели около 4 тысяч наблюдений и в подробностях изучили:
- 160 ядер активных галактик,
- 20 пульсаров (нейтронных звезд),
- 14 космических источников микроволнового излучения — мазеров.
Высокая разрешающая способность «Спектр-Р» позволила выяснить, что поток частиц на границе горизонта черной дыры в центре галактики работает иначе, создавая огромные закручивающиеся вихри, не объяснимые в рамках привычного описания.
Также «Спектр-Р» пронаблюдал и такие редкие вещи, как джет от двух вращающихся друг вокруг друга черных дыр.
Спиралевидный джет на горизонте событий черной дыры
Кроме того, исследования «Радиоастрона» позволили открыть турбулентность межзвездного вещества, которая вносит помехи при наблюдениях.
Почему это важно? На пути от Земли к центру нашей галактики Млечный путь (где должна быть черная дыра), расположено турбулентное облако.
Турбулентность межзвездного вещества
Данные, собранные «Спектром-Р», дают надежду на разработку алгоритмов восстановления исходного изображения.
Карта рентгеновских источников, созданная с помощью «Спектра»
С его помощью в 2020 году создали первую (из 8 планируемых) карту обзора неба с 1,1 миллионом рентгеновских источников.
Это в несколько раз превышает количество объектов, открытых за все время существования рентгеновской астрономии.
Перспективы комплекса «Спектр»
Несмотря на возрастающие по мере развития проекта возможности телескопов проекта «Спектр» и большое число стран-участников, разрабатывающих научное оборудование для него, перспективы довольно туманны.
Сокращение программы проводилось неоднократно и в хорошие годы: так, вместо первичного проекта «Спектр-РГ» был запущен «облегченный» вариант, несущий только 2 из 7 запланированных приборов.
Кроме того, он должен был запускаться до радиотелескопа «Спектр-Р», однако вышел на орбиту уже после того, как «предшественник» (по времени создания проекта) вывели из эксплуатации.
Следующие аппараты серии так же создаются при участии ряда западных стран, научная и финансовая коммуникация с которыми на данный момент осложняется.
Ввиду этого «Спектр-УФ» попадет в космос со значительным отставанием по срокам. Или сделает это без импортного оборудования, что снизит планируемые возможности.
Дело не в том, что Россия не может сделать оборудования. Дело в том, что его сложность запредельна и требует редкой квалификации, уникальных производств высокой загруженности.
Кроме того, кооперация позволяет собрать воедино множество идей и распределить работу наиболее эффективным образом.
Будем следить и рассказывать. Вероятно, уже в этом году программа «Спектр» сможет похвастаться очередной порцией уникальных результатов.
