ПопулярноеРедакцияСвежееЛучшее
Итоги года

Четыре космических гиганта

2

Будет ли у нас возможность увидеть океаны на других планетах? Увидим ли мы когда-нибудь сигнатуры первых чёрных дыр или нанесëм на карту почти невидимую космическую паутину? Обнаружим ли мы как происходит возникновение планет и саму жизнь? Это одни из самых актуальных вопросов современной астрономии, и ответы на них мы можем получить в самом ближайшем будущем. Старт многострадального JWST не за горами. Ну а какой будет следующая флагманская миссия — вот четыре ярких кандидата.


Концепции четырёх флагманских миссий NASA: HabEx, LUVOIR, Lynx и Origins
NASA

В ближайшие несколько недель влиятельная группа астрономов, охватывающая целый ряд дисциплин, опубликует принципы, которые установят приоритеты на следующее десятилетие в будущих исследованиях. Выбранная National Academy of Sciences (NAS), эта группа рассмотрит четыре космических телескопа — любой из которых может изменить лицо астрономии — а также 10 небольших  миссий. Астрономы изложат своё видение будущего в докладе под названием Decadal Survey («Десятилетний обзор«).

Эта программа задавала тон в космической астрономии в течение последних 50-ти лет. И до сих пор, по крайней мере, все космические проекты, получившие наивысший приоритет в данном десятилетии, в конечном итоге добирались до стартовой площадки: космический телескоп Хаббла получивший приоритет в докладе 1972 года и запущенный в 1990 году; рентгеновская обсерватория Чандры, 1982-й и 1999-й год соответственно; и космический телескоп Спитцера, 1991-й и 2003-й год.



В 2000 году «зелёный» свет получил проект JWST , а в 2010- м Roman Space Telescope (ранее известный как Широкофокусный инфракрасный обзорный телескоп, или WFIRST). JWST в процессе разработки и подготовки сталкивался с большим количеством проблем, включая многочисленные переносы и перерасход бюджета. Вот почему в 2016 году NASA решило начать финансировать детальные исследования (моделирование затрат при проектировании будущих обсерваторий, разбивка работ), благодаря которым специалисты надеются предотвратить ситуации сложившиеся в процессе разработки JWST. Потенциал, который несёт в себе каждая обсерватория, может вызвать трепет у любого астронома. От прямого изображения планет размером с Землю до обнаружения первых чёрных дыр, эти миссии обещают огромный шаг вперёд и новые достижения.

Любая из этих миссий потребует по меньшей мере несколько миллиардов долларов на проектирование, строительство и запуск. Поэтому справедливо, что комитет предоставит приоритет только одной миссии — при условии что подобная миссия вообще необходима.

Habex: Хаббл 2.0

Легко думать о HabEx как о космическом телескопе Хаббла следующего поколения. С 4-метровым зеркалом (в два раза больше чем у Хаббла) HabEx будет вести наблюдение в ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Но вот чем он будет отличаться так это своим коронографом, так и 52-метровым складным щитом, который будет блокировать свет от звезды, чтобы повысить принимаемое телескопом количество света от самих планет. Коронограф будет находиться внутри телескопа, а звëздный щит будет находиться на расстоянии примерно в 76 000 километрах от него.


Концепция (не в масштабе) миссии HabEx.

Основная цель этой удивительной установки : обнаружение и изучение землеподобных объектов. HabEx сфотографирует и охарактеризует дюжину скалистых планет размером с Землю вокруг солнцеподобных звёзд. Набор приборов миссии предназначен для поиска маркеров, которые могут указать на присутствие жизни ( биомаркеры): с научной точки зрения, это предполагает поиск метана, кислорода, углекислого газа в атмосферах этих планет.

Звёздный щит — это лишь часть телескопа, та часть которая облегчит поиски а также представляет собой очень сложную структуру. Концепция звёздного щита (она же “космическая ромашка”) разрабатывалась в 90-х годах и никогда не применялась на практике. Щит будет блокировать свет от звезды, пропуская при этом свет от изучаемой планеты, что позволит обнаружить мелкие и более тусклые тела (и даже возможно океаны на их поверхности).

Сложность постройки подобного объекта (размером в два бейсбольных поля) и его развёртывание на месте — это лишь часть проблемы, «космическая ромашка» должна находиться на определённом расстоянии от главного телескопа, используя собственные двигатели. Визуализация десятка экзоземель требует совместной работы как коронографа так и звёздного щита.

Этапы развёртывания
Starshade HabEx / NASA

Тем не менее, проект HabEx предусматривает альтернативные концепции — девять различных конфигураций : в том числе применение 3.2-метрового зеркала (взамен 4-метрового), состоящего из сегментов, а также возможность разработки телескопа как без коронографа так и без звёздного щита.

Конечно самая предпочтительная концепция окажется самой дорогой, но дешёвые варианты с научной точки зрения не сравнятся с ней”, — говорит Гауди, один из руководителей команды HabEx.

Несмотря на своё название, HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission) это не только про экзопланеты. Половина всего времени наблюдений на нём будет посвящена общим исследованиям, начиная с изучения самой ранней эпохи в истории Вселенной и заканчивая исследованием жизненного цикла и гибели самых массивных звёзд, которые в конечном итоге обеспечивают появление элементов, необходимых для появления и поддержания жизни.

LUVOIR : больше, круче и роскошнее

Если HabEx -это Хаббл следующего поколения, то LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyo) можно сравнить с Хабблом, укушенным радиоактивным пауком. Изюминка LUVOIR — это 15-метровое зеркало, которое будет разворачиваться в стиле JWST. Проект также предусматривает альтернативную конфигурацию с меньшим, но всё же беспрецедентным 8-метровым зеркалом.


Предварительная концепция 15-метрового телескопа LUVOIR, опубликованная в промежуточном отчёте. Вид спереди показывает первичное зеркало и вторичную опорную конструкцию, в то время как вставка (вид сзади)-выделяет опорную раму, удерживающую четыре прибора.
NASA

Подобно другим «Большим обсерваториям» (Roman Space Telescope, JWST) LUVOIR займёт своё место в точке Лагранжа L2, в 1.5 миллионах километрах от Земли. Но в отличие от других миссий в концепцию этого телескопа входит возможность его обслуживания — возможность замены и модернизации приборов. Обслуживание может потребоваться если миссия продолжит свою работу после 10 лет исследований в космосе. Для коррекции орбиты и других операций телескоп будет использовать собственные двигатели, а не полагаться на маховики (Reaction wheel), которые использовались на Хаббле и Кеплере, и этим двигателям время от времени будет необходима новая порция топлива.


Эта иллюстрация из промежуточного отчёта показывает возможности LUVOIR по сравнению с другими обсерваториями. Концепция LUVOIR-A представляет собой 15-метровое первичное зеркало, в то время как LUVOIR-B будет иметь 8-метровое первичное.
NASA / New Horizons / J. Friedlander & T. B.
Griswold (NASA GSFC)

Одной из целью новой обсерватории также будет исследование экзопланет. Но в отличие от HabEx всё это будет происходить без помощи звёздного щита — его большое зеркало и коронограф следующего поколения должны будут ответить на вопрос : насколько распространена жизнь в нашей Вселенной?

Я могу представить себе два совершенно разных сценария развития событий«, — говорит один из участников проекта Джон О’Мира. “Один из них заключается в том, что мы исследуем 100 планет, похожих на Землю, вокруг солнцеподобных звёзд в обитаемой зоне, и ничего не находим. Ну а во-вторых, мы исследуем планеты в обитаемой зоне и обнаруживаем её, причём онаруживаем в изобилии“.

Член команды разработчиков Аки Роберж (NASA Goddard) объясняет, что большой размер выборки (исследования 100 экзопланет) может иметь решающее значение при выборе победителя. “ HabEx не сможет этого сделать, и они это признают, потому что их выборка слишком мала (10 экзопланет). Большая апертура нашего телескопа позволит увеличить размер выборки”.

Самое замечательное в HabEx и LUVOIR, — добавляет и соглашается с коллегой Гауди (один из руководителей команды HabEx), — заключается в том, что мы предоставили научному сообществу два различных варианта дальнейшего развития наблюдательной астрономии, и если HabEx будет «первым шагом» в поисках жизни на других планетах, LUVOIR — это гигантский скачок”.

Исследование экзопланеты — далеко не единственная область где команда разработчиков надеется совершить революцию :

На 332-335 страницах свежего 441-страничного отчета NASA по проекту космического телескопа LUVOIR с диаметром зеркала между 8 и 15 метров приведены интересные графики на тему скорого приближения к пределам наблюдательной астрономии:

В пояснениях ко второму графику говорится, что новый космический телескоп NASA, который будет наблюдать в оптическом диапазоне, станет способным видеть фоновое излучение межгалактического газа (за 100 часовую экспозицию 15-метровый космический телескоп LUVOIR будет способен наблюдать объекты 34-ой звездной величины). Тем самым земная астрономия приближается к наблюдательному пределу в познание Вселенной, преодолеть который будет крайне сложно.

 При этом из первого графика следует, что теоретически новый телескоп при неограниченном времени работы может составить карту Вселенной, состоящую 10 тысяч триллионов пикселей. Это число в миллионы раз меньше оцениваемого числа звезд в наблюдаемой Вселенной: несколько сотен миллиардов крупных галактик, в каждой из которых по несколько сотен миллиардов звезд содержат в общей сложности несколько миллиардов триллионов звезд (10 в 20 степени). Впрочем, существует две возможности увеличить долю наблюдаемых объектов нашей Вселенной.

Пределы наблюдательной астрономии, za_neptunie

Слева изображение галактики полученное Хабблом (находящийся в 10 млрд. световых лет от Земли). Справа — изображение той же галактики от LUVOIR, полученное благодаря моделированию.
Г. Снайдер (STScI)

Исследования Вселенной на подобном уровне позволит выявить и изучить огромное количество карликовых галактик, которые современные телескопы не могут обнаружить. “С помощью подобного инструмента, — отмечает О’Мира, — мы смогли бы увидеть карликовую галактику массой 100 солнечных масс на расстоянии 10 миллиардов световых лет”.

Но за подобную революцию придётся заплатить. “LUVOIR самая амбициозная из чётырех миссий, — говорит О’Мира. — За это, конечно, приходится платить. Будет ли LUVOIR стоить больше 5 миллиардов долларов? — Да.«

Lynx : next-gen X-ray vision

Следующая концепция миссии уводит нас из видимого диапазона в рентгеновский. Рентгеновские лучи исходят из самых горячих и энергичных процессов во Вселенной, проливая свет на пожирающие газ чёрные дыры, взрывающиеся звёзды и горячий газ, кишащий между галактиками, а атмосфера Земли полностью блокирует их.

Это проект LYNX (Рысь). Названная в честь зоркого хищника, эта концепция миссии представляет собой скачок вперёд по сравнению с существующими рентгеновскими телескопами.


Концепция Lynx наложена на изображение M51 от обсерватории Chandra.
NASA / MSFC

Рентгеновские фотоны обладают большой энергией. Если они падают на зеркало перпендикулярно или почти перпендикулярно, то проходят через поверхность насквозь. Поэтому в рентгеновских телескопах используют зеркала косого падения, обеспечивающие очень маленький угол отражения. Это достигается за счет использования схемы телескопа Вольтера I рода, где зеркало имеет форму парабола-гипербола. Но одно зеркало перехватывает очень небольшую долю излучения. Чтобы повысить эффективность телескопа, несколько таких зеркал косого падения концентрически вкладываются друг в друга. 

Зеркало рентгеновской души, Юлия Михневич

Рентгеновская обсерватория NASA «Чандра» имеет четыре таких зеркала, вложенных друг в друга, как матрёшки, для получения изображений. На борту XMM-Newton, телескопа Европейского космического агентства, три телескопа и на каждом имеется по 58 концентрических зеркал.


Схема рентгеновского телескопа Чандра в разрезе (он имеет схему телескопа Вольтера I рода). Рентгеновские фотоны идут почти параллельно поверхности, прежде чем отразиться от нее. Каждый из семи телескопов ART-XC устроен по такой же схеме, только зеркальных оболочки не 4, а 28, а фокусное расстояние не 10 м, а 2,7 м. 
Рисунок из статьи S. L. O’Dell et al., 2010. High-resolution x-ray telescopes

«Рысь» легко и непринуждённо превзойдёт их всех. “Это будет самое необычное рентгеновское зеркало, когда-либо созданное, состоящее из 37 000 сегментов, каждый из полированного кремния, — говорит член команды Грант Тремблэй (Центр астрофизики, Гарвард и Смитсоновский институт). Эти кремниевые сегменты будут сложены в 611 модуль, а те будут объединены в полусферические оболочки.”


Концепция конструкции зеркальной сборки Lynx.
Zhang et al. / Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 2019

Эта зеркальная сборка и будет краеугольным камнем (центральным элементом) миссии. В отличие от других миссий, Lynx возможно и не привнесёт революцию в изучении экзопланет, но она “даст представление о невидимой вселенной”. Это включает в себя изучение сверхмассивных чёрных дыр в ранних галактиках, процессов, определяющих формирование и эволюцию галактик, а также высокоэнергетических аспектов эволюции звёзд. Собрав огромное количество фотонов, телескоп достигнет чувствительности, в 100 раз превышающей чувствительность Chandra, что позволит ему увидеть первые чёрные дыры. Астрономы долго размышляли над тем, как чёрные дыры в центрах галактик смогли вырасти до миллионов солнечных масс всего спустя миллиард лет после Большого взрыва. Данные, которые Lynx соберёт, помогут астрономам определить, как эти объекты образовались и выросли.


На этом смоделированном изображении, опубликованном в промежуточном отчете Lynx, показана область (с шириной в 2 угловые минуты) съёмок будущих обсерваторий JWST (слева), Lynx (в центре) и Athena Европейского космического агентства (справа). На рентгеновских снимках видны как галактики с центральной, пожирающей газ чёрной дырой (фиолетовые), так и обычные галактики (зеленые). Lynx сможет достичь чувствительности, необходимой для изучения зародышей сверхмассивных чёрных дыр в самых ранних галактиках, которые обнаружит JWST.
Lynx / NASA

В сочетании с его чувствительностью и спектральным разрешением, а также скоростью съёмки телескоп в силах составить карту почти невидимого для нас горячего газа, который окружает галактики, пронизывает скопления галактик и очерчивает космическую паутину. Этот горячий газ составляет большую часть “регулярной” (т. е. не тёмной) материи Вселенной и лежит в основе её структуры, как объяснил нам один из руководителей проекта Lynx Алексей Вихлинин (Центр астрофизики Гарвардского и Смитсоновского университетов). Хотя понимание этой структуры долгое время было источником космологических симуляций, с помощью Lynx мы получим реальную картину этой структуры.

Изображение космической паутины могло бы стать в один ряд с такими снимками как Восход Земли, или изображение от телескопа Горизонта событий«, — добавляет Трамбле.



Одним из преимуществ миссии Lynx является наименьшая зависимость команды проекта от разработки новых технологий. Изготовление зеркальной сборки — вот над чем команде проекта придётся потрудиться, в остальном это всё таже старая добрая обсерватория Chandra, которая была запущена в 1999 году.

Нет удивительного разворачивающегося звёздного щита, который технически является отдельным космическим объектом, который летит в 80 000 км от вашего телескопа, — говорит Тремблэй. — Это проверенная конструкция. Мы вынимаем «глаз» из Chandra и заменяем его более мощным инструментом”.

Конечно само зеркало является самым дорогим элементом телескопа (изготовление зеркал для рентгеновского телескопа чрезвычайно трудоёмко и требует высочайшей точности), но на сегодняшний день эти технологии уже имеются.

Origins

И наконец последний, но не менее интересный проект телескоп, получивший название Origins, который собирается приоткрыть едва исследованное окно в небеса.  Космический телескоп Origins (первоначально называемый Far-Infrared Surveyor) сперва задумывали оснастить зеркалом диаметром 9.1 метра и набором инструментов для проведения наблюдений на длинах волн среднего и дальнего инфракрасного диапазона от 5 до более 600 микрон. Но спустя некоторое время концепция изменилась — теперь основное зеркало диаметром 5.9 метра. и вместо того, чтобы выглядеть как увеличенный JWST с гигантским солнцезащитным козырьком, он выглядит как увеличенная версия космического телескопа Spitzer.

Уильям Гершель впервые заметил, что за красным краем полученного с помощью призмы спектра Солнца есть невидимое излучение, вызывающее нагрев термометра. Это излучение стали позднее называть тепловым или инфракрасным.

Ближнее ИК-излучение очень похоже на видимый свет и регистрируется такими же инструментами. В среднем и дальнем ИК используются болометры, отмечающие изменения.

В среднем ИК-диапазоне светит вся планета Земля и все предметы на ней, даже лед. За счет этого Земля не перегревается солнечным теплом. Но не всё ИК-излучение проходит через атмосферу. Есть лишь несколько окон прозрачности, остальное излучение поглощается углекислым газом, водяным паром, метаном, озоном и другими парниковыми газами, которые препятствуют быстрому остыванию Земли.

Из-за поглощения в атмосфере и теплового излучения предметов телескопы для среднего и дальнего ИК выносят в космос и охлаждают до температуры жидкого азота или даже гелия.

ИК-диапазон — один из самых интересных для астрономов. В нем светит космическая пыль, важная для образования звезд и эволюции галактик. ИК-излучение лучше видимого проходит через облака космической пыли и позволяет видеть объекты, недоступные наблюдению в других участках спектра.

Инфракрасный диапазон

Концепция 5.9-метрового телескопа Origins.
NASA

Космический телескоп NASA Spitzer и Herschel Space Observatory Европейского космического агентства были последними, кто исследовал Вселенную в этом диапазоне. Herschel наблюдал за небом в дальнем ИК с 2009 по 2013 год, и хотя Spitzer всё ещё в работе, наблюдения он проводит в т.н. “тёплом” режиме, что ограничивает его возможности. Origins обещает 1000-кратное увеличение чувствительности по сравнению с этими обсерваториями.

Как и Lynx (который является по сути наследником Chandra и имеет почти такую же структуру), Origins является преемником Spitzer и опирается на проверенную архитектуру. В то время как Lynx предлагает новое и улучшенное зеркало, концепция Origins предлагает свои детекторы, хотя команда проекта всё ещё находится на стадии разработки инструментов для нового телескопа. Возможности этих детекторов сполна раскроются благодаря работе системе охлаждения: “Когда температура нашего телескопа окажется выше 4.5 К, излучение от него очень помешают нашим наблюдениям”, — говорит один из разработчиков Origins Маргарет Мейкснер . — ”Это будет похоже на наблюдение за звёздами в обычный солнечный день”.

Цель исследования в этой относительно неисследованной части спектра состоит в том, чтобы взглянуть на наше — как вы уже догадались — происхождениерождение звёзд и галактик, зарождение планет и возникновение ингредиентов, необходимых для создания самой жизни. Как однажды Карл Саган лихо заявил: “Мы сделаны из звёздного материала”, и Origins будет исследовать этот материал.

Меня больше всего интересует жизненный цикл космической пыли”, — объясняет Мейкснер. — “Её образование, смешение в межзвёздной среде и как она способствует образованию следующего поколения звёзд?»

Из-за удивительной природы расширяющейся Вселенной длинные волны, к которым чувствительна система Origins, позволят ему исследовать далёкое прошлое, он доставит нас в эпоху первых звёзд, Эпоху Реионизации. Как и HabEx и LUVOIR, Origins также займётся изучением экзопланет, а именно поиском биосигнатур в атмосфере.

Только вперёд

Не совсем справедливо говорить, что эти концепции как-то соперничают с друг другом. В конце концов, как напоминает нам Сигер, “Есть возможность что Decadal Survey вообще не определит победителя”. После JWST, с его раздутым бюджетом и многочисленными проблемами научное сообщество может решить сделать небольшую паузу, и следующее десятилетие пройдёт без очередной “Большой обсерватории”.

«- Этого я и боюсь, — делится своими страхами О’Мира. Если мы, как сообщество, не можем учиться на своих ошибках, не сможем обеспечить постройку очередного флагмана, то мы откажемся и от своих амбиций, откажемся от нашего лидерства в космосе».

Наберëмся терпения и подождём. Астрономы со всего мира откроют Decadal Survey Astro2020 в конце этого лета, и конечно определят новые приоритеты в исследованиях на ближайшие 10 лет.

Источник

Возрождение проекта телескопа ATLAST?

Четыре гиганта

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

31

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть ещё 10 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Лучезарный Знайка
Вечность назад

Класс. После прочтения статьи, как никогда желаю удачи Маску со старшипом. Без него это только проекты без реального выведения.

Расточительный Майор Том
Вечность назад

Классный обзор! Як да мяне, так лепш сачыць за суседзямі, как бульбу не пакралі. Галасую за самае вялікае люстэрка.

Хороший Сергей Королёв
Вечность назад

Дивно, що не розглядаються бінокулярні проекти в L4 і L5. Також не бачу тем по серйозному картографуванню нашоі Системи

Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.