Космос далёкий и близкий

Можно смело сказать, что День космонавтики – праздник для заволжцев особенный. Поместив изображение кометы на герб Заволжского муниципального района, мы прочно связали себя с астрономией.

Комета на гербе напоминает о выдающемся учёном Фёдоре Бредихине, который в имении своей жены Погост занимался астрономическими исследованиями.

ФОТО: http://www.inasan.ru/divisions/administration/

Символично, что сегодня другой наш земляк продолжает дело Бредихина. Почётный гражданин города Заволжска Михаил Сачков – доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук, директор Института астрономии Российской академии наук.

Михаил Евгеньевич рассказал читателям «Авангарда» об основных космических проектах, над которыми ведутся работы в Институте астрономии.

Космические исследования в Институте астрономии РАН

М.Е.Сачков, д.ф.-м.н., профессор РАН, директор Института астрономии РАН

Институт астрономии Российской академии наук (ИНАСАН) является одним из ведущих научных институтов России, а также признанным мировым центром по фундаментальным исследованиям в области астрофизики. Одним из важнейших направлений исследований ИНАСАН, его «визитной карточкой», является космическое приборостроение, в первую очередь для проведения астрономических наблюдений в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра. В данной статье мы кратко расскажем об основных космических проектах, над которыми ведутся работы в Институте астрономии.

Проект «Спектр-УФ»

Земная атмосфера поглощает практически все ультрафиолетовое (УФ) излучение небесных светил, такие наблюдения возможны только с помощью космических аппаратов. Впервые заатмосферные наблюдения в УФ были проведены 10 октября 1946 года, когда с борта ракеты А-4 («Фау-2») был получен УФ спектр Солнца. Только через десятилетие, в 1955 году, были впервые проведены УФ наблюдения ночного неба. Ультрафиолетовая звездная фотометрия (измерение блеска) и спектроскопия были впервые осуществлены в 1957 и 1968 гг., соответственно. Изучение звезд в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне по спектрам с высоким разрешением ведется с 1972 г. Знаменитый Космический телескоп имени Хаббла (КТХ) был спроектирован как инструмент прежде всего для наблюдений в УФ и является в настоящее время единственным инструментом для УФ спектроскопии высокого разрешения.

Советские ученые и специалисты по космической технике также добились в УФ исследованиях значительных достижений благодаря созданию космической обсерватории «Астрон». С помощью спутника «Астрон» (1983 – 1989 гг.), на борту которого летал крупнейший в те годы космический телескоп «Спика» апертурой 80 см,  был получен ряд важных результатов: определен темп истечения вещества из звезд различных спектральных классов; определено содержание химических элементов в атмосферах необычных (пекулярных) звезд классов Ар и Am; выявлены свойства нестационарных звезд (например, карликовых Новых), квазаров и галактик, галактических туманностей и диффузного ультрафиолетового излучения Галактики. «Астрону» удалось пронаблюдать такие явления как водяная кома кометы Галлея с 1985 по 1986 год и вспышка сверхновой в Большом Магеллановом облаке в конце февраля 1987 года (SN1987A).

Успех обсерватории «Астрон» и запуск обсерватории КТХ вдохновил отечественных ученых и специалистов на создание крупной обсерватории, сравнимой по возможностям с обсерваторией КТХ. Проект получил название «Спектр-УФ».

Хотя идея создания проекта «Спектр-УФ» возникла еще в конце 80-х годов прошлого века, промышленное финансирование работ началось только с 2010г (с перерывом в 2015 году). ИНАСАН является головной научной организацией по проекту «Спектр-УФ». Работы над проектом ведутся совместно с Научно-производственным объединением им. С.А.Лавочкина, рядом институтов Российской академии наук, предприятиями госкорпорации «Росатом» и рядом других организаций. По своей эффективности телескоп обсерватории «Спектр-УФ» должен превзойти КТХ благодаря использованию современных приемников излучения и оптимальной орбиты космического аппарата, хотя имеет в 2 раза меньшую площадь главного зеркала. Обсерватория «Спектр-УФ» многоцелевая. Главные направления научных исследований с космическим аппаратом  «Спектр-УФ» относятся к самым актуальным. Перечислим основные из них: поиск скрытого барионного (обычного) вещества во Вселенной (пока наблюдается лишь около 50% вещества); исследование энергетичных (в частности взрывных) процессов  в галактиках, звездах и компактных объектах; исследование роли УФ-излучения в проблеме происхождения жизни во Вселенной. УФ-спектроскопия весьма перспективна для исследования атмосфер планет вокруг других звезд (экзопланет).

Рис. Космический аппарат «Спектр-УФ».

Проект китайско-российского телескопа, собираемого на орбите (OAST)

Несмотря на существенный прогресс в создании наземных телескопов, присущие им ограничения не могут удовлетворить всем современным требованиям астрономов. Системы адаптивной оптики наземных телескопов способны эффективно корректировать изображение лишь в очень ограниченном поле зрения, а наличие атмосферы ограничивает фотометрическую точность наземных наблюдений во всех спектральных диапазонах. Наличие атмосферы Земли не позволяет проводить изучение объектов ранней вселенной с большим красным смещением, для чего необходимы наблюдения в инфракрасном диапазоне, который сильно поглощается атмосферой Земли. Ультрафиолетовый диапазон, который также поглощается атмосферой, несет большое количество информации, также он может быть использован для поиска биомаркеров в атмосферах экзопланет.

Космические астрономические телескопы с большими апертурами различных спектральных диапазонов стали одним из основных инструментов для изучения Вселенной. Сотрудниками ИНАСАН совместно с китайскими коллегами из Чаньчуньского института оптики, точной механики и физики Академии наук Китая (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences) разработана концепция телескопа OAST (On-orbit Assembling Space Telescope) с апертурой 10 м для проведения наблюдений в оптическом, УФ и инфракрасном диапазонах. В отличие от традиционных телескопов, OAST будет модульно спроектирован и изготовлен, после чего он будут собран и отъюстирован в космосе. Использование классических технологий ограничивает апертуру космического телескопа несколькими метрами. Общий бюджет космического телескопа HST (Hubble Space Telescope, космический телескоп «Хаббл») с цельным зеркалом с апертурой 2,4 м начиная с 1990–х годов составляет поистине астрономическую сумму. Бюджет космического телескопа JWST (James Webb Space Telescope, телескоп имени Джеймса Уэбба) с сегментированным главным зеркалом с апертурой 6,5 м (P. A. Lightsey, 2012) превысил ее в несколько раз. Космический телескоп JWST, несмотря на использование технологии сегментированного зеркала, является очень дорогим. Сегментированное зеркало JWST состоит из 12 сегментов центрального блока и двух боковых складных блоков по 3 сегмента каждый. Чрезмерная стоимость JWST, по-видимому, связана с тем, что этот проект является промежуточным решением между классической технологией телескопа с цельным зеркалом и телескопами, полностью собираемыми на орбите.

Проект телескопа OAST, собираемого на орбите, предлагает один из наиболее осуществимых методов реализации космического телескопа 10-метрового класса и обладает следующими преимуществами:

— проблема изготовления цельного зеркала решена за счет использования сегментов умеренного размера;

— благодаря модульному принципу конструкции, отсутствует необходимость испытания собранного изделия на наземном стенде, отдельные модули будут испытываться индивидуально на имеющемся оборудовании;

— большая часть модулей OAST может быть демонтирована и заменена, что увеличивает надежность и ремонтопригодность по сравнению с традиционными космическими аппаратами;

— при международной кооперации по проекту модульная архитектура существенно упрощает взаимодействие между партнерами;

— существует возможность запуска несколькими носителями, размер обтекателя и выводимая масса больше не являются непреодолимыми ограничениями;

— стоимость проекта и риски миссии значительно уменьшаются по сравнению с традиционным подходом;

— существует возможность обновления аппаратуры на орбите после запуска.

Научные задачи, решение которых станет возможным с помощью установленных на OAST приборов: динамика звезд и газа в окрестностях ядер галактик и черных дыр; абсорбционные линии в спектрах квазаров, ядер активных галактик; туманности и сопутствующие объекты (HH объекты, HII области); спектроскопия межзвездной среды; протопланетные диски; экзопланеты; авроральные явления в Солнечной системе; звездная активность; лучевые скорости звезд и отождествление новых линий, профили линий звезд со сверхвысоким разрешением и др.

Как мы уже отмечали выше, в настоящий момент крупнейшие космические агентства лишь  обсуждают проекты УФ– или оптических миссий следующего поколения на период после 2030 года. Крупный космический телескоп УФ, оптического и ИК диапазонов может стать одним из ключевых инструментов для исследования Вселенной в этот период. В условиях прогнозируемой недоступности ИК детекторов производства США одним из основных вопросов при проектировании ИК каналов будет проблема комплектации ИК детекторами большого формата с приемлемыми для астрофизических исследований характеристиками, а также проблема охлаждения. Мощное развитие китайской промышленности в этом направлении в последние годы позволяет надеяться, что китайско-российский проект будет оснащен самыми современными и эффективными приемниками излучения без всякого санкционного давления.

Рис. Общий вид телескопа OAST в рабочем состоянии

Проект «Астрон-2»

Одним из разрабатываемых в ИНАСАН проектов УФ-обсерваторий следующего поколения является миссия «Астрон-2». При анализе перспектив УФ-астрономии, сотрудники ИНАСАН пришли к выводу, что будущая перспективная УФ-обсерватория должна быть нацелена на решения задач, связанных с использованием УФ-обзоров. «Астрон-2» будет представлять собой  космическую астрофизическую обсерваторию для всенебесного спектрального и фотометрического обзора в УФ. Он позволит дать ответы на многие вопросы  истории образования нашей Вселенной, формирования и эволюции галактик и звезд. По своим параметрам космическая обсерватория «Астрон-2» существенно превзойдет космический обзорный УФ-эксперимент GALEX, который имел в своем составе телескоп системы Ричи-Кретьена с главным зеркалом 50 см. Запуск миссии GALEX был выполнен в апреле 2003 года; обсерватория проработала более 10 лет, завершив работу в июне 2013 года. Поле зрения телескопа составляло 1.2 градуса. Рабочий спектральный диапазон составлял 135 нм – 280 нм.

По замыслу разработчиков, проект «Астрон-2» будет являться продолжением проектов «Астрон» и «Спектр-УФ» и будет основываться на технической базе и стендах, созданных в процессе работы над проектом «Спектр-УФ». К числу основных решаемых задач космического комплекса «Астрон-2» относится создание спектральных и фотометрических обзоров всей небесной сферы в ультрафиолетовом диапазоне для нескольких эпох в течение активного времени использования космического аппарата. Основу космической астрофизической обсерватории будет составлять телескоп диаметром зеркала 210 см. Увеличенное поле зрения телескопа (порядка 2 угловых градусов) позволит провести полные фотометрические обзоры и глубокие спектральные обзоры всех объектов вплоть до 20 звездной величины со спектральным разрешением 500 в диапазоне длин волн 120-310 нм. Проект GALEX провел первый масштабный всенебесный фотометрический обзор большей части небесной сферы, но вследствие особенностей приемников излучения проекту GALEX были недоступны области вокруг ярких звезд (ярче 10 звездной величины). В результате область плоскости нашей Галактики, области Магеллановых облаков оказались практически исключены из исследования. Задачи проведения нового глубокого обзора Вселенной в УФ предстоит решить проекту «Астрон-2», который вследствие этого можно назвать проектом супер-GALEX.

Рис. Внешний вид космической миссии «Астрон-2».

Проект ультрафиолетового телескопа для лунной программы

Сотрудниками ИНАСАН  проработан проект телескопа УФ диапазона (120-300 нм) для реализации в рамках лунной программы России «Луна-УФ». Основная задача научного прибора — проведение обзоров избранных областей небесной сферы в УФ. Использование в УФ телескопе современного приемника излучения (ПЗС либо КМОП), не чувствительного к локальной пересветке и имеющего большой динамический диапазон, позволит устранить основной недостаток всенебесного обзора GALEX — отсутствие наблюдений примерно для 30% небесной сферы в области Млечного пути и рядом с яркими объектами. УФ наблюдения с поверхности Луны представляют уникальную возможность проведения исследований со стабильной платформы за пределами земной атмосферы. При этом небольшой УФ телескоп может быть использован в качестве прибора как для посадочного, так и для орбитального модулей. Для перенаведения телескопа предполагается использовать полноапертурное подвижное зеркало, установленное перед телескопом. Для посадочного модуля зона обзора будет определяться рельефом и широтой места посадки и составит от 40 до 60% небесной сферы, что позволит пронаблюдать, в частности, около половины области, не вошедшей в обзор GALEX. В случае размещения телескопа на орбитальном модуле, прецессия восходящего узла орбиты обеспечит обзор всей небесной сферы за половину периода прецессии. В простейшем случае, поворотное устройство может иметь одну ось, осуществляющую наведение по углу места, близкому к углу по оси склонений, а наведение по оси прямого восхождения будет осуществляться вращением Луны. Использование современных КМОП детекторов с низким шумом чтения позволит вести съемку относительно короткими экспозициями, не требующими слежения за объектом.

В основе прибора «Луна-УФ» лежит ультрафиолетовый телескоп VT-Луна-УФ, разработанный в ИНАСАН. Для реализации проекта предлагается использовать полностью готовые технологические решения в части детекторов, широкоугольной оптической системы (ее аналог создается в ИНАСАН в рамках решения задачи устранения угрозы астероидно-кометной опасности), электронных систем. Планируется максимально использовать имеющийся у ИНАСАН опыт и задел работ в рамках проекта «Спектр-УФ».

Рис. Телескоп VT-Луна-УФ

Проект индийско-российского УФ спектрографа для Китайской космической станции (SING)

Прямые снимки неба в УФ позволяют отслеживать морфологию протяженных объектов Вселенной (планетарных туманностей, остатков взрывов сверхновых, молекулярных облаков, галактик). В этой связи впечатляющими являются результаты работы на орбите телескопов GALEX и ASTROSAT/UVIT, камер Космического телескопа им.Хаббла, с помощью которых получены изображения с  беспрецедентной детализацией. Большие надежды астрономы связывают с Блоком камер поля готовящегося к запуску проекта «Спектр-УФ». Однако для полного понимания физических условий (температур, плотностей, полей излучения) в таких объектах требуются спектральные данные. Тем не менее, большая часть  спектроскопических наблюдений УФ-неба сосредотачивается на исследованиях точечных источников, вследствие чего инструменты имеют небольшие поля зрения, наблюдения протяженных областей требуют большого количества перенаведений космических телескопов и выделения огромного количества наблюдательного времени, что реализовать на практике невозможно.  В результате даже для Крабовидной туманности, самого знаменитого остатка взрыва сверхновой, были получены спектральные наблюдения только некоторых отдельных ее участков, и до настоящего времени точно оценить энергетику всего объекта не представляется возможным. Можно сделать вывод, что ни один из реализованных УФ экспериментов не обладал уникальным сочетанием спектрального и пространственного разрешения, чувствительности к диффузным источникам и продолжительности полета, необходимым для исследования физики туманностей и межзвездной среды (МЗС). Единственным спектроскопическим обзором протяженных объектов по всему небу в УФ диапазоне спектра было совместное американо-корейское исследование SPEAR/FIMS. В результате были получены важные данные о распределении горячего газа в остатках сверхновых, горячего газа в межзвездной среде,  флуоресценции молекулярного водорода и диффузного рассеянного фона пыли. Однако задача детального исследования этих объектов не была решена.

Нам представляется, что разрабатываемый в ИНАСАН совместно с коллегами из Индийского института астрофизики (Бангалор, Индия) прибор для спектральных исследований газа туманностей SING (Spectroscopic Investigation Of Nebular Gas), восполнит существующий пробел.

Проект индо-российского спектрографа SING был выбран на конкурсной основе и одобрен для установки на Китайской модульной космической станции (CSS) в рамках программы международного сотрудничества по использованию CSS для космических экспериментов  Управления Организации Объединенных Наций по вопросам космического пространства (UNOOSA). Космическая станция обеспечивает относительно стабильную платформу для наблюдений в течение длительного периода времени. SING будет установлен как сканирующий телескоп и будет наблюдать небо по мере движения станции по орбите вокруг Земли. Конструкция прибора SING состоит из двух частей: телескопа Кассегрена и спектрографа с высокой щелью для работы в диапазоне длин волн140-270 нм. Хотя большинство современных УФ-космических телескопов создаются на основе схемы Ричи-Кретьена, но вследствие требований к телескопу прибора SING: компактность, ограничения на длину и кривизну поля зрения, — была выбрана схема Кассегрена с параболическим главным зеркалом и гиперболическим вторичным зеркалом. Фокусное расстояние телескопа составляет 1500 мм. Предполагается, что программа наблюдений SING будет скоординирована с научной программой проекта «Спектр-УФ». Спектрограф проекта «Спектр-УФ» имеет лучшее пространственное разрешение, но гораздо меньшее поле зрения, чем SING. Появится возможность проводить детальные исследования интересных областей газовых туманностей с помощью спектрографа «Спектр-УФ», предварительно изученных инструментом SING.

Рис. Внешний вид прибора SING.

Космическая система обнаружения опасных небесных тел, приближающихся к Земле с дневного неба («СОДА»)

В настоящее время, в основном, благодаря выполненной в CША программе Space Guard, выявлена большая часть (~90%) малых тел Солнечной системы размером более 1 км, вероятность столкновения которых с Землей в текущем столетии заслуживает внимания. Совсем другая ситуация с перспективами обнаружения более мелких тел размером от 10 м. Задача исчерпывающего обнаружения таких тел на большом расстоянии, обеспечивающем указанные выше времена упреждения, не будет решена на протяжении как минимум нескольких десятилетий, а может быть и больше. Более реально решить задачу обнаружения таких тел в ближнем космосе и обеспечить выдачу предупреждений о возможных столкновениях со временем упреждения в несколько часов. Количество таких потенциально опасных тел размером 10 м и более оценивается в 108 штук, а частота их столкновений с Землей составляет примерно одно событие в 5-10 лет, а более мелкие тела падают ежегодно. Челябинское событие 15 февраля 2013 г наглядно показало, что столкновение с Землей достаточно небольшого тела размером около 17 м способно привести к заметным разрушениям. На дневном небе наблюдать малые тела Солнечной системы в оптическом диапазоне нельзя из-за сильного рассеянного света в атмосфере. Именно для обнаружения таких «дневных» астероидов и предназначен проект СОДА (система обнаружения дневных астероидов), работа над которым ведется в ИНАСАН.

Проект СОДА предусматривает строительство космического аппарата, который отправят в одну из точек Лагранжа — L1, находящуюся между Землей и Солнцем на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Там планируется разместить телескоп, который будет осматривать пространство вокруг Земли, поле его «зрения» будет конусообразным. В этот конус будут попадать все тела, приближающиеся со стороны Солнца. Расчеты показывают, что десятиметровые тела обнаруживаются телескопами с апертурой 30 см в оптическом диапазоне. Полезная нагрузка такого аппарата будет примерно 50 кг, а масса платформы около 100 кг. Система будет предупреждать о приближении астероида и давать примерную точку его входа в атмосферу за четыре часа до события. Опасное небесное тело наблюдается при пересечении барьера (барьеров), с тем чтобы за 3–4 ч до возможного входа в атмосферу Земли (при скорости сближения 20 км/с), то есть на расстоянии около 250 тыс. км от Земли, орбита этого тела и место возможного столкновения были определены с заданной точностью. (На рисунке  показано два конических барьера, но их может быть больше.)

Начало работ в области внеатмосферной астрономии в Инстиуте астрономии РАН начались в 1987 г с приходом в институт академика А.А.Боярчука. С тех пор в институте развилось мощное современное направление – космические исследования. Как было отмечено нами в данной статье, ИНАСАН является головной научной организацией в крупном международном проекте «Спектр-УФ». В институте ведется целый ряд исследовательских работ по разработке космических проектов, с реализацией которых мы связываем существенное продвижение в наших знаниях о Вселенной. 

Год назад Михаил Сачков рассказал о проектах ИНАСАН в интервью каналу «Научная Россия»: https://www.youtube.com/watch?v=HGmOQqcAops .

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.