Космическая движуха

Написано Хейгеном Уорреном, 28 июня 2023 года
Первоисточник

Изображение туманности Ориона, сделанное Уэббом. Предоставлено: ЕКА / Уэбб / НАСА / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / PDRs4All ERS Team

Благодаря новым данным, собранным совместным космическим телескопом Джеймса Уэбба NASA / Европейского космического агентства / Канадского космического агентства, международная группа ученых впервые в истории обнаружила важное углеродное соединение в протопланетном диске звезды, расположенной в туманности Ориона. Молекула, называемая метилкатионом (CH3 +), совершенно уникальна. Углеродсодержащие молекулы не так эффективно реагирует с водородом, но могут реагировать с другими распространенными молекулами. Эта реакция позволяет создавать и поддерживать более сложные молекулы на основе углерода, похожие на жизнь.

Потенциальное значение CH3 + во всеобщей химии углерода предсказывалось учеными с 1970-х годов. Однако до официального начала работы Webb в 2022 году все телескопы до и после этого не могли обнаружить молекулу во Вселенной. Невероятно чувствительный набор инфракрасных приборов Webb позволил команде, возглавляемой Оливье Берне из Французского национального центра научных исследований в Тулузе, обнаружить углеродное соединение.

Расположенный примерно в 1350 световых годах от нас в туманности Ориона протопланетный диск d203-506 был в центре наблюдений Уэбба и исследований Берне и др. Webb наблюдал туманность с помощью своей камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI). Хотя это была всего лишь спецификация в обширной области циркулирующего газа, пыли, горных минералов и других космических материалов, команда смогла идентифицировать и проанализировать данные Webb d203-506, чтобы обнаружить CH3 + в диске.

Аннотированный рисунок изображения туманности Ориона Вебба, на котором изображен d203-506. (Фото: ESA / Webb / NASA / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / команда PDRs4All ERS)

Известно, что соединения углерода составляют основу всех форм жизни на Земле. Без углерода жизнь и многие другие жизненно важные процессы в окружающей среде были бы невозможны. Из-за их важности для жизни и ее формирования ученые постоянно ищут во Вселенной различные признаки и формы углерода — область, известная как межзвездная органическая химия. Ученые, которые ищут углерод во Вселенной, обычно ищут углеродсодержащие молекулярные ионы, поскольку они могут вступать в реакцию с множеством других элементов и молекул, образуя более сложные структуры.

СН3 + является одним из этих молекулярных соединений углерода, которое способно вступать в реакцию с другими элементами / молекулами и образовывать сложные структуры. В течение нескольких десятилетий ученые искали эту молекулу по всей Вселенной из-за ее важности в формировании сложных структур и форм жизни. СН3 + долгое время называли «краеугольным камнем межзвездной органической химии».

Однако, как можно обнаружить соединения углерода в протопланетном диске на расстоянии нескольких тысяч световых лет?

Пытаясь наблюдать молекулярные соединения в протопланетных дисках, ученые обычно используют радиотелескопы и пытаются обнаружить «идеальный дипольный момент» молекулы — молекулярную характеристику, которая означает, что электрический заряд молекулы постоянно находится в дисбалансе из-за ее геометрии (это придает молекуле положительный и отрицательный «конец»). Учитывая, что молекула СН3 + идеально сбалансирована, она не обладает идеальным дипольным моментом и, следовательно, не может быть обнаружена с помощью традиционных радиотелескопов. Вместо этого ученые пытаются обнаружить спектроскопические линии, которые CH3 + излучает в инфракрасном диапазоне. Поскольку атмосфера Земли будет мешать инфракрасным наблюдениям, потребуется космический инфракрасный телескоп.

Изображение MIRI расположения d203-506 (в центре) в туманности Ориона. (Фото: ESA / Webb / NASA / CSA / М. Замани (ESA / Webb) / команда PDRs4All ERS)

Когда Webb — новейший космический инфракрасный телескоп - официально начал научную деятельность в середине 2022 года, использование революционного телескопа для обнаружения CH3 + было первым в списках дел многих ученых. Огромная чувствительность Webb в ближней инфракрасной и средней инфракрасной областям электромагнитного спектра позволяет ему видеть молекулы и структуры, которые обычно скрыты от глаз приборов видимого и рентгеновского телескопов. Кроме того, невероятный размер Webb и массивное зеркало позволяют ему видеть больше Вселенной, чем любому другому телескопу, который был до него. Эти качества сделали Webb идеальным инструментом для обнаружения CH3 +.

Хотя ученые ожидали, что Webb в конечном итоге обнаружит CH3 +, многие были шокированы тем, что телескоп и Берне с соавторами обнаружили его так быстро, как они это сделали (у Webb все еще в разгаре первый год научных наблюдений). Фактически, Берне и др. всего четыре недели потребовалось для интерпретации сигнала CH3 +, который они даже не знали, как идентифицировать, когда увидели его впервые.

«Это обнаружение CH3 + не только подтверждает невероятную чувствительность Джеймса Уэбба, но и подтверждает постулируемую центральную важность CH3 + в межзвездной химии», - сказала спектроскопист и соавтор Мари-Алин Мартин из Университета Париж-Сакле во Франции.

Учитывая возраст и местоположение протопланетного диска в туманности Ориона, d203-506, которая расположена вокруг небольшого красного карлика, постоянно подвергается бомбардировке сильным ультрафиолетовым излучением от окружающих молодых звезд. Многие ученые в настоящее время считают, что большинство звездных систем испытывают этот период интенсивного воздействия ультрафиолетового излучения.

Интересно, однако, что предыдущие данные свидетельствуют о том, что ультрафиолетовое излучение может уничтожать соединения, необходимые для формирования сложных структур. Однако CH3+ — молекула, способная создавать сложные структуры, — была обнаружена в протопланетном диске, который постоянно подвергается воздействию ультрафиолетового излучения. Что здесь происходит?

В своем исследовании Берне и др. объясняют, что для существования CH3 + может потребоваться ультрафиолетовое излучение. Если это правда, ультрафиолетовое излучение служило бы источником энергии для CH3 + в протопланетном диске. Если диск подвергается периоду интенсивного воздействия ультрафиолетового излучения, излучение, по-видимому, значительно изменяет химический состав диска. Чтобы подтвердить это, Уэбб наблюдал за диском, который не подвергался интенсивному ультрафиолетовому излучению, в котором было обнаружено большое количество воды. Однако в d203-506 (который подвергся воздействию радиации) Берне и др. не смогли обнаружить никакой воды в диске или окружающих областях.

«Это ясно показывает, что ультрафиолетовое излучение может полностью изменить химический состав протопланетного диска. На самом деле это может сыграть решающую роль на ранних химических стадиях зарождения жизни, помогая синтезу CH3 + — то, что, возможно, ранее недооценивалось», - объяснил Берне.

Результаты Берне и др. были опубликованы в журнале Nature 26 июня.

«Наше открытие стало возможным только потому, что астрономы, разработчики моделей и лабораторные спектроскописты объединили усилия, чтобы понять уникальные особенности, наблюдаемые Джеймсом Уэббом», - сказал Мартин.

«Горячее разделение» и модернизация двигателя для дебюта в следующем испытательном полете SpaceX Starship.

СТИВЕН КЛАРК - 27.06.2023, 13:27
Первоисточник

Верхнюю ступень для следующего испытательного полета SpaceX Starship, получившую название Ship 25, проходит испытания ранее в этом месяце в Техасе.SpaceX

SpaceX представит многочисленные обновления во время второго запуска своей полномасштабной мега-ракеты Starship. Эти обновления включают в себя существенное изменение способа разделения двух ступеней ракеты, усовершенствования двигательной установки и усиленную стартовую площадку в Южном Техасе, которая должна лучше выдерживать удар 33 главных двигателей.

«Между последним полетом Starship и этим действительно произошло огромное количество изменений, более тысячи», - сказал Илон Маск, основатель и генеральный директор SpaceX. «Поэтому я думаю, что вероятность того, что этот следующий полет пройдет успешно и мы выйдем на орбиту, намного выше, чем предыдущий. Возможно, это около 60 процентов. Это зависит от того, насколько хорошо мы справимся с разделением ступеней».

Маск рассказал о некоторых модификациях ракеты Starship в субботнем обсуждении в Twitter Spaces с журналисткой Эшли Вэнс. Он сказал, что следующая ракета Starship и модернизация стартовой площадки на объекте Starbase в Южном Техасе должны быть готовы к следующему испытательному полету примерно через шесть недель. «На данный момент это лучшее, что нам известно», - сказал Маск.

Корабль Starship спроектирован для полного повторного использования, и SpaceX планирует использовать его для вывода спутников на орбиту, строительства заправочных танкеров и орбитальных топливных заправок и, в конечном итоге, транспортировки грузов и экипажа на Луну и Марс. Долгосрочная цель SpaceX - заменить ракету Falcon 9 и капсулу экипажа Dragon на ракету Starship, финансируемую из частных источников.

Официальные лица SpaceX были довольны результатами первого полноценного испытательного полета Starship 20 апреля, который достиг высоты около 24 миль (38 километров), прежде чем выйти из-под контроля после многочисленных отказов двигателя и потери системы управления ракетой. Испытательный полет установил рекорд для самой большой и мощной ракеты, когда-либо запущенной — 394 фута (120 метров) в высоту с примерно 15 миллионами фунтов тяги от ее двигателей Raptor, работающих на метане.

Ракета состоит из двух сегментов. Разгонная ступень под названием Super Heavy с 33 двигателями Raptor предназначена для прохождения транспортного средства через атмосферу Земли, затем разгонная ступень с шестью двигателями, известная просто как Starship, вступает в действие для разгона до орбитальной скорости. В оперативных миссиях верхняя ступень Starship может служить топливозаправщиком, аппаратом для развертывания полезной нагрузки или пилотируемым кораблем.

Одним из наиболее значительных изменений, которые SpaceX вносит в конструкцию Starship, является отделение ракеты-носителя от верхней ступени, событие, которое происходит примерно через три минуты после старта. Испытательный полет Starship в апреле не достиг рубежа разделения ступеней.

«Мы внесли своего рода последнее изменение, которое действительно весьма существенно для способа разделения ступеней, а именно, использовали так называемую «горячее разделение», когда мы запускаем двигатели верхней ступени, или корабля, в то время как двигатели первой ступени, или разгонной ступени, все еще включены», - сказал Маск.

Российские ракеты, такие как почтенный «Союз», десятилетиями использовали технологию «горячего разделения» ступеней, но она не используется ни на одной современной американской ракете-носителе. Обычно ракеты выключают свои разгонные двигатели на несколько секунд, прежде чем выбросить за борт первую ступень и включить двигатель верхней ступени.

Маск сказал, что SpaceX отключит большинство двигателей сверхтяжелой ракеты-носителя, а затем одновременно запустит двигатели верхней ступени Starship. Результатом изменений является увеличение грузоподъемности Starship, которая уже составила более 100 метрических тонн на низкую околоземную орбиту. Но это означает, что инженеры должны добавить защиту к верхней части ракеты-носителя из нержавеющей стали, которую SpaceX хочет восстановить и повторно использовать множество раз.

«Очевидно, что это приводит к некоторому разрушению ракеты-носителя, поэтому необходимо защитить верхнюю часть разгонной ступени от прожигания двигателями верхней ступени», - сказал Маск, добавив, что изменение конструкции увеличит грузоподъемность ракеты Starship примерно на 10 процентов.

Разделение ступеней ракеты с уже выключенными ускорительными двигателями приводит к потере тяги. В то время как ракета временно продолжает набирать высоту, притяжение Земли начинает снижать ее скорость. «Итак, вы хотите запустить двигатели корабля до того, как полностью выключите разгонные двигатели», - сказал Маск.

SpaceX добавляет расширение к верхней части сверхтяжелой ракеты-носителя с вентиляционными отверстиями, чтобы сверхгорячий газ из двигателей верхней ступени мог безопасно выходить из конструкции ракеты, «а не просто взрываться», - сказал Маск. «Я думаю, это самая рискованная вещь для следующего полета».

Несколько из 33 двигателей Raptor на сверхтяжелой ракете-носителе либо не смогли включиться, либо потеряли мощность во время тестового запуска 20 апреля. Маск сказал, что в первом испытательном полете Starship использовалась «мешанина» двигателей, которые были построены и испытаны в течение года.

Для второго испытательного полета Starship команды SpaceX модифицируют коллекторы двигателей Raptor, которые направляют горячий газ, богатый метаном, в камеру сгорания каждого двигателя для смешивания с газом, богатым кислородом. Предыдущая конструкция была подвержена утечкам, когда горячий газ мог просачиваться через отверстия для болтов, используемые для крепления коллектора к двигателю. Инженеры представят улучшенную конструкцию коллектора и увеличат крутящий момент при затягивании болтов, чтобы устранить проблему утечки перегретого газа.

В предыдущих комментариях Маск рассказал о нескольких других обновлениях, которые дебютируют в следующем испытательном полете Starship. К ним относятся электрические регуляторы вектора тяги для замены гидравлической системы рулевого управления, использовавшейся при запуске 20 апреля, а также более прочное экранирование вокруг каждого из 33 двигателей Raptor ракеты-носителя для защиты их от взрывов близлежащих двигателей, мера, призванная снизить вероятность каскадных отказов.

Одной из наиболее заметных областей работ на стартовой площадке Starbase является заливка примерно 1000 кубометров железобетона под опорой стартовой площадки, где находится Starship и его сверхтяжелый ускоритель перед стартом. Во время апрельского запуска мощный удар двигателей Raptor ракеты пробил дыру в бетонной плите под пусковой площадкой, отбросив куски материала на тысячи футов от площадки.

SpaceX установит две толстые стальные пластины поверх нового слоя железобетона с каналами, проложенными через них, чтобы вода могла проходить через них и вытекать сверху.

«Представьте себе это как гигантскую перевернутую насадку для душа», - сказал Маск. «По сути, это будет выброс воды вверх, пока ракета находится над площадкой, чтобы нейтрализовать огромное количество тепла от ракеты-носителя».

В плане следующего испытательного полета Starship ракета также будет находиться на площадке в течение более короткого периода времени, что снизит вероятность повреждения. «На самом деле мы переборщили со стальным сэндвичем и бетоном», - сказал Маск. «Это должно привести основание площадки в гораздо лучшую форму, чем в прошлый раз».

Сброс воды на стартовую площадку - не новая концепция. SpaceX использует воду для гашения акустической энергии на своих стартовых площадках Falcon 9 во Флориде и Калифорнии, но менеджеры решили не использовать подобную установку на стартовой площадке Starship в Техасе.

«Оглядываясь назад, 20/20», - сказал Маск. «Так что да, конечно, у нас есть сожаления».

Когда его спросили о самой сложной технической задаче, которая остается для программы Starship, Маск возразил. Он сказал, что целью испытательных полетов Starship является «устранение неизвестных» в ракете, многие из которых не могут быть исправлены, пока инженеры не соберут данные с фактического запуска.

Одной из тем, которую Маск не обсуждал в своем чате Twitter Spaces, был обзор системы прекращения полета ракеты Starship, которой потребовалось больше времени, чем ожидалось, для уничтожения корабля после того, как он отклонился от своего заранее запланированного коридора полета в апреле. Система уничтожения работает путем подрыва пиротехнических зарядов, которые раскалывают топливные баки ракеты, и предполагается, что она быстро разрушит транспортное средство, прежде чем оно создаст угрозу населенным районам.

Федеральное управление гражданской авиации, регулирующее агентство, отвечающее за обеспечение того, чтобы запуски ракет не подвергали опасности население, должно будет рассмотреть любые изменения в системе уничтожения.

Испытательный полет Starship в апреле не угрожал никаким общественным местам, но Маск сказал в комментариях вскоре после испытательного полета 20 апреля, что «переквалификация» системы прекращения полета может занять больше времени, чем решение других проблем в списке SpaceX до следующего запуска Starship.

В субботу Маск признал, что SpaceX, возможно, не будет самостоятельно решать, когда произойдет следующий испытательный запуск Starship. «Здесь много переменных, которые находятся вне нашего контроля».