Два года назад в космосе завершилась работа российского спутника «Спектр-Р» — основы астрофизического проекта «РадиоАстрон». Сейчас ему на смену пришел космический телескоп «Спектр-РГ», а в разработке находятся еще две обсерватории «Спектр-УФ» и «Миллиметрон». Давайте посмотрим зачем «Роскосмос» и Российская академия наук создают эти телескопы, и как движется их реализация.
Начнем издалека, чтобы разобраться почему астрономам недостаточно обычных телескопов на Земле.
▍Что такое многоспектральная астрономия?
Как и в древности, сегодня для человека главный метод получения знаний об окружающей Вселенной — это наблюдения колебаний электромагнитного поля или электромагнитного излучения. Сначала человек просто изучал окружающее пространство уникальным природным средством — глазами. Но наши глаза видят очень узкий диапазон длинн волн электромагнитных колебаний, в том диапазоне, в котором наше Солнце излучает ярче всего, а атмосфера Земли лучше всего пропускает — видимом.
Наука открыла людям возможность смотреть вокруг себя и в других диапазонах. В зависимости от длины волны электромагнитные колебания мы называем по разному. Длинные волны — от километров до сантиметров — это «радио». Например FM радиоволна имеет длину около 3 метров, сотовая связь — 16 см, микроволновки — 12 см, а экспериментальная сеть 5G в Сколково — 6 см.
Если длина волны укорачивается меньше сантиметра, и составляет миллиметры или их доли — это уже миллиметровый диапазон излучения. Это такое переходное состояние между радио и светом. Если укорачивать волны дальше, то получим инфракрасное «тепловое» излучение, потом видимый свет, потом ультрафиолет, рентген и самое жесткое и энергичное излучение — гамма. Всё это и называется «спектр электромагнитного излучения». Наверно у всех в школьных кабинетах физики висели такие графики:
Из них хорошо видно насколько малую часть реальной информации об этом мире воспринимают наши глаза — всего семь цветов, которые мы видим как радугу. Всё остальное и без науки — во тьме.
Электромагнитные волны создаются в процессах связанных с выделением и передачей энергии, а из далекого космоса к Земле долетает только то, что было выброшено какими-то масштабными событиями: взрывами сверхновых, аккреционными дисками черных дыр, воздействием космической радиации на газ и пыль… И каждое событие соответствует своей спектральной «подписи». Излучение звезды зависит от её температуры и состава, например, Солнце имеет пик яркости в диапазоне видимого света, а в гамма-диапазоне почти «черное». Молодые звезды — «синие», старые — «красные». Далёкие квазары светят практически во всём спектре.
То, что мы воспринимаем глазами как цвета, это просто электромагнитные колебания разной длины волны, например длина волны красного света — 650 нанометров, а синего — 450 нанометров. По такому же принципу ученые создают цветные картинки из снимков в тех диапазонах излучения, в котором наши глаза не видят вообще, например в инфракрасном или ультрафиолете, или даже рентгене.
Излучение, которое достигает Земли, далеко не всегда прямо совпадает с тем, которое покинуло источник. Разница зависит от скорости источника относительно приемника, расстояния и свойств среды между ними. И только учет всего комплекса факторов позволяет извлекать огромный объем данных о близком и далёком космосе: изучать строение, движение и эволюцию звезд, находить экзопланеты и черные дыры, наблюдать процессы в ядрах галактик, измерять расстояние в галактических и галактических масштабах, изучать свойства межгалактического и межзвездного пространства, заглядывать в прошлое галактик на миллиарды лет… В конечном счёте, лучше понимать Вселенную, в которой мы живём. Поэтому нам и нужны многоспектральные «глаза». (Крайне рекомендую книгу на эту тему «Многоканальная астрономия»).
▍Зачем запускать телескопы в космос?
В межзвездном пространстве электромагнитные волны переживают воздействия от гравитационных волн, межзвездной плазмы, газа и пыли, но самое серьезное препятствие на пути к Земле — это наша атмосфера. Её плотность сопоставима с десятью метрами воды, поэтому нам не страшна космическая радиация, но астрономам интересна именно она. Даже если в небольшой телескоп взглянуть на звёзды с Земли, то можно увидеть рассеивающий эффект воздуха, а для некоторых электромагнитных волн (жесткий УФ, рентген, гамма) воздух вообще непрозрачен.
Для снижения воздействия атмосферы, астрономы стараются забраться как можно выше в горы, чтобы сократить слой воздуха. Кроме того, приходится скрываться от цивилизации, которая поднимает пыль, светит в небо прожекторами, шумит в радиодиапазоне, а сейчас ещё заваливает небо сотнями рукотворных «звёзд» — спутниками.
Поэтому только космонавтика дает наилучшую среду для изучения свойств обозримой Вселенной — космоса во всех доступных диапазонах.
▍«Спектры»
Ученые Советского Союза в 80-е годы прошлого века запланировали масштабную астрофизическую программу «Спектр», которая предполагала запуск целой серии тяжелых космических телескопов. Наблюдение планировалось в радио, миллиметровом, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентген и гамма диапазонах. Соответственно телескопы получили литеры: Р, М, ИК, УФ, РГ. К сожалению, в приоритетах советской космонавтики 80-х гг была гонка с Америкой: станции «Мир», «Энергия-Буран», безумное количество спутников-шпионов… СССР запускал по две ракеты в неделю, но не для науки. Лишь пара телескопов была запущена в 80-х: «Астрон», и «Гранат», но «Спектры» оставались только в мечтах наших астрономов.
Потом Советский Союз распался, пришли «лихие девяностые», в которые каждый лихачил как мог. Например специалисты Астрофизического центра Физического института имени Лебедева собрали прототип телескопа КРТ-10 в Пущино, и приступили к наземным испытаниям.
Технически это был РТ-10, поскольку «К» значит «космический», а наземный прототип в космос не летел. Но работа была вознаграждена. Астрофизикам, физикам и инженерам удалось-таки создать и запустить в 2011 году первый из «Спектров» — «Р», т.е. «радио».
Его запуск открыл международную программу исследований методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой — «РадиоАстрон». Главное преимущества такого метода, в возможности наблюдать с беспрецедентным угловым разрешением наиболее яркие в видимой Вселенной источники радиоизлучения. Семь с половиной лет исследований дали свои результаты в исследованиях квазаров, пульсаров, межзвездной и межгалактической среды.
На мой взгляд, главная уникальность «РадиоАстрона» была в том, что он в принципе полетел несмотря на обстоятельства, в которых создавался в 90-е и 2000-е. Наиболее важную роль в этом достижении сыграл Николай Кардашев, который в 50-х годах был соавтором работы теоретически обосновавшей создание гигантских радиотелескопов-интерферометров, а в последние десятилетия своей жизни весь свой авторитет вложил в запуск «РадиоАстрона». Разработанная с участием Кардашева технология РСДБ значительно расширила возможности радиотелескопов за счет их объединения в решетки-интерферометры. Теперь много антенн могли работать как одна большая.
Причем их можно объединять не только напрямую, но и удаленно, т.е. создавать радиотелескопы-интерферометры диаметром 12 тысяч километров. Это не опечатка, всё правильно: радиотелескоп размером 12 тыс км. РСДБ позволяет объединять антенны размещенные по всей Земле, а значит пределом выступает только её диаметр.
Космический «РадиоАстрон» позволил увеличить размер радиоинтерферометра до 340 тыс км, и Кардашев стал свидетелем его успешной работы. Позже, та же технология, примененная уже европейскими и американскими учеными дала «фотографию тени черной дыры».
Другие «Спектры» тоже двигались вперед, например 1,7-метровое зеркало для ультрафиолетового телескопа уже изготовлено на Лыткаринском заводе оптического стекла, а его гигантская труба, размером с автобус, не первый год ждет своего часа на НПО им. С.А. Лавочкина. Правда были проблемы с финансированием и санкционной электроникой, но, вроде бы, их смогли решить.
Рентгеновский «Спектр-РГ», после многочисленных задержек и проблем полетел-таки в 2019 г. и сейчас радует мировую науку. Это тоже телескоп с тяжелой судьбой, которая требует отдельного рассказа. Сложности в его создании привели в выпадению «Г» из его научной программы, т.е. он наблюдает только в рентгене, а для гамма-диапазона не предназначен, но название решили не менять, чтобы не получился второй «Спектр-Р».
В отличие от «РадиоАстрона» рентгеновский телескоп наблюдает не отдельные источники излучения, а ведет картографирование всего видимого небосвода.
«Спектр-РГ» — это тоже международный проект, но если у «РадиоАстрона» иностранное участие заключалось в наземной поддержке, то в рентгене наблюдает два телескопа: российский и германский. За каждые полгода работы «Спектра-РГ» составляется полная карта небосвода, и чем дольше ведутся наблюдения, тем большего «проникновения» добьются телескопы и больше источников рентгеновского излучения будет картографировано.
Про «Спектр-РГ» мы обязательно поговорим отдельно. Нам же осталось упомянуть о самом сложном, и самом «долгом» «Спектре» — «Миллиметроне». Его разработкой сегодня заняты создатели «РадиоАстрона», которым помогает накопленный в прежнем проекте опыт.
Миллиметровый диапазон не менее важен для изучения космоса, в нем светятся облака межзвездной пыли, и другие холодные объекты. Удобство миллиметрового диапазона ещё и в том, что в телескоп может наблюдать как самостоятельно, так и применяя технологию РСДБ. Пока наблюдения в миллиметровом диапазоне ведутся с Земли из высокогорных районов, например в Чилийских Андах расположен массив миллиметровых телескопов ALMA.
Если запустить «Миллиметрон», то совместно с ALMA он сможет на порядки повысить детализацию наблюдений. С ним или отдельно можно намного точнее рассмотреть окрестности черных дыр и определить нет ли среди них «кротовьих нор»; измерить спектральные искажения реликтового излучения и заглянуть в ранее недоступное наблюдению прошлое Вселенной; определить содержание сложных органических молекул в соседних звездных системах, и даже попытаться найти сферы Дайсона, т.е. более развитые и древние инопланетные цивилизации… Каждое из этих направлений — отдельный прорыв в знаниях о свойствах Вселенной, и поучаствовать в исследованиях уже сейчас готовы европейцы, корейцы и китайцы, несмотря на довольно ранний этап готовности проекта.
