С помощью 20 компактных кубических спутников — кубсатов — ученые отследили, как меняются потоки заряженных частиц и гамма-лучей в околоземном космическом пространстве. Исследователи зафиксировали несколько мощных вспышек гамма-излучения в 2023 году, а также увеличение потоков электронов в 2021 и 2022 годах, причиной которых стало усиление солнечной активности.
Траектории кубсатов в проекции на карту Земли / © Svertilov et al., Advances in Space Research, 2024.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advances in Space Research.
Гамма-всплески (вспышки электромагнитного гамма-излучения, возникающие при взрыве массивных звезд в дальнем космосе), а также потоки космических заряженных частиц могут нарушать работу наземных и орбитальных электронных устройств. Чтобы подготовить к ним технику, подобные явления нужно отслеживать. На сегодняшний день гамма-излучение регистрируют сразу несколько обсерваторий, находящихся на низкой околоземной орбите — на расстоянии 400–500 километров от Земли.
Из-за такого расположения они не могут обеспечить стопроцентного сканирование неба, поскольку в каждый момент времени Земля закрывает им примерно 60 процентов обзора. Альтернативой могут служить кубсаты — компактные, более дешевые и простые в производстве спутники, которые запускаются группами, а потому могут обеспечить наблюдение за всем небесным сводом.
Ученые из Московского государственного университета имени M.В. Ломоносова (Москва) и Белорусского государственного университета (Минск) начиная с 2018 года участвовали в подготовке запусков 20 компактных кубических (габаритами от 1000 до 6000 кубических сантиметров и весом от одного до шести килограммов) спутников, которые называют кубсатами. В рамках этой кооперации, которая существует уже более 20 лет, сотрудники Белорусского государственного университета предложили коллегам из МГУ имени М.В Ломоносова лучшие наработки в области сцинтиллирующих — испускающих свечение при воздействии электронов и гамма-излучения — материалов.
Кубсаты с научной аппаратурой, подготовленной специалистами из МГУ имени М.В. Ломоносова, оснащены детекторами рентгеновского и гамма-излучения, а также детекторами заряженных частиц и спектрометрами для наблюдений в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. С их помощью авторы ведут наблюдения за потоками высокоэнергетических частиц в околоземном космическом пространстве с 2018 года по настоящее время.
В ноябре-декабре 2021 года и в марте 2022 года исследователи зафиксировали увеличение потока высокоэнергетических электронов во внешнем радиационном поясе Земли — зоне, которая простирается до высот порядка 24 000 километров и в которой накапливаются и удерживаются заряженные частицы. Кроме того, потоки этих частиц усиливались около полюсов планеты в октябре-ноябре 2021 года и в июле 2023 года. Это объясняется повышением активности Солнца и проникновением солнечных космических лучей в полярную шапку магнитосферы Земли.
Также трижды — 8 августа, 12 августа и 17 сентября 2023 года — кубсаты, запущенные МГУ, зафиксировали сильные всплески гамма-излучения, которые длились от 20 до 140 секунд. Эти всплески возникают в результате взрывов массивных звезд в далеком космосе, на огромных расстояниях — порядка десятков секстиллионов (числа с 22 нулями) километров от Земли.
Достоверность этих наблюдений подтверждается тем, что такие же всплески детектировали приборы космического гамма-телескопа Ферми, работающего на орбите с 2008 года. Кроме этих «подтвержденных» гамма-всплесков наблюдались также гамма-всплески, которые были пропущены другими работающими на орбите телескопами из-за ограниченности их обзора. Это подчеркивает ценность использования кубсатов для охвата наблюдениями всего звездного неба.
С помощью кубсатов по гамма-излучению ученые могут отслеживать взрывы звезд как в нашей (гамма-вспышки магнетаров), так и в далеких галактиках, а также изменение солнечной активности. Авторы подчеркивают, что стоимость изготовления и запуска кубсата существенно ниже стоимости разработки, изготовления и запуска большого спутника, поэтому обычно их запускают целыми группами. И, поскольку у каждого кубсата своя траектория движения и индивидуальные координаты, они, в отличие от одного крупного спутника, позволяют одновременно «обозревать» 100 процентов небесного свода.
«В будущем в рамках собственной космической программы МГУ “Созвездие-270” мы планируем запустить еще не менее 20 кубсатов. Кроме того, будет развиваться сеть наземных приемных станций, которая позволит увеличить объем передаваемой с аппаратов информации и синхронизировать орбитальные и наземные наблюдения. Все это позволит отслеживать гамма-всплески практически в любой точке небесной сферы», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анатолий Июдин, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией космической рентгеновской и гамма-астрономии МГУ имени М.В. Ломоносова.
