NASA запустило космический телескоп Roman за $4,3 млрд: что он будет искать во Вселенной

NASA запустило на орбиту космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope). Аппарат стоимостью 4,3 миллиарда долларов стартовал с площадки Космического центра имени Кеннеди во Флориде на ракете-носителе компании SpaceX.

Новая обсерватория решает три фундаментальные задачи современной астрономии: исследует природу ускоренного расширения Вселенной (так называемую темную энергию), проводит перепись звезд в центральных регионах Млечного Пути и ищет планеты за пределами Солнечной системы.

Сейчас телескоп направляется во вторую точку Лагранжа (L2) системы Солнце — Земля. Это гравитационно стабильная область на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу. Там уже работают космические обсерватории «Джеймс Уэбб» (JWST) и «Евклид» (Euclid).

В честь кого назван телескоп

Обсерватория получила имя Нэнси Грейс Роман (1925-2018) — первого главного астронома NASA и первой женщины, занявшей руководящую должность в агентстве.

В 1960-х и 1970-х годах астрономия полностью зависела от наземных инструментов, возможностям которых мешала плотная и нестабильная атмосфера Земли. Нэнси Роман разработала и защитила перед Конгрессом США научную программу создания крупных космических телескопов. Она организовала структуру управления проектом, который впоследствии стал телескопом «Хаббл».

За вклад в развитие орбитальной астрономии в профессиональном сообществе Нэнси Роман называют создателем концепции современных космических телескопов.

Техническое устройство: оптика и 300-мегапиксельная камера

Главный элемент любого оптического телескопа — его первичное зеркало. Чем больше диаметр зеркала, тем больше фотонов (частиц света) оно собирает и тем более тусклые и далекие объекты может зафиксировать прибор.

• Диаметр главного зеркала телескопа Roman составляет 2,4 метра. По размеру оно идентично зеркалу телескопа «Хаббл» и в два раза больше зеркала европейского телескопа «Евклид» (1,2 метра).
• Главный научный прибор телескопа — широкоугольная камера Wide Field Instrument. Она оснащена матрицей из 18 отдельных полупроводниковых детекторов общим разрешением 300 мегапикселей. Это самый крупный цифровой детектор инфракрасного диапазона, когда-либо отправленный в космос.
• Угловое разрешение инструмента составляет 0,11 угловой секунды на один пиксель.
• Площадь одного снимка (поле зрения) равна 0,28 квадратного градуса.

Для понимания масштаба: площадь захвата камеры телескопа Roman примерно в 100 раз превышает поле зрения основных приборов телескопа «Джеймс Уэбб» и позволяет за один кадр зафиксировать область неба, равную площади диска полной Луны.

При этом резкость и детальность изображения остаются на уровне телескопа «Хаббл».

Второй инструмент на борту — экспериментальный коронограф Coronagraph Instrument. Это сложный оптический блок с управляемыми микрозеркалами и специальными масками, которые физически блокируют прямой свет от яркой звезды.

Такая система уменьшает яркость звезды в миллиард раз, что позволяет напрямую увидеть слабый отраженный свет обращающихся вокруг нее экзопланет и изучить состав их атмосфер.

Почему наблюдения ведутся в инфракрасном диапазоне

Человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны длиной от 380 до 750 нанометров — это видимый свет. Телескоп Roman работает в ближней инфракрасной области — с длинами волн от 500 до 2000 нанометров (до 2 микрометров).

Выбор этого диапазона обусловлен тремя законами физики.

1. Расширение Вселенной и смещение спектра

Когда далекая галактика испускает свет в видимом или ультрафиолетовом диапазоне, фотоны начинают путь к Земле. Пока этот свет миллиарды лет летит сквозь космическое пространство, сама ткань пространства расширяется.

Вместе с пространством увеличивается и длина волны летящего излучения. В результате короткие волны видимого света удлиняются и переходят в инфракрасную область спектра. Это физическое явление называют космологическим красным смещением.

Чем дальше от нас находится объект, тем быстрее он удаляется из-за расширения пространства и тем сильнее его свет смещается в инфракрасную сторону. Наблюдать объекты, сформировавшиеся в первые сотни миллионов лет после возникновения Вселенной, в видимом диапазоне технически невозможно: их излучение уже полностью перешло в инфракрасный спектр.

2. Прохождение излучения сквозь космическую пыль

Межзвездное пространство заполнено облаками микроскопических частиц углеродной и силикатной пыли. Размеры этих частиц сопоставимы с длиной волны видимого света, поэтому видимый свет на них эффективно поглощается и рассеивается.

Длина волны инфракрасного излучения больше размера пылевых частиц, поэтому такие волны проходят сквозь пылевые облака почти без взаимодействия.

Благодаря этому телескоп Roman может детально фиксировать структуры, расположенные за плотными пылевыми поясами Млечного Пути — в первую очередь в центре нашей Галактики, где плотность звезд максимальна.

3. Непрозрачность земной атмосферы

Молекулы воды, углекислого газа и кислорода в атмосфере Земли поглощают подавляющую часть падающего из космоса инфракрасного излучения.

Наземные телескопы практически не способны вести качественные наблюдения в этом диапазоне. Единственный способ получить четкие данные — вывести инфракрасный детектор за пределы атмосферы.

Основные научные программы

Обсерватория Roman создана для проведения масштабных обзоров неба. В отличие от узкоспециализированных приборов, этот телескоп будет непрерывно сканировать огромные площади, создавая трехмерные карты распределения материи.

1. Измерение параметров темной энергии

В 1998 году две независимые группы астрономов обнаружили, что скорость расширения Вселенной возрастает со временем. Силу, вызывающую это ускорение, назвали темной энергией. Согласно современным расчетам, на нее приходится около 68% всей массы-энергии Вселенной, однако ее физическая природа остается неизвестной.

Для изучения этого явления телескоп Roman будет наблюдать вспышки сверхновых звезд типа Ia.

Такие сверхновые образуются при коллапсе белого карлика — плотного остатка мертвой звезды. Коллапс происходит строго в тот момент, когда масса белого карлика в двойной звездной системе достигает критической отметки (1,44 массы Солнца). Из-за строго одинаковой массы исходных звезд все вспышки типа Ia выделяют практически одинаковое количество энергии и имеют равную максимальную светимость.

Астрономы используют эти объекты как ориентиры с известной яркостью:

1. Телескоп регистрирует вспышку сверхновой и замеряет ее видимую яркость.
2. Зная истинную физическую мощность коллапса, ученые по закону обратных квадратов точно вычисляют расстояние до объекта.
3. По спектру излучения галактики, где произошел коллапс, физики определяют величину красного смещения, то есть скорость ее удаления от нас.

Телескоп Roman зафиксирует тысячи таких сверхновых на расстояниях до десятков миллиардов световых лет.

Полученный массив данных покажет, как менялась скорость расширения пространства на разных этапах истории Вселенной. Это позволит выяснить: остается ли плотность темной энергии постоянной во времени величиной (космологической постоянной Эйнштейна) или же это динамическое поле, параметры которого меняются.

2. Перепись звездного населения Млечного Пути

Телескоп проведет масштабное исследование центральной части нашей Галактики (балджа).

Благодаря инфракрасной оптике прибор зафиксирует координаты, яркость и параметры движения более 20 миллиардов звезд. Это позволит ученым восстановить историю формирования Млечного Пути, понять динамику движения звездных потоков и оценить точное распределение обычной и темной материи в галактическом диске.

3. Поиск планет методом гравитационного микролинзирования

Телескоп Roman будет открывать экзопланеты способом, который принципиально отличается от методов других космических миссий (например, телескопа «Кеплер»).

Метод основан на эффекте гравитационной линзы, предсказанном общей теорией относительности: массивный объект своим гравитационным полем искривляет траекторию проходящего мимо света от более далекого источника.

Когда звезда переднего плана проходит точно между Землей и далекой фоновой звездой, ее гравитация собирает и усиливает свет фоновой звезды. Фоновый объект на короткое время становится ярче.

Если вокруг звезды переднего плана обращается планета, ее гравитационное поле вносит дополнительное, характерное искажение в кривую изменения яркости.

Этот метод не требует регистрации собственного света планеты и позволяет находить небольшие планеты земного типа, расположенные на больших расстояниях от своих звезд, а также планеты-сироты, выброшенные из своих звездных систем и свободно летящие в межзвездном пространстве.

Место обсерватории Roman в мировой исследовательской сети

Телескоп Roman начинает работу одновременно с двумя другими крупными астрономическими проектами, формируя единую систему исследования космоса:

1. Обсерватория имени Веры Рубин (Чили) — крупный наземный телескоп с 8,4-метровым зеркалом и 3200-мегапиксельной камерой. Он каждые несколько ночей снимает все видимое с Земли южное небо в оптическом диапазоне, фиксируя быстроменяющиеся события: вспышки, пролеты астероидов и перемещения переменных звезд.
2. Космический телескоп «Евклид» (ESA) — работает в космосе с 2023 года и проводит обзор 15 000 квадратных градусов внегалактического неба, собирая данные по форме и распределению сотен миллионов галактик в оптическом и ближнем инфракрасном спектре.
3. Космический телескоп Roman (NASA) — концентрируется на более глубоких участках неба в инфракрасном диапазоне с существенно более высоким пространственным разрешением и чувствительностью, дополняя данные наземных систем и «Евклида».

Работа строится по схеме взаимного наведения: широкоугольные сканеры (Рубин, «Евклид» и Roman) обнаруживают новые или нестандартные астрофизические объекты, после чего телескоп «Джеймс Уэбб» наводится на эти цели для многочасового детального спектрального анализа.

История создания: использование оптических компонентов разведки

Проект телескопа Roman прошел нетипичный путь разработки.

В конце 1990-х годов, после открытия ускоренного расширения Вселенной, нобелевский лауреат Сол Перлмуттер предложил концепт спутника SNAP (Supernova Acceleration Probe). Позже эта программа трансформировалась в проект широкоугольного инфракрасного телескопа WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope). Изначально предполагалось построить аппарат с зеркалом диаметром около 1,5 метра из-за жестких ограничений по бюджету.

В 2012 году ситуация изменилась: национальное управление космической разведки США официально передало NASA два готовых 2,4-метровых оптических зеркала вместе с поддерживающими конструкциями. Эти компоненты были изготовлены для разведывательных спутников наблюдения Земли, аналогичных серии KH-11 Kennen, но не были использованы из-за смены технической программы разведки.

Оптическая схема этих зеркал обладала коротким фокусным расстоянием, что изначально предназначалось для съемки широких полос земной поверхности с орбиты.

Инженеры NASA рассчитали, что именно такая геометрия зеркал идеально подходит для создания астрономического телескопа с широким полем зрения.

Применение готового 2,4-метрового зеркала позволило вдвое повысить оптическое разрешение миссии и значительно снизить расходы на проектирование и шлифовку главного оптического элемента. Проект переработали под новую оптику, добавили коронограф и в 2020 году присвоили ему имя Нэнси Грейс Роман.

Полетная программа и текущий статус

После старта на ракете Falcon 9 космический аппарат выполнил первичное разделение ступеней и вышел на расчетную опорную траекторию.

В течение первых суток полета инженеры развернули солнечные батареи, обеспечивающие энергоснабжение приборов, и радиоантенну с высоким коэффициентом усиления для передачи научных данных на Землю (обсерватория будет генерировать около 1,4 терабайта сжатых данных ежедневно).

Программа ввода в эксплуатацию включает следующие этапы:

• Перелет во вторую точку Лагранжа: движение по переходной траектории продлится около трех месяцев.
• Охлаждение научных приборов: для работы в инфракрасном диапазоне матрица детектора должна быть охлаждена до температуры около -200 градусов Цельсия, чтобы собственное тепловое излучение конструкции телескопа не засвечивало полезный сигнал.
• Калибровка и юстировка: в течение трех месяцев после прибытия в точку L2 инженеры будут выполнять микроперемещения вторичного зеркала с помощью пьезоэлектрических приводов для достижения расчетного фокуса.

Публикация первого массива тестовых научных изображений (First Light) запланирована NASA на декабрь.

Научное значение результатов

Главная теоретическая проблема, к решению которой подключится телескоп Roman, это так называемое «напряжение Хаббла».

Суть проблемы заключается в том, что скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла), измеренную по анализу реликтового излучения ранней Вселенной с помощью космического телескопа «Планк», не удается сопоставить со значениями, полученными прямыми измерениями по сверхновым и цефеидам в современной Вселенной. Разница между этими двумя значениями превышает пять стандартных статистических отклонений, что исключает простую погрешность измерений.

Это несоответствие указывает либо на неполноту стандартной космологической модели Lambda-CDM (модели холодной темной материи с космологической постоянной), либо на наличие неучтенных физических процессов в ранней или поздней Вселенной.

Массив данных, который предоставит телескоп Roman в течение пяти лет основной миссии, обеспечит статистическую точность, достаточную для прямой проверки уравнений общей теории относительности на масштабах всего наблюдаемого сектора Вселенной.

Источник: Nature