Астрокосмический центр ФИАН планирует совместить работу телескопа субтерагерцевого диапазона, расположенного в приполярных районах Луны, с наземной обсерваторией. Такая комбинация позволит реализовать некоторые функции телескопа с эффективным диаметром, достигающим 400 тысяч километров. Однако, несмотря на привлекательность идеи, у данного предложения имеются существенные недостатки.
Субтерагерцевым диапазоном называют волны миллиметровой и субмиллиметровой длины (от 100 до 1000 гигагерц). В астрономических исследованиях он представляется весьма перспективным, поскольку в космическом пространстве количество веществ, поглощающих излучение в этой области спектра, относительно невелико, что обеспечивает лучшее распространение сигналов по Вселенной. Даже при наблюдениях с Земли удается получать ценные данные: так, Телескоп горизонта событий позволил получить изображения областей вокруг черных дыр, расположенных в центре нашей Галактики и в галактике M87. Однако, значительное поглощение этих волн земной атмосферой создает определенные трудности.
Активно разрабатывается космическая обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М») диаметром 10 метров в Астрокосмическом центре ФИАН. Предполагается, что ее будут размещены в космосе, на удалении около 1,5 миллиона километров от Земли. Благодаря совместной работе с наземными обсерваториями, космическая обсерватория обеспечит эффект «виртуального телескопа» с диаметром 1,5 миллиона километров.
При разработке проекта «Миллиметрон» были допущены ошибки, характерные для российской космонавтики в целом: предполагалось активное взаимодействие с зарубежными странами. Система охлаждения телескопа до температуры минус 250 градусов и гетеродинный блок планировалось импортировать. Однако, как и предсказывалось, иностранные партнеры отказались от сотрудничества (за исключением Китая, который сам не способен производить самые сложные компоненты), поэтому в 2022 году было решено самостоятельно создавать наиболее сложные блоки.
Несмотря на позитивные моменты, очевидно, что запуск «Миллиметрона» будет отложен на несколько лет. В настоящее время остается неясным, смогут ли российские специалисты создать систему охлаждения до минус 250 градусов (в идеале – ниже) для работы в космических условиях, или же придется ограничиться температурой минус 220 градусов, что приведет к снижению чувствительности телескопа.
В новой работе в журнале Cosmic Research ученые из Астрокосмического центра ФИАН рассмотрели несколько альтернативных концепций обсерваторий субтерагерцевого диапазона. О работе также сообщает сайт ФИАН. Помимо космического компонента класса «Миллиметрон», они изучают варианты наземной субтерагерцевой антенной решетки, то есть массива из малого диаметра. Другой вариант — телескоп на поверхности Луны.
Прототип решетки, предназначенный для отработки ключевых технологий, будет включать от трех до шести антенн диаметром от трех до пяти метров. Изначально его планируется установить и протестировать в Пущинской радиоастрономической обсерватории. После завершения испытаний ученые рассчитывают создать на его основе полноценную обсерваторию, работающую в субтерагерцевом диапазоне. В состав этой обсерватории войдут шесть антенн с возможностью полного поворота и диаметром до восьми метров, с качеством поверхности около 40 микрон. Угловое разрешение полученного инструмента составит 0,59 угловых секунд. Размещение антенной решетки рассматривается на локальном плато на горе Маяк в Дагестане (высота 2352 метра) или на пике Хулугайша в Саянах (высота 3015 метров).
Среди проанализированных вариантов есть и более масштабный: установка телескопа, аналогичного наземным, внутри одного из лунных кратеров, расположенных в приполярной вечной тени. Такие кратеры на Луне характеризуются тем, что в них никогда не бывает солнечного света. На Земле, Марсе или Венере нет мест, подобных им, из-за значительного угла наклона оси вращения, определяющего смену времен года. Однако у Луны угол наклона оси вращения минимален, и около 300 кратеров постоянно остаются в тени.
Специалисты Астрокосмического центра подчеркивают, что системы охлаждения, представляющие собой наиболее уязвимое место российского телескопа «Миллиметрон», будут испытывать минимальную нагрузку в кратере вечной тьмы. Предполагается, что температура в этом районе составляет около минус 220 градусов, что позволит избежать дополнительного охлаждения. Исследователи рассчитывают, что даже не самые совершенные системы охлаждения смогут обеспечить снижение температуры до минус 250 градусов, что необходимо для достижения высокой чувствительности телескопа.
Авторы исследования утверждают, что такая лунная антенная решетка, совместно с наземной сетью телескопов аналогичного диапазона, позволит получить изображения теней черных дыр с разрешением, превышающим разрешение Телескопа горизонта событий в 30 раз. Это, несомненно, значительно улучшит понимание физики сверхмассивных черных дыр и окажет существенную поддержку в решении других астрономических задач).
Этот сценарий представляется вполне логичным, однако не стоит забывать о ряде практических препятствий. Наиболее значимым из них является лунный реголит. Согласно опыту, полученному в ходе экспедиций программы «Аполлон», он стремительно прилипает к любым рукотворных конструкциям на Луне и трудно поддается очистке. Попадание пыли на чувствительное оборудование, такое как телескопы, создает серьезную проблему, которая может значительно ухудшить качество собираемых данных. Да, как уже писал Naked Science, полярные регионы покрыты вечной мерзлотой, что потенциально уменьшает количество лунной пыли в кратерах, находящихся в вечной тени. Однако точный масштаб этого влияния пока не установлен.
Второй значительный вопрос заключается в том, что предложенная концепция трансформирует сложный космический аппарат в несколько независимых антенн, расположенных на поверхности Луны. Для их функционирования потребуется более мощный источник энергии, а также передающий кабель от модуля с солнечными батареями, находящегося за пределами кратера вечной тени, до самого кратера. Реализация подобной конструкции потребует, фактически, альпинистских работ в лунной среде. Принимая во внимание, что скафандры для полетов к естественному спутнику Земли имеют массу более центнера, выполнение таких операций в них представляется невозможным (особенно до начала пилотируемых экспедиций в подобные зоны). Тем более такое недоступно роботам.
Авторы исследования высказали предложение о размещении радиотелескопов за пределами кратеров, в солнечных зонах, хотя и в полярных областях. Однако это создаст значительные трудности с охлаждением: даже в полярных регионах, открытые телескопы могут существенно нагреться за время лунных суток, которое составляет две недели. Непонятно, чем такое решение превосходит более компактный и экономичный вариант «Миллиметрона.
Вопросы касаются также сроков создания мегателескопа на Луне. В настоящее время у России отсутствует документация по лунной сверхтяжелой ракете. Соответственно, пилотируемые полеты на Луну не произойдут раньше 2030-х годов, поскольку без участия человека реализация столь масштабных конструкций за пределами Земли невозможна. К тому времени «Миллиметрон» значительно продвинется в технической реализации по сравнению с амбициозным проектом по созданию лунной антенной решетки. Возможно, учитывая это, авторы статьи рассматривают и возможность использования группы чисто космических телескопов — функциональных аналогов «Миллиметрона».