devlor1

40 лет назад «Вояджер-1» пролетел на расстоянии 124 тысячи километров от облаков Сатурна. За время сближения он сделал ряд наиболее детальных на тот момент снимков колец и атмосферы гиганта, а также его спутников. Спустя два десятка лет к окольцованному гиганту прибыла межпланетная станция «Кассини», которая долгие годы занималась его детальным изучением.

Сатурн был одной из главных целей «Вояджера-1», который отправился в космос в начале сентября 1977 года. На тот момент конфигурация внешних планет Солнечной системы была крайне удачной, и аппарат смог использовать пролеты мимо них для того, чтобы набрать скорость. До Юпитера зонд добрался 5 марта 1979 года, а встреча с Сатурном произошла 12 ноября 1980 года.

Первоначальный срок службы «Вояджера-1» составлял пять лет. Однако его полет продолжается вот уже 44-й год, аппарат поддерживает связь с Землей по сей день. В 2012 году зонд покинул гелиосферу и вышел в межзвездную среду, которую теперь исследует вместе с «Вояджером-2». Сейчас «Вояджер-1» находится на расстоянии почти 152 астрономических единиц от Земли — это самый удаленный от нашей планеты рукотворный объект.

На первый взгляд может показаться, что фотографии, переданные на Землю «Вояджером-1», обладают малой научной ценностью, однако это не так. Тогда, в далеком 1980 году это были наиболее четкие изображения миров, о которых у ученых были лишь смутные представления, и именно благодаря им, а также данным бортовых приборов, планетологи смогли сделать немало открытий.

Титан

Первые близкие снимки Титана сделал «Пионер-11», который был первым космическим аппаратом, посетившим систему Сатурна за год до «Вояджера-1», однако они дали ученым мало новых данных. Удалось лишь уточнить его массу и выяснить, что спутник слишком холоден для поддержания жизни. Так что для «Вояджера-1» изучение Титана было ключевой задачей. Зонд смог определить физические параметры спутника, а также исследовать его плотную, непрозрачную атмосферу, найдя в ней слои дымки и определив ее состав — тот оказался богат азотом и содержал углеводороды. Через четверть века «Кассини» при помощи обширного арсенала научных приборов заглянул под эту дымку и рассмотрел поверхность Титана. Выяснилось, что она во многом похожа на земную, только в роли воды на Титане выступают жидкие метан и этан.

Снимок Титана, сделанный «Вояджером-1» с расстояния 4,5 миллиона километров от спутника 9 ноября 1980 года. NASA / JPL

Инфракрасное изображение поверхности Титана, составленное по данным наблюдений «Кассини» 13 ноября 2015 года.

NASA / JPL / University of Arizona / University of Idaho

Мимас

На поверхности этого спутника Сатурна «Вояджер-1» увидел огромный кратер диаметром 139 километров. Кратер нарекли «Гершелем» в честь астронома, который открыл Мимас. Размер Гершеля — почти треть от диаметра самого спутника, что говорит о чудовищном столкновении с другим телом в прошлом, которое серьезно повлияло на эволюцию Мимаса. В дальнейшем «Кассини» прислал ряд прекрасных четких фотографий неровной поверхности спутника и рассмотрел Гершель в деталях.

Снимок Мимаса, сделанный «Вояджером-1» с расстояния 550 тысяч километров от спутника. Виден кратер Гершель.NASA / JPL

Снимок кратера Гершель на Мимасе, сделанный «Кассини» с расстояния 9,5 тысяч километров от спутника в феврале 2010 года. NASA / JPL / Space Science Institute

Энцелад

Этот ледяной спутник Сатурна впервые попал на снимки «Вояджера-1» в виде плохо различимого пятна. Тем не менее, зонд смог определить, что поверхность спутника лишена крупных кратеров и относительно гладкая, а кольцо Е может состоять из вещества Энцелада. Первые качественные фотографии поверхности Энцелада прислал на Землю «Вояджер-2» в 1981 году, а всемирная слава к спутнику пришла через много лет, когда станция «Кассини» обнаружила водяные гейзеры, бьющие из разломов на южном полюсе. С тех пор Энцелад стал для астробиологов одним из самых интересных мест в Солнечной системе

Снимок Энцелада, сделанный «Вояджером-1» 13 ноября 1980 года. «Хвост» в нижней части спутника представляет собой выбросы гейзеров.NASA / JPL-Caltech / Ted Stryk

Изображение гейзеров в районе южного полюса Энцелада, выбрасывающих в космос шлейфы из водяного пара. Снимок сделан станцией «Кассини» 30 ноября 2010 года, масштаб составляет 390 метров на пиксель. NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

Спицы

На снимках колец Сатурна, сделанных «Вояджером-1», исследователи заметили необычные структуры, названные «спицами», которые регистрировались впоследствии и станцией «Кассини». Это радиальные структуры отличаются длительной устойчивостью, и ни одна из теорий их формирования пока не стала общепринятой. Предполагается, что они состоят из мелких, электростатически заряженных частиц пыли и могут быть сезонным явлением. Кроме того, «Вояджер-1» продемонстрировал ученым, что кольца Сатурна состоят из сотен узеньких колечек.

Спицы в кольцах Сатурна. Снимок сделан «Вояджером-1» с расстояния 720 тысяч километров от плоскости колец 12 ноября 1980 года. NASA / JPL

Спицы в кольце В Сатурна. Снимок сделан станцией «Кассини» 22 сентября 2009 года. Масштаб снимка составляет 71 километр на пиксель. Яркие точки — спутники Прометей и Эпиметей.

NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute


Пастухи колец

Благодаря последовательностям снимков, которые делал «Вояджера-1», чтобы понять природу спиц, были открыты малые спутники Сатурна Прометей и Пандора. Они находятся по обе стороны от тонкого кольца F. Зонд смог определить, что они содержат много водяного льда, а также заметил искажения формы кольца F. Планетологи пришли к выводу, что эти спутники могут влиять на форму кольца, не давая частицам покидать его. Затем «Вояджер-1» нашел у внешней части кольца А еще один малый спутник, названный Атласом. Через много лет данные «Кассини» подтвердили, что все три спутника действительно являются «пастухами» своих колец: они поддерживают их форму за счет своего гравитационного поля. Заодно станция помогла ученым узнать, почему Атлас внешне похож на пельмень.

Облака и вихри Сатурна

Несмотря на то, что наблюдаемых деталей в атмосфере Сатурна оказалось меньше, чем на Юпитере, «Вояджер-1» все же смог разглядеть вихри и струйные течения в атмосфере окольцованного гиганта, а также широтные пояса. Зонд обнаружил, что около 7 процентов объема верхних слоев атмосферы Сатурна составляет гелий (по сравнению с 11 процентами в атмосфере Юпитера), что противоречило ожиданиям ученых. Более низкое содержание гелия говорило о возможном механизме его перераспределения в атмосфере и оседании в ее более глубоких слоях. Кроме того, в атмосфере Сатурна были найдены метан, этан, фосфин (да-да, тот самый потенциальный биомаркер Венеры!), а также аммиак и ряд углеводородов. «Вояджер-1» также зарегистрировал полярные сияния на Сатурне. Северное полушарие планеты оказалось темнее южного, а на северном полюсе планеты можно было заметить то, что было отдаленно похоже на вихрь. В дальнейшем «Вояджер-2» подтвердил, что это шторм необычной шестиугольной формы, а «Кассини» рассмотрел его в рекордных деталях.

Красный овал — устойчивое образование в облаках южного полушария Сатурна, сфотографированное «Вояджером-1» 6 ноября 1980 года с расстояния 8,5 миллионов километров от планеты. NASA / JPL

Один из мощнейших штормов на Сатурне, наблюдавшийся станцией «Кассини». Площадь шторма оценивается в 4 миллиарда квадратных километров, что в восемь раз превышает площадь поверхности Земли. Мозаичное изображение шторма составлено из 84 снимков, сделанных в конце февраля 2011 года. NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

Тень Сатурна, падающая на кольца. Снимок сделан «Вояджером-1» с расстояния 5,3 миллиона километров от планеты, через 4 дня после максимального сближения с ней. NASA / JPL

Мозаичное изображение Сатурна, составленное из кадров, сделанных станцией «Кассини» 2 января 2010 года с расстояния 2,3 миллиона километров от планеты.

NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute

В заключение хотелось бы немного оживить старые снимки и показать прекрасную анимацию вращения Сатурна и движения его спутников, составленную из кадров, полученных «Вояджером-1».

Источник: https://nplus1.ru/material/2020/11/13/40-years-voyager-1-sat...

В прошлую пятницу многие жилые дома подмосковного города Дубны остались без электричества, воды и отопления. Закрылись некоторые магазины, перестал работать сайт местного Объединенного института ядерных исследований. Дубненский «конец света» не стал сюрпризом для тех, кто обратил внимание на листовки, которые появились в городе накануне. Те предупреждали, что с 10 до 12 часов «будет осуществляться перемещение магнита MPD для проекта NICA от причала на реке Дубна до площадки Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ».

Магнит для детектора MPD в путешествии по Дубне.

Дубненский коллайдер

Коллайдер — это один из типов ускорителей, в котором разогнанные заряженные частицы — электроны, протоны, ионы и так далее — сталкиваются с другими такими же частицами. Коллайдеров в мире много: прямо сейчас работает семь, а самый известный из них — Большой адронный коллайдер — использует в качестве снарядов протоны (на нем проводятся и эксперименты с ионами свинца, но это не основная часть его рабочего времени), и предназначен для поиска новых частиц и «новой физики».

Коллайдер NICA, который уже давно строится в Дубне, будет сталкивать тяжелые ионы и изучать экстремальное состояние вещества — кварк-глюонную плазму. Ее температура и плотность настолько высока, что осколки элементарных частиц, кварки, не «склеиваются» в адроны, частицы привычной для нас материи (глюоны, соответственно, это тот самый «клей», калибровочный бозон, который отвечает за сильное взаимодействие кварков друг с другом).

У кварк-глюонной плазмы, как у любого другого вещества, есть фазовая диаграмма. В случае воды эта диаграмма показывает, как на координатной плоскости «температура — давление» проходят границы между тремя агрегатными состояниями — жидкостью, газом (паром) и твердым состоянием (льдом). На этой плоскости есть критические точки, например, тройная точка воды, где все три ее состояния могут существовать одновременно. Ученые рассчитывают с помощью «Ники» выяснить, как выглядит фазовая диаграмма кварк-глюнной плазмы, и где на ней находятся критические точки.

Фазовая диаграмма адронного вещества. По оси x отложена плотность вещества, по оси y — температура. Источник: nica.jinr.ru

Для того, чтобы получить кварк-глюонную плазму и разобраться в том, что в ней происходит, недостаточно просто столкнуть ионы в коллайдере. Нужно еще собрать данные о результатах этого столкновения. Для этого, помимо ускорителя и источника частиц нужны детекторы в точках столкновения пучков ионов.

Зачем нужен магнит?

В сентябре 120-тонный саркофаг ярко желтого цвета погрузили в порту Генуи на корабль, который отправился в Петербург. 28-го октября его пересадили уже на речной транспорт, и неделю спустя баржа встала на рейд строго на границе между Тверской и Московской областью — на реке Дубна. На следующий день к ней подогнали плавучий кран, тот перегрузил итальянскую посылку с баржи на автомобильный тягач, и тот отправился с берега Дубны в Лабораторию физики высоких энергий. Под эту трехкилометровую поездку пришлось обесточить несколько районов города: саркофагу высотой семь метров надо было проехать под линиями электропередач, которые висели слишком низко — поэтому линию отключили а провода приподняли краном, чтобы пропустить под ними грузовик. Поскольку водоснабжение и вышки сотовой связи тоже нуждаются в электричестве, часть жителей города осталась без воды и связи.

Внутри «коробки», проделавшей этот путь — главный элемент детектора MPD (Multi-Purpose Detector). В центре этого детектора, похожего по форме на гигантскую металлическую бочку, и будут сталкиваться пучки тяжелых ионов. Детектор будет определять массу и скорость всех получившихся при столкновении осколков и новых частиц. А физики, анализируя эти данные, будут реконструировать физические процессы, возникающие при столкновениях. Точно так же данные о столкновениях собирают детекторы Большого адронного коллайдера CMS и ATLAS, которые почти десять лет назад засекли следы рождения бозона Хиггса, существование которого было предсказано за полвека до того.

«Если речь идет о столкновениях ядер [атомов] золота с прицельным параметром (максимальным отклонением от центра), скажем, пять фемтометров, то при каждом столкновении будет рождаться около двух тысяч заряженных частиц. Частота таких столкновений при проектной светимости коллайдера будет около 7 тысяч в секунду, то есть 7 килогерц. Детектор должен каждую из таких частиц зафиксировать, то есть определить, что это за частица, измерить ее траекторию», — объясняет Кекелидзе.

Сборка детектора MPD

Роль главного «чувствительного элемента» в MPD играет камера TPC (Time Projection Chamber — «времяпроекционная камера»). Это тоже бочка — диаметром 2,6 метра и длиной 3,4 метра, которую посередине пересекает «перепонка»-катод, подключенная к источнику высокого напряжения. «Дно» и «крышка» бочки — это аноды. Пространство в бочке заполнено инертным газом (90 процентов аргона и 10 процентов метана). Когда заряженная частица пролетает сквозь него, она ионизирует его и получившиеся электроны начинают дрейфовать к анодам, где их встречают позиционные детекторы, которые определяют не только точку прихода этих электронов, но и время их прихода.

Схема TPC-камеры

«Точка определяет позицию X-Y, а время — если знать скорость дрейфа электронов с учетом напряжения — определяется расстоянием вдоль оси этого цилиндра», — говорит Кекелидзе.

Помимо TPC в детекторе есть еще несколько чувствительных элементов: времяпролетная камера (TOF), которая восстанавливает траекторию полета, калориметры, осевые детекторы — все они призваны собрать достаточно данных, чтобы восстановить трехмерную картину разлета «осколков» с помощью дубненского суперкомпьютера «Говорун».

Однако вся эта машинерия будет бесполезной, если не будет выполнено главное условие: в камере детектора должно было постоянное магнитное поле определенной конфигурации. Магнитное поле играет роль той «руководящей и направляющей силы», благодаря которой заряженные частицы летят не в случайных направлениях, а по траекториям, которые определяются их скоростью и массой.

TPC-камера в процессе сборки

В однородном магнитном поле заряженные частицы летят по криволинейной траектории, поворачивая поперек силовых линий. На этом эффекте построен принцип действия масс-спектрометров: чем круче поворачивает частица в магнитном поле, тем меньше ее масса.

«По радиусу траектории и величине магнитного поля можно однозначно определить импульс частицы. Если вы знаете импульс, вы можете измерить ее массу. Если у вас будет время пролета, оно даст вам скорость. Зная скорость и импульс, вы можете посчитать массу и восстановить всю кинематику миллионов рожденных при столкновении частиц», — говорит Кекелидзе.

Чтобы эта восстановленная картина была достаточно точной, нужно, чтобы магнитное поле было очень, очень однородным. «Перед разработчиками магнита была поставлена задача, чтобы во всем объеме TPC-камеры — 2,6 метра на 3,4 метра — поле было идеально, чтобы силовые линии были точно параллельны оси. Мы потребовали такой однородности, которой еще ни в одном эксперименте я не помню», — говорит ученый. Магнитное поле MPD не слишком велико — 0,5 теслы, максимум — 0,65 теслы. Похожий соленоид детектора CMS рассчитан на поле 4 теслы. Однако здесь самое важное не «сила» магнита, а его «точность».

Конфигурация магнитного поля в детекторе MPD

Отношение поперечной составляющей поля к осевой должно быть не более, чем 3*10⁻⁴ Любое отклонение будет означать, что вся установка будет бесполезна для ученых. Если поле будет неоднородным, у вас будет ошибка измерений параметров, а значит научный результат вы получить не сможете.

Как строили магнит

Итальянская компания ASG Superconductors специализируется на производстве мощных сверхпроводящих магнитов, именно здесь делали значительную часть магнитов как для Большого адронного коллайдера и его детекторов CMS и ATLAS, так и для его предшественника — электрон-позитронного коллайдера LEP.

Магнит для детектора MPD устроен примерно так же, как магнит детектора CMS. Это два вложенных друг в друга цилиндра из нержавеющей стали диаметром 5,4 метра и 4,6 метра. Торцы закрыты фланцами. В пространстве между ними — катушка с намотанным на нее сверхпроводящим кабелем общей длиной 27 километров и массой 6,4 тонны, и трубки системы охлаждения. В пространстве между цилиндрами должен поддерживаться вакуум (10−5 торр — примерно одна десятитысячная доля миллиметра ртутного столба).

Несмотря на сходство с магнитами для Большого адронного коллайдера, магнит для MPD — штучное изделие. По словам Кекелидзе, только для того, чтобы создать инструменты и оснастку для постройки, понадобилось два года. Пришлось повозиться и со сверхпроводящим кабелем. Первоначально планировалось заказать его компании из Бразилии, но кабель был забракован, потом из Америки — тоже не пошел. В конце концов японский вариант подошел. Только работа с кабелем заняла полтора года.

Сверхпроводящий кабель сделан из собственно сверхпроводящего провода (сплав ниобия и титана), и матрицы из сверхчистого алюминия, в которую он внедрен. Для того, чтобы намотать получившийся кабель на катушку, потребовалась построить намоточную машину высотой с трехэтажный дом, — сложное инженерное сооружение, с электромоторами, точной подачей, с контролем намотки. После намотки катушку залили густой жидкостью на базе эпоксидной смолы и запекли в специально построенной печи. Нельзя было допустить, чтобы даже один пузырек воздуха остался в этой смоле. Пришлось бы все делать заново.

Соленоид с системой труб системы охлаждения поместили в вакуумный криостат и примерно год испытывали и проверяли. Затем магнит уложили в специально построенный семиметровый саркофаг, оснащенный датчиками ускорений, и 18 сентября отправили морем из Генуи в Петербург. Всего постройка магнита заняла почти пять лет — переговоры российских физиков с подрядчиками начались еще в 2014 году, а формальный контракт подписан в 2016 году.

Что дальше?

Пока саркофаг будет стоять на специальных опорах в экспериментальном зале детектора MPD. Вскроют его только после того, как в Дубну приедут итальянские специалисты. Те должны будут, в частности, проверить датчики ускорений: нужно убедиться, что в процессе перевозки магнит нигде не «приложили». «Надеюсь, что пандемия не задержит их приезд», — говорит Кекелидзе.

После того, как саркофаг будет вскрыт, криостат установят в железное «ярмо» детектора. Оно собрано пока что лишь наполовину и стоит в экспериментальном зале на рельсах, в стороне от линии, по которой в будущем будет лететь поток тяжелых ионов. Когда коллайдер начнет работать, детектор нужно будет просто подкатить к этой линии.

Сборка ярма детектора MPD

Сложность заключается в том, что точность размещения криостата, точность самого ярма должна быть очень высокой. Несмотря на большие размеры и вес, речь идет о «сотках», то есть точность позиционирования составляет 300-400 микрон. От этого зависит качество магнитного поля.

Потом начнется процедура подключения. «Туда надо вести криогенные линии с гелием, с азотом, коммуникации, и все это надо подключить к большой криогенно-компрессорной станции, которая сейчас еще строится. Это крупнейшая в России криогенно-компрессорная станция по сжижению жидкого гелия наработке жидкого азота. Туда подключаются все силовые линии, источники питания, коммуникации. Мы надеемся, что все это будет закончено где-то к весне», — говорит ученый.

Криостат с магнитом после установки в ярмо детектора MPD

Когда все линии будут подключены, специалисты начнут тестировать магнит, чтобы убедиться в устойчивости магнитного поля, что все сооружение в целом выдерживает нагрузки. Начнутся измерения магнитного поля. Для этого в ЦЕРНе специально по заказу ОИЯИ изготовили измеритель магнитного поля. Похожий измеритель на базе датчиков Холла использовался для измерения поля на детекторах Большого адронного коллайдера.

По словам Кекелидзе, специально для измерений в Дубну приедут специалисты ЦЕРНа. «Часть из этих ребят из ЦЕРНа уже вышла на пенсию в этом году, мы должны будем извлечь их из пенсионного отдыха во Франции и Швейцарии. Но они сами переживают за нас и готовы помочь, приехать. Месяц-два будем измерять магнитное поле. Когда магнитное поле будет измерено, только тогда закончится наш контракт с итальянцами, потому что они отвечают за параметры магнитного поля, которые там должны быть достигнуты».

Углепластиковая ферма для детектора MPD, желтым показаны гнезда для калориметров

Только после этого сборка детектора продолжится: внутрь криостата будет установлена углепластиковая ферма, которую создают в подмосковном ЦНИИ специального машиностроения. В эту раму будут помещены электронные калориметры, TPC-камера и другие «чувствительные элементы» детектора.

«Мы надеемся, что сборка закончится в середине 2022 года, — говорит Кекелидзе. — Тогда начнется калибровка и тесты, подключится весь компьютинг и онлайн-системы, все кабели, коммуникации. Начнем испытывать это все на космиках (частицах космических лучей) и проводить калибровки с тем, чтобы к концу 2022 года, когда появятся первые пучки, закатить на место и начать набор данных. Такой план».

Источник: https://nplus1.ru/material/2020/11/09/coldmass

NASA, ESA, J. Roman-Duval (STScI), ULLYSES program, and R. Gendler

Цели для наблюдений телескопа в рамках программы ULLYSES в галактике Большое Магелланово Облако. Желтыми кружками отмечены звезды из архивных данных, синим — из новых данных.

Космический телескоп «Хаббл» начал новую наблюдательную программу ULLYSES, которая станет крупнейшей для обсерватории с точки зрения объема наблюдательного времени. В течение трех лет телескоп будет изучать более 300 молодых звезд в Млечном Пути и близких галактиках, что позволит разобраться в процессах их формирования и эволюции, сообщается на сайте NASA.

«Хаббл» работает на околоземной орбите уже более тридцати лет и считается наиболее известной и результативной космической обсерваторией. Общий объем научных данных, переданных на Землю телескопом за все время функционирования, оценивается в десятки терабайт, которые позволили астрономам сделать огромное количество открытий в области астрофизики, планетологии и космологии. В частности, наблюдения, проведенные телескопом, сыграли ключевую роль в открытии ускоренного расширения Вселенной. Ожидается, что в следующем году будет запущена обсерватория «Джеймс Уэбб», которая продолжит вести наблюдения, начатые «Хабблом».

5 ноября 2020 года Институт исследований космоса с помощью космического телескопа в Балтиморе объявил о старте новой научной программы «Хаббла», получившей название ULLYSES (UV Legacy Library of Young Stars as Essential Standards), которая станет крупнейшей для обсерватории с точки зрения объема времени, выделенного на наблюдения. В рамках программы телескоп в течение трех лет будет изучать в ультрафиолетовом и оптическом диапазонах длин волн более 300 молодых звезд разной массы, находящихся в десяти областях звездообразования в Млечном Пути и в четырех близлежащих карликовых галактиках, в том числе в Магеллановых Облаках. В дальнейшем из накопленных данных сформируют общедоступный каталог, который можно сопоставлять с данными наблюдений в других диапазонах.

Цель ULLYSES заключается в расширении нашего понимания процессов рождения и эволюции звезд в течение первых 10 миллионов лет их жизни. В частности, астрономы хотят узнать, как именно ультрафиолетовое излучение от звезд влияет на состав и свойства околозвездного диска, в котором образуются планеты, как формируются джеты у молодых звезд и как звездные ветра влияют на локальный темп звездообразования в туманностях.

Источник: https://nplus1.ru/news/2020/11/07/hubble-ullyses