Как появилась и чем займется еще одна космическая обсерватория
В предпоследний день лета 2026 года в небо должна взмыть тяжелая ракета-носитель Falcon Heavy с космической обсерваторией Роман, чье поле зрения на два порядка больше, чем у «Хаббла» или «Джеймса Уэбба». Рассказываем, какие тайны Вселенной она поможет разгадать в ближайшие несколько лет, и при чем тут списанные детали военных спутников.
В январе 2011 года в Отделе астрофизики NASA раздался необычный телефонный звонок. Звонивший оказался сотрудником Национального управления военно-космической разведки США (NRO), который хотел узнать — не нужно ли случайно агентству два завалявшихся без дела телескопа от спутников-шпионов?
Сами телескопы были построены на рубеже веков по заказу NRO в рамках программы «Future Imagery Architecture» и должны были стать частью новых военных спутников-разведчиков. Оптические и радиолокационные системы наблюдений для спутников разрабатывала компания Boeing, однако многочисленные технические проблемы, перерасход бюджета и срывы сроков привели к тому, что в сентябре 2005 года проект признали неудачным, контракт на оптические системы был перезаключен с компанией Lockheed Martin, а два построенных телескопа и ряд запчастей к ним остались лежать в чистой комнате компании ITT Exelis в Рочестере.
В NASA телескопами заинтересовались — они отличались от гражданских космических собратьев облегченной конструкцией, маневренным вторичным зеркалом, позволяющим получать более четкие изображения, а также тем, что при схожем с телескопом «Хаббл» диаметром главного зеркала (2,4 метра) их поле зрения было в сто раз больше. Некоторое время в агентстве бились над вопросом куда бы пристроить хотя бы один из телескопов (на пристраивание второго бюджета никак не хватало) и наконец нашли ответ — инструмент подойдет для будущей космической обсерватории WFIRST (Wide Field Infra-Red Survey Telescope).
О необходимости создания WFIRST заговорили еще в 2010 году, тогда ее объявили первоочередной целью для ближайшее десятилетие. Однако NASA не смогло выделить достаточного финансирования для старта разработки обсерватории, так как большую часть бюджета упорно съедал другой гигант из мира космических телескопов — «Джеймс Уэбб». Неожиданный подарок от NRO агентству выглядел как прекрасный способ сэкономить расходы и время на создание WFIRST, существенно увеличив его возможности, даже несмотря на то, что телескопы поставлялись без камер и других приборов. В итоге, в августе 2011 года NASA получило оба инструмента (с которых уже был снят гриф секретности) и поместило их в чистую комнату.
В 2016 году обновленный проект WFIRST был одобрен для реализации, однако из-за продолжавшихся сложностей с финансированием эскизы конструкции обсерватории и ее основных приборов утвердили только в 2019 году. В 2020 году обсерваторию переименовали в честь Нэнси Роман — она была первой женщиной, занявшей руководящую должность в NASA, и возглавляла разработку несколькихПод ее руководством были созданы и запущены IUE (International Ultraviolet Explorer), COBE (Cosmic Background Explorer) и четыре космических телескопа программы Orbiting Astronomical Observatory. Роман также занималась и научной деятельностью: ее работы посвящены классификации, особенностям движения и эволюции звезд Млечного Пути. спутников и обсерваторий, в том числе и «Хаббла». А в 2022 году NASA поручило компании SpaceX вывод обсерватории в космос, тогда же дату старта перенесли с 2025 на 2026 год.
Оптическая схема обсерватории представляет собой трехзеркальный анастигмат, а главное зеркало, при размерах, аналогичных зеркалу «Хаббла», вчетверо легче него и выполнено из стекла со сверхнизким коэффициентом теплового расширения. Оно покрыто слоем серебра толщиной менее 400 нанометров (для лучшего отражения излучения в ближнем инфракрасном диапазоне) и отполировано до состояния шероховатости всего 1,2 нанометра. Рабочий диапазон длин волн, на которых будут вестись наблюдения, охватывает видимый и ближний инфракрасный диапазоны (0,5–2,3 микрона), благодаря чему Роман закрывает своими наблюдениями промежуток в электромагнитном спектре между рабочими диапазонами телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», не уступая «Хабблу» в угловом разрешении.
Поле зрения обсерватории Роман как минимум в сто раз больше, чем у камеры ACS «Хаббла» или NIRCam «Джеймса Уэбба», в двести раз больше, чем у инфракрасного канала камеры WFC3 «Хаббла», и примерно в полтора раза больше видимого размера диска полной Луны. Для того, чтобы снять область неба, которую обсерватория способна сфотографировать в два захода, широкоугольной камере «Хаббла» придется сделать 3432 кадра.
Общая масса обсерватории без топлива — около восьми тонн, в развернутом состоянии она обладает длиной около 12,7 метра и шириной около 4,4 метра. Энергией телескоп будут снабжать шесть солнечных батарей, каждая размером 2 × 3 метра, а за передачу данных отвечает антенна с высоким коэффициентом усиления и диаметром 1,7 метра.
В список полезной нагрузки Роман входят два основных научных инструмента. Широкоугольная 300-мегапиксельная камера WFI способна как делать снимки с использованием восьми различных фильтров, так и проводить спектроскопические наблюдения. Благодаря солнцезащитному экрану элементы камеры в космосе остынут до температур от 90 до 190 кельвин за счет пассивного охлаждения, что позволит минимизировать тепловые помехи при наблюдениях. Высококонтрастный коронограф CGI будет использовать новую технологию блокировки света звезд и компенсации искажений в волновом фронте. В его состав войдут набор из нескольких светонепроницаемых дисков и двух зеркал, чья поверхность может менять свою форму по команде с Земли, что позволяет эффективно наблюдать объекты вблизи звезд, такие как диски или экзопланеты. А за счет пассивного охлаждения инструмент охладится почти до 180 кельвин.
После того, как обсерватория отделится от верхней ступени ракеты, она включит собственную двигательную установку, использующую гидразин, чтобы совершить перелет к гало-орбите вокруг второй точки Лагранжа системы «Солнце — Земля», расположенной примерно в полутора миллионах километров от Земли. Запасов топлива хватит на поддержание орбиты и правильной ориентации телескопа в течении пяти лет с потенциалом продления срока службы еще на пять лет.
Что же касается научной программы телескопа, то она очень обширна: за первые пять лет работы астрономы ожидают накопить около 20 петабайт данных. Обсерватория Нэнси Роман будет наблюдать очень тусклые и далекие галактики, измерять их красное смещение и положение на небе, что позволит уточнить распределение барионной материи во Вселенной и оценить размеры войдов. Кроме того, используя вспышки сверхновых типа Ia и эффекты слабого и сильного гравитационного линзирования, новый телескоп поможет ученым лучше разобраться в распределении темной материи и природе темной энергии.
Телескоп заглянет и в раннюю Вселенную, ища следы барионных акустических осцилляций спустя всего 600 миллионов лет после Большого Взрыва, а также попытается заметить события приливного разрушения звезд юными сверхмассивными черными дырами, чтобы понять, как подобные объекты очень быстро набирали массу на заре времен.
Обсерватория будет отслеживать вспышки сверхновых разных типов, килоновых, возникающих при слиянии нейтронных звезд, а также обнаружит множество ранее неизвестных экзопланет и коричневых карликов, причем ряд подобных объектов будут доступны прямым наблюдениям при помощи коронографа. Этот же прибор позволит узнать больше о том, как планеты формируются и растут в протопланетных дисках вокруг молодых звезд. Телескоп сможет обнаружить и экзопланеты-сироты, лишенные звезд, — здесь поможет эффект гравитационного микролинзирования, который проявится необычным поярчанием фоновых светил. А еще ученые надеются на открытия новых спутников внешних планет Солнечной системы и первой достоверной известной экзолуны. Нам же остается запастись терпением в ожидании первых научных результатов, которые будут не ранее начала 2027 года.