Американское космическое агентство завершило работу над орбитальной обсерваторией SPHEREx. Теперь специалисты приступают к созданию физического прототипа инструмента. В связи с этим Naked Science рассказывает, почему необходим еще один инфракрасный телескоп после запуска «Джеймса Уэбба» и какие открытия ожидаются от него.
Инфракрасный космический телескоп SPHEREx намерен изучить первые секунды после Большого взрыва, выяснить, как формировались галактики, исследовать наличие воды и органических соединений в областях формирования планет, и выполнить множество других задач. Недавно космическое агентство NASA объявило, что столь необходимый инструмент прошел стадию проектирования.
«Сейчас мы переходим от работы с компьютерными моделями к работе с реальным оборудованием», — заявил Аллен Фаррингтон, руководитель проекта SPHEREx в Лаборатории реактивного движения NASA. Конструкция космического аппарата окончательно утверждена. Мы продемонстрировали возможность ее реализации в деталях. Теперь мы можем приступить к изготовлению и сборке компонентов».
SPHEREx — это аббревиатура, расшифровывающаяся как Spectro-Photometer for the History of the Universe and Ices Explorer, что переводится как «Спектрофотометр для изучения истории Вселенной и космических льдов». Такое название отражает два основных направления исследований: изучение истории Вселенной и входящих в нее галактик, а также изучение запасов воды и других веществ, необходимых для возникновения жизни.
Великое вздутие
Какие сведения о Вселенной предоставит SPHEREx? В первую очередь, телескоп зафиксирует спектры для 490 миллионов галактик. Анализ этих спектров позволит установить красное смещение и, следовательно, определить расстояние до звездных систем. Таким образом, будет создана трехмерная карта галактик.
Изучение трехмерного распределения галактик позволяет получить информацию об истории Вселенной и фундаментальных законах, определяющих ее эволюцию. Карта, созданная SPHEREx, станет ценным инструментом для исследования космической инфляции – гипотетической модели, описывающей стремительное расширение пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва.
Вселенная продолжает расширяться и в настоящее время, однако, как считается, сразу после Большого взрыва этот процесс протекал с невероятной скоростью. Вся наблюдаемая нами часть Вселенной буквально увеличилась в размерах, образовавшись из чрезвычайно малой области пространства. За первые 10 −35 секунд после Большого взрыва его объем этого «шарика» увеличился, по разным оценкам, в 10 30–1080 раз. А вы думали, инфляция это когда дорожает сахар?
Хотя инфляционная теория не пользуется всеобщей поддержкой среди космологов, она позволяет установить взаимосвязь между различными характеристиками наблюдаемой Вселенной, объяснить которые иным способом затруднительно.
Эта теория позволяет понять, почему в больших масштабах космос демонстрирует высокую степень однородности. Области Вселенной, размеры которых варьируются от сотен миллионов до миллиардов световых лет, во многом схожи. Сравнив эти размеры со скоростью света, которая является максимально возможной для передачи вещества и излучения, исследователи пришли к выводу, что каждый из таких регионов развивался независимо. Причина такой универсальности заключается в том, что начальные условия во всех областях были практически идентичными. Это связано с тем, что начало существования всей наблюдаемой Вселенной положила единая, чрезвычайно малая область пространства.
Несмотря на это, масса и энергия в «капле» распределены неравномерно. Инфляция усилила эти незначительные отклонения, что привело к формированию галактик и скоплений галактик. Таким образом, трехмерное расположение «звездных островов» отражает историю инфляции.
Космологи уже давно обсуждают причины инфляции. По одной из гипотез, причиной послужило возникновение частиц из вакуума ( эффект Казимира), некоторые теории объясняют это явление, связывая его с искривлением пространства-времени. Альтернативные модели постулируют существование отдельного поля, которое вызывает инфляцию – инфлатон. Существуют также подходы, использующие сразу несколько инфлатонов.
Карты распределения галактик, созданные SPHEREx, помогут определить, какая из существующих теорий является наиболее верной. Ученые возлагают на это большие надежды.
Замечая фон
SPHEREx также исследует межгалактический инфракрасный фон, который представляет собой слабое излучение с множеством источников.
Сначала это карликовые галактики, которые из-за небольшого размера и низкой яркости неразличимы по отдельности, однако в совокупности создают заметное свечение. Далее — звездные гало, окружающие галактики. Эти гало представляют собой разреженные скопления звезд, отделившихся от родительской галактики в результате интенсивных взаимодействий. Расстояние, на которое может простираться такое гало, достигает миллиона световых лет. Существуют и другие источники межгалактического инфракрасного излучения, все они связаны с эволюцией Вселенной и галактик, из которых они состоят.
Заглянуть в колыбель жизни
Благодаря инфракрасному зрению SPHEREx можно решить и другую задачу. Некоторые вещества оставляют характерный спектральный отпечаток именно в инфракрасной области. К ним в первую очередь относятся вода, углекислый газ, угарный газ и метиловый спирт.
Эти соединения обнаруживаются в межзвездных молекулярных облаках, чья масса может достигать миллионов солнечных масс. Если рассматривать их в сравнении с Землей, то эти облака обладают крайне низкой плотностью: между соседними молекулами простираются расстояния в несколько метров. Однако, по сравнению с фоновым космическим пространством, они представляют собой довольно плотные скопления вещества. Молекулярные облака являются местами рождения звезд и протопланет. Под действием гравитации вещество в них сжимается, формируя протозвезды и протопланетные диски, из которых впоследствии рождаются звезды и планеты.
По данным расчетов, элементарные соединения углерода, присутствующие в молекулярных и протопланетных облаках, способны трансформироваться в более сложные органические вещества. Эти химические превращения инициируются заряженными частицами, прилетающими из других галактических регионов, и ультрафиолетовым излучением, исходящим от молодых звезд. Экспериментаторы воспроизводили эти процессы в лабораториях.
Возникает предположение, что протопланетная органика сыграла роль в зарождении жизни на Земле. Если это действительно так, аналогичный процесс может произойти и на других планетах.
Несмотря на это, наши знания о химических процессах, происходящих в молекулярных и протопланетных облаках, остаются крайне ограниченными. Основная причина – недостаток инфракрасных спектров, получаемых при наблюдении за этими объектами. Именно поэтому столь важен проект SPHEREx.
Изучая небесные тела, новый телескоп позволит приблизительно в сто раз увеличить количество спектров молекулярных облаков, протозвезд и протопланетных дисков. Такой объем данных поможет лучше понять процессы, потенциально лежащие в основе возникновения жизни.
Перепись населения Вселенной
Давайте обсудим конструкцию и план наблюдений для нового телескопа.
Существуют два различных подхода к изучению космоса. Один из них предполагает детальное исследование ограниченных участков неба и отдельных небесных объектов, что можно сравнить с составлением биографии выдающихся людей. Другой подход заключается в быстром обзоре обширных областей, выступая в роли своеобразной переписи населения. Очевидно, что каждая из этих задач имеет свою ценность, однако для их реализации необходимы различные инструменты.
Инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб», недавно вышедший на орбиту, является наглядным образцом «космического биографа». Огромное зеркало, диаметром шесть с половиной метров, обеспечивает высокую разрешающую способность: на длине волны 1 микрометр он может различать детали с угловым размером порядка угловой миллисекунды. Однако, высокая детализация достигается ценой узкого поля зрения: так, для инструмента NIRSpec на борту «Уэбба» оно составляет за три минуты углового обзора он попросту не успел бы охватить всю небесную сферу, занимающую более 41 тысячи квадратных градусов.
SPHEREx выполняет функцию «переписчика». Телескоп имеет небольшой диаметр – всего 20 сантиметров, поэтому его разрешение составляет несколько угловых секунд. Объекты, расположенные на меньших угловых расстояниях, будут казаться объединенными. Однако, поле зрения очень широкое: 3,5 × 11 градусов. Это позволяет телескопу за два года запланированной миссии охватить всю небесную сферу четырежды.
«Уэбб» с его 132 микромоторами, обеспечивающими движение 18 сегментов зеркала, представляет собой пик технической сложности. В то время как конструкторы SPHEREx выбрали подход, основанный на простоте. Телескоп не оснащен подвижными элементами (за исключением солнцезащитного экрана, который необходимо развернуть лишь один раз) и не предусматривает переключение между различными режимами наблюдения. Благодаря этому новый инструмент отличается не только надежностью, но и сравнительно низкой стоимостью: он обойдется примерно в 400 миллионов долларов, тогда как бюджет «Уэбба» приближается к десяти миллиардам.
Старт миссии SPHEREx запланирован на апрель 2025 года.