Гигантские телескопы помогут человеку узнать прошлое и будущее Вселенной

ЭкспертHi-Tech

Навстречу темной материи

Гигантские телескопы в ближайшие десять лет помогут человеку узнать прошлое и будущее Вселенной и продолжить искать внеземную жизнь

Заур Мамедьяров

Китайский сферический радиотелескоп с апертурой диаметром 500 метров стал одним из крупнейших в мире и стоил более 185 млн долларов

Возможно, одним из самых удивительных открытий XX века было то, что обычная материя, из которой состоят планеты, звезды, галактики — все, что мы видим в телескоп, занимает не более пяти процентов массы Вселенной. Все остальное состоит из таинственного, невидимого вещества — темной материи — и гипотетической темной энергии (ее доля в массе Вселенной почти 70%).

Ученые пока не смогли поймать темную материю — она невидима для электромагнитного излучения, поэтому с помощью современных приборов ее не обнаружить. Ее не увидеть в телескоп, но можно заметить, как она проявляется в гравитационном воздействии на вещество. Например, некоторые галактики вращаются иначе, чем предсказывает классическая физика, и учет темной материи может это объяснить. Считается, что темная материя играет важную роль в формировании галактик и расширении Вселенной.

Темная энергия еще более таинственна. Ее открыли только в 1990-х годах, и наука пока не может дать приемлемых объяснений. Известно, что Вселенная расширяется с ускорением, и темная энергия может быть причиной этого — она вызывает силу, которая преодолевает гравитацию и ускоряет расширение. Есть гипотеза, что темная энергия — это космологическая постоянная, то есть просто свойство пустоты (вакуума).

В 2019 году часть Нобелевской премии по физике вручили за теоретические открытия в области космологии, как раз связанные с пониманием развития Вселенной. Лауреат премии Джеймс Пиблз — автор идей о реликтовом излучении и его связи с Большим взрывом, а также о темной материи как о факторе образования гигантских структур во Вселенной. В пресс-релизе Нобелевского комитета подчеркивалось, что изучение темной материи и темной энергии —главный вызов современной физике. Путь к лучшему пониманию Вселенной призваны проложить сразу несколько космических миссий и строящихся гигантских телескопов. Все они будут поочередно запускаться в 2020-е годы. Новые телескопы получат беспрецедентное оптическое разрешение и светочувствительность. Именно это необходимо для ответов на вопросы: как сформировались первые галактики? что такое темная энергия? как сгусток материи после Большого взрыва превратился в то, что мы видим на небе? что будет со Вселенной дальше?

Гигантские телескопы

В середине 2020-х годов планируется запустить три космических проекта, относящихся к классу экстремально больших телескопов: Гигантский Магелланов телескоп (GMT, запуск в 2024 году, диаметр 24,5 м), Тридцатиметровый телескоп (TMT, запуск в 2027 году, диаметр 30 м) и Чрезвычайно большой телескоп (ELT, запуск в 2025 году, диаметр 39 м). Это будут поистине гигантские сооружения.

Модель Чрезвычайно большого телескопа (ELT), пустыня Атакама, Чили

Например, GMT будет состоять из семи зеркал, каждое диаметром 8,5 м. Зеркала поштучно производят с 2005 года, и только шлифовка первого зеркала длилась более шести лет. Литье одного зеркала занимает почти три месяца и требует двадцати тонн боросиликатного стекла, работы ведутся в Университете Аризоны (США). В настоящее время полностью готовы только два первых зеркала, начать работу телескопа планируют на четырех зеркалах, в дальнейшем добавляя остальные. GMT будет расположен в обсерватории Лас-Кампанас (Чили). Стоимость проекта оценивается в миллиард долларов, работы ведутся совместными усилиями США, Австралии, Бразилии, Южной Кореи. Боросиликатное стекло поставляет Япония.

Европейский Чрезвычайно большой телескоп (ELT) строится с 2014 года, в нем будет большое сегментное 39-метровое зеркало, состоящее из 798 шестиугольных зеркал диаметром 1,4 м. Как и GMT, телескоп будет расположен в высокогорной части Чили. «Благодаря силе ELT мы сможем еще глубже погрузиться в раннюю Вселенную и найти много [гигантских] газовых туманностей», — говорит Эмануэле Паоло Фарина из Института астрономии имени Макса Планка.

В Тридцатиметровом телескопе планируются 492 шестиугольных сегмента диаметром 1,4 м, однако уже несколько лет проект буксует из-за массовых протестов против его размещения на Мауна-Кеа (эта гавайская Белая гора священна для местных народов).

Миссия Euclid

Ближайшим этапом в изучении темной материи и темной энергии станет космическая миссия Euclid Европейского космического агентства. Предполагается, что результаты исследований помогут приблизить человечество к пониманию эволюции Вселенной и ее ускоряющегося расширения.

Спутнику Euclid с помощью телескопа, оптической и инфракрасной камер предстоит составить карту распределения темной материи, наблюдая за тем, как она искажает свет, исходящий из далеких галактик. В рамках исследования темной энергии Euclid будет составлять карту трехмерного распределения галактик: закономерности распределения «войдов» (гигантских пустот между галактиками) используют в качестве критерия для измерения расширения Вселенной со временем. В частности, миссия должна ответить на один из важнейших вопросов космологии: почему расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется за счет гравитационного притяжения всей материи в ней?

Работа над Euclid началась в 2007 году, когда был разработан предварительный проект миссии. Только в 2012-м его окончательно утвердил комитет по научной программе Европейского космического агентства. Генеральным подрядчиком стала франко-итальянская компания Thales Alenia Space, которая строит спутник Euclid. Контракт на изготовление модуля полезной нагрузки (телескоп диаметром 1,2 м и приборы — камеру видимого света и камеру ближнего инфракрасного диапазона) первоначально был заключен с Astrium SAS, позже компания стала частью Airbus Group. Теперь в качестве подрядчика, изготавливающего модуль полезной нагрузки, указывается Airbus Space and Defence.

Общая стоимость миссии составляет 800 млн евро. На стадии планирования проекта предполагалось, что лидирующая роль в миссии будет принадлежать NASA и американское космическое агентство оплатит как минимум половину ее стоимости, однако по настоянию европейского агентства роль американцев сократилась. Вклад NASA оценивается примерно в 20 млн долларов — в частности, NASA изготавливает инфракрасные детекторы для одной из камер. В работе над миссией Euclid принимают участие почти тысяча ученых более чем из ста институтов 14 европейских стран: Австрии, Бельгии, Германии, Дании, Испании, Италии, Нидерландов, Норвегии, Португалии, Румынии, Великобритании, Финляндии, Франции и Швейцарии, а также американские и канадские исследователи.

Запуск космического телескопа имени Джеймса Уэбба запланирован на весну 2021 года

Первоначально Euclid планировали запустить в 2020 году, однако уже ясно, что ее отправят в космос не раньше 2022 года. Задержка во многом обусловлена проблемами с инфракрасными детекторами для камеры, разработанными NASA. В 2017 году стало известно, что детекторы не смогли пройти необходимые тесты: электроника плохо работала при низких температурах, в результате оборудование пришлось разрабатывать заново, что заняло больше года.

Только в середине 2018-го Европейское космическое агентство одобрило финальный проект спутника и всех подсистем. Осенью 2019 года на заводе Thales Alenia Space в Каннах проводились тесты структурно-термальной модели спутника Euclid — практически точной копии реального, только с неотполированными зеркалами телескопа и неполным набором электронных компонентов. Модель тестировали в вакууме в экстремальных температурах. Одновременно с этим на заводах Airbus в Тулузе и Thales Alenia Space в Турине тестировали телескоп и сервисный модуль. Оба модуля будут пристыкованы друг к другу в 2021 году. Для запуска спутника в 2022 году Европейское космическое агентство уже забронировало российский «Союз», однако сейчас рассматривает возможность использования новой европейской ракеты Ariane-62.

Euclid отправится к точке Лагранжа L2 в системе Солнце — Земля, расположенной в 1,5 млн км от поверхности Земли. Спутник будет вращаться по орбите вокруг L2, диаметр орбиты составляет около миллиона километров. Продолжительность миссии — шесть лет.

Устремленные в темноту Euclid не единственный проект, призванный разрешить загадки темной энергии и темной материи. Исследовательские группы по всему миру запускают проекты по изучению «темной стороны Вселенной»; усилия в этом направлении предпринимает и Россия. В июле этого года была запущена российско-немецкая обсерватория «Спектр-РГ», на борту которой находятся российский телескоп АРТ-ХС и немецкий eROSITA. Стоимость проекта оценивается в 500 млн евро. В отличие от Euclid, который работает в видимом и инфракрасном спектрах излучения, «Спектр-РГ» проводит обзор всего неба в рентгеновском диапазоне, что позволит обнаружить все тяжелые скопления галактик во Вселенной. Все скопления галактик, активные галактические ядра, остатки сверхновых звезд и рентгеновские двойные звезды имеют крайне высокую температуру, за счет чего испускают рентгеновское излучение, которое и поможет их обнаружить. Полученная в ходе миссии информация позволит более полно понять влияние темной материи и темной энергии на обычное вещество на протяжении существования скоплений галактик.

Миссия «Спектр-РГ» рассчитана на четыре года, в течение которых будет составлено восемь карт. Ученые ожидают обнаружить около трех миллионов активных ядер галактик и квазаров, сто тысяч скоплений и групп галактик, а также около полумиллиона активных звезд, белых карликов, пульсаров и остатков вспышек сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр. Самая полная карта, которая совместит в себе все восемь обзоров, будет готова в 2025 году. В начале декабря «Спектр-РГ» добрался до своей целевой орбиты — как и у Euclid, это орбита вокруг точки Лагранжа L2.

США ведут сразу несколько параллельных проектов по изучению темной материи и темной энергии. Один из них — DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument, спектроскопический инструмент для изучения темной энергии), установленный на телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне. У DESI пять тысяч «глаз» — роботизированных волоконно-оптических датчиков. «Глаза» прибора расположены за фокальной плоскостью линз. DESI может наблюдать пять тысяч галактик одновременно — по одной каждым из своих датчиков. Датчики собирают свет галактик, после чего соединенные с ними спектрографы разделяют его на узкие цветовые полосы, чтобы точно отобразить расстояние галактик от Земли. В результате DESI получает информацию о расстояниях до галактик и скорости их удаления от нас и создает трехмерную карту Вселенной. Стоимость проекта составляет 75 млн долларов — большую его часть финансирует министерство энергетики США.

В 2022 году полноценную работу начнет Большой широкоугольный обзорный телескоп LSST на пике Эль-Пеньон в Чили — еще один американский проект для изучения темной материи и темной энергии. Характеристики телескопа впечатляют: диаметр его главного зеркала — 8,4 м, примерно как ширина теннисного корта, а его 3,2-гигапиксельная камера с линзой диаметром 1,57 м работает в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Длительность проекта составляет девять лет, его финансируют Национальный научный фонд США (473 млн долларов), министерство энергетики США (165 млн долларов) и частные инвесторы (40 млн долларов).

Наконец, не стоит забывать и об одном из наиболее масштабных и амбициозных космических проектов США последних лет — космическом телескопе Джеймса Уэбба, который готовится к запуску в марте 2021 года. Срок работы над проектом не раз продлевался, а бюджет успел вырасти в 20 раз. Первоначально планировалось, что телескоп запустят в 2007 году, а стоимость миссии составит 500 млн долларов. Сейчас стоимость миссии оценивается уже в 9,66 млрд долларов. Диаметр зеркала телескопа — 6,5 м; инструмент будет оснащен камерой ближнего инфракрасного диапазона, прибором для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения, спектрографом ближнего инфракрасного диапазона и датчиком точного наведения. Создание карты темной материи во Вселенной — одна из основных задач проекта наряду с изучением ранних звезд и галактик на стадии их формирования и дальних сверхновых. Телескоп будет запущен с помощью ракеты Ariane 5 на орбиту в точке Лагранжа L2 — по плану, первые исследования он начнет выполнять уже осенью 2021 года.

Производство одного зеркала для Гигантского Магелланова телескопа требует почти 20 тонн стекла

Фото: Li Xu/zuma/tass, Desiree Stover/zuma\tass, Damien Jemison/Giant Magellan Telescope — Gtmo Corporation

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Эра крушения мечты Эра крушения мечты

Футурологи считают 2020-е годы ключевым этапом в технологической сингулярности

Эксперт
Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask? Игорь Савельев: Как тебе такое, Iron Mask?

Фрагмент из новой книги Игоря Савельева

СНОБ
FAANG оторвались от земли FAANG оторвались от земли

Американские компании-флагманы продолжают бурно расти

Эксперт
К пику возможностей К пику возможностей

3 декабря мир отмечает Международный день инвалидов

Огонёк
Остановись, мгновенье! Остановись, мгновенье!

Фототуры – тренд, набирающий популярность

Playboy
Условно свободная Россия. К чему всех нас приговорили в Кунцевском суде Условно свободная Россия. К чему всех нас приговорили в Кунцевском суде

Под незримым приговором сейчас ходит все российское общество

СНОБ
Риски затаились Риски затаились

Справится ли мировая экономика с последствиями спадов в Гонконге и США?

Эксперт
3 способа предотвратить неверность и развод: какой используете вы? 3 способа предотвратить неверность и развод: какой используете вы?

Три стратегии, которыми мы пользуемся, чтобы удержать партнера

Psychologies
Будущему — покажем: кому нужна научная фантастика в XXI веке Будущему — покажем: кому нужна научная фантастика в XXI веке

Крупнейшие компании вкладываются в проекты, связанные с научной фантастикой

Forbes
Токсичные звезды: как один человек может разрушить коллектив Токсичные звезды: как один человек может разрушить коллектив

У наличия сильного личного бренда есть как преимущества, так и недостатки

Forbes
Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы Поколение Netflix. Как так вышло, что мы все стали смотреть сериалы

За последние годы сериалы серьезно потеснили и большое кино

Forbes
«Рейдер» или «Непобедимый»: какой боевой вертолет выберет Армия США «Рейдер» или «Непобедимый»: какой боевой вертолет выберет Армия США

Выставка AUSA-2019 дала понять, каким может быть скоростной вертолет будущего

Naked Science
5+ причин отправиться в Израиль в любое время года 5+ причин отправиться в Израиль в любое время года

Израиль — место древних сказаний и передовых технологий

Cosmopolitan
Вот вам крест Вот вам крест

Сильвия и Джорджо Дамиани — об украшениях для кино, свадьбы и жизни

Vogue
Право на слово «нет»: как научиться им пользоваться Право на слово «нет»: как научиться им пользоваться

Хочется сказать «нет», но будто бы само собой получается «да». Почему?

Psychologies
Я глух и мем Я глух и мем

Хохот, к которому принуждают стендаперы напоминает уже болезненные судороги

GQ
Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся Вопрос на засыпку: что делать, если волосы быстро жирнятся

Грязные и вязкие волосы уже в первый день после мытья?

Cosmopolitan
Нормальный замес Нормальный замес

Будет ли выпечка вкусной, зависит от множества неважных на первый взгляд нюансов

Добрые советы
Как спортивные упражнения снижают тревогу? Как спортивные упражнения снижают тревогу?

Тревога может быть хронической или связанной с предстоящими событиями

Psychologies
Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод Как сохранить секрет, но при этом не сойти с ума: научный метод

С научной точки зрения, хранение тайны может нанести вред психике

Популярная механика
Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу Лукашин или Ипполит? Кого бы выбрала Надя, если пошла бы к психологу

С кем все-таки лучше было остаться Наде – с Женей Лукашиным или с Ипполитом

Cosmopolitan
Личные катастрофы уже есть Личные катастрофы уже есть

Как Всероссийская федерация легкой атлетики и Михаил Бутов боролись с допингом

Эксперт
Предустановленные грабли. Как закон о поддержке отечественного софта навредит российским ИТ Предустановленные грабли. Как закон о поддержке отечественного софта навредит российским ИТ

Закон о предустановке отечественного программного обеспечения навредит ИТ

Forbes
Квартира для деловой женщины, 74 м² Квартира для деловой женщины, 74 м²

Для воздушности гостиная и спальня разделены необычной перегородкой, а не стеной

AD
Алия Григ: Алия Григ:

Алия Григ (Прокофьева) — о "космическом будущем" и о проектах в США

Cosmopolitan
Взятие Чистополя Взятие Чистополя

Почему волонтеры вынуждены спасать исторические города от государства

Огонёк
Какой прогресс Какой прогресс

Индустрия красоты развивается быстро, и в 2020 году нас ждет много нового

Добрые советы
Государство, которое производит тревогу Государство, которое производит тревогу

Историк Андрей Тесля — с чем связан глобальный политический кризис на Западе

Эксперт
Доктор Оливье Куртен-Кларанс — об уходе за кожей и семейном бизнесе Доктор Оливье Куртен-Кларанс — об уходе за кожей и семейном бизнесе

Оливье Куртен-Кларанс встретился с «РБК Стиль» во время своего приезда в Москву

РБК
Крылья желания Крылья желания

Частные самолеты остаются главным синонимом тяжелого люкса

Tatler
Открыть в приложении