Спектры интересов: российские ученые разрабатывают новые космические обсерватории

Ученые разработали проект новых экспедиций в дальний космос. Это рентгеновская обсерватория «Спектр-РГН» и гамма-обсерватория «Спектр-РГМ». Обе продолжат миссию «Спектра-РГ». Первый аппарат будет строить карту неба по пульсарам, которые можно использовать как сверхточные ориентиры, а второй — изучать объекты в ядерных линиях, что даст информацию о составе, структуре и жизненном цикле астрономических объектов. К изготовлению «Спектра-РГН» приступят в 2025 году, а «Спектра-РГМ» — в ближайшие пять лет.

Как будут изучать дальний космос

В Институте космических исследований (ИКИ) РАН разработали концепцию двух новых миссий для исследования дальнего космоса. В их основе — астрофизические обсерватории «Спектр-РГН» и «Спектр-РГМ». Ученые предполагают, что создание первой из них начнется уже в следующем году, а второй — в ближайшие пять лет.

Как объяснили специалисты, оба аппарата используют опыт, полученный в проекте «Спектр-РГ». Это отечественный научный космический комплекс, который уже в течение пяти лет находится в точке гравитационного равновесия L₂ системы Солнце – Земля на расстоянии около 1,5 млн км от нашей планеты. Его главная задача — наблюдение неба в рентгеновском диапазоне и создание самой подробной карты источников такого излучения в доступной части Вселенной.

В частности, наиболее интересные источники для исследования с помощью этой обсерватории — это так называемые компактные объекты: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры.

В настоящее время благодаря российскому телескопу ART-XC им. М.Н. Павлинского, установленному на борту «Спектра-РГ», создан каталог, который включает более 1,5 тыс. источников жесткого рентгеновского излучения в космосе. Из них десятая часть — это впервые открытые объекты, многие из которых оказались уникальными.

— Благодаря «Спектру-РГ» уже получены выдающиеся результаты. Однако необходимо двигаться дальше и развивать наработанные компетенции. Проект «Спектр-РГН» — это относительно простой эксперимент, который может быть реализован быстро и с небольшими затратами. Он необходим как с научной точки зрения, так и для развития космических технологий. «Спектр-РГМ» — более сложный, он будет опираться на наработки, полученные при реализации «Спектра-РГН», — рассказал «Известиям» заместитель директора по научной работе и завотделом астрофизики высоких энергий ИКИ, член-корреспондент РАН Александр Лутовинов.

Задачи космических обсерваторий

Ученый объяснил, что кроме создания научных мегакомплексов, к которым, безусловно, относится «Спектр-РГ», в космосе должны постоянно находиться исследовательские станции среднего класса, к которым, например, будет принадлежать «Спектр-РГН». Они могут решать ограниченный круг научных задач, но в то же время позволят развивать технологии и растить кадры.

Новые станции дополнят действующую обсерваторию в смежных диапазонах. Например, «Спектр-РГН» нацелят на мягкое рентгеновское излучение — примерно от 1 до 10 килоэлектронвольт (кэВ). Целью аппарата будет отработка технологий навигации по рентгеновским пульсарам. Это быстровращающиеся нейтронные звезды с мощным магнитным полем, которые испускают периодические сигналы рентгеновского излучения. Подобно сигналам маяков, их можно использовать как ориентиры для космических аппаратов. Это позволит решить задачу автономного определения координат искусственных спутников, что полезно для экспедиций в дальний космос.

В свою очередь, «Спектр-РГМ», как ожидается, расширит возможности российских обсерваторий не только в рентгеновском, но и в гамма-диапазоне (от 100 кэВ и выше). Оборудование этой станции будет исследовать изменения в спектральных линиях различных элементов, которые возникают, когда ядра атомов, изменяя свое состояние (например, в результате радиоактивного распада), испускают гамма-частицы.

Как рассказал Александр Лутовинов, исследование ядерных линий дает астрономам информацию о многих событиях, которые происходят в космосе. Так, они помогают исследовать химический состав далеких звезд и галактик. Или проанализировать процессы, происходящие в струях (джетах), которые вырываются от черных дыр в процессе поглощения ими материи.

— Например, во время вспышки сверхновой, когда звезда коллапсирует, рождается большинство тяжелых элементов. Они появляются не сразу, а образуются поэтапно через череду превращений одних элементов в другие в результате термоядерных реакций или реакций распада радиоактивных изотопов. По гамма-линиям можно проследить эти превращения, по интенсивности — установить, сколько в звезде образовалось того или иного элемента. Другой пример — измерение линии с энергией 511 кэВ. Она возникает при аннигиляции электрона (отрицательной частицы вещества) и позитрона (частицы антивещества). Исследуя эту линию, можно изучать распределение антивещества во Вселенной, — рассказал ученый.

По его словам, в новых обсерваториях будет реализовано много технических инноваций. В частности, в телескопах, установленных на аппаратах, применят новые полупроводниковые детекторы. Они представляют собой малошумящие микросхемы для высокоточной регистрации сигналов и быстрой обработки данных. Кроме того, будут использоваться специальные рентгеновские зеркальные системы.

Как подчеркнул Александр Лутовинов, оба аппарата изготовят в широкой кооперации отечественных предприятий космической сферы. «Спектр-РГН» может отправиться в космос в 2031–2032 годах, а «Спектр-РГМ» — во второй половине следующего десятилетия.

Зачем нужны дальние экспедиции

— Атмосфера Земли защищает людей от рентгеновских и гамма-лучей из космоса. Однако она же затрудняет наблюдения источников этих излучений с поверхности планеты. С этим связана необходимость выноса инструментов для астрофизических наблюдений в космос, — объяснил «Известиям» заместитель директора по научной работе Крымской астрофизической обсерватории Александр Вольвач.

По его словам, средние и малые научные комплексы позволяют гибко реагировать на изменения в научных приоритетах. В отличие от больших аппаратов, которые можно создавать в течение десятилетий, малые космические обсерватории — от проекта до ввода в эксплуатацию — могут быть подготовлены всего за несколько лет.

Эксперт отметил, что подготовка множества аппаратов позволит создать необходимые научные разработки и отрабатывать технологии, которые станут основой для успешных новых больших миссий.

— Предложенные проекты — это фундаментальные исследования. Нашей стране важно вкладываться в них, поскольку они подразумевают освоение передовых технологий и, главное, подготовку специалистов с уникальными компетенциями. Такие проекты определяют научный и культурный уровень государства, — отметил профессор Иркутского государственного университета, старший научный сотрудник Института солнечно-земной физики СО РАН Сергей Язев.

Он подчеркнул, что утрата компетенций может привести к негативным последствиям.

— Наблюдательное время больших космических аппаратов стоит достаточно дорого, и их программа расписана надолго вперед. Поэтому малые и средние обсерватории проще сфокусировать на интересных, только что обнаруженных событиях, — сказала «Известиям» руководитель лаборатории фундаментальных и прикладных исследований релятивистских объектов Вселенной Физтех-школы ЛФИ Московского физико-технического института Елена Нохрина.

Однако, по ее словам, уже в будущем ученые планируют совершать полеты к искусственным спутникам. Например, в миссии Polaris Dawn – 2 астронавты отправятся к телескопу Hubble. Они намерены продемонстрировать возможности обновления оборудования в космосе, это добавит гибкости исследовательским программам.