Криогенный телескоп воссоздаст зарю Вселенной

Через шесть лет на земную орбиту должна быть запущена российская космическая обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М») с криогенным телескопом миллиметрового и инфракрасного диапазонов длин волн. Работая в одиночном режиме, и в связке с наземными обсерваториями, «Миллиметрон» позволит исследовать черные дыры, пульсары, реликтовое излучение, понять структуру Вселенной на заре её возникновения.

Какие научные задачи стоят перед космическим телескопом? Почему сейчас такое внимание уделяется поиску в космосе воды и органических молекул? Как «Миллиметрон» поможет в изучении «ранней Вселенной»? Чем космический телескоп «Миллиметрон» отличается от «Радиоастрона»? В чём уникальность этого проекта? Есть ли сейчас у проекта космического телескопа друзья или конкуренты?

Читайте в материале Вячеслава Авдеева

Дмитрий Новиков

Дмитрий Новиков, профессор РАН, докт. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. ФИАН:

— Какие научные задачи стоят перед космическим телескопом?

— Научная программа проекта «Миллиметрон» включает три основных направления исследований: физические процессы в ранней Вселенной, исследование активных ядер галактик и происхождение жизни во Вселенной. Это далеко не всё, будут решаться и другие, быть может, чуть менее важные задачи. Тем не менее и они крайне интересны.

— У «Миллиметрона» предусмотрено два режима работы. Чем они различаются?

— Режим интерферометра позволяет получить гигантское угловое разрешение. Оно нужно для наблюдения удаленных от нас объектов, имеющих крайне малый угловой размер. Для наглядности нужно сказать, что разрешение, которого мы намерены достичь на «Миллиметроне», позволило бы разглядеть с Земли объект толщиной с человеческий волос, находящийся на Луне. С такой разрешающей способностью основной задачей наблюдений станет изучение ядер галактик с более высоким разрешением, чем у «Телескопа горизонта событий» (Event Horizon Telescope).

Режим одиночного зеркала не предполагает столь высокого разрешения. Но здесь космический телескоп будет обладать беспрецедентной чувствительностью. В этом режиме могут изучаться объекты размером в несколько угловых секунд. Также «Миллиметрон» сможет производить обзор небольших участков неба — размером в несколько угловых минут.

— Почему сейчас такое внимание уделяется поиску в космосе воды и органических молекул?

— Вряд ли нужно объяснять важность проблемы происхождения жизни во Вселенной. Программа «Миллиметрона» нацелена на обнаружение сложных органических и предбиологических молекул в протопланетных дисках и атмосферах планет. Особое место здесь могут занимать спектральные исследования, связанные с детектированием молекул воды. Именно в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн находится большая часть молекулярных линий, связанных с вращениями молекул, с внутримолекулярными колебаниями, модами, связанными с крутильными деформациями и натяжениями водородных связей. Наблюдениям, в частности, доступны близко расположенные протопланетные диски и планеты земного типа.

— Как «Миллиметрон» поможет в изучении «ранней Вселенной»?

Важной задачей «Миллиметрона» в режиме одиночного зеркала станет обнаружение искажений в спектре реликтового излучения

— Одной из основных и по сути прорывной задачей «Миллиметрона» в режиме одиночного зеркала станет обнаружение искажений в спектре реликтового излучения. Телескоп должен попытаться обнаружить отклонения этого спектра от спектра черного тела. Такие исследования впервые дадут ученым возможность заглянуть в «невидимую» часть нашей Вселенной в эпоху до рекомбинации, когда наш мир был непрозрачным для излучения. Процессы, происходившие в ту отдаленную и до сих пор скрытую от нас эпоху, не могут проявляться в анизотропии и поляризации реликтового фона, уже известных нам по результатам экспериментов WMAP и Planck. Тем не менее физические процессы, проходившие задолго до рекомбинации, сопровождались энерговыделением. Поэтому они должны оставить весьма характерный след в частотном спектре реликтового фона, как бы исказить его особым образом. Эти искажения не меняются со временем и при достаточно высокой чувствительности прибора могут быть обнаружены.

Искажения реликтового фона содержат уникальную и пока недоступную информацию о физике ранней Вселенной. Обнаружение и исследование их углового распределения на небе откроет для ученых совершенно новый канал информации. В настоящее время это вызывает огромный интерес всего мирового научного сообщества, не меньший, чем исследование «теней черных дыр» и кротовых нор.

— Изображение черной дыры получено проектом Event Horizon Telescope. Сможет ли российский космический телескоп улучшить этот результат?

— Проект «Миллиметрон» за счет рекордной чувствительности и беспрецедентного углового разрешения позволит проверить гипотезу существования кротовых нор. Он сможет исследовать структуры магнитных полей вблизи гипотетических входов кротовых нор и возможные истечения материи из этих областей. Вообще надо сказать, что вопрос о существовании черной дыры в галактике М87, исследованной «Телескопом горизонта событий», не закрыт окончательно. Этот объект может быть как черной дырой, так и кротовой норой. Чтобы закрыть этот вопрос, необходимо большее, нежели у Event Horizon Telescope, разрешение и чувствительность. Важно также пронаблюдать этот источник на более коротких длинах волн. Именно этим и займется «Миллиметрон». Открытие кротовых нор, эдаких ­своеобразных тоннелей, искривленных в пространстве и времени огромным тяготением, может иметь фундаментальное значение для науки.

Алексей Рудницкий

Алексей Рудницкий, 
зав. лаб. баллистического обеспечения космических аппаратов, помощник по вопросам международного сотрудничества:

— Чем космический телескоп «Миллиметрон» отличается от «Радиоастрона»?

— Отчасти «Миллиметрон» — это логическое продолжение проекта «Радиоастрон» («Спектр-Р»). Концептуально обе обсерватории схожи, обе они имеют раскрываемое зеркало, причем и в одном и в другом случае его диаметр составляет 10 м. Но «Радиоастрон» проводил наблюдения в более длинноволновом диапазоне.

На деле отличий больше. «Радио­астрон» работал всегда только совместно с наземными радиотелескопами, образуя таким образом самый крупный в мире наземно-космический радиоинтерферометр. Этот режим работы называется режимом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ). Он позволяет получить беспрецедентное угловое разрешение, на порядки превосходящее возможности иных наблюдательных инструментов.

«Миллиметрон», в свою очередь, будет работать не только в режиме РСДБ, но и как самостоятельный отдельный телескоп — так называемый режим одиночной антенны. Для каждого из двух режимов разрабатывается своя ­специфическая научная аппаратура, ставятся свои исследовательские задачи.

Кроме того, для космического телескопа «Миллиметрон» сейчас разрабатывается бортовая система охлаждения, которая позволит снизить температуру поверхности антенны до 20 К, а приемной аппаратуры до 4 К. Это необходимо в первую очередь для режима одиночной антенны, поскольку для достижения максимально высокой чувствительности болометрических матричных приемников необходимо охладить их как можно сильнее.

— Как он будет устроен?

— Внешне «Миллиметрон» тоже напоминает своего предшественника, в основном из-за внешне похожей раскрываемой 10-метровой антенны. Но этот аппарат выглядит значительно крупнее за счет систем охлаждения, которых две: активная и пассивная. Пассивная — это система из теплозащитных экранов, диаметром до 20 м. Похожая система экранов будет у телескопа «Джеймс Вебб». А все научные приборы будут располагаться в отдельном «криоконтейнере», который с помощью специальных теплопроводов и криомашин обеспечит температуру до 4 К.

— Где он будет вести ­наблюдения?

— Предполагается, что аппарат будет проводить наблюдения на орбите в окрестностях точки Лагранжа L2 системы Солнце — Земля. Располагается эта точка на расстоянии 1,5 млн км от Земли в направлении против Солнца. Это одна из пяти точек неустойчивого равновесия, которые образуются в поле тяготения двух больших тел. Ее очень любят астрономы, потому что Солнце, Земля и Луна всегда будут находиться по одну сторону от космического аппарата.

Такая орбита позволит наилучшим образом поддерживать на космическом телескопе как можно более низкую температуру, а это напрямую связано с конечной чувствительностью «Миллиметрона» в режиме одиночной антенны. Всё это и позволит проводить наблюдения самых слабых и далеких объектов нашей Вселенной.

— В чем уникальность этого проекта?

Режим интерферометра «Миллиметрона» позволяет получить гигантское угловое разрешение, а режим одиночного зеркала дает беспрецедентную чувствительность

— Обсерватория «Миллиметрон» уникальна, честно говоря, практически во всем. Это и системы охлаждения, и конструкция раскрываемой антенны, и уникальный композитный материал поверхности антенны, который был разработан в ФИАН с полным циклом изготовления.

Многие технические решения, технологии, используемые в космическом аппарате, были созданы в процессе разработки миссии и применяются впервые. Представьте, ведь телескоп должен наблюдать в дальнем инфракрасном диапазоне, поэтому требуется выставить поворотные лепестки зеркала с точностью 6 мк, что на порядок меньше диаметра человеческого волоса. И сделать это надо будет прямо в космосе.

Уникальной можно считать, безусловно, и научную программу миссии. Каждая из научных задач, которые сейчас формируются для обсерватории, связана с решением фундаментальных вопросов астрофизики — о появлении и эволюции Вселенной и объектов, ее населяющих. Каждая такая задача сама по себе — задача уровня Нобелевской премии.

— Есть ли сейчас у проекта космического телескопа друзья или конкуренты?

— Если говорят о друзьях, то подразумевают наличие врагов. Однако в мировом сообществе астрофизиков воевать не принято. У нас широкое сотрудничество по всему миру в рамках «Миллиметрона». Проектом интересуются многие астрофизики из Европы, США, Китая. С нами работают институты из Южной Кореи, Китая, Нидерландов, Франции, Италии, Великобритании, Швеции и многих других стран. Интерес обусловлен еще и тем, что фактически аналогов миссии «Миллиметрон» не планируется ни в одной стране мира в ближайшие лет пятнадцать точно.

Сравнение с JWST всё же не совсем уместно, так как научные задачи совсем разные, и наблюдаем мы в разных диапазонах. И потом, в отличие от нас, телескоп «Джеймс Вебб» имеет только одиночный режим работы.

— Чем этот проект важен для российской и мировой науки?

— Дело в том, что миллиметровый диапазон длин волн, в особенности в режиме интерферометра, практически недоступен с Земли. Очень уж сильно мешает атмосфера. Но в то же время наблюдения в данном диапазоне, как в режиме одиночной антенны, так и в режиме интерферометра, позволят получить уникальную информацию о возникновении Вселенной, ее эволюции, возникновении отдельных звезд и планет. Мы сможем лучше понять процессы появления в космосе сложных молекул, в том числе и предбиологических, и, возможно, получим информацию о вероятном наличии жизни за пределами Земли. Это всё прорывные фундаментальные вопросы в области астрофизики. А кроме того, «Миллиметрон» будет первой в своем роде космической обсерваторией, работающей в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн сразу в двух режимах.

Автор Вячеслав Авдеев, сотрудник Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН: https://trv-science.ru/2019/06/18/millimetron/