«Машина открытий»: что даст науке новый телескоп NASA «Нэнси Грейс Роман», рассказали астрофизики
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) готовится к запуску космического телескопа нового поколения «Нэнси Грейс Роман». Результатом пятилетней миссии станет многослойная карта Вселенной — обсерватория будет картировать галактики, скопления, гравитационные линзы, темную материю и миллионы других объектов. О том, какие возможности откроет собранный массив данных и как эти наблюдения могут изменить наши представления о Вселенной, RTVI рассказали эксперты.
Запуск телескопа с площадки Космического центра имени Кеннеди во Флориде запланирован в 7:26 утра по восточному времени в воскресенье, 30 августа. Ракета SpaceX Falcon Heavy доставит телескоп к точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля, расположенной примерно в 930 000 миль (около 1,5 млн км) от нашей планеты. Там аппарат будет находиться на устойчивой орбите с противоположной от Солнца стороны Земли.
Подготовка к старту проходит по графику. Телескоп, заправленный примерно 1 000 литров гидразинового топлива и помещенный в головной обтекатель ракеты, уже поместили на площадку LC-39A.
Если погодные условия ухудшатся или воскресный старт по другой причине придется отложить, резервное окно откроется в понедельник, 31 августа, в 7:22 утра по восточному времени.
Примерно через три месяца после запуска, по завершении развертывания, калибровки и проверки систем, обсерватория должна приступить к научным наблюдениям. «Роман» будет проводить систематические обзоры больших участков космического пространства и станет настоящей «машиной открытий», рассказал ведущий научный сотрудник Лаборатории реактивного движения NASA Вячеслав Турышев.
По словам эксперта, телескоп не будет фотографировать все небо целиком. Один только широкоугольный внегалактический обзор должен охватить около 12% всей небесной сферы. На этой площади обсерватория получит инфракрасные изображения сотен миллионов галактик, измеряя их положения, формы, размеры, цвета и яркость, а для большого числа объектов — также красные смещения.
«Добавив к двум угловым координатам красное смещение как оценку расстояния, мы получим трехмерную карту крупномасштабной структуры: скоплений, нитей и пустот космической сети. Разбив ее на интервалы красного смещения, мы сможем сравнивать разные эпохи и реконструировать эволюцию Вселенной. Повторные наблюдения добавят еще одно измерение — время», — рассказал Турышев.
Карта невидимой темной материи
Одной из главных научных задач «Роман» станет изучение темной материи и темной энергии — компонентов Вселенной, которые невозможно наблюдать напрямую.
Темная материя служит гравитационным «каркасом», который собирает газ, пыль и звезды вместе. Она не поглощает, не отражает и не излучает свет, поэтому ее невозможно увидеть. О существовании этой субстанции ученые судят по гравитационному воздействию на видимые объекты. Как отметил эксперт, ее будут изучать прежде всего с помощью метода слабого гравитационного линзирования.
«Гравитация всей материи между нами и далекой галактикой слегка изменяет траекторию света и искажает видимую форму этой галактики. Для одного объекта эффект чрезвычайно мал и неотличим от его собственной формы. Но если измерить формы миллионов галактик и учесть их собственные ориентации, мы обнаружим согласованное статистическое растяжение, которое называется космическим сдвигом. Разделив галактики на группы по красному смещению, то есть фактически по расстоянию и космической эпохе, мы сможем провести так называемую томографию слабого линзирования. Это позволит нам восстановить не только двумерную карту распределения массы на небе, но и проследить, как космическая сеть темной материи росла на протяжении миллиардов лет», — отметил астрофизик.
О свойствах темной энергии будут судить по геометрии расширения Вселенной, которую позволяют проследить наблюдения сверхновых типа Ia, и по скорости роста космических структур.
«Геометрию мы сможем восстановить несколькими методами. Сверхновые типа Ia служат стандартизированными источниками: сопоставляя их наблюдаемую яркость с красным смещением, мы измеряем зависимость расстояния от космической эпохи. Барионные акустические колебания — остаточный масштаб звуковых волн в ранней Вселенной — дают нам своего рода «стандартную линейку». По тому, как этот масштаб выглядит на разных красных смещениях, мы восстанавливаем историю расширения. Одновременно слабое линзирование, распределение галактик и искажения их кластеризации в пространстве красных смещений покажут, насколько быстро под действием гравитации росли галактики, скопления и нити космической сети», — указал Турышев.
По словам эксперта, особенно важным станет объединение наблюдений «Роман» с данными других проектов — в частности, космических телескопов «Джеймс Уэбб» и «Евклид», а также наземной обсерватории имени Веры Рубин.
«В результате мы получим не просто более крупную карту, а карту с физическим содержанием: где находится масса, как быстро формировались структуры, как менялось расширение пространства и какие редкие объекты отсутствовали в прежних, значительно меньших выборках», — добавил Турышев.
Как подчеркнул астрофизик, главным наследием «Романа» станет переход от изучения отдельных объектов к точной статистике огромных популяций. Именно такие массивы наблюдений могут привести к пересмотру фундаментальных моделей — либо благодаря обнаружению небольших, но систематических отклонений от теорий, либо в результате открытия совершенно новых классов объектов.
«Уэбб» — микроскоп, «Роман» — широкоугольная камера
Во многих отношениях «Нэнси Грейс Роман» станет партнером космического телескопа «Джеймс Уэбб». Оба аппарата работают преимущественно в инфракрасном диапазоне и будут находиться в окрестностях второй точки Лагранжа L2. Однако «Роман» — не преемник и не новая версия «Уэбба», а обсерватория с другой специализацией, рассказал RTVI старший астрофизик Центра космических полетов имени Годдарда NASA в Мэриленде Владимир Айрапетян.
«Уэбб» работает как космический «микроскоп»: подробно изучает отдельные галактики, звезды и планетные системы. «Роман» будет скорее широкоугольной камерой, которая быстро охватит огромные участки неба и создаст масштабные карты Вселенной <…>. Их наблюдения будут дополнять друг друга», — сказал астрофизик.
По размеру главного зеркала «Роман» сопоставим с телескопом «Хаббл»: диаметр зеркала обоих аппаратов составляет 2,4 м. Однако поле зрения нового телескопа как минимум в 100 раз шире. За первые пять лет работы новый телескоп исследует участок неба более чем в 50 раз обширнее того, который «Хаббл» охватил за первые 30 лет наблюдений.
Айрапетян отметил, что благодаря широкому полю зрения новая обсерватория особенно хорошо подходит для поиска сравнительно редких и быстро меняющихся явлений — сверхновых, звездных вспышек, переменных звезд, активных черных дыр и необычных галактик.
Другое направление — поиск экзопланет методом гравитационного микролинзирования. Если планета находится рядом со звездой, проходящей перед более далекой звездой, она может оставить заметный сигнал в усиленном свете. Так можно обнаруживать планеты, которые трудно найти другими методами, отметил Айрапетян.
«Телескоп будет неоднократно возвращаться к одним и тем же участкам неба. Поэтому ученые смогут наблюдать, как объекты вспыхивают, исчезают и перемещаются. «Роман» станет одновременно инструментом для открытий и лабораторией для изучения космических процессов в динамике <…>. Мы получим гигантские каталоги галактик, звезд, сверхновых и экзопланет, а также карту распределения материи. Но самые важные открытия заранее предсказать невозможно. Новое поле зрения и огромная чувствительность могут привести к обнаружению явлений, которых мы пока даже не ожидаем», — отметил он.
