Отчего телескопы не летают как птицы

13 декабря 2022 года летающая обсерватория SOFIA поднялась в воздух последний раз, чтобы добраться своим ходом в Музей авиации и космонавтики Пима в Аризоне и остаться там уже навсегда. Так закончилась не только научная программа обсерватории, но и эра воздушной астрономии.

Лети и смотри

Воздушная астрономия возникла практически вместе с авиацией. 10 сентября 1923 года ВМС США собрали 16 бипланов для наблюдений за полным солнечным затмением с воздуха. Летчики получили тридцать фотографий — ни на одну из них затмение, правда, не попало. Тем не менее, провалившаяся экспедиция привлекла внимание прессы и широкой публики и в январе 1925 года на съемки нового солнечного затмения отправилась уже целая воздушная армада — дирижабль USS Los Angeles с семью учеными и приборами на борту и еще 25 самолетов. На этот раз Солнце в объектив фотоаппаратов попало, и хотя снимки, к разочарованию астрономов, получились смазанными, энтузиазма ученым это не убавило. Следующая охота за затмением в апреле 1930-го на самолетах Sikorsky PS-3 и Vought O2U-1 принесла, наконец, ученым хорошие снимки и подтвердила, что самолет способен оперативно доставить наблюдателя в наиболее удобную ему точку.

В конце 1950-х годов начинается эра космонавтики, а воздушная астрономия переживает второе рождение. Развитие датчиков инфракрасного излучения и первые успехи радиоастрономии воскресили интерес к наблюдениям за Вселенной в инфракрасном спектре, которые почти целый век мало кого интересовали. Большая часть инфракрасного излучения поглощается водяным паром в нижних слоях атмосферы Земли — но это перестает быть проблемой, если поднять телескоп выше слоя облаков на самолете или стратостате.

В 1957 году стартует проект Stratoscope I: телескоп на воздушном шаре поднялся на высоту 50 километров для наблюдений за фотосферой Солнца. После этого полеты астрономических приборов на стратостатах стали обычным явлением и продолжаются и по сей день.

Самолеты не остались в стороне — в 1965 году NASA устанавливает на борту бывшего пассажирского лайнера Convair 990 научную аппаратуру и отправляет его в погоню за затмением. Пока самолет оставался в лунной тени, один из астрономов на борту обратил внимание, что может отчетливо разглядеть галилеевские спутники Юпитера — и предлагает агентству назвать воздушную обсерваторию «Галилео». Наблюдения с нее уже не ограничиваются солнечными затмениями: их целью становятся комета Икэя — Сэки, Венера, Марс и метеорные потоки. На «Галилео» летал знаменитый астроном Джерард Койпер, который, наблюдая за Венерой в ближнем инфракрасном диапазоне, определил, что ее облака не состоят из водяного пара, как считалось ранее.

Аппетиты астрономов продолжают расти — теперь им нужен самолет с крупным телескопом у открывающегося окна. В 1968 году в небо взмывает двухмоторный самолет Learjet 24 с 30-сантиметровым телескопом, а ученые получают возможность вести наблюдения не только в ближнем, но и в дальнем инфракрасном диапазоне. Новые данные не заставляют себя ждать — ученые наблюдают Юпитер и Сатурн, туманности в Орионе, яркие инфракрасные источники в центре Млечного Пути и выясняют что облака на Венере состоят из серной кислоты. В период с 1968 по 1984 год в астрономических журналах было опубликовано более семидесяти статей по данным, полученным обсерваторией Learjet.

В 1974 году NASA отправляет в полет Воздушную обсерваторию Койпера (Kuiper Airborne Observatory, KAO). Это модифицированный военно-транспортный самолет Lockheed C-141A Starlifter, в отдельном открывающемся отсеке которого установлен телескоп-рефлектор Кассегрена с апертурой 91,5 сантиметров. Ученые были в полном восторге — обсерватория могла вести наблюдения в течение 7,5 часов (Learjet летал максимум 2,5 часа, а предыдущие обсерватории — и того меньше) на высоте до 14 километров, гарантированно выше облаков.

За 21 год работы KAO совершила 1417 полетов, среди которых был целый ряд прорывных для инфракрасной астрономии: открытие колец Урана, доказательство наличия атмосферы у Плутона, обнаружению водяного пара в комах комет и ​​в атмосфере Юпитера, описание состава и структуры остатка сверхновой 1987А, наблюдения за протопланетными дисками, облаками газа и пыли в центре Млечного Пути, поиски сложных органических молекул в межзвездной среде.

Само совершенство

В 1984 году астрономы представляют проект воздушной обсерватории следующего поколения, который получает имя SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). В 1996 году NASA и Немецкий центр авиации и космонавтики (DLR) подписывают меморандум о совместном создании и эксплуатации обсерватории — на 80 процентов проект финансируется NASA, остальные расходы берет на себя немецкая сторона. Первый полет SOFIA состоялся в апреле 2007 года, а в мае 2010 года она получает первые научные данные, наблюдая за ядром галактики ​​M82 и Юпитером.

SOFIA — это вершина стратосферных обсерваторий. На Boeing 747SP, который 10 с лишним лет перевозил людей из Нового света в Старый и обратно, установили 2,7-метровый телескоп, расположив его в открываемом хвостовом отсеке самолета. В комплекте с телескопом шел целый ряд научных приборов, а длительность наблюдений достигала 10 часов. Полеты проводились на высоте 11-14 километров, где обсерватории, помимо оптического диапазона, было доступно 85 процентов длин волн инфракрасного диапазона.

Список научных целей обсерватории был широк: от карликовых планет Солнечной системы до экзопланетных систем, областей звездообразования и далеких галактик. За годы работы SOFIA отыскала молекулы воды в реголите на видимой стороне Луны и атомы кислорода в атмосфере Марса, подтвердила существование в космосе молекулярных ионов HeH+, которые считаются первыми молекулами во Вселенной, отменила хайп вокруг биомаркера фосфина в атмосфере Венеры и увидела следы столкновения двух экзопланет в системе BD+20 307.

Кроме того, обсерватория помогла определить, что магнитные поля вблизи сверхмассивных черных дыр могут как способствовать, так и препятствовать аккреции вещества на черную дыру, что галактические ветра ускоряют отток газа из галактик, а излучение от звезд способно помогать образованию сложных органических молекул в туманностях, а не разрушать их. И это далеко не полный список всех открытий.

Дорогое удовольствие

Однако помимо научных прорывов в жизни SOFIA были и трудности. Они начались еще при строительстве обсерватории. Проблемы с подрядчиками, создававшими элементы обсерватории, сокращение бюджета NASA и объединение ФРГ с ГДР привели к тому, что строительство телескопа заняло почти 20 лет, а стоимость выросла в несколько раз. Кроме того, с запуском аппарата IRAS в 1983 году у воздушных обсерваторий появились серьезные конкуренты в космосе, способные вести более точные наблюдения в течение более длительного времени. Так что над SOFIA, годовое содержание которой обходилось NASA в сумму, равную затратам на годовую эксплуатацию «Хаббла», быстро начали сгущаться тучи.

Гром грянул в 2019 году, когда независимая комиссия NASA пришла к выводу, что обсерватория за первые пять лет работы получила материала в среднем на 21 научную статью в год, что делало ее одним из наименее продуктивных телескопов в мире. В 2020 году администрация Дональда Трампа предложила закрыть проект, ссылаясь на его научную неэффективность, но ученым удалось отстоять право SOFIA на дальнейшие полеты.

Тем не менее, в 2021 году выходит новый десятилетний астрофизический обзор NASA, где снова говорится о непродуктивности SOFIA — и том, что дальнейшего улучшения эффективности агентство от нее уже не ожидает. Ситуацию усугублял и рост затрат NASA на другие проекты, в том числе на телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого единогласно признают главным научным прорывом 2022 года передовые научные журналы Science и Nature. Команда SOFIA была против закрытия проекта, однако этой весной Белый дом опубликовал бюджет NASA на следующий год, где места для SOFIA уже не нашлось.

А следом было принято решение завершить проект осенью, невзирая на то, что ряд научных программ рассчитывали продолжать свои наблюдения с борта летающей обсерватории. Последний научный полет «Софии» состоялся 28 сентября 2022 года, а 13 декабря она приземлилась уже в музее.

Новой воздушной обсерватории мы не дождемся — Пол Герц (Paul Hertz), который был директором отдела астрофизики NASA на момент принятия решения о закрытии проекта, считает, что если бы ученые знали, сколько будет стоить эксплуатация SOFIA, то они бы решили заниматься этими исследованиями каким-то другим способом. И теперь воздушная астрономия, время триумфов которой безвозвратно ушло, будет ограничиваться лишь телескопами на стратостатах. В области инфракрасной астрономии теперь властвует «Джеймс Уэбб», которому помогают наземные телескопы и космический телескоп «Хаббл».