Будущее космических телескопов: что нас ждет после «Джеймса Уэбба» и WFIRST

Космический телескоп «Хаббл» трудится на благо науки на протяжении вот уже более 28 лет, расширяя горизонты нашего представления о Вселенной и открывая новые экзопланеты, часть из которых могут быть обитаемыми. Проверить это мы пока не можем, но в будущем у нас появится такая возможность. Телескоп «Джемс Уэбб» (JWST), который должен прийти на замену «Хаббла», все никак не соберется в космос. Проект более продвинутого телескопа NASA WFIRST, который должен отправиться в космос в середине 2020-х годов чуть было не отменили, но принятый вовремя бюджет сохранил поддержку программы. Однако в разработке находятся и другие телескопы, которые смогут превзойти и «Джемса Уэбба», и WFIRST.

Телескоп «Джеймс Уэбб» в стерильном цеху сборки Космического центра имени Линдона Джонсона в Хьюстоне (США)

Напомним, что запуск многострадального «Джемса Уэбба» опять перенесен. Теперь на май 2020-го. Сейчас инженеры проводят его испытания и пытаются решить возникшие проблемы. А проблемы, следует сказать прямо, доходят до абсурда. Ну о чем говорить, если на одном из последних брифингов, касающихся статуса сборки звучали слова «с него сыплются винты и гайки»? В проект уже вложено более 8 миллиардов долларов. Не удивимся, если к 2020 году бюджет возрастет еще не пару миллиардов.

Широкодиапазонный инфракрасный телескоп (WFIRST). Должен в 100 раз превзойти возможности «Хаббла» (обладает в 100 раз более широким углом обзора) и обещает заняться передовыми вопросами в космологии и исследовании экзопланет. Его коронограф позволит наблюдать за экзопланетами напрямую и изучать их атмосферы. Если все пойдет по плану и запуск не будут переносить (во что мало верится), телескоп отправится в космос где-то в середине 2020-х годов.

Но сегодня нас интересуют не эти телескопы. Сегодня мы заглянем дальше в будущее и разберем телескопы, которые планируется (как минимум очень хотелось бы) запустить где-то в 2030-х годах, то есть уже после телескопов нового поколения, о которых говорилось выше.

HabEx

Первым телескопом, на который стоит обратить свое внимание, является HabEx (Habitable Exoplanet Imaging Mission, «Миссия по поиску обитаемых экзопланет»). Эта космическая обсерватория в теории сможет вести прямую съемку экзопланет, обращающихся вокруг других звезд. Его целями должны стать самые разнообразные планеты, начиняя от горячих юпитеров и заканчивая «суперземелями». Основной же его задачей будет поиск землеподобных планет и исследование их атмосфер.

Исследования миров будут проводиться через анализ световых волн, особенность изменения которых будет говорить о наличии у планеты той или иной биосферы

Для возможности наблюдения за планетами HabEx потребуется каким-то образом блокировать свет звезд, чтобы можно было увидеть менее яркие планеты, расположенные вокруг них. Сделать это можно двумя способами.

Для первого понадобится коронограф, представляющий собой по большому счету искусственный блокирующий экран, установленный внутри телескопа и закрывающий от него лучи света звезды. В таком случае оставшийся свет может отражаться от других объектов, расположенных возле звезды и может быть пойман специальным детектором. Наличие в телескопе зеркала с изменяемой поверхностью отражения и последующая тонкая настройка позволят разглядеть находящиеся у звезды планеты.

Пример использования коронографа, установленного на телескопе VLT Европейской южной обсерватории можно посмотреть ниже. Центральная звезда двойной звездной системы HR 4796A в созвездии Центавра скрыта, что позволяет разглядеть вокруг нее протопланетный диск.

А это, пожалуй, одно из самых крутых изображений за всю историю астрономии. С помощью одного из телескопов обсерватории Кека (Гавайи) удалось заснять четыре планеты размером с Юпитер, вращающиеся вокруг молодой звезды HR 8799 в созвездии Пегаса. Изображение создано на базе снимков, полученных в разное время наблюдений. Но выглядит от этого не менее впечатляюще.

Второй метод будет заключаться в использовании отдельного космического аппарата Starshade в форме подсолнечника, который будет отлетать на десятки тысяч километров от телескопа, а затем раскрываться и блокировать свет интересующей звезды, позволяя вести наблюдение за имеющимися вокруг нее планетами. Особенность конструкции Starshade позволяет создавать очень темную тень, обеспечивая наиболее лучший обзор на интересующий объект.

Художественное представление прототипа Starshade – гигантской структуры, разработанной для блокирования яркого света звезд и последующего наблюдения с помощью телескопов за находящимися возле них планетами

Еще одна прелесть Starshade заключается в том, что аппарат в теории можно будет использовать практически с любой космической обсерваторией.

В настоящий момент самым эффективным и доступным методом обнаружения новых экзопаленет является транзитный метод поиска или метод расчета лучевых скоростей. Однако благодаря таким телескопам, как HabEx за планетами станет возможно вести наблюдение напрямую.

В дополнении к своей основной задаче по поиску и изучению экзопланет HabEx будет заниматься и вопросами астрофизики, например, наблюдая за светом ранней Вселенной, или изучая химический состав больших звезд до и после их коллапса в сверхновые.

Lynx

Следующим телескопом идет Lynx – рентгеновский телескоп NASA нового поколения. На удивление название аппарата не является акронимом. Он назван в честь представителя семейства кошачьих – рыси (с английского «lynx»). В многочисленных культурах рыси считаются животными, обладающими сверхъестественной способностью видеть истинную природу вещей.

Рентгеновские лучи находятся на дальнем конце электромагнитного спектра (расположены между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением) и блокируются земной атмосферой. Поэтому для того чтобы их увидеть, необходим телескоп, находящийся в космосе. На данный момент флагманским рентгеновским телескопом является Космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» NASA. Европейской космическое агентство собирается запустить в 2028 году свой рентгеновский телескоп ATHENA.

Концепт рентгеновского телескопа Lynx

Планируется, что Lynx будет работать в качестве партнера телескопу «Джеймс Уэбб», всматриваясь в края наблюдаемой Вселенной, раскрывая тайны появления первых сверхмассивных черных дыр и помогая составлять картину природы их формирования и слияния с течением времени. Он также сможет наблюдать за излучением, идущим от горячего газа ранней космической паутины, собирая данные о том, как формировались самые первые звезды и галактики.

После этого Lynx планируется использовать для исследования объектов, которыми до него занимались «Чандра», XMM Newton и другие рентгеновские телескопы: пульсаров, коллапсаров, сверхновых, черных дыр и многого другого. Даже обычные звезды могут создавать вспышки рентгеновского излучения, а значит и они станут объектами исследования.

Основная часть материи Вселенной сосредоточена в облаках газа, разогретого до миллиона градусов Кельвина. И если мы хотим увидеть Вселенную такую, какая она есть на самом деле, нам необходимо вести наблюдение в рентгеновском диапазоне волн.

Рентгеновские телескопы отличаются от космических обсерваторий, таких как «Хаббл», работающих в видимом диапазоне волн. Здесь не получится использовать обычное зеркало, в которое будут ударяться рентгеновские лучи. Вместо этого для фокусировки лучей необходимо использовать зеркала скользящего падения, позволяющие перенаправлять попадающие в них фотоны в детектор.

Художественное представление Космической рентгеновской обсерватории «Чандра». На данный момент это самый чувствительный рентгеновский телескоп

Благодаря использованию трехметровому наружному зеркалу Lynx будет в 50-100 раз чувствительнее, получит в 16 раз больший угол обзора и сможет улавливать фотоны в 800 раз быстрее «Чандры».

Origins Space Telescope

Следующим идет Origins Space Telescope или просто OST. Этакий «Джемс Уэбб на стероидах», который должен прийти на замену телескопу «Спитцер». «Джеймс Уэбб» имеет 6,5-метровое зеркало, но с 9,1-метровым зеркалом чувствительность телескопа Origins Space Telescope должна в 30 раз превосходить чувствительность «Джеймса Уэбба». Планируется, что аппарат будет работать в инфракрасном диапазоне волн и вести наблюдение за самыми интересными объектами во Вселенной.

Художественное представление телескопа Origins Space Telescope (OST)

Телескоп будет не только огромным, но и очень холодным. Аэрокосмическому агентству NASA удалось охладить телескоп «Спитцер» до температуры 5 Кельвинов. Это всего на 5 градусов Цельсия выше абсолютного нуля и чуть теплее, чем температура реликтового излучения Вселенной. Благодаря специальной системе охлаждения инженеры планируют охладить OST до 4 Кельвинов. Разрыв звучит небольшим, но с технической точки зрения это очень сложная задача.

Вместо того, чтобы охладить аппарат жидким гелием, как это было сделано с телескопом «Спитцер», каждую деталь Origins Space Telescope необходимо будет охлаждать поэтапно, начиная с зеркал, радиаторов и заканчивая криокулером, установленным вокруг самих инструментов.

С помощью огромного холодного инфракрасного телескопа планируется изучение процессов формирования галактик, звезд и планет, а также поиск воды и парниковых газов в атмосферах экзопланет и исследования межзвездной пыли.

Представленные выше три проекта безусловно смогут продвинуть развитие астрономии вперед и повысить наши знания о Вселенной. Но самый большой и самый крутой проект ожидает вас ниже.

LUVOIR

Телескоп «Джеймс Уэбб» будет очень мощным инструментом. Но работать аппарат будет в инфракрасном диапазоне волн, для того чтобы следить за более холодными объектами и явлениями во Вселенной, вроде красного смещения самых первых галактик или новообразующихся планетарных систем. Телескоп Origins Space Telescope призван стать более продвинутой версией телескопа «Джеймс Уэбб».

Телескоп LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor) в свою очередь станет настоящим наследником «Хаббла». Этот огромный аппарат сможет вести наблюдения в видимом, ультрафиолетовом и ближней части инфракрасного спектра.

Художественный концепт телескопа LUVOIR

В разработке находятся два концептуальных дизайна для данного телескопа. Согласно первому, аппарат планируется оснастить складным 8-метровым зеркалом и вывести на орбиту с помощью ракета-носителя тяжелого класса Falcon Heavy. Согласно другому концепту, телескоп планируется оснастить зеркалом с диаметром 16 метров (для сравнения диаметр зеркала «Хаббла» составляет всего 2,6 метра), что на 50% больше, чем у самого большого наземного телескопа такого же класса. Во втором случае планируется запуск с помощью ракеты-носителя Space Launch System. Какую версию в итоге выберут — будет зависть от ракет-носителей, которые будут использоваться в 2030 годы.

Аппарат получит широкий угол обзора и буде оснащен широким набором различных инструментов и фильтров, которые астрономы смогут использовать для наблюдения за чем угодно. Например, телескоп будет оснащен коронографом, о котором говорилось выше, следовательно, аппарат сможет вести наблюдения за планетами, «приглушая» свет их родных звезд. Наличие же спектрографа позволит ему проводить анализ химического состава атмосфер экзопланет.

LUVOIR призван стать отличным универсальным инструментом, предназначенным для великих открытий на полях астрофизики и планетологии. Среди его потенциальных возможностей: прямое наблюдение за экзопланетами и поиск биосигнатур. Телескоп сможет искать планеты самых разных классов, начиная от горячих юпитеров и заканчивая «суперземлями». Кроме того, LUVOIR позволит вывести наблюдение за объектами в Солнечной системе на совершенно иной уровень.

Энцелад, каким его видел «Хаббл» (слева) и каким его увидит LUVOIR (справа)

При желании мы сможем заглянуть в любой уголок Вселенной, расширив горизонты ее видимой величины, а также рассмотреть гораздо более мелкие объекты, которые не был способен увидеть «Хаббл». С помощью LUVOIR будут проводиться исследования самых первых галактик и звезд, а также расчеты распределения темной материи по Вселенной.

Ученые по-прежнему не могут до конца понять, что происходит, когда звезда набирает достаточно массы для того, чтобы зажечься. LUVOIR сможет обратить свой взор в сторону звездообразующих регионов и рассмотреть через газ и пыль самые ранние моменты рождения звезд и планет, которые их будут окружать.

Мечты и реальность

Представленные выше аппараты подогрели ваш энтузиазм в отношении будущего астрономии? Не спешите радоваться. Печальная новость заключается в том, что представленные в сегодняшней статье космические телескопы практически не имеют никаких шансов на то, чтобы однажды стать нашими глазами, следящими за дальними рубежами космического горизонта.

В начале этого месяца аэрокосмическое агентство NASA объявило о том, что собирается ограничить аппетиты планировщиков проектов по созданию новых космических телескопов и сокращает бюджеты разработкок до 3-5 миллиардов долларов. До этого момента инженеры даже не задумывались о каких-то рекомендациях, планах по бюджету и прочим бюрократическим вещам, они просто проектировали новые аппараты, которые смогут вывести науку на новый уровень.

Бюджет тех же телескопов HabEx, Lynx и OST согласно предварительным подсчетам может легко пересечь планку в 5 миллиардов долларов. А о том же LUVOIR придется вообще забыть – стоимость его создания может легко перевалить за отметку в 20 миллиардов долларов.

Даже несмотря на то, что Конгресс США настаивал на том, чтобы NASA получило больше средств на разработки, само аэрокосмическое агентство решило поумерить как свои аппетиты, так и аппетиты своих подрядчиков. И если учесть, насколько сильно за рамки бюджета вылилось создание передового космического телескопа «Джеймс Уэбб» и то, как у него обстоят дела сейчас, становится совершенно понятно, почему NASA решило пойти на такой шаг.

Изначально проект разработки «Джеймса Уэбба» был оценен в что-то среднее между 1,6 и 3,5 миллиардами долларов. В рамках этого бюджета аппарат планировалось запустить в период с 2007 по 2011 год. На текущий момент запуск запланирован самое раннее — на май 2020 года. При этом бюджет разработки по оценке Конгресса уже составляет 8,8 миллиардов долларов, а через 2 года может увеличиться до 10. Было бы заблуждением считать, что только у нас могут «пилить» бюджетные средства. Но, это полбеды. Основная проблема заключается в том, насколько безответственно основные подрядчики занимаются сборкой аппарата.

В последнем вибрационном испытании инженеры обнаружили, что из телескопа сыплются винты и шайбы. На минуточку речь идет не о сборке комода из IKEA, где в таком случае можно было просто сказать: «и так сойдет». Речь идет о телескопе, за почти 9 миллиардов долларов.

Финансовые аппетиты растут не только у создателей космического телескопа «Джеймс Уэбб». При изначальной оценке в 2 миллиарда долларов, текущая оценочная стоимость разработки телескопа WFIRST уже составляет 3,9 миллиарда долларов.

Простые ученые надеются на то, что все эти аппараты рано или поздно будут выведены на орбиту. Произойдет ли это до середины 2030-х годов, как было изначально запланировано в программах? Нужно настоящее чудо. На это чудо и остается пока уповать исследователям, считающим, что именно эти аппараты будут способны совершить новые важные открытия в астрономии.

Источник: vseonauke.com