Космическое агентство США завершило разработку орбитальной обсерватории SPHEREx. Специалисты переходят от моделирования к созданию инструмента в физическом воплощении. В связи с этим Naked Science рассказывает, зачем нужен ещё один инфракрасный телескоп после запуска «Джеймса Уэбба» и какие открытия можно от него ждать.
Инфракрасному космическому телескопу SPHEREx предстоит изучить первую секунду существования Вселенной, раскрыть тайны формирования галактик, исследовать воду и органические вещества в «колыбелях планет» и многое другое. объявилоТакой необходимый инструмент прошёл этап проектирования.
«Переходим от компьютерных моделей к настоящему оборудованию, — говорит Аллен Фаррингтон, руководитель проекта SPHEREx в Лаборатории реактивного движения NASA. — Конструкция космического аппарата утверждена в полном объёме. Доказали возможность реализации каждой детали. Теперь можно приступать к изготовлению и сборке».
СФЕРеХ — сокращение от «Спектрофотометр для исследования истории Вселенной и [космических] льдов». Само название указывает на два направления исследований: историю Вселенной в целом и ее галактик, а также обзор космических запасов воды и других веществ, необходимых для жизни.
Великое вздутие
SPHEREx предоставит информацию о Вселенной, получая спектры 490 миллионов галактик. Спектры дадут возможность определить красное смещение и расстояние до звездных систем, что позволит разместить эти галактики на трехмерной карте.
Трехмерная структура галактик отражает историю Вселенной и законы ее развития. Карта, созданная SPHEREx, особенно полезна для изучения космической инфляции – гипотетического взрывного расширения пространства-времени в первые доли секунды после Большого взрыва.
Вселенная продолжает расширяться, а сразу после Большого взрыва этот процесс протекал с невероятной скоростью. Сейчас наблюдаемая часть Вселенной сформировалась из крошечного участка пространства. −35Мгновенно после Большого взрыва объем этой «сферы» увеличился, по разным расчетам, в 10. 30–1080Вы считаете, что инфляция — это когда повышаются цены на сахар?
Не все космологи согласны с инфляционной теорией, но она объясняет множество свойств наблюдаемой Вселенной, которые сложны для объяснения другими способами.
Эта теория объясняет однородность космоса в больших масштабах. Области Вселенной, большие от сотен миллионов до миллиардов световых лет, похожи друг на друга. Сопоставив их размеры со скоростью света, ученые сделали вывод, что каждый регион имел собственную историю. Почему же все пришли к одному финалу? Начальные условия везде были практически одинаковыми, так как начало наблюдаемой Вселенной положила одна крошечная область пространства.
Несмотря на это, масса и энергия в этой «капле» были распределены неравномерно. Инфляция увеличила эти крошечные неоднородности, что привело к образованию галактик и скоплений галактик. Трёхмерное расположение «звездных островов» отражает историю инфляции.
С причинами инфляции продолжаются споры в космологии. Одна из гипотез связывает её с образованием частиц из вакуума. эффект КазимираВ одних моделях источником инфляции выступает энергия, которая взаимодействует с кривизной пространства-времени. Другие модели вводят специальное поле, отвечающее за инфляцию — инфлатон. Существуют и модели, которые используют сразу несколько инфлатонов.
Карты распределения галактик, созданные SPHEREx, помогут выбрать одну из существующих теорий. Ученые очень этого ждут.
Замечая фон
Объектом изучения SPHEREx также является межгалактический инфракрасный фон.
Сначала это карликовые галактики, слишком маленькие и тусклые, чтобы разглядеть по отдельности, но вместе создающие какое-то свечение. Во-вторых, это звездные гало вокруг галактик. Звездные гало — разреженные облака из звезд, покинувших свою родительскую галактику вследствие бурных процессов. Размах такого гало может достигать миллиона световых лет. Есть и другие источники межгалактического инфракрасного «света», все они связаны с историей Вселенной и ее составляющих галактик.
Заглянуть в колыбель жизни
С помощью инфракрасного зрения SPHEREx можно решать и другие задачи. Некоторые вещества оставляют явный спектральный след только в инфракрасном диапазоне: это вода, углекислый газ, угарный газ и метиловый спирт.
Эти соединения находятся в межзвездных молекулярных облаках, масса которых равна миллионам масс Солнца. Согласно земным меркам, эти облака очень разрежены: расстояние между соседними молекулами составляет метры. Но по сравнению с фоновым космическим пространством это довольно плотные скопления вещества. Молекулярные облака — место рождения звезд и планет. Гравитация уплотняет в них вещество, создавая протозвезды и протопланетные диски. Впоследствии из них появляются звезды и планеты.
Расчёты свидетельствуют, что простые соединения углерода в молекулярных и протопланетных облаках могут превращаться в органику высокой сложности. Такие химические реакции вызываются заряженными частицами из Галактики и ультрафиолетовым излучением молодых звёзд. Экспериментаторы воспроизводили эти процессы в лабораториях.
Возникает предположение о том, что органику, образовавшуюся в процессе формирования планет, можно считать одним из факторов появления жизни на Земле. Возможно, подобный процесс способен произойти и на других небесных телах.
Нам до неприличия мало известно о химических преобразованиях в молекулярных и протопланетных облаках. Это прежде всего связано с недостатком инфракрасных спектров этих объектов у наблюдателей. В этом случае поможет SPHEREx.
Новый телескоп, исследуя небо, в сотни раз увеличит количество спектров молекулярных облаков, протозвезд и протопланетных дисков. Такое обилие данных позволит лучше понять процессы, которые могли стать основой для жизни.
Перепись населения Вселенной
Обсудим устройство и программу работы нового телескопа.
Существуют два противопоставленных подхода к изучению космоса: пристальное исследование небольших участков неба и отдельных небесных тел, подобное написанию биографий выдающихся людей, и стремительный обзор обширных областей неба, напоминающий перепись населения. Обе задачи значительны, но для их решения нужны различные инструменты.
Новый инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» — яркий пример «космического биографа». Шести с половиной метровое зеркало обеспечивает ему высокое разрешение: на длине волны 1 микрометр он способен различать детали размером порядка угловой миллисекунды. Расплатой за такую зоркость служит узкое поле зрения: например, для инструмента NIRSpec на борту «Уэбба» оно… составляетТри на три угловых минуты. Разве за любое разумное время ему удалось бы охватить полную небесную сферу, площадь которой превышает 41 тысячу квадратных градусов?
SPHEREx — это «переписчик». Диаметр телескопа всего 20 сантиметров, поэтому разрешение составляет несколько угловых секунд. Детали меньшего размера сливаются друг с другом. С другой стороны, поле зрения очень широкое: 3,5 × 11 градусов. Это позволяет за два года запланированной миссии обсмотреть всю небесную сферу четыре раза.
Своими 132 микромоторами, приводящими в движение 18 сегментов зеркала, «Уэбб» воплощает технический пик совершенства. Проектировщики SPHEREx же предпочли простоту. Телескоп лишен движущихся частей (кроме солнцезащитного экрана, который необходимо развернуть единожды) и не способен переключаться в различные режимы наблюдения. обойдетсяСтоимость первого фильма составила около 400 миллионов долларов, а бюджет «Уэбба» близок к десяти миллиардам.
Планируется запустить SPHEREx в апреле 2025 года.