«Спектры» российской науки

в 8:15, , рубрики: Без рубрики

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.

«Спектры» российской науки - 1

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

«Спектры» российской науки - 2

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.

«Спектры» российской науки - 3

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.

«Спектры» российской науки - 4

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.

«Спектры» российской науки - 5

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.

«Спектры» российской науки - 6

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

«Спектры» российской науки - 7

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.

«Спектры» российской науки - 8

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

«Спектры» российской науки - 9

"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.

«Спектры» российской науки - 10

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

«Спектры» российской науки - 11

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.

«Спектры» российской науки - 12

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.

«Спектры» российской науки - 13

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

«Спектры» российской науки - 14

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

«Спектры» российской науки - 15

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.

Автор: Филипп Терехов

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js