Один из них будет расположен на Луне

Ученые из Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН разрабатывают сразу несколько концепций субтерагерцевых (частоты от 100 ГГц и выше) обсерваторий нового поколения. В их числе планируется создать компактную наземную антенную решетку, космический интерферометр, а также телескоп, расположенный на поверхности Луны.

Наземные антенные решетки смогут работать совместно с наземными телескопами, а также с космической обсерваторией «Миллиметрон» в режиме интерферометра со сверхдлинной базой.

Последнее десятилетие ознаменовалось значительными успехами в изучении Вселенной в субтерагерцевом, то есть в миллиметровом и субмиллиметровом, диапазоне спектра (частоты от 100 до 1000 ГГц). Во многом этому способствовали успехи космических миссий Herschel и James Webb Telescope. Но большой успех сопутствовал и наземным проектам, таким как телескоп IRAM, интерферометр NOEMA и антенная решетка ALMA. Важным результатом наземных наблюдений стало получение Телескопом горизонта событий (Event Horizon Telescope, или EHT) изображений сверхмассивных черных дыр в центре нашей Галактики и в галактике M87.

Наблюдения в субтерагерцевой части спектра затрагивают наиболее актуальные вопросы современной астрофизики. Это эволюция ранней Вселенной, процессы образования звезд и планет, поиск и изучение сложных органических соединений в межзвездной среде и молодых звездных системах, а также исследование компактных сверхмассивных объектов. Дело в том, что межзвездная среда более прозрачна на субтерагерцевых частотах по сравнению с радио- или инфракрасным диапазоном. Это дает уникальную возможность непосредственно наблюдать сверхмассивные черные дыры в активных ядрах галактик и исследовать поведение вещества в столь экстремальных условиях. Другой нерешенный вопрос связан с формированием «строительных блоков», из которых образовались на нашей планете первые молекулы-репликаторы. Существует предположение, что они появились еще на этапе формирования планеты или даже звездной системы. Причем в количестве, достаточном для детектирования будущими обсерваториями. Отдельная задача связана с изучением ранней Вселенной и поиском искажений в спектре реликтового излучения.

В ближайшем будущем планируется создание новых обсерваторий субтерагерцевого диапазона. Будет развиваться уже существующая наземная сеть телескопов-интерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ), к ней добавят новые инструменты. Однако на высоких частотах возможности наземных обсерваторий существенно ограничены атмосферой Земли. Еще одна проблема состоит в том, что на обширных пространствах северо-востока Евразии нет обсерваторий субтерагерцевого диапазона. Это белое пятно на карте покрытия наземной сети телескопов негативно влияет на качество их наблюдений. Также прорабатываются новые концепции космических обсерваторий и интерферометров. Например, SMVA (Space Millimeter VLBI Array), EHI (Event Horizon Imager), THEZA (TeraHertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics) и CAPELLA. Но полноценные наблюдения в субтерагерцевом диапазоне возможны только при развитии одновременно и наземных, и космических обсерваторий.

На сегодняшний день в Российской Федерации практически нет телескопов, способных выполнять наблюдения на частотах выше 100 ГГц. В свою очередь, Астрокосмический центр Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) активно работает над созданием космической обсерватории «Миллиметрон» («Спектр-М»). В новой работе специалисты из АКЦ ФИАН рассмотрели несколько концепций обсерваторий субтерагерцевого диапазона. Ими стали проекты субтерагерцевой наземной антенной решетки (массив антенн малого диаметра), космического интерферометра и телескопа, расположенного на поверхности Луны.

Наземная антенная решетка

Прототип решетки для отработки ключевых технологий будет состоять из нескольких антенн (три—шесть антенн) диаметром от 3 до 5 м. В начале его планируют установить в Пущинской радиоастрономической обсерватории (ПРАО), где есть все условия для тестирования системы. После завершения испытаний ученые предполагают создать на базе прототипа антенны и несущей платформы полноценную обсерваторию субтерагерцевого диапазона. Она будет состоять из шести полноповоротных антенн диаметром до 8 м и качеством поверхности антенн около 40 микрон. Причем начать наблюдения можно будет уже при наличии трех антенн. Угловое разрешение получившегося инструмента достигнет 0,59 угловой секунды. Разместить антенную решетку планируют либо на локальном плато на горе Маяк в Дагестане (высота над уровнем моря 2352 м), либо на пике Хулугайша в Саянах (высота над уровнем моря 3015 м).

Обсерватория на Луне

С научной точки зрения крайне перспективными будут лунные телескопы, работающие в недоступных на поверхности Земли диапазонах электромагнитного спектра. Это низкочастотный (частота ниже 10 МГц, метровые волны) и высокочастотный (больше 100 ГГц, включая дальний инфракрасный диапазон). В первом случае наблюдениям с Земли мешают ограничения ионосферы и техногенный шум радиоэфира, во втором ограничения связаны с поглощением и флуктуациями излучения при прохождении атмосферы. На поверхности Луны эти проблемы отсутствуют. Но научные задачи для высокочастотного диапазона более приоритетные. АКЦ ФИАН проработал сразу несколько вариантов радиоинтерферометрической антенной решетки в зависимости от места размещения обсерватории на Луне.

Первый вариант предполагает размещение всего комплекса антенных решеток внутри темного кратера, в который не проникают лучи Солнца. Это снизило бы нагрузку на криосистемы научных приборов, но усложнило бы их энергообеспечение. Решением этой проблемы может стать специальный служебный модуль, который совершит посадку в зону, освещаемую Солнцем. Помимо генерации и передачи электроэнергии для антенных модулей в кратере он мог бы осуществлять обмен научными и служебными данными между обсерваторией и Землей (возможно, через окололунный орбитальный ретранслятор).

Другой вариант — это строительство наблюдательного комплекса в приполярной зоне на освещаемом Солнцем участке. Это снимает проблему энергообеспечения антенн и делает их более автономными. Причем отдельные элементы антенной решетки могут быть как стационарными, так и передвижными конструкциями. Перемещающиеся по поверхности антенны могли бы занять на поверхности Луны оптимальную для наблюдений локацию. Правда, это может создавать технические трудности в виду больших габаритов аппаратов.

Лунная антенная решетка, работая совместно с наземной сетью телескопов, позволит «рассмотреть» тени черных дыр с разрешением до 30 раз лучше, чем это сделал Телескоп горизонта событий. Это приведет к прорыву в изучении физики сверхмассивных черных дыр. Также лунная обсерватория будет исследовать раннюю Вселенную через наблюдения спектральных искажений реликтового излучения и изучать некоторые проблемы звездообразования.

Космический интерферометр

Третье перспективное направление, которое может использовать опыт создания универсальной антенной решетки,— это космический интерферометр (интерферометр «космос—космос»). Астрокосмический центр Физического института им. П. Н. Лебедева Российской академии наук накопил огромный опыт в процессе работы над проектами обсерваторий «Радиоастрон» и «Миллиметрон». Поэтому новый космический интерферометр может иметь проекции баз до 1,5 млн км и более. Это позволит достичь предельно высокого углового разрешения, необходимого для исследования сверхкомпактных астрономических объектов, например черных дыр, внегалактических мазерных источников и нейтронных звезд. Космический интерферометр в отличие от антенной решетки, расположенной на поверхности Луны, сможет вести наблюдения близких окрестностей сверхмассивных черных дыр в динамике. Это позволит наблюдать движение вещества в экстремальных условиях в непосредственной близости от горизонта событий. Подобные наблюдения возможны в так называемом режиме мгновенного снимка (snapshot), когда за счет удачной конфигурации орбит космических телескопов удается восстановить относительно качественное изображение источника за кратчайшее время. Наиболее подходящие и ближайшие объекты для подобных исследований — это Sgr A* или М87.

Использованы материалы статьи.

Артем Доев