Европейское космическое агентство (ESA) 1 июля запустило новую космическую обсерваторию — Euclid. Телескоп должен создать трехмерную карту распределения галактик на трети неба, уточнить, с какой скоростью расширяется Вселенная, — и расширить наши представления о темной энергии и темной материи. 120-сантиметровый телескоп системы Корша и приборы NISP (Near Infrared Spectrometer and Photometer) и VIS (VISible imager) добудут данные о том, как Вселенная развивалась последние 10 миллиардов лет.
Вселенная на 95% состоит из практически неизвестных темной материи и энергии. Они влияют на динамику и геометрию видимых объектов, но сами не излучают и не поглощают свет. Поэтому ученые пока не знают, что это такое на самом деле. Изучение природы «темной стороны» — одна из самых важных задач перед физиками и астрономами сегодня.
Euclid будет наблюдать в видимом и инфракрасном диапазонах за галактиками на расстоянии до 10 миллиардов световых лет, чтобы создать 3D-карту 35% неба. На остальных участках звездного неба яркие звезды расположены довольно плотно, что мешает наблюдениям. Карта и покажет, как расширялась Вселенная: из этих данных можно будет узнать многое о гравитации и природе темной энергии и темной материи. В «Консорциуме “Euclid”» более двух тысяч ученых из 300 институтов в 13 европейских странах, США, Канаде и Японии.
На рабочую орбиту у второй точки Лагранжа (L2) в системе Солнце — Земля Euclid отправился в субботу 1 июля. Запуск состоялся в 18:12 по московскому времени, первых сигналов, по расчетам команды ESA, можно ждать с 00:57 2 июля. Телескоп запустили на ракете-носителе семейства Falcon 9 от SpaceX.
От космодрома на мысе Канаверал во Флориде до L2 Euclid будет добираться четыре недели. Еще на два месяца запланированы проверки и калибровка техника. Через три месяца после запуска Euclid должен полноценно начать работать. Его миссия продлится как минимум шесть лет.
© ESAL2 — весьма удобное место для космических исследований. Точка находится в 1,5 миллионах километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу. Там солнцезащитный экран Euclid сможет блокировать солнечный и отраженный от Земли и Луны свет. Телескоп тогда всегда будет смотреть в дальний космос, без «засветов» и с высоким уровнем стабильности приборов.
Что внутри Euclid: зеркало, VIS и NISP
© ESAEuclid готовили к запуску в космос 12 лет, с 2011 года. Сборка началась в феврале 2019. Собирали и тестировали двухтонный аппарат во Франции, в Тулузе, испытания проходили в Каннах, Турине и бельгийском Льеже. В феврале 2023 года завершились последние проверки, и уже собранный Euclid выставили на пресс-конференции в Каннах в ангаре Thales Alenia Space (TAS), одной из производственных компаний-партнеров: журналистов пустили посмотреть аппарат и пообщаться с инженерами.
Зеркало телескопа Euclid диаметром 1,2 метра собирает свет. Дихроический фильтр, специальный оптический компонент сзади, разделяет все излучение на видимый и инфракрасный свет. Данные передаются на два бортовых прибора: VIS для видимого диапазона и NISP для инфракрасного. Качество изображения будет похуже, чем у Hubble, но в поле зрения Euclid попадет гораздо больше объектов и наблюдаться они будут большее количество времени. Это и позволит описать расширение Вселенной и как на него влияет темная энергия.
Чтобы все нормально работало, нужно выдерживать температуру детекторов в диапазоне от -120 — -180°С, поэтому спасать приборы от перегрева будет специальный солнечный щит. Он усилен углеволокном и покрыт термоизолирующей «фольгой» из майлара и каптона. Майлар — тот золотистый материал, пленка из синтетического полиэфирного волокна, которую также используют на «солнечных парусах». Каптон — полимерная пленка, стабильная при температурах от −273 до +400 °C. Кроме того, от зеркал подальше отвели провода, которые могут нагреваться. Добавили инженеры в конструкцию и радиатор, который будет отводить тепло.
© ESAТелескоп Euclid разработчики конструировали так, чтобы достаточно высокое качество изображений обеспечивалось и в видимом спектре, и в инфракрасном диапазоне. Они использовали трехзеркальную схему Корша. Такая же, например, стоит на James Webb, тоже инфракрасном телескопе. Достоинствами этой схемы на любых объективах называют широкий спектральный диапазон и отсутствие бленды, козырька, который ограничивает световой поток.
Зеркала сделаны из карбида кремния и покрыты серебром. У карбида кремния высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения, поэтому его используют в точной космической оптике. Материал очень жесткий, но новейшие методы вроде химического осаждения паров (CVD) позволили создавать из него тонкие поликристаллические диски до 3,5 метров в диаметре. Например, зеркала из карбида кремния стоят на другом телескопе ESA — Gaia.
© ESAЧерез VIS должны получиться очень четкие изображения видимого спектра: он чувствителен к длинам волн от зеленого, 550 нанометров, до ближнего инфракрасного диапазона, 900 нанометров. Инженеры обещают: прибор обеспечит наилучшую чувствительность к низкой освещенности, когда-либо достигнутую в таком широком диапазоне волн. Гравитация влияет на траекторию света и влияет на форму галактик, которую мы видим. Если их точные рисунки, полученные через VIS, объединить с оценками расстояния до них, можно составить трехмерную карту распределения вещества во Вселенной и понять, как на все влияет ускорение того, как она расширяется.
© ESAПрибор для инфракрасного диапазона NISP будет заниматься спектроскопическими измерениями. Другими словами, этот прибор нужен, чтобы выяснить, сколько света галактика излучает на одну конкретную длину волны. Существует «красное смещение» — когда электромагнитное излучение увеличивает длину волны. Если его точно измерить, космологи будут очень благодарны — это поможет определить расстояние до каждой из наблюдаемых галактик. А расположение и перемещение галактик по ходу эволюции Вселенной уже расскажет ученым, что такое «темная сторона».
Инженеры ESA утверждают: у NISP самое большое поле обзора для инфракрасного прибора, когда-либо отправившегося в космосе. Диапазон волн — 900–2000 нанометров. Для них на приборе используется «сетка» из 16 детекторов, каждый по 2040 на 2040 пикселей.
Но сразу на детектор свет не попадает. Перед ним — фотометрический фильтр и спектрометрическая решетка. Они разбивают инфракрасные волны по конкретным значениям длин, а свет рассеивается так, что детектор потом сможет измерить интенсивность излучения в зависимости от длины волны. Так можно сравнить яркость галактик, которые «светят» на немного разных значениях спектра.
Нет сигнала — выдерни кабель и воткни обратно
С прибором NISP случился небольшой казус: на одном из последних испытаний засбоила камера. В конце мая 2021 года модуль полезной нагрузки — приборы и телескоп — приступил к термовакуумным испытаниям в камере Льежского космического центра (Centre Spatial de Liège) в Бельгии. Уже «летная» модель прибора, которую протестировали, записали в документы и присоединили к модулю, отказалась делать несколько снимков подряд. Паоло Страда, старший инженер–приборостроитель ESA на миссии Euclid, объяснял: «Представьте, что у вас есть цифровая камера. Вы делаете снимок, изображение получилось хорошее, и вы хотите сделать еще один. Но когда вы пытаетесь это сделать, управление камерой больше не реагирует: вы не можете установить экспозицию и спустить затвор. Единственный способ сделать еще один снимок — это все перезапустить, но после этого проблема повторится». Euclid в день должен передавать по 850 гигабит данных, и каждый раз перезапускать камеру ученые не захотели.
© ESANISP уже испытывали до этого не один раз. Такой баг появился только в криогенной камере. Подумали на кабели: их могли неправильно заземлить или они «шумели». Но электромагнитные помехи могли идти откуда угодно. Вариантов было так много, что команда Euclid хотела запускать вторые термовакуумные испытания. Все сначала — график пришлось бы сдвинуть на месяц.
Решение обнаружил сотрудник отдела бортовых компьютеров и обработки данных Феликс Сигл. Криогенная камера была ни при чем: ошибку Сигл нашел в софте. Программное обеспечение справлялось в «нормальных» условиях. Но в криогенной камере и температуры низкие, и провода немного «дернулись», — сигнал от датчиков к компьютеру шел с задержкой на несколько миллиардных долей секунды. Перезагружать прибор и трогать кабели не стали, софт поправили, и запуск Euclid переносить не пришлось.
Вместо «Союза»
© spacex.comEuclid должен был полететь на российском «Союзе», но «Роскосмос» 26 февраля 2022 года приостановил сотрудничество с ESA «в ответ на санкции Евросоюза». Для коммерческого пуска должна была использоваться ракета-носитель «Союз-СТ-А». Тогда агентство могло бы использовать собственную Ariane 6, но ее первый запуск задерживается: его переносили с 2020 года на конец 2023. При этом глава ESA Йозеф Ашбахер предупредил, что эта дата не является окончательной. Тем не менее подтвержденной информации о неудачных испытаниях Ariane 6 нет.
В итоге ESA выбрало SpaceX и ракету Falcon 9. Космодром тоже пришлось поменять, и вместо Куру во Французской Гвиане Euclid отправился на мыс Канаверал во Флориде. Из-за перехода на другую ракету запуск, планировавшийся в 2022 году, пробуксовал до лета 2023. Агентство не раскрывает стоимость переноса и потери из-за срыва коммерческого пуска на «Союзе».
Falcon 9 купили не только для Euclid, но и для будущей миссии Hera, которая отправит три космических аппарата к астероиду Диморф (в этот астероид в 2022 году врезался зонд DART, сместив орбитальный период на 32 минуты). Но ESA надеется на Ariane 6 и подчеркивает, что неевропейские ракеты — временное решение. Кроме планируемой серии Ariane агентство собирается дорабатывать Vega.
© ESAУправлять полетом будет Европейский центр космических операций (ESOC) из Германии. Для этого также готовятся использовать наземные станции Cebreros в Испании и Malargue в Аргентине. На запуске и первых манипуляциях поможет австралийская Norcia и «покинутый» Куру в Гвиане.
Dark matter lives
Так зачем летит Euclid? Видимые объекты — лишь малая часть Вселенной. Скорее всего, 95% ее состоит из темной материи и энергии. Свидетельство этому — данные, которые получают космическая обсерватория Planck и аппарат WMAP, запущенные ESA и NASA еще в 2000-е. Они засекли колебания реликтового излучения — температуры микроволнового фона.
© Данные спутника WMAP. NASAПо современным представлениям, Большой взрыв случился 13,77 миллиардов лет назад. Температуры и энергии зашкаливали, и в начале истории вещество было в состоянии плазмы. Она не пропускает электромагнитные волны, потому что электроны и протоны рассеивают фотоны. Потом, через 379 тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная остыла до 3000 К (2726,85 °C), электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода, а среда стала прозрачна для электромагнитного излучения. Реликтовое излучение — то, что сохранилось с этой эпохи рекомбинации, одной из самых ранних высокотемпературных стадий эволюции. По нему можно измерять динамику и геометрию Вселенной.
© NASAМиссии Planck и WMAP как раз измерили мельчайшие флуктуации температуры реликтового излучения в одну десятитысячную кельвина. Ученые стали сравнивать их данные с теоретическими моделями, и «традиционная» теория их не смогла объяснить — только то, что «темная сторона» действительно есть. После этого ученые подсчитали, сколько в процентах составляет доля темной материи и энергии. Так подтвердили, что темная материя влияет на гравитацию, а более темная энергия — на расширение Вселенной. За изучение этих вопросов космолог Джеймс Пиблс получил в 2019 году Нобелевскую премию по физике.
О самой темной материи начали догадываться в 1933 году. Астроном Фриц Цвикки исследовал созвездие Волосы Вероники. Скорости галактик в скоплении тоже не смогла объяснить общепринятая теория: они двигаются очень быстро, если считать только видимое вещество. Если бы не было «темной стороны», галактики бы разлетелись кто куда. За Такие «несоответствия» начали находить и другие ученые. В 1980-х начались эксперименты под землей. Огромные установки в Европе и Китае пытаются уловить столкновения частиц темной материи с атомами обычного вещества. Но нет гарантий, что это вообще возможно. Поэтому до сих пор считается, что настоящие данные о темной материи и темной энергии придут к нам только из космологии, — и тут на помощь придет Euclid.
Текст: Александра Абанькова