О далеком космосе до сих пор известно удивительно мало — оптические и инфракрасные телескопы почти не улавливают его следы. Но это сможет сделать «Миллиметрон» — космическая обсерватория, которую создают российские специалисты. Она позволит заглянуть в прошлое Вселенной глубже и дальше, чем нынешний флагман астрономии телескоп «Джеймс Уэбб».
В чем уникальность проекта и какая миссия его ожидает, объясняет инженер по спутниковым системам и популяризатор астрономии Максим Шабурко.
- зачем орбитальной обсерватории антенны на Земле
- когда астрономы получили первое изображение черной звезды
- как запустить на орбиту десятиметровое зеркало
- можно ли найти в космосе кротовую нору
Космическое зеркало: складное и вращающееся
Астрономическая инженерия — это космос. Речь не только про область исследований, но и про масштаб технологий. Ранее на сайте «Истового инженера» я уже рассказывал про наземные обсерватории, которые за последние годы пережили заметную технологическую эволюцию. Новейшие из них по ряду параметров уже догоняют и местами опережают очень дорогие и сложные орбитальные системы.
Теперь — как раз о последних. Расскажу о российском проекте «Спектр-М» — космического телескопа «Миллиметрон». Над его созданием работают мои знакомые из Астрокосмического центра ФИАН, и это достойно внимания инженера.
Для «Миллиметрона» соберут гигантское десятиметровое зеркало. Это почти вдвое больше, чем оптика самой передовой современной обсерватории на орбите — «Джеймса Уэбба». Но главное в «Миллиметроне» — не масштаб, а инженерная смелость: согласно проекту, это зеркало складывается и помещается в цилиндр диаметром всего три метра. Затем уже в космосе оно раскрывается вращением вокруг одной оси. Такую конструкцию еще не пытался реализовать никто.
Что «Миллиметрон» сможет увидеть в глубинах Вселенной
Название «Миллиметрон» прямо указывает на рабочий диапазон инструмента — миллиметровые и субмиллиметровые волны электромагнитного спектра. Эта область расположена за пределами участка, который исследует «Джеймс Уэбб».
«Миллиметрон» нацелен на измерение космических событий в этом диапазоне с точностью, недостижимой для существующих инструментов. Одно, но — для этого потребуется то самое гигантское зеркало. Сконструировать его непросто, а вывести на орбиту — еще сложней.
Как упаковать десять метров в три
Десятиметровая конструкция зеркала «Миллиметрона» — очевидный вызов для космической инженерии. Суть проблемы проста: диаметр обтекателя, то есть защитного головного кожуха, российских ракет-носителей составляет около трех метров. Это жесткое физическое ограничение, определяемое размерами самой ракеты. Как же запустить в космос то, что в три раза больше объема «багажного отсека»?
«Джеймс Уэбб» решал схожую задачу своим способом: его шестиметровое зеркало собрано из восемнадцати шестиугольных сегментов, которые складываются наподобие лепестков цветка. На орбите эти секции разворачиваются в стороны, формируя единую оптическую поверхность.
Решение получилось сложным — развертывание «Уэбба» включало множество критических этапов, каждый из которых мог привести к отказу всей миссии. Но оно сработало.
Проектировщики «Миллиметрона» выбрали иной путь. Когда коллеги из проекта впервые показали мне компьютерную анимацию раскрытия конструкции, я был очень удивлен. На такое раньше никто не решался.
Зеркало телескопа решили сделать складным — по принципу зонта, только усложнив конструкцию. Задумка элегантная: пока аппарат находится под обтекателем ракеты, зеркало сложено компактно, как аккуратно убранный в гардероб зонтик. После выхода на орбиту конструкция начинает вращаться вокруг продольной оси, и сегменты зеркала, один за другим, разворачиваются в единую десятиметровую поверхность. Как это выглядит, можно увидеть в проектной компьютерной анимации.
Аналогия с зонтиком — первое, что приходит на ум, но это сравнение не передает ни масштаба инженерной задачи, ни требуемой точности. Ведь речь идет о конструкции массой в несколько тонн, которая должна развернуться с миллиметровой — точнее, с микронной — точностью.
Малейшее отклонение любого из сегментов, и оптическая система не сможет функционировать. При этом все будет происходить в условиях космического вакуума, при экстремальных температурах, без возможности физического вмешательства извне.
Радиоинтерферометрия: экосистема антенн
Орбитальные радиотелескопы, в том числе «Миллиметрон», — это редкий класс аппаратов, которые работают в связке с наземными антеннами. Телескопы включаются в систему радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой, где множество антенн объединяются в гигантский виртуальный телескоп.
Принцип следующий: каждая антенна улавливает радиоизлучение, которое издает исследуемый космический объект, после чего аппаратура синхронно сравнивает их фазы. Это позволяет определить структуру источника сигнала с детализацией, недоступной для автономного телескопа.
А когда в такую сеть добавляют орбитальную антенну, расстояние между крайними точками системы резко возрастает — до сотен тысяч километров. Это и есть сверхдлинная база.
Первопроходцем среди орбитальных радиотелескопов стал японский HALCA, который в 1997 году доказал, что технология работает и позволяет исследовать тайны далекого космоса.
В 2011 году «Радиоастрон» стал вторым космическим радиотелескопом, который работал по этому принципу — вместе с наземными станциями в режиме сверхдлинной базы. Он помог изучить тончайшие структуры возле черных дыр, джеты квазаров и малые объекты в дальних галактиках.
Его миссия завершилась в 2019 году, но идеи не остались в прошлом. «Миллиметрон», работу над которым ведет Астрокосмический центр ФИАН совместно с Институтом космических исследований РАН, должен начать работу на орбите в начале 2030-х.
Как и предшественник «Радиоастрон», «Миллиметрон» создается для командной работы. Планируется, что он станет ключевым элементом глобальной сети радиотелескопов, объединяющей наземные и космические инструменты.
В первые годы «Миллиметрон» будет работать самостоятельно: мощное охлаждение повышает его чувствительность и позволяет фиксировать слабое излучение из далекого космоса. А когда ресурс системы охлаждения подойдет к концу, телескоп сможет переключиться в режим радиоинтерферометра — объединяться с наземными радиотелескопами и продолжать изучать Вселенную.
Вспомним знаменитую фотографию черной дыры в галактике М87, которая облетела весь мир в апреле 2019 года. Это изображение получили благодаря методу радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. Радиотелескопы, расположенные по всей планете — от Антарктиды до Гренландии, от Чили до Гавайев — синхронно наблюдали один и тот же объект. Затем, используя атомные часы для точнейшей временной привязки, ученые объединили все полученные данные.
В результате возник эффект виртуальной антенны размером с Землю — хотя физически такого инструмента не существует. Так работает астрономическая экосистема.
«Радиоастрон» добавил к этой наземной сети космический компонент, вынеся один из приемников за пределы атмосферы и растянув базу интерферометра до сотен тысяч километров.
«Миллиметрон» идет дальше: его орбита будет еще выше, а рабочий диапазон — значительно холоднее, что позволит изучать структуры, недоступные сантиметровым и дециметровым волнам.
Что это даст науке? Возможность рассматривать окрестности черных дыр в мельчайших деталях, исследовать рождение галактик и регистрировать процессы, которые до сих пор оставались в тени научного знания. В космологии еще много темных пятен, и именно такие миссии позволяют их постепенно высвечивать.
Научные цели миссии: черные дыры и кротовые норы
Сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной — одна из фундаментальных загадок современной астрофизики, которая меня давно интригует.
Наблюдения показывают, что эти гравитационные гиганты с массами в миллиарды солнц уже существовали спустя всего несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Я не оговорился — именно всего, потому что по меркам мироздания сотни миллионов лет равносильны мгновению.
Но как они успели вырасти до таких чудовищных размеров за столь короткий срок? Современные теории звездной эволюции с трудом объясняют этот феномен.
«Миллиметрон» получит возможность изучать эти объекты непосредственно, наблюдая холодный газ в их окрестностях, процессы аккреции и релятивистские струи материи, извергающиеся из областей вблизи горизонта событий.
Это можно назвать археологией Вселенной: мы попытаемся реконструировать процессы, которые происходили в ее младенчестве, по следам, которые станут видны новому поколению космических телескопов.
Не менее важная цель — лучше изучить реликтовое излучение. Это электромагнитное эхо Большого взрыва заполняет все пространство Вселенной, но заметить его тонкую структуру чрезвычайно сложно, излучение слишком слабое. Раньше считалось, что и однородное. Однако позже ученые выявили: есть небольшие отклонения в его температуре. Это следы квантовых флуктуаций, происходивших в первые доли секунды существования Вселенной, и они несут информацию о ее начальных условиях.
Именно эти неоднородности, как считают специалисты, стали зернами небесной материи, из которых впоследствии выросли все галактики и крупномасштабные структуры.
А еще ученые предполагают, что есть кротовые норы — туннели в пространстве-времени. По крайней мере, их существование подразумевает общая теория относительности. Если так, то «Миллиметрон» сможет обнаружить их присутствие по характерным искажениям реликтового фона и гравитационным аномалиям.
Но это только верхушка айсберга. Научная программа телескопа включает множество других задач — от изучения формирования планетных систем до картографирования далекой межзвездной среды.
Сроки релиза и сложности запуска «Миллиметрона»
Проект впечатляет масштабом, но его путь к орбите оказался дольше, чем рассчитывали разработчики. Запуск «Миллиметрона» уже несколько раз откладывали, и сейчас участники программы оценивают его не ранее 2033 года.
Можем показаться, что восемь лет до старта — это много, но для космической системы такого уровня это достаточно оперативно. Вспомним «Джеймса Уэбба»: его концепция зародилась в 1996 году, активная разработка началась в начале 2000-х, а первоначальный запуск планировался на 2007-й. В итоге телескоп отправился в космос только в конце 2021 года — с задержкой почти на пятнадцать лет и бюджетом, превысившим десять миллиардов долларов.
Европейский телескоп «Евклид», изучающий темную материю, разрабатывали около 15 лет. Упомянутый выше «Радиоастрон» готовили к старту почти 20 лет. Даже более камерные миссии, вроде инфракрасного телескопа Herschel или астрофизического спутника Planck, проходили длинный цикл доработок от концепции до запуска.
Так что в астрофизике это общая закономерность: орбитальные телескопы становятся полноправными участниками космической гонки только после многолетнего инженерного марафона.
Я искренне надеюсь, что в 2030-х «Миллиметрон» успешно выведут на орбиту. Эта надежда связана с тем, что у проекта уже есть конкретные технические решения, рабочая команда и институциональная поддержка.
Российская астрономия и космическое приборостроение показали в прошлом способность создавать уникальные инструменты — «Радиоастрон» тому подтверждение.
