Астрономія: що ми шукатимемо в космосі наступні десять років

Нова доповідь американської академії наук називає головні завдання та проєкти для астрономії до 2032 року.

На початку листопада американська Національна академія наук оприлюднила черговий «десятирічний огляд» Astro2020 Decadal Survey (ADS), який стане основою для нових астрономічних проєктів та досліджень на 2022-2032 роки. Як можна помітити з назви, доповідь мала вийти ще минулого року, проте пандемія призвела до серйозних затримок у роботі великої команди авторів, яка налічує близько 150 учених, розділених на 13 тематичних комісій.

Такі документи виходять регулярно і не є прямими вказівками до дії, але значно впливають на роботу NASA, Національного наукового фонду (NSF) США, а через них - на розвиток космонавтики й астрономії в усьому світі. Завдяки попереднім таким доповідям з'явилося багато важливих інструментів, включаючи запущений нещодавно космічний телескоп James Webb. Які ж напрями та концепції виділяють автори доповіді цього разу?

Три шляхи

АDS вказує три ключові теми, які особливо цікавитимуть астрономів у найближче десятиліття. Перша з них – «Драйвери зростання галактик» – присвячена проблемам формування та еволюції. За сучасними уявленнями, перші галактики з'явилися в ранньому Всесвіті, що спрямовуються скупченнями темної матерії, і потім розвивалися за рахунок злиття один з одним і поглинань. Однак багато деталей цих процесів залишаються невідомими, і той же James Webb, який здатний розрізнити найдальші та найдавніші з галактик, дозволить краще їх вивчити.

Другий напрямок – «Шляхи до населених світів» – присвячено пошуку далеких екзопланет земного типу, має увінчатися отриманням їх перших прямих зображень, в ідеалі – і виявлення хімічних слідів життя. Очікується, що в цій роботі стануть у нагоді і телескоп James Webb, і обсерваторія Nancy Grace RST, що готується до запуску в 2027 р. Можливо, вони дозволять з'ясувати склад атмосфер деяких екзопланет, які потенційно живуть, і шукати в них можливі біомаркери.

Телескоп James Webb

Нарешті, третій напрямок – «Нові вікна в динамічний Всесвіт» – орієнтовано на застосування нових астрономічних інструментів, доповнюючи роботу звичайних телескопів детекторами нейтрино і гравітаційних хвиль. Така «багатоканальна астрономія» дозволяє з різних точок зору досліджувати найвищі енергетичні процеси, включаючи колапси масивних світил, злиття чорних дір і нейтронних зірок, вивчати природу цих екстремальних об'єктів, а також усе, що відбувалося в перші моменти існування Всесвіту.

Велика місія

Виходячи з озвучених тем, найважливішим завданням на майбутнє залишається створення нового великого (не менше 6 м) космічного телескопа, здатного працювати у надзвичайно широкому діапазоні хвиль. Очікується, що він зможе розглянути далекі екзопланети у безпрецедентних деталях. Поки що розглядаються дві концепції подібної місії: HabEx та LUVOIR. Цікаво, що HabEx може складатися з двох окремих апаратів – власне телескопа та екрана, що розкриється за сотні тисяч кілометрів від нього, прикриваючи випромінювання далеких зірок для спостереження їхніх екзопланет. Це дозволяє обійтися дзеркалом помірних (близько 4 м) розмірів, тоді як альтернативний проєкт LUVOIR передбачає телескоп зі значно більшим (8-15 м) складовим дзеркалом.

Можливо, фінальний проєкт великого телескопа поєднуватиме обидва варіанти. Однак у будь-якому разі вартість подібного інструмента оцінюється не менше, ніж у 11 млрд доларів, і його навряд чи вдасться запустити раніше другої половини 2040-х. Тому одночасно з ним автори доповіді пропонують не забувати і про інші місії. Для цього в документі описано новий підхід до створення таких масштабних інструментів, що рекомендує паралельно працювати одразу з кількома місіями.

Досі для кожного з таких телескопів визначають завдання, після чого перемикаються проєктування, будівництво та запуск, потім переходять до наступного проєкту. Так були створені великі обсерваторії Chandra, Spitzer і Hubble, причому на весь процес найчастіше йшли і йдуть десятиліття. У рамках нової стратегії роботи повинні вестися одночасно – так, щоб проблеми по одному проєкту не призводили до серйозних відставань усієї наукової програми, дозволяючи оперативно зосереджувати зусилля на найперспективнішому варіанті.

Місії «пробного» класу

Серед таких перспективних проєктів автори доповіді називають телескопи для роботи в середньому та далекому ІЧ-спектрі (Origins), а також у рентгені (Lynx). Обидва апарати можуть бути виготовлені та запущені вже близько 2030 р. за ціною 3-5 млрд доларів за кожен. Origins буде використовуватися насамперед для вивчення екзопланетних атмосфер, а рентгенівський Lynx – для спостережень чорних дір та еволюції галактик.

Очікується, що чутливість ІЧ-телескопа Origins у тисячі разів перевищить можливості існуючих інструментів, а Lynx стане в сотні разів чутливішою за найкращу на сьогодні рентгенівську обсерваторію Chandra. При цьому обидва відноситимуться до місій нового класу Probe, якій астрономи пропонують доповнити діапазон проєктів NASA. Апарати Probe займуть проміжне положення між «Великими телескопами», подібними до Hubble або James Webb, і проєктами середніх масштабів, що створюються за програмою Explorer.

Земні завдання

На самій Землі доповідь пропонує подальшу підтримку будівництва нових великих телескопів, таких як GMT (апертура 24,5 м, очікуваний термін уведення в експлуатацію – 2029) та ТМТ (30 м, 2027). Цікаво, що роботи над 30-метровим телескопом ТМТ рекомендовано продовжити, незважаючи на протести місцевих жителів, спричинені тим, що інструмент будується на священній гавайській горі Мауна-Кеа. А в Чилі та Антарктиді мають бути розгорнуті інструменти мікрохвильової обсерваторії CMB-24 – понад 20 телескопів для реєстрації реліктового випромінювання Всесвіту.

Крім того, доповідь підтримує будівництво в США модернізованої мережі радіотелескопів ngVLA, можливості якої значно перевищать існуючі аналоги, включаючи масиви VLA і VLBA. А для розвитку багатоканальної астрономії рекомендується робота над новими гравітаційно-хвильовими обсерваторіями та будівництво оновленої нейтринної обсерваторії IceCube 2 в районі Південного полюса.