Новый космический телескоп раскроет великую космическую тайну:
Четыре топливных бака космического телескопа Roman устанавливаются в чистом помещении Центра космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Баки будут содержать 300 галлонов топлива для гидразина. Кредит — Крис Ганн—НАСА
Гигантский 40-футовый космический телескоп, покоящийся в герметичной, климатически контролируемой чистой комнате в Центре космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, не хочет иметь ничего общего с микроскопическими частицами пыли, прилипшими к вашей одежде. Поэтому, прежде чем войти в комнату, вы сначала должны встать в камеру, которая обдувает вас мощным сжатым воздухом с головы до ног, очищая вас. Затем вы надеваете хирургическую форму — бахилы, головной убор, маску, блузку и брюки — и проходите через ряд дверей, которые ведут вас в последовательно более стерильные приемные. Только тогда, когда ваша пыль не будет представлять опасности для деликатной машины в центре комнаты, вы сможете присоединиться к космическому телескопу Нэнси Грейс Роман в заводском цеху. Там техники заняты завершением его сборки в рамках подготовки к запуску в мае 2027 года в точку в космосе, находящуюся на расстоянии около 1 миллиона миль от Земли. Оттуда он может изменить наше понимание космоса.
«Огромная сила открытий этого телескопа расширит наше окно знаний на порядки величин», — говорит Джейми Данн, руководитель проекта римского телескопа. «Вы получите колоссальный объем данных, доступных десяткам тысяч ученых. Это просто ошеломляет».
«Мы [сможем] быстро перемещаться и картировать очень большие области неба», — добавляет Джош Шлидер, научный сотрудник широкоугольного инструментария телескопа. «Мы [сможем] обнаружить сотни миллионов галактик с очень высокой точностью и очень глубокими изображениями».
Роман действительно сделает все это и даже больше. Телескоп сможет охватить участок неба в 100 раз больше, чем космический телескоп Хаббл и космический телескоп Джеймса Уэбба. Он сможет заглянуть на расстояние до 13,2 миллиардов световых лет, собирая изображения Вселенной возрастом 13,8 миллиардов лет, когда ей было всего 600 миллионов лет. 18 детекторов в его широкоугольной инфракрасной камере оснащены 16 миллионами пикселей каждый, что обеспечивает превосходное разрешение изображения. А его 5,6-футовая (1,7 м) антенна с высоким коэффициентом усиления сможет отправлять на Землю поток изображений и данных с беспрецедентной скоростью. Более того, все эти данные будут иметь открытый исходный код — доступны всему миру.
«Роман будет доставлять один терабайт данных в день», — говорит Роб Зеллем, заместитель научного сотрудника проекта по коммуникациям. «Это эквивалентно одному игровому компьютеру в день».
Этот поток открытий будет включать в себя новые наблюдения экзопланет (или планет, вращающихся вокруг других звезд); новые исследования структуры Млечного Пути; и новые исследования темной энергии — таинственной, невидимой силы, которая заставляет Вселенную непрерывно расширяться со все возрастающей скоростью.
«Часть нашей основной науки для Roman — проводить исследования, которые позволят нам измерить свойства очень большого количества галактик на протяжении всей космической истории», — говорит Шлидер, стоя всего в нескольких футах от телескопа Roman на полу чистой комнаты, пока техники в костюмах кроликов занимаются им. «Измеряя их положение, их скорость, то, как быстро они движутся к нам или от нас, а также их формы, мы сможем наложить новые ограничения на свойства темной энергии».
Телескопу предстоит много сборки и другой работы, прежде чем он, наконец, через два года отправится в космос на ракете SpaceX Falcon Heavy и начнет выполнять эту работу. Сегодня его, возможно, балуют, но вскоре его накажут, поскольку он пройдет испытания, которые начнутся в конце весны, чтобы убедиться, что он выдержит суровые условия глубокого космоса и сильную, высокоэнергетическую тряску, которой подвергнет его Falcon, поскольку его 27 двигателей будут легкими, выдавая 5 миллионов фунтов тяги.
«Испытания включают в себя электрические испытания; вибрационные испытания; акустические испытания для имитации звука запуска; и термовакуумные испытания, [в ходе которых] мы помещаем его в большую камеру, откачиваем весь воздух и подвергаем воздействию температур от высоких до низких, чтобы проверить все его компоненты в реальных условиях эксплуатации, приближенных к космическим», — говорит Шлидер.
Только если телескоп стоимостью 4 миллиарда долларов переживет этот удар, он получит шанс покинуть планету. В соответствии с потенциально эпохальной наукой, которую Роман будет выполнять, когда окажется в космосе, НАСА решила выложить свои выводы и открытия миру. Обычно возвращаемые данные и открытия, сделанные космическими обсерваториями, такими как Хаббл и Уэбб, имеют период от 6 до 12 месяцев, в течение которого они доступны только астрономам, которые выполняли работу. Выводы Романа будут немедленно предоставлены общественности — как обычным людям, так и ученым — на общедоступном веб-сайте. Это потому, что огромное поле зрения Романа позволит многим астрономам — и неастрономам — одновременно собирать данные из бесчисленных областей неба, без единого главного исследователя, направляющего наблюдение.
«У нас не будет отдельных команд, которые получат частный доступ к данным», — говорит Шлидер. «Данные будут получены, загружены на Землю, обработаны и размещены в архиве, чтобы любой мог забрать их и сделать, что захочет».
«Каждое отдельное римское наблюдение будет иметь огромную и широкую научную отдачу», — добавляет Джули МакЭнери, старший научный сотрудник проекта Roman. «Римские исследования определяются совместно научным сообществом и коллективно принадлежат научному сообществу».
Космический тезка
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман не всегда носил такое лирическое название. Когда он был впервые предложен в 2010 году, он носил гораздо более загадочное, хотя и более описательное название: Широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST). Когда космические объекты движутся к наблюдателю, длина волны видимого света, которую они производят, сжимается, как пружина, в сторону синего конца спектра. Удаляющиеся объекты излучают свет, который растягивается в сторону красного конца спектра. Вселенная в целом в значительной степени смещена в красную сторону, поскольку, как обнаружил знаменитый астроном Эдвин Хаббл в 1929 году, она вечно расширяется, и миллиарды известных галактик непрерывно удаляются от нас. Телескоп WFIRST с его 18 инфракрасными глазами был разработан для изучения этого сдвига. В 2020 году, когда наконец-то начали резать металл для нового телескопа, тогдашний администратор НАСА Джим Брайденстайн объявил, что он будет переименован в честь Нэнси Грейс Роман, первого главного астронома НАСА, — и Роман явно заслужила эту честь.
Придя на работу в NASA в 1959 году, Роман была назначена на должность руководителя наблюдательной астрономии, став первой женщиной такого ранга в начинающемся агентстве. На этой должности она провела 20 лет, руководя усилиями NASA по обеспечению финансирования космического телескопа, который в конечном итоге стал Хабблом. За ее старания ее ласково прозвали «матерью Хаббла». Именно под ее руководством десятилетия наблюдений, сделанных телескопом, помогли развить работу Эдвина Хаббла, показав, что скорость расширения Вселенной на самом деле увеличивается со временем, по-видимому, нарушая законы гравитации, что должно было бы тормозить рост космоса. Говорят, что двигателем ускоряющегося расширения является все еще неизвестная сила, называемая темной энергией, которая, как полагают, составляет 68% Вселенной.
Теория темной энергии была впервые обнародована в 1998 году , за 20 лет до смерти Роман. Телескоп, который теперь назван в ее честь, поможет разгадать упрямую тайну, окружающую ее.
Планетарные множества
Исследование секретов галактического движения и темной энергии будет не единственной задачей Roman. Он также уделит значительное внимание отдельным звездам, особенно планетам, которые вращаются вокруг них. До сих пор было невозможно обнаружить экзопланеты напрямую, поскольку яркий свет их родительской звезды размывает гораздо более тусклую точку близлежащей планеты — примерно так же, как уличный фонарь ослепляет вас, не давая увидеть порхающую рядом с ним моль. Вместо этого астрономы делают вывод о наличии планеты, либо измеряя небольшое затемнение звезды, когда перед ней проходит меньшее тело, либо небольшое колебание, которое гравитация планеты вызывает в звезде. Телескоп Roman подойдет к вещам более прямолинейно, благодаря коронографу — массиву гибких, установленных на поршнях зеркал и оптических масок, которые блокируют свет звезды, позволяя планете появиться в поле зрения.
«Эти оптические элементы позволяют нам подавлять весь этот шум в системе», — говорит Шлидер. «Это очень поразительно, когда вы смотрите на звезду обычно, а затем смотрите на звезду, когда она прошла через систему. В одном из них звезда выглядит просто как большое размытое пятно. А в другом она заблокирована, и вы видите то, что вокруг нее».
Зеллем добавляет: «У вас есть маски, деформируемые зеркала и методы постобработки [изображений], которые применяются на земле. Затем вы можете удалить этот звездный сигнал и извлечь этот очень слабый планетарный сигнал».
Коронограф не будет единственным способом, которым Роман будет находить планеты. Он также будет полагаться на то, что известно как гравитационное микролинзирование. В 1912 году Альберт Эйнштейн предположил, что когда звезда переднего плана дрейфует перед звездой заднего плана, эта звезда должна на короткое время стать ярче, так как гравитация той, что впереди, искажает и усиливает ее свет. Теория была доказана во время полного солнечного затмения 1919 года , когда британский физик сэр Артур Эддингтон измерил искажение звезд заднего плана вблизи лимба затемненного солнца. Современные астрономы могут использовать линзирование для поиска экзопланет. Если у звезды переднего плана нет планет, она будет искажать свет звезды заднего плана в относительно плавной дуге вверх-вниз, когда препятствующая звезда проходит мимо. Если у нее есть планеты, эти меньшие тела вызовут небольшое дополнительное увеличение фонового света.
«Эта маленькая планета, которая находится в нужном месте, вызовет всплеск яркости, а затем вернется вниз и завершит вспышку», — говорит Шлидер.
У Roman будет много таких маленьких сигналов для нацеливания. До 1992 года астрономы не открывали никаких планет за пределами восьми в нашей собственной солнечной системе. С тех пор они обнаружили и подтвердили более 5500, а также тысячи других планет-кандидатов, которые требуют дополнительных наблюдений и исследований. Roman будет искать свои собственные недавно обнаруженные экзопланеты — планировщики миссии предсказывают, что он может обнаружить сотни тысяч из них — и, возможно, повторно посещать некоторые из тех, которые уже есть в каталоге. Большая часть того, что они будут исследовать, будет заключаться в химии атмосфер планет, поиске признаков органической активности, особенно на небольших каменистых мирах, таких как Земля. Roman будет особенно настроен на улавливание атмосферной длины волны, соответствующей метану, молекуле, тесно связанной с жизнью, и той, которая также изучается марсоходами NASA.
Более широкий взгляд
Исследования Романа макроструктуры Вселенной будут более сложными и частично объяснят, почему он будет припаркован в космосе так далеко от Земли. Для того, чтобы инфракрасные тепловизоры работали — измеряя красное смещение галактик в расширяющемся космосе — телескоп должен быть защищен от рассеянного тепла, поскольку оно размоет тепловое изображение так же, как рассеянный свет испортит оптическое. Роман, как и космический телескоп Джеймса Уэбба, таким образом, будет находиться в точке, известной как точка Лагранжа, одном из пяти мест в космосе, где гравитация Земли и Солнца нейтрализует друг друга, позволяя объектам вращаться вокруг невидимой точки, как если бы они вращались вокруг твердого тела, например планеты. Роман, как и Уэбб, отправится в точку Лагранжа 2, на противоположной стороне Земли от Солнца. В этом далеком удалении температура падает примерно до 90 Кельвинов, или -298°F.
«Это действительно хорошая рабочая температура для наших очень чувствительных инфракрасных детекторов», — говорит Шлидер.
Роман также будет изучать движение Вселенной в видимом диапазоне благодаря так называемым сверхновым типа 1a — взрывающимся звездам, входящим в состав двойной звездной системы. Все звезды типа 1a вспыхивают с одинаковой яркостью. В той степени, в которой одна из них светит ярче другой, это происходит только потому, что она ближе другой.
«Вы можете представить их как обычную свечу, как лампочку», — говорит Шлидер. «Если у вас есть лампочка, и вы знаете ее мощность, и вы относите ее на некоторое расстояние, она будет выглядеть слабее». Измерение этой яркости позволит римским астрономам определить движение и расстояние до сверхновых, что также даст подсказки о скорости расширения Вселенной, как сейчас, так и в прошлом, проливая больше света на то, что такое темная энергия и как она работает.
В начале своего пребывания в космосе Roman также проведет самое подробное обследование Млечного Пути, которое когда-либо предпринималось. Область пространства нашей солнечной системы лежит в плоскости галактики, в одном из ее спиральных рукавов. Таким образом, взгляд в сторону галактического центра равносилен взгляду на огромную полосу звезд — именно так Млечный Путь выглядит невооруженным глазом на очень темном небе. Roman будет пристально смотреть на центр галактики в течение периода обследования, который продлится около месяца, в течение которого он соберет изображения около 50 миллиардов звезд в различных длинах волн, включая инфракрасный — или до половины звезд в галактике. Это будет самое обширное картирование нашей галактики, когда-либо проводившееся, и оно предоставит данные о звездообразовании, пыли в межзвездном пространстве и гравитационной динамике в галактическом центре. Месяц, который займет обследование, на самом деле, является головокружительным темпом — в тысячу раз быстрее, чем Хаббл мог бы провести аналогичную работу.
«Один месяц с Романом равен примерно тысяче месяцев с Хабблом», — говорит Шлидер.
Зачем миру нужен новый телескоп стоимостью 4 миллиарда долларов всего через четыре года после запуска телескопа Джеймса Уэбба стоимостью 10 миллиардов долларов — это вопрос, на который на самом деле есть простой ответ. Во-первых, у Уэбба нет возможности коронографа экзопланет, как у Романа. Во-вторых, разрешение изображений двух телескопов сильно отличается. Камеры Уэбба могут видеть в космосе глубже, чем у Романа — примерно на 13,6 миллиарда световых лет или на 13,6 миллиарда лет в прошлое по сравнению с 13,2 миллиарда у Романа. Но широкоугольный обзор Романа намного больше, чем у Уэбба.
«Роман идет вширь, Уэбб идет вглубь и в глубину», — говорит Зеллем. «Роман — это контекст. Это как рыбий глаз по сравнению с зум-объективом Уэбба».
Хорошо, что Roman может быстро проводить свои исследования, потому что жить ему осталось не так уж долго. Космический телескоп Хаббл находится в воздухе уже 35 лет и все еще работает — отчасти благодаря пяти
миссиям по обслуживанию, которые астронавты совершили на телескопе до того, как космические челноки были выведены из эксплуатации в 2011 году. Но Хаббл летает на легкодоступной низкой околоземной орбите. Roman, как и Уэбб, в миллионе миль отсюда, находится вне досягаемости астронавтов-мастеров. В результате у него есть номинальная запланированная миссия всего на пять лет, и руководители полетов не исключают продления ее до 10 лет, если оборудование выдержит и гидразиновое топливо, питающее его позиционирующие двигатели, хватит.
«Топливо — единственная статья расходов, которая сейчас как бы ограничивает сроки Романа», — говорит Данн. «Возможно, будущая роботизированная миссия NASA, которая пока не запланирована и вообще не разработана, могла бы отправиться к Роману и дозаправить его».
Но это в неопределенном будущем. Сейчас Roman все еще находится на этапе сборки, и впереди его ждет еще много работы. Выход из чистой комнаты и оставление телескопа немного похоже на выход из операционной, прохождение через последовательно менее стерильные помещения, снятие маски и верхней одежды и возвращение в мир грязи, пыли, песка и сажи. Roman едва коснется этого мира, в конечном итоге покинув свой дом в Мэриленде и отправившись в качестве запечатанного груза в Космический центр Кеннеди для запуска. Оттуда он отправится жить в космос, где он значительно расширит взгляд человечества на нашу вселенную. «Сегодня», — говорит Шлидер, бросая последний взгляд на телескоп, выходя из чистой комнаты, — «мы убеждаемся, что инструмент — по мере того, как он строится, тестируется и готовится к работе — будет выполнять ту научную задачу, которую он должен выполнить».
Читайте нашу главную страницу — Взгляд в будущее, Инновации, Технологии, Наука, Новые открытия, Изобретения