Американское космическое агентство завершило разработку орбитальной обсерватории SPHEREx. Специалисты переходят от компьютерного моделирования к созданию инструмента «в железе». По такому случаю Naked Science объясняет, зачем нужен еще один инфракрасный телескоп после долгожданного запуска «Джеймса Уэбба» и каких открытий можно от него ждать.
(с) NASA/JPL-Caltech.
Инфракрасному космическому телескопу SPHEREx предстоит заглянуть в первую секунду существования Вселенной, раскрыть тайны формирования галактик, исследовать воду и органические вещества в «колыбелях планет» и сделать многое другое. И недавно космическое агентство NASA объявило, что столь нужный инструмент миновал стадию проектирования.
«Мы переходим от работы с компьютерными моделями к работе с реальным оборудованием, — говорит Аллен Фаррингтон, руководитель проекта SPHEREx в Лаборатории реактивного движения NASA. — Конструкция космического аппарата утверждена в ее нынешнем виде. Мы показали, что она может быть воплощена вплоть до мельчайших деталей. Так что теперь мы действительно можем начать изготовление и соединение деталей».
SPHEREx — это аббревиатура от Spectro-Photometer for the History of the Universe and Ices Explorer, то есть «Спектрофотометр для исследования истории Вселенной и [космических] льдов». Само название указывает на два направления исследований. Во-первых, это история Вселенной в целом и составляющих ее галактик. Во-вторых, обзор космических запасов воды и других веществ, без которых немыслимо существование жизни.
Что SPHEREx может рассказать о Вселенной в целом? Прежде всего он получит спектр 490 миллионов галактик. Спектр позволит определить красное смещение, а тем самым и расстояние до звездной системы. То есть эти галактики будут нанесены на трехмерную карту.
Трехмерное распределение галактик несет в себе отпечаток истории Вселенной и законов, управляющих ее развитием. Карта, составленная SPHEREx, будет особенно хороша для исследования космической инфляции. Так называется гипотетическое взрывное расширение пространства-времени в первые доли секунды после Большого взрыва.
Вселенная расширяется и сейчас, но предполагается, что сразу после Большого взрыва этот процесс шел невообразимыми темпами. Вся доступная ныне наблюдению часть Вселенной буквально раздулась из крошечной области пространства. За первые 10−35 секунд после Большого взрыва его объем этого «шарика» увеличился, по разным оценкам, в 1030–1080 раз. А вы думали, инфляция это когда дорожает сахар?
Нельзя сказать, что с инфляционной теорией согласны все космологи. Но она увязывает между собой многие свойства наблюдаемой Вселенной, которые трудно объяснить иначе.
Например, эта теория объясняет, почему космос столь однороден в больших масштабах. Все достаточно большие (от сотен миллионов до миллиардов световых лет) области Вселенной похожи друг на друга как две капли воды. Сопоставив их размеры со скоростью света (а быстрее не передается ни вещество, ни излучение), ученые были вынуждены заключить, что каждый такой регион имел свою собственную независимую историю. Почему же она всюду пришла к одному и тому же финалу? Да потому что начальные условия всюду были практически одинаковыми. Ведь начало всей наблюдаемой Вселенной положила одна-единственная крошечная область пространства.
Но все-таки масса и энергия были распределены по этой «капле» не совсем равномерно. Инфляция раздула эти крошечные неоднородности, и они дали начало галактикам и скоплениям галактик. Так трехмерное распределение «звездных островов» запечатлело историю инфляции.
Космологи давно спорят, что стало причиной инфляции. Согласно одной из гипотез, это было рождение частиц из вакуума (эффект Казимира), наложившееся на кривизну пространства-времени. Другие модели вводят специальное поле, ответственное за инфляцию, — инфлатон. Третьи задействуют сразу несколько инфлатонов.
Карты распределения галактик, составленные SPHEREx, позволят сделать выбор в пользу какой-нибудь из этих теорий. По крайней мере, ученые очень на это надеются.
Еще один объект изучения SPHEREx — межгалактический инфракрасный фон. Это слабое излучение имеет несколько источников.
Во-первых, это карликовые галактики, слишком маленькие и тусклые, чтобы различить их по отдельности, но вместе дающие некоторую «засветку». Во-вторых, это звездные гало вокруг галактик. Звездные гало — это разреженные облака из звезд, покинувших родительскую галактику из-за каких-то бурных процессов. Протяженность такого гало может достигать миллиона световых лет. Есть и другие источники межгалактического инфракрасного «света», и все они так или иначе связаны с историей Вселенной и составляющих ее галактик.
Инфракрасное зрение SPHEREx позволяет решить и другую задачу. Есть вещества, оставляющие четкий спектральный след именно в инфракрасном диапазоне. Прежде всего это вода, углекислый и угарный газы и метиловый спирт.
Все эти соединения содержатся в межзвездных молекулярных облаках, масса которых достигает миллионов солнц. По земным меркам, эти облака очень разрежены: расстояние между соседними молекулами измеряется буквально метрами. Но по сравнению с фоновым космическим пространством это довольно плотные сгустки вещества. Молекулярные облака — звездные родильные дома и ясли. Гравитация сгущает в них вещество, образуя протозвезды и протопланетные диски. В дальнейшем из них рождаются звезды и планеты.
Расчеты показывают, что простейшие соединения углерода в молекулярных и протопланетных облаках могут превращаться в довольно сложную органику. Эти химические реакции провоцируются заряженными частицами с просторов Галактики и ультрафиолетовыми лучами молодых звезд. Экспериментаторы воспроизводили эти процессы в лабораториях.
Напрашивается мысль, что протопланетная органика внесла свой вклад в возникновение жизни на Земле. А если так, тот же процесс может повториться и на других планетах.
И все же мы до обидного мало знаем о химических превращениях в молекулярных и протопланетных облаках. Прежде всего потому, что наблюдателям не хватает инфракрасных спектров этих объектов. Тут-то и приходит на помощь SPHEREx.
Обшаривая небесную сферу, новый телескоп примерно в сто раз увеличит число имеющихся спектров молекулярных облаков, протозвезд и протопланетных дисков. Столь богатый наблюдательный материал должен пролить новый свет на процессы, которые могут лежать в основании жизни.
Поговорим об устройстве и программе наблюдений нового телескопа.
Есть два противоположных подхода к исследованию космоса. Первый — тщательное изучение небольших участков неба и отдельных небесных тел. Его можно сравнить с жизнеописанием выдающихся личностей. Второй — быстрый обзор обширных областей неба, своего рода перепись населения. Понятно, что обе задачи по-своему важны, но инструменты для них требуются разные.
Недавно запущенный инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» — яркий пример «космического биографа». Громадное шести с половиной метровое зеркало обеспечивает ему высокое разрешение: на длине волны 1 микрометр он способен различать детали с угловым размером порядка угловой миллисекунды. Расплатой за такую зоркость служит узкое поле зрения: например, для инструмента NIRSpec на борту «Уэбба» оно составляет 3 × 3 угловые минуты. Понятно, что ни за какое разумное время он не смог бы обозреть всю небесную сферу площадью более 41 тысячи квадратных градусов.
SPHEREx — это, напротив, «переписчик». Диаметр телескопа — всего 20 сантиметров, так что разрешение составляет несколько угловых секунд. Детали меньшего углового размера будут сливаться друг с другом. Зато поле зрения очень широкое: 3,5 × 11 градусов. Это позволяет телескопу за два года запланированной миссии обозреть всю небесную сферу четыре раза.
«Уэбб» с его 132 микромоторами, приводящими в движение 18 сегментов зеркала, — верх технической изощренности. А вот конструкторы SPHEREx сделали ставку на простоту. Телескоп не имеет движущихся частей (кроме солнцезащитного экрана, который требуется развернуть один раз) и не может переключаться в разные режимы наблюдения. Это делает новый инструмент не только надежным, но и сравнительно недорогим: он обойдется примерно в 400 миллионов долларов, тогда как бюджет «Уэбба» приближается к десяти миллиардам.
Запуск SPHEREx намечен на апрель 2025 года.
