Радуга «Роскосмоса» +81


AliExpress RU&CIS

Галактика Андромеды в различных спектральных диапазонах: радио, инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском

Два года назад в космосе завершилась работа российского спутника «Спектр-Р» — основы астрофизического проекта «РадиоАстрон». Сейчас ему на смену пришел космический телескоп «Спектр-РГ», а в разработке находятся еще две обсерватории «Спектр-УФ» и «Миллиметрон». Давайте посмотрим зачем «Роскосмос» и Российская академия наук создают эти телескопы, и как движется их реализация.

Начнем издалека, чтобы разобраться почему астрономам недостаточно обычных телескопов на Земле.

?Что такое многоспектральная астрономия?


Как и в древности, сегодня для человека главный метод получения знаний об окружающей Вселенной — это наблюдения колебаний электромагнитного поля или электромагнитного излучения. Сначала человек просто изучал окружающее пространство уникальным природным средством — глазами. Но наши глаза видят очень узкий диапазон длинн волн электромагнитных колебаний, в том диапазоне, в котором наше Солнце излучает ярче всего, а атмосфера Земли лучше всего пропускает — видимом.

image

Наука открыла людям возможность смотреть вокруг себя и в других диапазонах. В зависимости от длины волны электромагнитные колебания мы называем по разному. Длинные волны — от километров до сантиметров — это «радио». Например FM радиоволна имеет длину около 3 метров, сотовая связь — 16 см, микроволновки — 12 см, а экспериментальная сеть 5G в Сколково — 6 см.

Если длина волны укорачивается меньше сантиметра, и составляет миллиметры или их доли — это уже миллиметровый диапазон излучения. Это такое переходное состояние между радио и светом. Если укорачивать волны дальше, то получим инфракрасное «тепловое» излучение, потом видимый свет, потом ультрафиолет, рентген и самое жесткое и энергичное излучение — гамма. Всё это и называется «спектр электромагнитного излучения». Наверно у всех в школьных кабинетах физики висели такие графики:

image

Из них хорошо видно насколько малую часть реальной информации об этом мире воспринимают наши глаза — всего семь цветов, которые мы видим как радугу. Всё остальное и без науки — во тьме.

Электромагнитные волны создаются в процессах связанных с выделением и передачей энергии, а из далекого космоса к Земле долетает только то, что было выброшено какими-то масштабными событиями: взрывами сверхновых, аккреционными дисками черных дыр, воздействием космической радиации на газ и пыль… И каждое событие соответствует своей спектральной «подписи». Излучение звезды зависит от её температуры и состава, например, Солнце имеет пик яркости в диапазоне видимого света, а в гамма-диапазоне почти «черное». Молодые звезды — «синие», старые — «красные». Далёкие квазары светят практически во всём спектре.

То, что мы воспринимаем глазами как цвета, это просто электромагнитные колебания разной длины волны, например длина волны красного света — 650 нанометров, а синего — 450 нанометров. По такому же принципу ученые создают цветные картинки из снимков в тех диапазонах излучения, в котором наши глаза не видят вообще, например в инфракрасном или ультрафиолете, или даже рентгене.

image
Центр галактики Млечный путь в различных диапазонах рентгеновского света и радиоизлучения

Излучение, которое достигает Земли, далеко не всегда прямо совпадает с тем, которое покинуло источник. Разница зависит от скорости источника относительно приемника, расстояния и свойств среды между ними. И только учет всего комплекса факторов позволяет извлекать огромный объем данных о близком и далёком космосе: изучать строение, движение и эволюцию звезд, находить экзопланеты и черные дыры, наблюдать процессы в ядрах галактик, измерять расстояние в галактических и галактических масштабах, изучать свойства межгалактического и межзвездного пространства, заглядывать в прошлое галактик на миллиарды лет… В конечном счёте, лучше понимать Вселенную, в которой мы живём. Поэтому нам и нужны многоспектральные «глаза». (Крайне рекомендую книгу на эту тему «Многоканальная астрономия»).

?Зачем запускать телескопы в космос?


В межзвездном пространстве электромагнитные волны переживают воздействия от гравитационных волн, межзвездной плазмы, газа и пыли, но самое серьезное препятствие на пути к Земле — это наша атмосфера. Её плотность сопоставима с десятью метрами воды, поэтому нам не страшна космическая радиация, но астрономам интересна именно она. Даже если в небольшой телескоп взглянуть на звёзды с Земли, то можно увидеть рассеивающий эффект воздуха, а для некоторых электромагнитных волн (жесткий УФ, рентген, гамма) воздух вообще непрозрачен.

image

Для снижения воздействия атмосферы, астрономы стараются забраться как можно выше в горы, чтобы сократить слой воздуха. Кроме того, приходится скрываться от цивилизации, которая поднимает пыль, светит в небо прожекторами, шумит в радиодиапазоне, а сейчас ещё заваливает небо сотнями рукотворных «звёзд» — спутниками.

image
Пролёт спутников Starlink в поле зрения одного из телескопов обсерватории CTIO

Поэтому только космонавтика дает наилучшую среду для изучения свойств обозримой Вселенной — космоса во всех доступных диапазонах.

?«Спектры»


Ученые Советского Союза в 80-е годы прошлого века запланировали масштабную астрофизическую программу «Спектр», которая предполагала запуск целой серии тяжелых космических телескопов. Наблюдение планировалось в радио, миллиметровом, инфракрасном, ультрафиолетовом, рентген и гамма диапазонах. Соответственно телескопы получили литеры: Р, М, ИК, УФ, РГ. К сожалению, в приоритетах советской космонавтики 80-х гг была гонка с Америкой: станции «Мир», «Энергия-Буран», безумное количество спутников-шпионов… СССР запускал по две ракеты в неделю, но не для науки. Лишь пара телескопов была запущена в 80-х: «Астрон», и «Гранат», но «Спектры» оставались только в мечтах наших астрономов.

Потом Советский Союз распался, пришли «лихие девяностые», в которые каждый лихачил как мог. Например специалисты Астрофизического центра Физического института имени Лебедева собрали прототип телескопа КРТ-10 в Пущино, и приступили к наземным испытаниям.

image

Технически это был РТ-10, поскольку «К» значит «космический», а наземный прототип в космос не летел. Но работа была вознаграждена. Астрофизикам, физикам и инженерам удалось-таки создать и запустить в 2011 году первый из «Спектров» — «Р», т.е. «радио».

Его запуск открыл международную программу исследований методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой — «РадиоАстрон». Главное преимущества такого метода, в возможности наблюдать с беспрецедентным угловым разрешением наиболее яркие в видимой Вселенной источники радиоизлучения. Семь с половиной лет исследований дали свои результаты в исследованиях квазаров, пульсаров, межзвездной и межгалактической среды.

image

На мой взгляд, главная уникальность «РадиоАстрона» была в том, что он в принципе полетел несмотря на обстоятельства, в которых создавался в 90-е и 2000-е. Наиболее важную роль в этом достижении сыграл Николай Кардашев, который в 50-х годах был соавтором работы теоретически обосновавшей создание гигантских радиотелескопов-интерферометров, а в последние десятилетия своей жизни весь свой авторитет вложил в запуск «РадиоАстрона». Разработанная с участием Кардашева технология РСДБ значительно расширила возможности радиотелескопов за счет их объединения в решетки-интерферометры. Теперь много антенн могли работать как одна большая.

image

Причем их можно объединять не только напрямую, но и удаленно, т.е. создавать радиотелескопы-интерферометры диаметром 12 тысяч километров. Это не опечатка, всё правильно: радиотелескоп размером 12 тыс км. РСДБ позволяет объединять антенны размещенные по всей Земле, а значит пределом выступает только её диаметр.

Космический «РадиоАстрон» позволил увеличить размер радиоинтерферометра до 340 тыс км, и Кардашев стал свидетелем его успешной работы. Позже, та же технология, примененная уже европейскими и американскими учеными дала «фотографию тени черной дыры».

image

Другие «Спектры» тоже двигались вперед, например 1,7-метровое зеркало для ультрафиолетового телескопа уже изготовлено на Лыткаринском заводе оптического стекла, а его гигантская труба, размером с автобус, не первый год ждет своего часа на НПО им. С.А. Лавочкина. Правда были проблемы с финансированием и санкционной электроникой, но, вроде бы, их смогли решить.

image

Рентгеновский «Спектр-РГ», после многочисленных задержек и проблем полетел-таки в 2019 г. и сейчас радует мировую науку. Это тоже телескоп с тяжелой судьбой, которая требует отдельного рассказа. Сложности в его создании привели в выпадению «Г» из его научной программы, т.е. он наблюдает только в рентгене, а для гамма-диапазона не предназначен, но название решили не менять, чтобы не получился второй «Спектр-Р».

В отличие от «РадиоАстрона» рентгеновский телескоп наблюдает не отдельные источники излучения, а ведет картографирование всего видимого небосвода.

image

«Спектр-РГ» — это тоже международный проект, но если у «РадиоАстрона» иностранное участие заключалось в наземной поддержке, то в рентгене наблюдает два телескопа: российский и германский. За каждые полгода работы «Спектра-РГ» составляется полная карта небосвода, и чем дольше ведутся наблюдения, тем большего «проникновения» добьются телескопы и больше источников рентгеновского излучения будет картографировано.

image

Про «Спектр-РГ» мы обязательно поговорим отдельно. Нам же осталось упомянуть о самом сложном, и самом «долгом» «Спектре» — «Миллиметроне». Его разработкой сегодня заняты создатели «РадиАстрона», которым помогает накопленный в прежнем проекте опыт.

image
Рендер Миллиметрона на фоне снимка инфракрасного телескопа Herschel. Снимки Миллиметрона должны выглядеть примерно так.

Миллиметровый диапазон не менее важен для изучения космоса, в нем светятся облака межзвездной пыли, и другие холодные объекты. Удобство миллиметрового диапазона ещё и в том, что в телескоп может наблюдать как самостоятельно, так и применяя технологию РСДБ. Пока наблюдения в миллиметровом диапазоне ведутся с Земли из высокогорных районов, например в Чилийских Андах расположен массив миллиметровых телескопов ALMA.

image

Если запустить «Миллиметрон», то совместно с ALMA он сможет на порядки повысить детализацию наблюдений. С ним или отдельно можно намного точнее рассмотреть окрестности черных дыр и определить нет ли среди них «кротовьих нор»; измерить спектральные искажения реликтового излучения и заглянуть в ранее недоступное наблюдению прошлое Вселенной; определить содержание сложных органических молекул в соседних звездных системах, и даже попытаться найти сферы Дайсона, т.е. более развитые и древние инопланетные цивилизации… Каждое из этих направлений — отдельный прорыв в знаниях о свойствах Вселенной, и поучаствовать в исследованиях уже сейчас готовы европейцы, корейцы и китайцы, несмотря на довольно ранний этап готовности проекта. О том, как сегодня создается «Миллиметрон» будет наш следующий рассказ.





Комментарии (18):

  1. spiritus_sancti
    /#23164842

    Спасибо за пост. Надеюсь встретиться с вами лично на лекции в Верхней Пышме :)

  2. С удовльствием прочитал, отдельное спасибо за иллюстрации. Жду продолжение

  3. OlegPatron92
    /#23165124

    Интересно, есть болезни или скорее аномалии, когда человек видит шире обычного спектра?!

    • KvanTTT
      /#23166232 / +1

      Интересно - впервые об этом слышу. Но вообще прикольная и даже полезная способность.

      • Storm2003
        /#23168838

        Вряд ли полезная. Ультрафиолет рассеивается в воздухе и создаёт некую «дымку» в поле зрения, из-за чего будет теряться контраст изображения. Именно для борьбы с этим при высокогорной съёмке используют УФ-фильтры для фото- и киноаппаратуры.
        Подозреваю, что тепловой фон будет так же снижать контраст зрения в области ИК.
        Полагаю, Природа не зря ограничила наши органы чувств, отключив при этом телепатию: представьте, как мучался бы в чувствах хищник, переживая трагедию своей жертвы!)))

        • dem0crypt
          /#23171790 / +1

          От теплового ИК до ближнего огромное расстояние в спектре, так что засветки не будет

          • Storm2003
            /#23176376

            Не такое уж и огромное. Минимальное излучение, различаемое человеческим глазом ~800K (±), при этом сам человек имеет температуру ~310K. Что такое 500К при диапазоне человеческого зрения от 800К до 10 000К?
            При этом причина сдвига красного цвета в более высокочастотную часть понятна: Для человека на первом месте стоит цвет свежего мяса и здоровой кожи полового партнёра. А вот зачем с практической точки зрения более низкочастотная часть может понадобиться?

    • vanxant
      /#23166426

      Иногда встречается тетрахроматия, но это не шире, а просто с лучшим спектральным разрешением.
      Когда противники ГМО вымрут от голода, можно будет вставить себе перк с генами какой-нибудь мухи, у которой 7 типов колбочек от ИК до УФ.

    • Am0ralist
      /#23168374

      Более того, вроде как некоторые художники оную имели.

    • Bright_Translate
      /#23168972

      Бывает, что видимыми становятся звуковые волны. Доказано экспериментально. Но это вопрос измененных состояний сознания.

    • HerrJohan
      /#23178068

      Некогда читал отчет об исследованиях сталеваров. Где умудренный опытом на глаз до градуса могли «измерить» температуру стали и их зрение слегка расширялось в инфракрасный диапазон.

  4. corvair
    /#23165596

    Спасибо за интересный рассказ, информации об этих проектах почти нет.

  5. Fell-x27
    /#23165952

    Какая же это отдушина на фоне Рогозинских подтеков несознания. Прямо настроение поднялось!

  6. T_Cirkla
    /#23166880

    Насколько помнится, на два из трёх спутников резко урезали финансирование. Неужели хоть что-то вернули?

    • Zelenyikot
      /#23175798

      Вроде бы сейчас выделили на продолжение развития. Самая сложная ситуация у Спектра-УФ была, но после того как смогли обойти санкции на электронику дело сдвинулось.