Как собрать телескоп на орбите?

Космические астрономические телескопы с большими апертурами и различными спектральными диапазонами стали одним из основных инструментов для изучения Вселенной. Астрономическое сообщество понимает, что использование традиционных технологий не позволяет увеличить апертуру космического телескопа больше нескольких метров. Нужны принципиально новые подходы и технологии. Китайские и российские ученые попытаются совместно решить эту задачу. Уже сегодня представлена концепция телескопа с апертурой 10 метров, собираемого на орбите (OAST, On-orbit Assembling Space Telescope). Телескоп позволит получать прямые снимки рекордного углового разрешения и проводить спектроскопию высокого и сверхвысокого разрешения. В отличие от традиционных телескопов, OAST будет изготовлен на Земле, а собран на низкой околоземной орбите. Участники проекта уверены, в четвертом десятилетии XXI века проект не будет иметь действующих аналогов. Подробнее о реализации проекта — в нашей беседе с профессором РАН Михаилом Сачковым. 

— Михаил Евгеньевич, расскажите об уникальном проекте российско-китайского телескопа, собираемого на орбите.

— Астрофизическая тенденция достаточно понятна — необходимо увеличивать диаметр телескопов, чтобы исследовать объекты со слабым сигналом. Существуют диапазоны длин волн, которые можно наблюдать только за пределами земной атмосферы. Например, ультрафиолет, и всё, что короче 300 нанометров. Крупнейший телескоп, который до сих пор работает в таком диапазоне, —  космический телескоп имени Хаббла с диаметром 2,4 метра. Совсем скоро к нему присоединится проект «Спектр-УФ», наш отечественный телескоп с испанским и японским участием. Его диаметр будет составлять 1,7 метра, но по эффективности телескоп не будет уступать «Хабблу».

Разумеется, астрофизика не стоит на месте, и нужно развиваться дальше. В этом направлении работают и в Соединенных Штатах Америки, и в Китае, и, конечно в нашей стране. В Соединенных Штатах сформулирована целая серия проектов, над которыми работают ведущие научные группы. Один из четырех претендентов на реализацию — проект LUVOIR — Large UV Optical Infrared Surveyor или Большой ультрафиолетовый оптический инфракрасный исследователь. Представлено два проекта: с диаметром главного зеркала телескопа по 8 и 15 метров. Конечно, мы говорим о далекой перспективе. Скорее всего, запуск будет осуществлен после 30-х годов, поскольку подобные проекты требуют большого времени и финансирования.

В каком-то смысле проект российско-китайского телескопа может стать конкурентом упомянутого проекта LUVOIR. Речь идет о большом телескопе для работы в оптике и в ультрафиолете. Для России это стало неким толчком со стороны коллег из Китайской академии наук.

Ученые из Чанчуньского политехнического университета (который до 2002 года назывался Чанчуньский институт оптики и точной механики) обратились к нам за сотрудничеством. Им нужен был надежный иностранный партнер. Таким партнером для этого проекта стал Институт астрономии Российской академии наук.

Конечно, проект находится пока в самой начальной стадии — предварительной проработки. Сейчас мы работаем над тем, чтобы он был включен в Федеральную космическую программу. Среди главных преимуществ — опыт китайских коллег. Всем известно, что китайцы готовят к запуску собственную космическую станцию. Ее запуск был запланирован на 2020 год, однако сдвинулся до 2022 года. Кстати, проект спектрографа для этой станции также подготовили сотрудники ИНАСАН. Его выбрали на конкурсной основе члены Китайской академии наук, и даже представили в ООН.

После успешного сотрудничества, китайские ученые осознали, что нужно идти по пути сильного укрупнения апертур до 10 метров. Очевидно, что 10-метровый цельностеклянный телескоп — это просто гигантская махина. В настоящее время отправить подобный телескоп на орбиту невозможно. Не существует пока ракет, которым это под силу. Поэтому выход только один — собирать на орбите. Сегментированные части большого зеркала складываются определенным образом на Земле, а после запуска раскрываются на орбите.

Прежде, чем приступить к работе над большим 10-метровым телескопом, коллеги из Китая отрабатывают технологии на меньшем по размеру телескопе с апертурой до 3 метров. То есть проект российско-китайского телескопа состоит из серии малых проектов, которые предполагают создание 2-метрового цельнозеркального телескопа, далее — проект сегментированного зеркала диаметром до 3 метров, и 10-метровый телескоп, собираемый на орбите.

— Уже известно, где он будет размещаться, на какой орбите? И как его будут обслуживать?

— Конечно. Все крупные проекты подразумевают некую ремонтодоступность. Например, за 30 лет работы телескопа «Хаббл» было несколько сервис-миссий, которые устраняли те или иные неполадки. Однако это накладывает ограничения на орбиту. Орбиты для работы космических телескопов всегда достаточно низкие, то есть околоземные — до 400 километров над поверхностью Земли. Но до запуска проекта необходимо дождаться главного — выхода на орбиту Китайской космической станции.

— Почему китайские специалисты обратились именно к вам?

— Потому что у нас накоплен богатый опыт работы над проектом «Спектр-УФ», в том числе с новейшими инструментами: спектрографами и камерами поля. Напомню, что телескоп лишь собирает свет. Чтобы получить ценную астрономическую информацию, свет нужно перенаправить в прибор скажем, в камеру поля, эдакий большой фотоаппарат, или в спектрограф для получения спектров. Поэтому ИНАСАН работает именно с аппаратурой для телескопа.

— Получается, такие большие проекты сейчас невозможно реализовать силами только одной страны?

— На данный момент такое под силу лишь одной державе — Соединенным Штатам Америки. Между тем, проект NASA Flagship реализуется при участии, пусть и незначительном, европейских коллег. В нашем случае партнерство с китайскими коллегами более близкое. Оно предполагает некое разделение труда.

— Почему США удается, а остальным странам нет?

— Очевидно, что США — самая богатая страна мира. В астрономии финансирование играет определяющую роль. Крупные проекты всегда связаны с большими деньгами. Поэтому многие страны выбирают партнерство.

— На каком этапе находится проект?

— Работы начаты. Однако проект еще не вошел в Федеральную космическую программу. Пока он поддерживается исключительно Институтом астрономии в рамках государственного задания. До изготовления образцов еще далеко. Но материальная база проекта «Спектр-УФ» позволяет говорить, что у нас есть специалисты, технологии, промышленные партнеры. И мы их развиваем в направлении следующих проектов.

— Насколько большая группа с отечественной стороны работает над этим проектом?

— 15 сотрудников Института астрономии РАН вовлечены в этот проект.

— Есть ли среди них молодые ученые?

— Конечно! Я бы даже сказал, что подавляющее большинство участников — молодые ученые. Каждый из них также приобрел бесценный опыт, работая над проектом «Спектр-УФ».

— Какие главные цели преследуют китайские коллеги, создавая телескоп? Будут ли данные открытыми для других научных коллективов?

— В том-то и дело, что научное сопровождение осуществляют не китайские, а именно российские астрономы. Мы были очень удивлены тем, что китайские коллеги обратились к нам, минуя собственные научные кадры.  

Если говорить о доступности данных, то конечно существует общая практика, когда данные в течение определенного периода, как правило, в течение года, доступны только промышленным партнерам, которые вкладывали финансы в реализацию проекта. Затем по прошествии года или другого заявленного периода научные данные становятся доступны всему астрономическому сообществу. Хотя, конечно, речь идет уже о данных, с которых сняты сливки. Основные открытия сделаны, и основные результаты опубликованы. Остальные страны могут лишь «покопаться» в остатках и найти что-то интересное для себя. А остается много чего, на первый взгляд неочевидного. Достаточно вспомнить проект «Кеплер», благодаря которому человечество получило основную массу знаний про экзопланеты. До сих пор с этим гигантским объемом уникальных данных работают ведущие научные группы, которые продолжают делать интересные открытия, пусть и точечные, индивидуальные.

Это я к тому, что можно просто сказать: «А давайте ничего делать не будем, посидим, подождем, когда кто-нибудь что-нибудь запустит, а мы потом в интернете скачаем данные и что-нибудь найдем». Такой подход, конечно, имеет право на существование, но он означает, что мы останемся даже не на вторых, а на третьих и четвертых ролях. Повторюсь, что интересные результаты возможны, но придется использовать отработанный материал, уточнять, углублять уже полученные знания. Но сделать стоящее открытие не удастся.

— То есть нужно запускать собственные проекты?

— Обязательно! Но важно помнить, что проект — вещь, конечно, хорошая и значимая для науки, но для его реализации нужен коллектив, и, разумеется, развитый промышленный сектор, который постоянно нарабатывает опыт и новые технологии. Например, проект «Спектр-УФ» предполагал создание стенда для нанесения отражающего ультрафиолетового покрытия. Над ним работали специалисты из Роскосмоса, Росатома и Академии наук. По сути, эта разработка нужна Роскосмосу и Академии наук только для напыления одного зеркала «Спектра-УФ». При этом для Росатома — это технология, которая потребуется для будущих проектов и работ по напылению зеркал. Подобное сотрудничество всегда максимально взаимовыгодное. И всегда приносит результат в виде научных проектов с участием промышленности, в виде технологий, успешно работающих коллективов и опыта.

— Какие задачи стоят перед будущим проектом?

— Наиболее актуальная задача связана с поиском и изучением экзопланет. Ультрафиолет в этом случае просто незаменим. Он позволяет детально исследовать атмосферы экзопланет. На начальных этапах проекта мы не предполагали, что это будет настолько востребовано. Сегодня в базовой программе проекта экзопланетная часть занимает треть от всех прочих задач.

Эта тематика остается актуальной, злободневной и интересной для астрономов и астрофизиков. Появилось сразу несколько направлений исследований атмосферы экзопланет. Например, с помощью спектроскопии ученые пытаются обнаружить линии кислорода в составе атмосферы планеты, которая подсвечивается звездой. Анализируется прохождение излучения звезды через атмосферу. Другой метод — анализ изменения блеска звезды. Когда экзопланета затмевает звезду, специалисты наблюдают легкое уменьшение звездного блеска. Одно из важных открытий, сделанных, в том числе, сотрудниками нашего Института, связано с несимметричностью транзитных явлений. Можно заметить, что атмосфера экзопланеты несимметрична. Ее сдувает звездный ветер. О подобном эффекте никто не знал еще 20 лет назад.

Другое направление посвящено изучению аккреции в двойных звездах, то есть упрощенно — перетеканию вещества с одной звезды на другую на разных стадиях эволюции. Ультрафиолетовый диапазон позволяет исследовать внутренние области аккреционных дисков.

В целом задачи могут быть и разными, в том числе индивидуальными по запросу научных групп или организаций. Ясно, что этот телескоп не строится под одну задачу. Он будет работать по принципу обсерватории, который предполагает реализацию различных идей.

Помимо основных направлений, телескоп позволит решать более узкие задачи, например, связанные с поиском скрытого барионного вещества. Разглядывая далекий квазар, мы наблюдаем излучение в линии Лайман-альфа. Линия Лайман-альфа — это первая линия в одной из спектральных серий водорода. Ее открыл американский физик Теодор Лайман. Водород —самый распространенный элемент во Вселенной. С помощью линии Лайман-альфа астрономы ищут свет звезд, удаленных от Земли на очень большие расстояния. Многократное повторение абсорбционной линии Лайман-альфа в спектрах далеких астрономических объектов называют лесом Лайман-альфа. Суть в том, что проходя через облака водорода свет от объекта поглощается — наблюдается уже линия поглощения. Таким образом можно подсчитать количество облаков на пути света от далекого квазара, пытаясь определить количество барионной материи во Вселенной. Помимо этого, ультрафиолет позволяет изучать молодые горячие звезды с массой до 100 масс Солнца.

— Стоит ли ожидать таких же красочных изображений далеких объектов, которыми аудиторию радует телескоп «Хаббл»?

— Безусловно. В любом подобном проекте самый информативный инструмент — это спектрограф. Большую часть информации астрономы получают именно благодаря спектрам.  Однако спектры малоинформативны для широкой массы населения, которая предпочитает видеть красивые фотографии. Для этого используются камеры поля — не менее важные научные инструменты, благодаря которым получаются интересные картинки. Конечно, это не фотография в чистом виде. Это, скорее раскрашивание кадров, где цвета носят условный характер с научным обоснованием.

— Вернемся в Россию. На каком этапе находится проект «Спектр-УФ»? Повлияла ли пандемия на работу? И когда ожидать запуска?

— Работа над проектом активно ведется. Мы очень довольны сотрудничеством с промышленным партнером — Научно-производственным объединением имени С.А. Лавочкина, и, конечно с Роскосмосом. Мы достигли полного взаимопонимания с руководством проекта, с Советом по космосу РАН и госкорпорацией Роскосмос. Это третий проект космической обсерватории серии «Спектр». Первым был запущен «Спектр-Р» или «Радиоастрон», затем суперуспешно работающий в данный момент проект «Спектр-Рентген-гамма», который уже завершил первый обзор всего неба и представил гигантское количество информации.

— Все промышленные составляющие уже готовы?

— Готовы и испытываются. Разумеется, испытаний еще очень много. Вся научная аппаратура за полтора года до запуска должна быть испытана и сдана для проведения стыковочных испытаний с самим аппаратом, то есть с платформой, на которой она устанавливается.

Пандемия фактически никак не повлияла на реализацию проекта. Всё проходит в штатном режиме в соответствии с графиком работы. Небольшая задержка произошла у наших зарубежных партнеров — испанских коллег, которые разрабатывают приемники излучения для камер поля. Однако испанские инженеры работают очень быстро, поэтому уже в следующем году они планируют поставить готовые летные образцы. И даже в этом случае образцы будут готовы немножко раньше срока. Так что задержка нам на руку. Не придется заниматься хранением аппаратуры.

Сейчас мы активно сотрудничаем с Японией. Токийский университет обратился сначала в Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA), а его представители — в Роскосмос с просьбой установить на «Спектр-УФ» свой спектрограф для поиска экзопланет. Прибор будут разрабатывать японские ученые при российском участии. Роскосмос отреагировал позитивно на это предложение. И если не будет задержек со стороны Японии, то этот прибор будет запущен в составе научной аппаратуры в 2025 году.

— Почему программу «Спектр» разделили на отдельные проекты?

— На это есть несколько причин. Во-первых, для разных диапазонов нужны разные телескопы. Например, для радиодиапазона нужен большой орбитальный радиотелескоп, работающий совместно с наземными антеннами. К тому же речь идет о гигантском космическом аппарате с установленной научной аппаратурой, выводимым ракетой. Для работы в рентгене нужны особые приборы, специальные зеркала. Как правило, на космических обсерваториях по типу «Спектр-РГ» нет никакой свободной массы. То есть полезная научная нагрузка каждого аппарата ограничена и не может превышать 1,5 тонны. И каждый из проектов полностью исчерпывает эту допустимую массу. Совместить их на одном аппарате возможности нет.

Во-вторых, у каждого проекта разные задачи. Нам удалось очень грамотно распределить их по времени, хотя задумывались они одновременно. Идея состояла в том, чтобы рассмотреть Вселенную в разных диапазонах.  Поэтому после запуска «Спектр-УФ» радиоданные и рентгеновские данные будут дополнены ультрафиолетом.

— Как их можно объединить?

— Конечно, объединить данные может только ученый, который ставит такую задачу. Изначально перед группой проектов «Спектр» такие задачи не ставились. Однако данные будут доступны через какое-то время всему мировому астрономическому сообществу. И поэтому, если кто-то захочет сравнить данные и сделать выводы о физической сути какого-то космического объекта в разных диапазонах, то он действительно сможет это сделать.

— Над чем участники проекта работают сегодня?

— Сегодня большая часть работ сосредоточена на камерах поля. Полностью изготовлено штатное зеркало для телескопа. Однако его ждет этап проверок. Следующий важный прибор, собственно, сам спектрограф. Многие его элементы изготовлены и ждут, когда все остальное будет испытано и собрано.

— Работая над проектом «Спектр-РГ», нашим ученым удалось отработать новую технологию создания приборов мирового уровня. Многим вещам пришлось учиться заново. «Спектр-УФ» приносит нечто новое, чему приходится учиться, и что в будущем пригодится для других инновационных проектов?

— Безусловно. Я уже говорил про технологию нанесения специального интерференционного покрытия на крупногабаритные зеркала. Речь идет не о лабораторных образцах до 5 сантиметров в диаметре, а о крупногабаритных элементах диаметром до 2 метров. Эти технологии уже «ушли» в промышленность благодаря проекту. Важнейший опыт, который мы приобретаем, работая над «Спектром-УФ», связан с приемниками излучения. К сожалению, в России приемники излучения — слабое место. Для подавляющего большинства и наземных телескопов, и космических комплектующие закупаются за рубежом. Так, для спектрографа приемники излучения закупали в Англии. При этом мы не покупаем готовые детали с полки, таких не существует. Можно сказать, что мы их изготавливаем совместно руками англичан. У них есть инфраструктура, которой нет в России. Но наши сотрудники работают бок о бок с английскими коллегами и, по сути, перенимают этот опыт для будущих проектов.  

— Насколько я помню, английские приемники включали в себя так называемые ITAR-компоненты, то есть части двойного назначения, применимые для мирных и военных целей. Год назад вы получили запрет на поставку остальных образцов. Чем закончилась эта история?

— Да, действительно, это тоже повлияло на сроки реализации этапов проекта. В середине производственного цикла были введены санкции, и в поставке таких приемников излучения было отказано. Но эта история с хорошим концом. Наши партнеры из компании E2V провели отличную работу и исключили ITAR-компоненты. Они заменили их на промышленные, нашли подходы и комплектующие, которые доступны для поставки в Россию, провели испытания. Прямо сейчас идет изготовление.

— В этом году мы наблюдали за интересным событием. SpaceX запустила с помощью своего корабля и ракеты астронавтов к МКС. В целом весь мир сейчас наблюдает за деятельностью SpaceX, за деятельностью NASA, за созданием ракет совершенно нового класса. Развивается ли наша ракетная отрасль? Или достаточно тех ракет, которые сейчас существуют и хорошо себя показывают?

— Честно скажу, для проекта «Спектр-УФ» мы бы даже предпочли использовать старые добрые, хорошо отработанные «Протоны». Но Роскосмос будет запускать аппарат уже на новой «Ангаре», которая также хорошо себя показала. В техническом задании для «Спектр-УФ» прописаны космодром Восточный и «Ангара». Без вариантов. Нас успокоили, сказав, что к 25-му году специалисты осуществят уже много запусков, и все наиболее проблемные моменты будут отработаны.

Роскосмос активно развивает различные направления, в том числе по сверхтяжелым ракетам. Уже есть проекты, для которых это необходимо. Например, активно обсуждается идея создания лунных баз, а это обязательно потребует большого количества аппаратуры, перевозимой с Земли на Луну для установки лунной базы и, конечно, сверхтяжелых ракетоносителей.

— Расскажите о других проектах ИНАСАН.

— Идей и проектов много, как и работы, конечно. Сейчас мы активно работаем над российско-индийском спектрографом для Китайской космической станции. Здесь Институт астрономии РАН — основной изготовитель этого прибора.

Помимо этого, мы развиваем идею более прикладного характера: создание ультрафиолетовой камеры для МКС.

Работаем над проектом «СОДА», о котором вам рассказывал Борис Михайлович Шустов,  пока тоже в инициативном порядке. Уникальный проект направлен на обнаружение дневных астероидов. Однако пока, к сожалению, он не включен в Федеральную космическую программу.

Также есть ряд идей для малых спутников. Мы пытаемся их реализовать с помощью грантов и финансовой поддержки со стороны Академии наук.

Если говорить об участии Института в международных программах, то вместе с испанскими коллегами мы работаем над проектом, в рамках которого Землю рассматривают как экзопланету. Земля окружена так называемой экзосферой —водородной оболочкой, которая простирается до орбиты Луны. Если у экзопланеты есть водородная оболочка, то в ультрафиолете эта экзопланета выглядит гораздо больше реальных размеров, чем если бы ее наблюдали в оптике. Следовательно, она более детектируема. Это направление только начинает развиваться, но уже есть ряд научных публикаций.

— Проекты серии «Спектр» зарождались еще в 80-х − 90-х годах. Но, к сожалению, а может, к счастью, они стали запускаться только сейчас. По сути, вы продолжаете дело корифеев, которые работали над ними. Растите ли вы себе последователей, учеников, которые в дальнейшем продолжат ваше дело и будут обогащать отечественный научный потенциал?

— Конечно. Больше половины участников проекта «Спектр-УФ» — молодые ученые. В нашем институте сформировался молодой, бодрый, активный коллектив. Настолько активный, что порой приходится даже сдерживать амбиции. Мы надеемся, что их работа будет отмечена не только в виде грантов, но и в виде премий, например, Правительства Москвы.

— Остается только пожелать вам удачи. А мы ждем успешного запуска «Спектр-УФ».

— Спасибо. Сегодняшние студенты, в том числе физического факультета МГУ, ГАИШ МГУ будут работать с данными, полученными с помощью «Спектр-УФ». Через 5 лет те, кто сейчас поступает на 1 курс, смогут пойти в аспирантуру и написать диссертации по тематике ультрафиолета.

— Работы будет много?

— Точно.

Интервью осуществлено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.