Астрофизическая обсерватория «Спектр-УФ»
ТРЕТЬЮ АСТРОФИЗИЧЕСКУЮ ОБСЕРВАТОРИЮ ИЗ СЕРИИ «СПЕКТР» ПЛАНИРУЕТСЯ ОТПРАВИТЬ НА ОРБИТУ В 2025 ГОДУ. НА ЭТОТ РАЗ АППАРАТ ЗАЙМЕТСЯ ИЗУЧЕНИЕМ ОБЪЕКТОВ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН. ПО СВОИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ «СПЕКТР-УФ» БУДЕТ АНАЛОГИЧЕН ЗНАМЕНИТОМУ ТЕЛЕСКОПУ ИМЕНИ ХАББЛА ЛИБО ПРЕВЗОЙДЕТ ЕГО.
Запуск «Спектра-УФ» планируется осуществить в 2025 г. с помощью ракеты-носителя «Ангара-5» с разгонным блоком серии «Бриз». Космический аппарат будет выведен на геосинхронную орбиту наклонением 40°. В ближайшее десятилетие единственным большим «окном» в «ультрафиолетовую Вселенную» будет именно обсерватория «Спектр-УФ», поскольку на этот период в планах других космических агентств подобных проектов нет.
Из курса школьной физики известно, что электромагнитное излучение, исходящее от Солнца, звезд, галактик, туманностей и других источников, обладает рядом характеристик. Излучение с длиной волны 400-780 нм является видимым для человеческого глаза. Более коротковолновое излучение (10-400 нм), которое не воспринимается зрением, называется ультрафиолетовым (УФ, или UV в англоязычной литературе).
Земная атмосфера пропускает ультрафиолет в диапазоне только 320-400 нм (в горах нижняя граница может доходить до 300 нм). Поскольку электромагнитные волны с длиной менее 300 нм не пробиваются к поверхности нашей планеты, огромный объем информации, содержащейся в этом излучении, недоступен для исследований с Земли. Пытливый человеческий ум с этим смириться не мог, и, как только появились первые космические аппараты, на них стали устанавливаться приборы для изучения Вселенной в недоступных с Земли диапазонах излучения.
На рисунке 1 показано пропускание (прозрачность) земной атмосферы на участках различных длин волн электромагнитного излучения. Необходимо отметить, что свойства космических процессов и объектов существенно различаются и для их изучения нужно выбирать соответствующий диапазон спектра.
На рисунке 2 показано как, например, спектр излучения зависит от температуры небесного тела.
В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДОЗОРЕ
Чем же интересен УФ-диапазон спектра для ученых? В этом диапазоне очень много информации о звездах и газе: она содержится и в непрерывном спектре астрофизических источников (звезд, галактик, туманностей и пр.), и - особенно - в линиях спектра поглощения (а иногда и излучения) различных химических элементов.
Рисунок 3 иллюстрирует зависимость информативности спектра от длины волны: с уменьшением длины волны происходит резкое возрастание информативности. На диаграмме показаны доступные диапазоны длин волн для наземных наблюдений и для орбитальных обсерваторий: американских Hubble (HST) и Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE; завершил работу в 2007 г.) и российского аппарата «Спектр-УФ».
Но в ультрафиолетовом диапазоне наблюдают не только далекие звезды и туманности.
Вариации поведения Солнца во время периода повышенной «солнечной активности» наиболее ярко проявляются не в оптическом, а именно в УФ-диапазоне спектра. Поток солнечного излучения в ультрафиолете меняется гораздо сильнее, чем в видимом диапазоне. Поэтому практически все космические аппараты, изучающие Солнце, оснащены приборами (камерами и спектрографами) УФ-диапазона. При этом основную роль играют наблюдения в «крайнем» диапазоне ультрафиолета (КУФ). Межпланетная среда менее протяженная, чем межзвездная, и КУФ-излучение Солнца доходит до Земли без существенного ослабления. А вот наблюдения объектов, находящихся за пределами Солнечной системы, в КУФ затруднены из-за поглощения излучения этих объектов атомарным водородом на огромных межзвездных расстояниях. По этой причине наблюдения звезд, галактик, различных астрофизических процессов проводятся в основном в «дальнем» (ДУФ) и «ближнем» (БУФ) диапазонах ультрафиолетового излучения. Для различных волновых диапазонов создаются специальные телескопы. Универсального телескопа или приемника излучения не существует. Поэтому одна из классификаций астрономии определяется технологиями наблюдений. Читатели наверняка слышали о гамма-астрономии, рентгеновской, радио-, субмиллиметровой и др. В этом ряду находится и понятие «ультрафиолетовая астрономия». При этом один и тот же объект или процесс может изучаться различными методами, да то же Солнце например.
ДИАПАЗОН ОТКРЫТИЙ
Ультрафиолетовая астрономия, как и все другие методы внеатмосферной астрономии, - весьма дорогостоящее направление исследований. Научные обоснования высоких затрат должны быть очень весомыми, и они есть. Поэтому наблюдения объектов Вселенной в УФ-диапазоне проводились и проводятся многими космическими обсерваториями. Список этих аппаратов представлен в таблице. Уникальные астрономические открытия, полученные методами УФ-астрономии: обнаружение во Вселенной молекул водорода Н2 ; открытие горячей фазы межзвездной среды; определение количества дейтерия относительно водорода; выявление природы структур (например, корон, колец нейтрального газа и т.д.) и процессов, протекающих во внешних областях атмосфер планет-гигантов, и др.
ИЗ РОДА «СПЕКТРОВ»
«Спектр-УФ» - один из проектов серии «Спектр» Федеральной космической программы наряду с уже реализованным «Спектром-Р» («Радиоастрон») и осуществляемым в настоящее время «Спектром-РГ» («Рентген-гамма»). В свое время инициатива привлекла внимание международной научной общественности, и изначально (в 1990-е годы) целый ряд стран выразил желание присоединиться к ней. По предложению образовавшейся международной группы, проект получил второе (международное) название: World Space Observatory - Ultraviolet (WSO-UV). Со временем, в результате длительного периода недофинансирования научного космоса в России и соответственно постоянных сдвигов плана запуска обсерватории, из множества иностранных партнеров в проекте осталась только Испания (разработка канала дальнего УФ-блока камер поля, участие в наземном сегменте приема и обработки информации). В последние годы интерес к кооперации проявляет Япония: японское космическое агентство JAXA направило в адрес Роскосмоса письмо о намерениях.
Общий вид обсерватории «Спектр-УФ» показан на рисунке 4.
Основной инструмент обсерватории - телескоп Т-170M с главным зеркалом диаметром 1.7 м - будет оснащен УФ-спектрографами высокого (R~55000) и низкого (R~1000) разрешения, а также камерами для построения высококачественных изображений в УФ-диапазоне (угловое разрешение ~0.1 угл. секунды).
Такой набор научных приборов позволит обеспечить решение широкого класса задач. По своим возможностям проект аналогичен «Хабблу», а по некоторым характеристикам он превзойдет этот телескоп. Космическому аппарату «Спектр-УФ» предстоит работать на геосинхронной* орбите наклонением 40°. Этот параметр оказался более благоприятным с точки зрения радиационной обстановки, чем предполагаемая первоначально величина 51.4°.
(* Геосинхронной называется орбита спутника, обращающегося вокруг Земли, на которой период обращения равен звездному периоду вращения Земли - 23 часа 56 минут 4.1 секунды.)
Запуск спутника (посредством ракеты-носителя «Ангара-5» с разгонным блоком серии «Бриз») запланирован на 2025 г. Поскольку никаких технических проблем в проекте нет, этот срок при ритмичном финансировании и отсутствии секвестров вполне реален.
ОКНО В УЛЬТРАФИОЛЕТОВУЮ ВСЕЛЕННУЮ
«Спектр-УФ» - обсерватория многоцелевая. В первую очередь на ней будет выполняться базовая программа наблюдений:
-Исследование эволюции Вселенной, в том числе истории реионизации и химической эволюции, а также поиск скрытого диффузного барионного вещества.
-Физика звездообразования. УФ-изображения галактик позволяют выделить удивительные факты в этой области. Оказывается, очень много молодых звезд образуется на периферии галактик, которые на обычных снимках не видны. Это открытие было сделано с помощью космического аппарата GALEX (NASA), но большое поле исследований еще впереди.
-Поведение вещества в окрестностях т.н. компактных объектов: черных дыр, ней тронных звезд, тесных двойных звезд. Массивные тесные двойные звезды излучают в основном в УФ-диапазоне. Такие звезды - прародители двойных черных дыр звездной массы, которые являются мощными источниками гравитационных волн.
-Изучение физико-химического состава атмосфер планет Солнечной системы и экзопланет. В последние годы вырос интерес к исследованию комет Солнечной системы, водородных оболочек экзопланет и химического состава атмосфер этих планет с помощью УФ-инструментов. В этом вопросе на «Спектр-УФ» мировое астрономическое сообщество возлагает особые надежды. В ближайшее десятилетие единственным большим «окном» в «ультрафиолетовую Вселенную» будет именно обсерватория «Спектр-УФ», поскольку на этот период в планах других космических агентств подобных проектов нет.
ПОСЛЕ 2030 ГОДА
Что касается более отдаленных перспектив, в последние годы идет интенсивное обсуждение около десятка крупных перспективных разработок в области УФ-астрономии. Среди них два проекта имеют наибольшие шансы быть реализованными после 2030 г.: это HABEX и LUVOIR (оба NASA) - телескопы диаметром от 4 м до 16 м для работы в оптическом, УФ и ближнем инфракрасном диапазонах. Но это уже другая тема.
Борис Шустов - Член-корреспондент РАН, научный руководитель Института астрономии РАН, научный руководитель проекта «Спектр-УФ».
link
Запуск «Спектра-УФ» планируется осуществить в 2025 г. с помощью ракеты-носителя «Ангара-5» с разгонным блоком серии «Бриз». Космический аппарат будет выведен на геосинхронную орбиту наклонением 40°. В ближайшее десятилетие единственным большим «окном» в «ультрафиолетовую Вселенную» будет именно обсерватория «Спектр-УФ», поскольку на этот период в планах других космических агентств подобных проектов нет.
Из курса школьной физики известно, что электромагнитное излучение, исходящее от Солнца, звезд, галактик, туманностей и других источников, обладает рядом характеристик. Излучение с длиной волны 400-780 нм является видимым для человеческого глаза. Более коротковолновое излучение (10-400 нм), которое не воспринимается зрением, называется ультрафиолетовым (УФ, или UV в англоязычной литературе).
Земная атмосфера пропускает ультрафиолет в диапазоне только 320-400 нм (в горах нижняя граница может доходить до 300 нм). Поскольку электромагнитные волны с длиной менее 300 нм не пробиваются к поверхности нашей планеты, огромный объем информации, содержащейся в этом излучении, недоступен для исследований с Земли. Пытливый человеческий ум с этим смириться не мог, и, как только появились первые космические аппараты, на них стали устанавливаться приборы для изучения Вселенной в недоступных с Земли диапазонах излучения.
На рисунке 1 показано пропускание (прозрачность) земной атмосферы на участках различных длин волн электромагнитного излучения. Необходимо отметить, что свойства космических процессов и объектов существенно различаются и для их изучения нужно выбирать соответствующий диапазон спектра.
На рисунке 2 показано как, например, спектр излучения зависит от температуры небесного тела.
В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДОЗОРЕ
Чем же интересен УФ-диапазон спектра для ученых? В этом диапазоне очень много информации о звездах и газе: она содержится и в непрерывном спектре астрофизических источников (звезд, галактик, туманностей и пр.), и - особенно - в линиях спектра поглощения (а иногда и излучения) различных химических элементов.
Рисунок 3 иллюстрирует зависимость информативности спектра от длины волны: с уменьшением длины волны происходит резкое возрастание информативности. На диаграмме показаны доступные диапазоны длин волн для наземных наблюдений и для орбитальных обсерваторий: американских Hubble (HST) и Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE; завершил работу в 2007 г.) и российского аппарата «Спектр-УФ».
Но в ультрафиолетовом диапазоне наблюдают не только далекие звезды и туманности.
Вариации поведения Солнца во время периода повышенной «солнечной активности» наиболее ярко проявляются не в оптическом, а именно в УФ-диапазоне спектра. Поток солнечного излучения в ультрафиолете меняется гораздо сильнее, чем в видимом диапазоне. Поэтому практически все космические аппараты, изучающие Солнце, оснащены приборами (камерами и спектрографами) УФ-диапазона. При этом основную роль играют наблюдения в «крайнем» диапазоне ультрафиолета (КУФ). Межпланетная среда менее протяженная, чем межзвездная, и КУФ-излучение Солнца доходит до Земли без существенного ослабления. А вот наблюдения объектов, находящихся за пределами Солнечной системы, в КУФ затруднены из-за поглощения излучения этих объектов атомарным водородом на огромных межзвездных расстояниях. По этой причине наблюдения звезд, галактик, различных астрофизических процессов проводятся в основном в «дальнем» (ДУФ) и «ближнем» (БУФ) диапазонах ультрафиолетового излучения. Для различных волновых диапазонов создаются специальные телескопы. Универсального телескопа или приемника излучения не существует. Поэтому одна из классификаций астрономии определяется технологиями наблюдений. Читатели наверняка слышали о гамма-астрономии, рентгеновской, радио-, субмиллиметровой и др. В этом ряду находится и понятие «ультрафиолетовая астрономия». При этом один и тот же объект или процесс может изучаться различными методами, да то же Солнце например.
ДИАПАЗОН ОТКРЫТИЙ
Ультрафиолетовая астрономия, как и все другие методы внеатмосферной астрономии, - весьма дорогостоящее направление исследований. Научные обоснования высоких затрат должны быть очень весомыми, и они есть. Поэтому наблюдения объектов Вселенной в УФ-диапазоне проводились и проводятся многими космическими обсерваториями. Список этих аппаратов представлен в таблице. Уникальные астрономические открытия, полученные методами УФ-астрономии: обнаружение во Вселенной молекул водорода Н2 ; открытие горячей фазы межзвездной среды; определение количества дейтерия относительно водорода; выявление природы структур (например, корон, колец нейтрального газа и т.д.) и процессов, протекающих во внешних областях атмосфер планет-гигантов, и др.
ИЗ РОДА «СПЕКТРОВ»
«Спектр-УФ» - один из проектов серии «Спектр» Федеральной космической программы наряду с уже реализованным «Спектром-Р» («Радиоастрон») и осуществляемым в настоящее время «Спектром-РГ» («Рентген-гамма»). В свое время инициатива привлекла внимание международной научной общественности, и изначально (в 1990-е годы) целый ряд стран выразил желание присоединиться к ней. По предложению образовавшейся международной группы, проект получил второе (международное) название: World Space Observatory - Ultraviolet (WSO-UV). Со временем, в результате длительного периода недофинансирования научного космоса в России и соответственно постоянных сдвигов плана запуска обсерватории, из множества иностранных партнеров в проекте осталась только Испания (разработка канала дальнего УФ-блока камер поля, участие в наземном сегменте приема и обработки информации). В последние годы интерес к кооперации проявляет Япония: японское космическое агентство JAXA направило в адрес Роскосмоса письмо о намерениях.
Общий вид обсерватории «Спектр-УФ» показан на рисунке 4.
Основной инструмент обсерватории - телескоп Т-170M с главным зеркалом диаметром 1.7 м - будет оснащен УФ-спектрографами высокого (R~55000) и низкого (R~1000) разрешения, а также камерами для построения высококачественных изображений в УФ-диапазоне (угловое разрешение ~0.1 угл. секунды).
Такой набор научных приборов позволит обеспечить решение широкого класса задач. По своим возможностям проект аналогичен «Хабблу», а по некоторым характеристикам он превзойдет этот телескоп. Космическому аппарату «Спектр-УФ» предстоит работать на геосинхронной* орбите наклонением 40°. Этот параметр оказался более благоприятным с точки зрения радиационной обстановки, чем предполагаемая первоначально величина 51.4°.
(* Геосинхронной называется орбита спутника, обращающегося вокруг Земли, на которой период обращения равен звездному периоду вращения Земли - 23 часа 56 минут 4.1 секунды.)
Запуск спутника (посредством ракеты-носителя «Ангара-5» с разгонным блоком серии «Бриз») запланирован на 2025 г. Поскольку никаких технических проблем в проекте нет, этот срок при ритмичном финансировании и отсутствии секвестров вполне реален.
ОКНО В УЛЬТРАФИОЛЕТОВУЮ ВСЕЛЕННУЮ
«Спектр-УФ» - обсерватория многоцелевая. В первую очередь на ней будет выполняться базовая программа наблюдений:
-Исследование эволюции Вселенной, в том числе истории реионизации и химической эволюции, а также поиск скрытого диффузного барионного вещества.
-Физика звездообразования. УФ-изображения галактик позволяют выделить удивительные факты в этой области. Оказывается, очень много молодых звезд образуется на периферии галактик, которые на обычных снимках не видны. Это открытие было сделано с помощью космического аппарата GALEX (NASA), но большое поле исследований еще впереди.
-Поведение вещества в окрестностях т.н. компактных объектов: черных дыр, ней тронных звезд, тесных двойных звезд. Массивные тесные двойные звезды излучают в основном в УФ-диапазоне. Такие звезды - прародители двойных черных дыр звездной массы, которые являются мощными источниками гравитационных волн.
-Изучение физико-химического состава атмосфер планет Солнечной системы и экзопланет. В последние годы вырос интерес к исследованию комет Солнечной системы, водородных оболочек экзопланет и химического состава атмосфер этих планет с помощью УФ-инструментов. В этом вопросе на «Спектр-УФ» мировое астрономическое сообщество возлагает особые надежды. В ближайшее десятилетие единственным большим «окном» в «ультрафиолетовую Вселенную» будет именно обсерватория «Спектр-УФ», поскольку на этот период в планах других космических агентств подобных проектов нет.
ПОСЛЕ 2030 ГОДА
Что касается более отдаленных перспектив, в последние годы идет интенсивное обсуждение около десятка крупных перспективных разработок в области УФ-астрономии. Среди них два проекта имеют наибольшие шансы быть реализованными после 2030 г.: это HABEX и LUVOIR (оба NASA) - телескопы диаметром от 4 м до 16 м для работы в оптическом, УФ и ближнем инфракрасном диапазонах. Но это уже другая тема.
Борис Шустов - Член-корреспондент РАН, научный руководитель Института астрономии РАН, научный руководитель проекта «Спектр-УФ».
link