Астрономия: что мы будем искать в космосе следующие десять лет

Такие документы выходят регулярно и не являются прямыми указаниями к действию, но оказывают большое влияние на работу NASA, Национального научного фонда (NSF) США – а через них и на развитие космонавтики и астрономии во всем мире. Благодаря предыдущим таким докладам на свет появились многие важные инструменты, включая запущенный недавно космический телескоп James Webb. Какие же направления и концепции выделяют авторы доклада на этот раз?

АDS указывает три ключевых темы, которые будут особенно занимать астрономов в ближайшее десятилетие. Первая из них – «Драйверы роста галактик» – посвящена проблемам их формирования и эволюции. По современным представлениям, первые галактики появились в ранней Вселенной, направляемые скоплениями темной материи, и затем развивались за счет слияний друг с другом и поглощений. Однако многие детали этих процессов остаются неизвестными, и тот же James Webb, способный различить самые далекие и древние из галактик, позволит лучше их узнать.

Второе направление – «Пути к обитаемым мирам» – посвящено поиску далеких экзопланет земного типа и должна увенчаться получением их первых прямых изображений, в в идеале – и обнаружению химических следов жизни. Ожидается, что в этой работе пригодятся и телескоп James Webb, и готовящаяся к запуску в 2027 г. обсерватория Nancy Grace RST. Возможно, они позволят выяснить состав атмосфер некоторых потенциально обитаемых экзопланет и поискать в них возможные биомаркеры.

Наконец, третье направление – «Новые окна в динамическую Вселенную» – ориентировано на применение новых астрономических инструментов, дополняя работу обычных телескопов детекторами нейтрино и гравитационных волн. Такая «многоканальная астрономия» позволяет с разных точек зрения исследовать самые высокоэнергетические процессы, включая коллапсы массивных светил, слияния черных дыр и нейтронных звезд, изучать природу этих экстремальных объектов, а также все, что происходило в самые первые моменты существования Вселенной.

Исходя из озвученных тем, важнейшей задачей на будущее остается создание нового большого (не менее 6 м) космического телескопа, способного работать в чрезвычайно широком диапазоне волн. Ожидается, что он сумеет рассмотреть далекие экзопланеты в беспрецедентных деталях. Пока что рассматривается две концепции подобной миссии: HabEx и LUVOIR. Любопытно, что HabEx может состоять из двух отдельных аппаратов – собственно, телескопа и экрана, который раскроется в сотне тысяч километров от него, прикрывая излучение далеких звезд для наблюдения их экзопланет. Это позволяет обойтись зеркалом умеренных (порядка 4 м) размеров, тогда как альтернативный проект LUVOIR подразумевает телескоп с куда большим (8-15 м) составным зеркалом.

Возможно, финальный проект большого телескопа будет сочетать оба варианта. Однако в любом случае стоимость подобного инструмента оценивается не менее чем в 11 млрд долларов, и его вряд ли удастся запустить ранее второй половины 2040-х. Поэтому одновременно с ним авторы доклада предлагают не забывать и о других миссиях. Для этого в документе описан новый подход к созданию подобных масштабных инструментов, рекомендующий параллельно работать сразу с несколькими миссиями.

До сих пор для каждого из таких телескопов определяют задачи, после чего переключаются проектирование, постройку и запуск, затем переходя к следующему проекту. Так были созданы великие обсерватории Chandra, Spitzer и Hubble, причем на весь процесс зачастую уходили и уходят десятилетия. В рамках новой стратегии работы должны вестись одновременно, – так, чтобы проблемы по одному проекту не приводили к серьезным отставаниям всей научной программы, позволяя оперативно сосредоточивать усилия на самом перспективном варианте.

В числе таких перспективных проектов авторы доклада называют телескопы для работы в среднем и дальнем ИК-спектре (Origins), а также в рентгене (Lynx). Оба аппарата могут быть изготовлены и запущены уже около 2030 г., по цене 3-5 млрд долларов за каждый. Origins будет использоваться, прежде всего, для изучения экзопланетных атмосфер, а рентгеновский Lynx – для наблюдений черных дыр и эволюции галактик.

Ожидается, что чувствительность ИК-телескопа Origins в тысячи раз превысит возможности существующих инструментов, а Lynx станет в сотни раз чувствительнее лучшей на сегодня рентгеновской обсерватории Chandra. При этом оба будут относиться к миссиям нового класса Probe, которой астрономы предлагают дополнить диапазон проектов NASA. Аппараты Probe займут промежуточное положение между «Великими телескопами», подобными Hubble или James Webb, и проектами средних масштабов, создаваемых по программе Explorer.

На самой Земле доклад предлагает дальнейшую поддержку строительства новых больших телескопов, таких как GMT (апертура 24,5 м, ожидаемый срок ввода в эксплуатацию – 2029 г.) и ТМТ (30 м, 2027 г.). Любопытно, что работы над 30-метровым телескопом ТМТ рекомендовано продолжить, несмотря на протесты местных жителей, вызванных тем, что инструмент строится на священной гавайской горе Мауна-Кеа. А в Чили и Антарктиде должны быть развернуты инструменты микроволновой обсерватории CMB-24 – более 20 телескопов для регистрации реликтового излучения Вселенной.

Кроме того, доклад поддерживает строительство в США модернизированной сети радиотелескопов ngVLA, разрешение которой на порядок превысит существующие аналоги, включая массивы VLA и VLBA. А для развития «многоканальной астрономии» рекомендуется работа над новыми гравитационно-волновыми обсерваториями и строительство обновленной нейтринной обсерватории IceCube 2 в районе Южного полюса.