Космічний телескоп імені Ненсі Грейс Роман — один із тих проєктів NASA, які можуть постраждати від скорочення бюджету агенції. Проте цей інструмент має стати наступним кроком у розвитку інфрачервоної астрономії. Ця галузь зараз є однією з найважливіших у науці про зорі, й на те є вагомі причини.
Плани зі скорочення бюджету NASA
В середині квітня 2025 року стало відомо, що у своїй бюджетній пропозиції на 2026 рік адміністрація Дональда Трампа пропонує сильно скоротити витрати NASA. Зокрема, найбільше має постраждати науковий підрозділ цієї організації, який зараз має бюджет близько 25 млрд доларів.
Фінансування геліофізичних місій можуть скоротити вдвічі; 2/3 астрофізиків, що займаються дослідженнями об’єктів глибокого космосу, також можуть скоротити. З усіх космічних телескопів згодні фінансувати тільки JWST та Hubble.
У науковому середовищі чи не найбільше галасу наробила звістка про можливе скасування запуску Космічного телескопа Ненсі Грейс Роман. Його збирання іде багато років і вже добігає кінця. Проте він може так і не полетіти в космос.
Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман, або, як його ще називають, Roman Space Telescope — це наступний крок у розвитку інфрачервоної астрономії. Важко сказати, чому нова американська адміністрація вирішила, що він непотрібний.
Можливо, вони подивилися, що на орбіті вже є кілька інфрачервоних телескопів, тож вчені можуть обійтися і ними. Проте є вагома причина, чому астрономічних інструментів, що працюють у цьому діапазоні, так багато, але науковцям їх треба ще більше. Щоб це зрозуміти, варто розібратися, у чому ж полягає особливість інфрачервоних довжин хвиль.
Теплове випромінювання
До XIX століття про жодне інфрачервоне випромінювання вчені не чули. Але у 1800-му році англійський астроном Вільям Гершель почав ґрунтовно досліджувати Сонце і виявив, що його інструменти сильно нагріваються. Він почав шукати способи знизити цей ефект і з цією метою вирішив дізнатися, які ж довжини хвиль видимого світла (вони ж — кольори) сильніше впливають на телескоп.
Яким же будо здивування Гершеля, коли він виявив, що максимум енергії від Сонця надходить на хвилях, що перебувають за червоним спектром і невидимі людському оку. Щоправда, науковці достатньо швидко розібралися із цим явищем, бо зрозуміли, що інфрачервоні промені випромінюються будь-яким нагрітим тілом. Нам це явище добре знайоме по використанню тепловізора. Зображення у темряві він формує саме завдяки цьому ефекту.
Про те, що за допомогою інфрачервоних променів можна отримати зображення, міг здогадуватися ще сам Гершель. Але практичного значення це не мало. Засобів зробити його видимим для людського ока не було. Точніше, за пару десятиліть потенційно придатний до цього спосіб з’явився — фотографія.
Але у той час зображення отримували не на матриці з фотоелементів, а на скляних платівках чи плівці, вкритій певними речовинами. Зображення вони давали чорно-білі, але при цьому чутливі були переважно до синіх та зелених кольорів. Навіть чітке зображення чогось у червоному кольорі тоді було проблемою.
Детектори інфрачервоного випромінювання з’явилися тільки на початку XX століття. Тоді ж інфрачервона фотографія почала використовуватися на Землі. А от астрономи не дуже поспішали її використовувати. Річ у тім, що хоча ближнє інфрачервоне світло загалом затримувалося атмосферою нашої планети навіть менше, ніж видиме, на довших хвилях існували кілька піків поглинання, які дозволяли спостерігати зорі тільки крізь окремі «вікна». Тож вчені просто не знали, заради чого треба будувати телескопи, які працюватимуть на цих частотах.
Початок інфрачервоної астрономії
Ситуація змінилася у 1950–60-ті роки. В цей час перших успіхів досягла радіоастрономія. А радіохвилі — це саме те, що перебуває ще далі за інфрачервоним світлом. Тож якщо за їхньою допомогою вдалося побачити купу об’єктів, які лишалися непомітними у видимому світлі, то, можливо, й у ближчому до видимого діапазону варто щось пошукати.
При цьому варто зазначити, що інфрачервоне світло — достатньо широке поняття. Його поділяють на три окремі піддіапазони: ближній (від 700 до 1400 нм), середній (1400–30 000 нм) та дальній (30 000–100 0000 нм). Зазвичай використовується саме ближній інфрачервоний діапазон, який можуть сприймати ті самі фотоелементи, що і видиме світло. Переважно що для земних потреб, що для астрономії використовується саме він. Для середнього та дальнього діапазонів датчики мають бути занурені в охолоджувач, аби мати якомога нижчу температуру.
Перші експерименти з інфрачервоними телескопами розпочалися ще в 1960-х роках, і дуже швидко стало очевидно: для ефективної роботи ці прилади потрібно виводити у верхні шари атмосфери, а в ідеалі — за її межі. Одним із перших проєктів стала літаюча обсерваторія NASA Galileo, яка в 1965–1973 роках діяла на борту спеціально обладнаного літака Convair 990. Вона мала переважно експериментальний характер і використовувалась для спостережень за об’єктами Сонячної системи — зокрема, за кометою Ікея — Секі та супутниками Юпітера. Попри обмеженість платформи, ці польоти переконливо засвідчили: інфрачервоні телескопи матимуть велике майбутнє — варто лише вивести їх за межі атмосфери.
Головною перевагою інфрачервоного телескопа є саме те, що це тепловізор. Будь-який нагрітий об’єкт випромінює енергію навіть тоді, коли у видимому діапазоні не світиться. А значить, потенційно можна у ньому шукати навіть дуже холодні об’єкти, такі як коричневі карлики й міжзоряні хмари газу.
Крім того, у другій половині XX століття одним із найважливіших напрямів у науці про небо стало дослідження галактик, квазарів та інших об’єктів за межами Чумацького Шляху. Світло від них зазнає сильного червоного зсуву, тож добре роздивитися їх можна виключно в інфрачервоному діапазоні.
Ще одна важлива перевага інфрачервоного випромінювання — його здатність проникати крізь щільні середовища значно краще, ніж видиме світло. Саме тому в інфрачервоному діапазоні можна спостерігати об’єкти, приховані за щільними хмарами пилу та газу, які в іншому разі залишаються невидимими. Особливо яскраво цей ефект проявився вже у XXI столітті, коли астрономи почали досліджувати віддалені галактики.
Майже непомітна речовина, розсіяна у міжгалактичному просторі, здатна зменшувати яскравість їхнього видимого світла майже вдвічі. Натомість в інфрачервоному діапазоні ці об’єкти стають значно контрастнішими. Саме тому сучасна наука не може обійтися без інфрачервоних телескопів у вивченні найдавніших етапів розвитку Всесвіту.
Інфрачервоні космічні телескопи
Той факт, що для сприйняття інфрачервоного випромінювання підходять практично ті самі ПЗС-матриці, що і для видимого світла, дозволив достатньо легко допрацювати чимало найбільших наземних телескопів, тож тепер вони працюють в обох діапазонах.
Утім, найкращі результати все ж продемонстрували ті інструменти, які вдалося підняти вище за вершини найвищих гір. Справу Galileo продовжила повітряна обсерваторія Kuiper, що працювала у 1974–1995 роках. Саме вона здійснила низку важливих відкриттів, зокрема, виявила кільця Урана у 1977 році та атмосферу Плутона в 1988-му.
У 2010–2022 роках NASA у співпраці з Німецьким аерокосмічним центром реалізувала ще один амбітний проєкт — повітряну обсерваторію SOFIA. Вона являла собою літак, обладнаний інфрачервоним телескопом із дзеркалом діаметром 2,5 м, який здіймався на висоту понад 12 км. Такий підхід дозволив здійснити низку значущих відкриттів — зокрема, виявили воду на деяких астероїдах та її сліди у помірних широтах Місяця.
Перший інфрачервоний космічний телескоп звався IRAS. Він належав NASA і працював на орбіті Землі протягом 10 місяців у 1983 році. Переважно він використовувався для спостереження за кометами й перевірки самої концепції. Результати його роботи були чудовими, проте стало очевидно: для повноцінного вивчення Всесвіту необхідно створити значно потужніший апарат — а на це знадобляться роки.
У 1995 році на орбіту вивели Infrared Space Observatory (ISO). Побудувала її Європейська космічна агенція за допомоги японців та американців. Вона мала у 1000 разів більшу чутливість, ніж IRAS, і у 100 разів кращу кутову роздільну здатність. ISO працювала три роки й за цей час змогла спостерігати кілька десятків тисяч об’єктів.
ISO зробила безліч відкриттів. Вона дослідила протопланетні диски та знайшла у них планети, що тільки формуються; дізналася, що планети можуть формуватися навколо старих зір і знайшла воду у молекулярних хмарах поблизу від центру Галактики. Але найголовніше — саме цей космічний апарат розгледів величезну кількість газу та пилу в міжгалактичному просторі, чим показав, що майбутні місії, що спеціалізуватимуться на дослідженні позагалактичних об’єктів, теж мають виходити за межі видимого спектра.
Настала епоха інфрачервоних космічних телескопів. У 1996-му американські військові запустили в космос Midcourse Space Experiment, який займався картографуванням галактичної площини. У 2006–2011 роках на орбіті працював японський AKARI, який відкрив залишки наднових у Великій та Малій Магелланових Хмарах.
Проте справжнім проривом став телескоп Spitzer, який вирушив у космос 2003 року і продовжував працювати до 2020-го. Він став втіленням того, що фахівці NASA хотіли отримати ще з часів IRAS: повноцінний інфрачервоний телескоп у космосі.
Як і більшість високоточних інфрачервоних інструментів, Spitzer потребував глибокого охолодження для максимально ефективної роботи. Після вичерпання запасів охолоджувального середовища чутливість телескопа суттєво зменшувалася. Щоб продовжити термін активної місії, інженери застосували низку інноваційних конструктивних рішень, багато з яких відтоді стали стандартом для інших інфрачервоних космічних обсерваторій.
По-перше, для того, аби вберегтися від нагрівання сонячними променями, апарат захистили спеціальним щитом. По-друге, оскільки Земля теж нагріває космічний апарат, його вивели на дуже хитру орбіту. Вона є геліоцентричною, але при цьому швидкість апарата настільки мало відрізняється від тієї, з якою Земля сама рухається навколо Сонця, що фактично він весь час перебуває поруч із нею.
Spitzer робив знімки у псевдокольорах, проте вони все одно вражали. Залишки наднових, протозоряні об’єкти, що тільки зароджувалися у своїх зоряних колисках, віддалені галактики — подробиці структури цих об’єктів ховалися у темряві, але інфрачервоні промені дозволили побачити їх у всій красі. Також саме Spitzer став першим телескопом, що безпосередньо побачив екзопланету.
Не менш успішним за Spitzer став і космічний телескоп Herschel, що працював у космосі з 2009-го по 2013 рік. Він і досі є рекордсменом серед космічних телескопів за розмірами головного дзеркала, за умови, що воно є цільним. У цієї космічної обсерваторії його діаметр становив 3,5 м. У космічного телескопа James Webb воно більше — 6,5 м, проте складається з окремих сегментів.
Місія WISE
Інфрачервоний космічний телескоп — це буквально тепловізор на орбіті. Він добре справляється із завданням вдивитися максимально уважно у щось одне, і непогано — із задачею точно визначити параметри руху багатьох об’єктів. Але коли йдеться про необхідність просто відшукати щось, що добре ховається від нас, — тут йому просто немає рівних.
Однак для цього завдання потрібен особливий тип телескопа. Важливо не лише мати велике збільшення чи високу кутову роздільну здатність — не менш критичною є й ширина поля зору. Саме вона дозволяє інструменту швидко охоплювати великі ділянки неба, щоб вчасно виявляти найслабші сигнали з глибин космосу.
Саме таким прикладом став телескоп Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), запущений 2009 року. Він не вражає ані розмірами, ані гучними заявами про розкриття найглибших таємниць Всесвіту, однак його результати промовляють самі за себе і чудово ілюструють, навіщо нам потрібен Roman.
У списку найближчих до Сонця зоряних систем третій та четвертий рядки займають об’єкти, відкриті WISE. До того він оновлювався століття тому. І те, що насправді це — коричневі карлики, тобто субзоряні об’єкти, значення цього телескопа не применшує. Бо цей невеликий телескоп таких об’єктів насправді відкрив десятки, просто решта розташовані далі від Землі. Найхолодніший клас цих об’єктів, який називають Y, взагалі був відкритий саме ним.
Дізнатися, що там відбувається з квазаром, що світить нам із відстані у мільярди світлових років, — це добре. Але не менш важливо знати, що за об’єкти ховаються від нас прямо за порогом Сонячної системи. Чи не причаїлася там дев’ята планета розміром з Юпітер? А розміром з Нептун? Чи мандрівний коричневий карлик?
Найкраща на сьогодні відповідь на ці запитання теж належить телескопу WISE. Нічого подібного він у найближчому оточенні Сонця не знайшов, і тим самим встановив межі для можливості існування об’єктів різної маси на околицях Сонячної системи.
Крім того, він багато чого відкрив і в її межах. Зокрема, виявив 365 навколоземних об’єктів і 34 комети. Його місія завершилася у липні 2024 року, а 1 листопада він зійшов з орбіти й згорів в атмосфері Землі.
То навіщо потрібний Roman Space Telescope?
Зараз у космосі працюють три інфрачервоних телескопи. James Webb — головний астрономічний інструмент сучасності. Час його роботи розписаний на місяці вперед, а відкриття на основі його даних ідуть безперервним потоком.
Європейська місія Euclid працює з 2023 року. Вона переважно озирає глибини космосу за межами Чумацького Шляху. Нещодавно астрономи, що працюють з цим телескопом, представили перший реліз даних, який містить 26 млн галактик. Основною задачею апарата є картографувати максимально можливу кількість зоряних систем Всесвіту, аби за їхнім розподілом зрозуміти, де у ньому ховаються темна матерія та темна енергія.
Третім інфрачервоним космічним перископом є запущений лише кілька місяців тому SPHEREx. Він має дві основні місії — доповнити дослідження Euclid, незалежно вимірявши червоний зсув 450 млн галактик і вивчити, що відбувається у протопланетних дисках.
Ідея створити ширококутний оглядовий інструмент, подібний до WISE, але більше і краще, обговорюється з початку 2010 року. Зрештою вона і перетворилася на Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман. Виконувати він має максимально широкий спектр задач — від пошуків темної матерії до виявлення планет-сиріт. Основне ж його завдання полягає саме у виявленні того, що перебуває не так вже й далеко від нас, але через ті чи інші обставини залишається непомітним попри те, що складається із цілком звичайної матерії.
Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман за півтора десятиліття пережив чимало важких часів, але сказати, що це якийсь проєкт, який невідомо коли буде реалізований, неможливо. Окремо і сам астрономічний інструмент, і космічна платформа для нього вже виготовлені й випробувані. З 2025 року іде процес їхнього з’єднання. Після того, як він завершиться, залишиться лише ще раз їх випробувати разом і тоді вже готувати безпосередньо до запуску.
Фахівці кажуть, що статися це може вже восени 2026 року — набагато швидше, ніж планувалося раніше. Проте якщо фінансування NASA справді скоротять, він ризикує залишитися на Землі.
