Webb и Roman. Какие тайны Вселенной разгадают два новых супертелескопа

29 сентября Национальная аэрокосмическая администрация (NASA) США объявила о завершении проектирования нового космического инфракрасного телескопа Roman и начале фазы его сборки и испытаний. Ожидается, что запуск телескопа в космос состоится не позднее мая 2027 г. Его стоимость оценивается в $4 млрд.

Телескоп Roman должен будет подхватить эстафету исследований у инфракрасного телескопа Webb, который отправится в космос 18 декабря этого года. Разработка и строительство телескопа Webb заняли четверть века, а его стоимость достигла $10 млрд.

Оба телескопа будут расположены на расстоянии 1,5 млн км от Земли (в четыре раза дальше, чем Луна) в так называемой второй точке Лагранжа системы Солнце — Земля. То есть это будут искусственные спутники не Земли, а Солнца. Они будут вращаться вокруг Солнца вместе с Землей, которая сможет удерживать их позади себя и защищать от солнечного излучения.

Главные надежды астрофизиков

Webb и Roman — это самые грандиозные астрофизические проекты за всю историю человечества. По своему значению для науки они сравнимы со знаменитым Большим адронным коллайдером, который обошелся в $10 млрд и на котором в 2012 г. был открыт бозон Хиггса. С помощью космических обсерваторий Webb и Roman ученые надеются приблизиться к разгадкам главных тайн Вселенной и обнаружить следы внеземной жизни. Подчеркнем — это инфракрасные телескопы. Их задача — улавливать космическое тепловое излучение, которое во многих участках своего диапазона вообще не наблюдается с Земли, ибо его поглощает земная атмосфера.

Почему же астрофизики возлагают свои главные надежды именно на инфракрасные космические обсерватории? Видимый свет, который мы воспринимаем своими глазами, излучают достаточно горячие звезды, как наше Солнце. От более холодных объектов тоже исходит излучение, только не видимое, а инфракрасное. И вот сейчас самые большие загадки, волнующие астрофизиков, кроются как раз не в обычных, видимых на небе звездах и галактиках, а в объектах, которые являются или кажутся более холодными.

Машина времени с холодильником

Начнем с последних. Что значит "кажутся более холодными"? Вселенная — величайший иллюзионист. Она все вокруг нас отбрасывает в прошлое и охлаждает. И чем дальше мы вглядываемся — тем сильнее космическая иллюзия.

Свет распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью. Поэтому все объекты мы видим не такими, какими они есть сейчас, а такими, какими они были в прошлом, с задержкой на то время, какое понадобилось свету, чтобы дойти от них до нас. Солнце мы видим таким, каким оно было восемь минут назад. А галактики на краю наблюдаемой Вселенной мы видим в миллиардах лет назад. На данный момент самой далекой обнаруженной галактикой считается GN-z11 в созвездии Большой Медведицы. Мы видим ее такой, какой она была 13,4 млрд лет назад — всего лишь через 400 млн лет после Большого Взрыва, в котором родилась Вселенная. Образована GN-z11 очень молодыми и горячими голубыми звездами самого раннего поколения, их возраст всего около 40 млн лет.

Поскольку Вселенная после Большого Взрыва расширяется, то чем дальше галактики, тем быстрее они убегают от нас. Галактики на краю наблюдаемой Вселенной убегают от нас с громадными скоростями, сравнимыми со скоростью света. Из-за этого их свет испытывает очень сильное красное смещение. Голубой свет самых первых звезд приходит к нам смещенным в инфракрасную область спектра. Хотя эти звезды очень горячие, но нам они кажутся еле теплыми. Так, галактика GN-z11 была обнаружена в 2016 г. с помощью космического телеcкопа Hubble только благодаря тому, что он способен видеть в ближнем инфракрасном диапазоне.

Телескоп Webb по чувствительности к инфракрасному излучению превосходит Hubble в 100 раз. Ученые рассчитывают, что это позволит заглянуть еще дальше в прошлое, в эпоху 100-250 млн лет после Большого взрыва. Там можно будет обнаружить рождение самых первых звезд и подробно изучить весь процесс формирования галактик.

Когда именно образовались первые звезды, сейчас неизвестно. Это один из вопросов, на которые Webb должен дать ответ. Теория предсказывает, что первые звезды были в 30-300 раз массивнее нашего Солнца и в миллионы раз ярче, горели всего несколько миллионов лет, прежде чем взорваться как сверхновые и превратиться в черные дыры.

Понимание первых звезд имеет решающее значение для понимания формирования галактик. За последние десятилетия ученые удостоверились, что в центре каждой галактики находится огромная черная дыра. Одна из гипотез говорит, что эта сверхмассивные черные дыры получились в результате слияния множества черных дыр, в которые превратились первые звезды. Так ли это, поможет выяснить Webb.

Кроме того, беспрецедентная инфракрасная чувствительность Webb позволит астрономам сравнивать самые ранние крохотные зародыши галактик с сегодняшними грандиозными спиральными и эллиптическими формами, помогая нам понять, как галактики формировались на протяжении миллиардов лет.

Самые темные тайны

Это, в свою очередь, даст нам новую информацию о темной материи — важнейшей компоненте галактик, наряду со звездами и черными дырами. Компьютерные модели, созданные учеными для понимания образования галактик, показывают, что они создаются, когда темная материя сливается в сгустки. Темная материя — это невидимая форма материи, общая масса которой во Вселенной в пять раз больше, чем у обычной материи (то есть у звезд, планет и межзвездного газа).

Ученые пытаются определить, из чего состоит темная материя. И тут должен прийти на помощь телескоп Roman. Он внесет ясность, исследуя структуру и распределение как обычной, так и темной материи в пространстве и времени.

Хотя темная материя невидима, она взаимодействует с обычной материей гравитационно. Именно так она и была обнаружена еще в прошлом веке. Roman будет искать проявления гравитационного линзирования, когда сгустки темной материи искажают видимые формы более далеких галактик. Миссия будет измерять местоположение и количество как обычной, так и темной материи в сотнях миллионов галактик. Полученные данные позволят выбрать между разными гипотезами о природе темной материи.

Если темная материя состоит из тяжелых частиц, она должна за короткое время разбиться на комки под действием собственного тяготения. В таком случае Roman должен увидеть формирование зародышей галактик в самом начале космической истории. Если же темная материя состоит из более легких и быстрых частиц, потребуется больше времени, чтобы осесть в сгустки. В таком случае Roman зафиксирует развитие крупномасштабных структур в более позднюю эпоху. Если астрономы смогут сузить круг кандидатов на частицы темной материи, мы будем на шаг ближе к тому, чтобы наконец обнаружить их непосредственно в экспериментах на Земле.

Еще одна загадка, которую поможет разгадать Roman, это темная энергия, которая составляет 72% от всей энергии Вселенной. Именно она ответственна за то, что Вселенная ускоряется с расширением. Это открытие, сделанное путем измерения далеких сверхновых, было удостоено Нобелевской премии по физике за 2011 г. Но природа темной энергии до сих пор вызывает споры. От того, кто прав, зависит ни много ни мало срок жизни Вселенной. Согласно одной популярной гипотезе, через пару десятков миллиардов лет под действием темной энергии Вселенная может испытать Большой разрыв — феерический апокалипсис, в результате которого все на свете (включая звезды, планеты и даже атомы) разорвется на части.

Имея такое же резкое разрешение, как у Hubble, но поле зрения в 100 раз больше, Roman будет создавать невиданные ранее большие изображения Вселенной. Новая миссия продвинет исследование тайны темной энергии способами, недоступными другим телескопам, путем картирования структуры и распределения материи в космосе, а также путем измерения большого количества далеких сверхновых. Результаты покажут, как темная энергия действует во Вселенной и как она менялась за космическую историю. И это позволит определить, какой сценарий конца света самый правдоподобный.

Конвейер для поиска инопланетян

Помимо вселенских тайн, Webb и Roman будут заняты еще одним волнительным для человечества вопросом: одиноки ли мы? Оба телескопа будут искать экзопланеты (то есть планеты у других звезд), которые могут быть пригодны для жизни.

На данный момент в результате космических и наземных наблюдений зарегистрированы уже 4846 экзопланет, входящие в состав 3582 планетных систем. Обсерватория Webb возьмется за эту проблему основательно. Инфракрасные наблюдения позволят досконально изучить процесс рождения звезд и формирования протопланетных дисков. Также Webb будет занят поиском экзопланет, определением их масс и диаметров. А главное, он расскажет нам больше об их атмосферах и, возможно, даже найдет строительные блоки для жизни.

Когда планета проходит перед звездой, звездный свет проходит через атмосферу планеты. Атомы и молекулы атмосферы оставляют на спектре света своеобразные "отпечатки пальцев" — линии поглощения. Преимущество инфракрасных наблюдений заключается в том, что именно на инфракрасных длинах волн молекулы в атмосферах экзопланет имеют наибольшее количество спектральных характеристик. Можно надеяться, что Webb найдет планеты с атмосферой, как у нас на Земле, и обнаружит там следы сложных органических молекул. Чем более сложными окажутся эти молекулы, тем выше вероятность, что их произвели живые существа.

Далее примется за дело телескоп Roman. Он продвинет наше понимание экзопланет по трем дополнительным направлениям.

Во-первых, он проверит на эффекты гравитационного микролинзирования 200 млн звезд в направлении центра нашей галактики. Астрономы ожидают, что в результате обзора будут обнаружены тысячи планет в обитаемой зоне их звезд.

Во-вторых, телескоп будет оснащен "звездными очками" — коронографом, способным блокировать блики от звезд. Он позволит получить фотографии планет близлежащих звезд.

В-третьих, Roman будет использовать транзитный метод, отслеживая изменения светимости звезд. Астрономы ожидают, что телескоп обнаружит до 100 тыс. экзопланет, которые периодически заслоняют свои звезды, из-за чего их свет тускнеет.

Космическое оригами

James Webb Space Telescope — это совместный проект NASA, Европейского космического агентства (ESA) и Канадского космического агентства. Они получат соответственно 80, 15 и 5% рабочего времени обсерватории. Проект миссии был разработан еще в 1996 г. Телескоп назван в честь Джеймса Уэбба (1906-1992), который возглавлял NASA в 1961-1968 гг. и отвечал за реализации программы "Аполлон".

Изначально запуск намечался на 2007 г., в дальнейшем многократно переносился. Сборка аппарата была закончена только в 2019 г. Период разнообразных испытаний завершился в конце августа 2021 г.

8 сентября NASA, ESA и компания Arianespace назначили запуск обсерватории в космос на 18 декабря. Аппарат будет запущен с помощью ракеты Ariane-5 с европейского космодрома во Французской Гвиане.

Телескоп имеет исполинские размеры и доставил уйму хлопот инженерам. 18 шестиугольных зеркал из бериллия общим диаметром 6,5 м покрыты тонким слоем золота для оптимизации их отражательной способности в инфракрасном диапазоне. Заслонять обсерваторию от солнечного излучения будет развертываемый пятислойный солнцезащитный экран размером 21 на 14 м. Телескоп настолько большой, что его будут вынуждены сложить, как оригами, чтобы уместить в ракету, диаметр которой составляет 5,4 м.

После вывода в космос телескоп начнет четырехнедельный полет ко второй точке Лагранжа в системе Солнце — Земля, где и будет работать. Когда Webb достигнет пункта назначения, его сегменты будут раскрыты один за другим. Приборам нужно будет охладиться, это займет немало времени. Затем они пройдут ряд "тренировочных упражнений" и только после этого будут введены в эксплуатацию. Суммарно между запуском и получением первой научной информации пройдет около полугода. Срок работы телескопа должен составить не менее пяти лет.

Nancy Grace Roman Space Telescope — проект NASA, разработанный в 2010 г. Телескоп назван в честь Нэнси Грейс Роман (1925-2018), которая проработала в NASA 21 год и считается матерью космического телескопа Hubble. Главное зеркало телескопа Roman диаметром 2,4 м уже готово. Ожидается, что полетное оборудование будет готово в 2024 г., после чего начнется сборка всего телескопа и его испытания.

Запуск обсерватории Roman планируется осуществить не позднее мая 2027 г. c помощью американской ракеты с космодрома на мысе Канаверал (штат Флорида). Срок работы телескопа должен составить тоже не менее пяти лет.