Космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман — один из тех проектов NASA, которые могут пострадать от сокращения бюджета этой организации. Однако этот инструмент должен стать следующим шагом в развитии инфракрасной астрономии. Эта отрасль сейчас является одной из важнейших в науке о звездах, и на то есть веские причины.
Планы по сокращению бюджета NASA
В середине апреля 2025 года стало известно, что в своем бюджетном предложении на 2026 год администрация Дональда Трампа предлагает сильно сократить расходы NASA. В частности, больше всего должно пострадать научное подразделение этой организации, которое сейчас имеет бюджет около 25 млрд долларов.
Финансирование гелиофизических миссий могут сократить вдвое; 2/3 астрофизиков, занимающихся исследованиями объектов глубокого космоса, также могут сократить. Из всех космических телескопов согласны финансировать только JWST и Hubble.
В научной среде больше всего шума наделало известие о возможной отмене запуска Космического телескопа Нэнси Грейс Роман. Его сборка идет много лет и уже подходит к своему концу. Тем не менее он может так и не полететь в космос.
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман, или, как его еще называют, Roman Space Telescope — это следующий шаг в развитии инфракрасной астрономии. Трудно сказать, почему новая американская администрация решила, что он ненужен.
Возможно, они посмотрели, что на орбите уже есть несколько инфракрасных телескопов, так что ученые могут обойтись и ими. Однако есть веская причина, почему астрономических инструментов, работающих в этом диапазоне, так много, но ученым их нужно еще больше. Чтобы это понять, стоит разобраться, в чем же заключается особенность инфракрасных длин волн.
Тепловое излучение
До XIX века ни о каком инфракрасном излучении ученые не слышали. Но в 1800 году английский астроном Уильям Гершель начал основательно исследовать Солнце и обнаружил, что его инструменты сильно нагреваются. Он начал искать способы снизить этот эффект и с этой целью решил узнать, какие же длины волн видимого света (они же цвета) сильнее влияют на телескоп.
Каково же было удивление Гершеля, когда он обнаружил, что максимум энергии от Солнца поступает на волнах, находящихся за красным спектром и невидимых человеческому глазу. Правда, ученые достаточно быстро разобрались с этим явлением, потому что поняли, что инфракрасные лучи излучаются любым нагретым телом. Нам это явление хорошо знакомо по использованию тепловизора. Изображение в темноте он формирует именно благодаря этому эффекту.
О том, что с помощью инфракрасных лучей можно получить изображение, мог догадываться еще сам Гершель. Но практического значения это не имело. Средства сделать его видимым для человеческого глаза не было. Точнее, за пару десятилетий потенциально подходящий для этого способ появился — фотография.
Но в то время изображение получали не на матрице из фотоэлементов, а на стеклянных пластинках или пленке, покрытой определенными веществами. Изображения они давали черно-белые, но при этом чувствительны были преимущественно к синим и зеленым цветам. Даже четкое изображение чего-то в красном цвете было тогда проблемой.
Детекторы инфракрасного излучения появились только в начале XX столетия. Тогда же инфракрасная фотография стала использоваться на Земле. А вот астрономы не очень торопились ее использовать. Дело в том, что хотя ближний инфракрасный свет в целом задерживался атмосферой нашей планеты даже меньше, чем видимый, на более длинных волнах существовали несколько пиков поглощения, которые позволяли наблюдать звезды только сквозь отдельные «окна». Поэтому ученые просто не знали, ради чего надо строить телескопы, которые будут работать на этих частотах.
Начало инфракрасной астрономии
Ситуация изменилась в 1950–60-е годы. В это время первых успехов добилась радиоастрономия. А радиоволны — это именно то, что находится еще дальше инфракрасного света. Так что если с их помощью удалось увидеть кучу объектов, которые оставались незаметными в видимом свете, то, возможно, и в ближайшем к видимому диапазону стоит что-то поискать.
При этом следует отметить, что инфракрасный свет достаточно широкое понятие. Его делят на три отдельных поддиапазона: ближний (от 700 до 1400 нм), средний (1400–30 000 нм) и дальний (30 000–100 0000 нм). Обычно используется именно ближний инфракрасный диапазон, который могут воспринимать те же фотоэлементы, что и видимый свет. Преимущественно и для земных нужд, и для астрономии используется именно он. Для среднего и дальнего диапазонов датчики должны быть погружены в охладитель, чтобы иметь как можно более низкую температуру.
Первые эксперименты с инфракрасными телескопами начались еще в 1960-х годах, и очень быстро стало очевидно: для эффективной работы эти приборы нужно выводить в верхние слои атмосферы, а в идеале — за ее пределы. Одним из первых проектов стала летающая обсерватория NASA Galileo, которая в 1965–1973 годах действовала на борту специально оборудованного самолета Convair 990. Она имела преимущественно экспериментальный характер и использовалась для наблюдений за объектами Солнечной системы — в частности, за кометой Икея — Секи и спутниками Юпитера. Несмотря на ограниченность платформы, эти полеты убедительно показали: инфракрасные телескопы будут иметь большое будущее — стоит только вывести их за пределы атмосферы.
Главным преимуществом инфракрасного телескопа именно то, что это тепловизор. Любой нагретый объект испускает энергию даже в том случае, когда в видимом диапазоне не светится. А значит, потенциально можно в нем искать даже очень холодные объекты, такие как коричневые карлики и межзвездные облака газа.
Кроме того, во второй половине XX века одним из важнейших направлений в науке о небе стало исследование галактик, квазаров и других объектов за пределами Млечного Пути. Свет от них испытывает сильный красный сдвиг, поэтому рассмотреть их как следует можно исключительно в инфракрасном диапазоне.
Еще одно важное преимущество инфракрасного излучения — его способность проникать сквозь плотные среды значительно лучше, чем видимый свет. Именно поэтому в инфракрасном диапазоне можно наблюдать объекты, скрытые за плотными облаками пыли и газа, которые в противном случае остаются невидимыми. Особенно ярко этот эффект проявился уже в XXI веке, когда астрономы начали исследовать отдаленные галактики.
Почти незаметное вещество, рассеянное в межгалактическом пространстве, способно уменьшать яркость их видимого света почти вдвое. Зато в инфракрасном диапазоне эти объекты становятся значительно контрастнее. Именно поэтому современная наука не может обойтись без инфракрасных телескопов в изучении древнейших этапов развития Вселенной.
Инфракрасные космические телескопы
Тот факт, что для восприятия инфракрасного излучения подходят практически те же ПЗС-матрицы, что и для видимого света, позволил достаточно легко доработать многие крупнейшие наземные телескопы, поэтому теперь они работают в обоих диапазонах.
Впрочем, лучшие результаты все же продемонстрировали те инструменты, которые удалось поднять выше вершины самых высоких гор. Дело Galileo продолжила воздушная обсерватория Kuiper, работавшая в 1974–1995 годах. Именно она совершила ряд важных открытий, в частности, обнаружила кольца Урана в 1977 году и атмосферу Плутона в 1988-м.
В 2010–2022 годах NASA в сотрудничестве с Немецким аэрокосмическим центром реализовала еще один амбициозный проект — воздушную обсерваторию SOFIA. Она представляла собой самолет, оборудованный инфракрасным телескопом с зеркалом диаметром 2,5 м, который поднимался на высоту более 12 км. Такой подход позволил осуществить ряд значимых открытий — в частности, обнаружили воду на некоторых астероидах и ее следы в умеренных широтах Луны.
Первый инфракрасный космический телескоп назывался IRAS. Он принадлежал NASA и работал на орбите Земли в течение 10 месяцев в 1983 году. Преимущественно он использовался для наблюдения за кометами и для проверки самой концепции. Результаты его работы были отличными, однако стало очевидно: для полноценного изучения Вселенной необходимо создать значительно более мощный аппарат — а на это понадобятся годы.
В 1995 году на орбиту был выведен Infrared Space Observatory (ISO). Построило ее Европейское космическое агентство с помощью японцев и американцев. Она имела в 1000 раз большую чувствительность, чем IRAS, и в 100 раз лучшее угловое разрешение. ISO работала три года, и за это время смогла наблюдать несколько десятков тысяч объектов.
ISO сделала множество открытий. Она исследовала протопланетные диски и нашла у них только формирующиеся планеты; узнала, что планеты могут формироваться вокруг старых звезд и нашла воду в молекулярных облаках вблизи центра Галактики. Но самое главное — именно этот космический аппарат разглядел огромное количество газа и пыли в межгалактическом пространстве, чем показал, что будущие миссии, специализирующиеся на исследовании внегалактических объектов, тоже должны выходить за пределы видимого спектра.
Настала эпоха инфракрасных космических телескопов. В 1996 году американские военные запустили в космос Midcourse Space Experiment, который занимался картографированием галактической плоскости. В 2006–2011 годах на орбите работал японский AKARI, который открыл остатки сверхновых в Большом и Малом Магеллановых Облаках.
Однако настоящим прорывом стал телескоп Spitzer, который отправился в космос в 2003 году и продолжал работать до 2020-го. Он стал воплощением того, что специалисты NASA хотели получить еще со времен IRAS: полноценный инфракрасный телескоп в космосе.
Как и большинство высокоточных инфракрасных инструментов, Spitzer нуждался в глубоком охлаждении для максимально эффективной работы. После исчерпания запасов охлаждающей среды чувствительность телескопа существенно уменьшалась. Чтобы продлить срок активной миссии, инженеры применили ряд инновационных конструктивных решений, многие из которых с тех пор стали стандартом для других инфракрасных космических обсерваторий.
Во-первых, для того чтобы уберечься от нагрева солнечными лучами, аппарат защитили специальным щитом. Во-вторых, поскольку Земля тоже нагревает космический аппарат, его вывели на очень хитрую орбиту. Она гелиоцентрична, но при этом скорость аппарата настолько мало отличается от той, с которой Земля сама движется вокруг Солнца, что фактически он все время находится рядом с ней.
Spitzer делал снимки в псевдоцветах, но они все равно поражали. Остатки сверхновых, только зарождавшиеся в своих звездных колыбелях протозвездные объекты, отдаленные галактики — подробности структуры этих объектов скрывались в темноте, но инфракрасные лучи позволили увидеть их во всей красе. Также именно Spitzer стал первым телескопом, непосредственно увидевшим экзопланету.
Не менее успешным, чем Spitzer, стал и космический телескоп Herschel, работавший в космосе с 2009-го по 2013 год. Он до сих пор является рекордсменом среди космических телескопов по размерам главного зеркала, при условии, что оно цельно. В данной космической обсерватории его диаметр составлял 3,5 м. У космического телескопа James Webb оно больше — 6,5 м, однако состоит из отдельных сегментов.
Миссия WISE
Инфракрасный космический телескоп — это буквально тепловизор на орбите. Он хорошо справляется с задачей всмотреться максимально внимательно во что-то одно, и неплохо — с задачей точно определить параметры движения многих объектов. Но когда речь идет о необходимости просто отыскать что-то хорошо скрываемое от нас, — здесь ему просто нет равных.
Однако для этой задачи нужен особый тип телескопа. Важно не только иметь большое увеличение или высокое угловое разрешение — не менее критичной является и ширина поля зрения. Именно она позволяет инструменту быстро охватывать большие участки неба, чтобы вовремя обнаруживать слабые сигналы из глубин космоса.
Именно таким примером стал телескоп Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), запущенный в 2009 году. Он не впечатляет ни размерами, ни громкими заявлениями о раскрытии глубочайших тайн Вселенной, однако его результаты говорят сами за себя и прекрасно иллюстрируют, зачем нам нужен Roman.
В списке ближайших к Солнцу звездных систем третью и четвертую строчки занимают объекты, открытые WISE. До этого он обновлялся столетие назад. И то, что на самом деле это коричневые карлики, то есть субзвездные объекты, значение этого телескопа не умаляет. Потому что этот небольшой телескоп таких объектов действительно открыл десятки, просто остальные находятся дальше от Земли. Холоднейший класс этих объектов, который называют Y, вообще был открыт именно им.
Узнать, что там происходит с квазаром, светящим нам с расстояния в миллиарды световых лет, — это хорошо. Но не менее важно знать, что за объекты скрываются от нас прямо за порогом Солнечной системы. Не притаилась ли там девятая планета размером с Юпитер? А размером с Нептун? Или странствующий коричневый карлик?
Лучший сегодня ответ на эти вопросы тоже принадлежит телескопу WISE. Ничего подобного он в ближайшем окружении Солнца не нашел, и тем самым установил границы для возможности существования объектов разной массы в окрестностях Солнечной системы.
Кроме того, он многое открыл и в ее пределах. В частности, обнаружил 365 околоземных объектов и 34 комета. Его миссия завершилась в июле 2024 года, а 1 ноября он сошел с орбиты и сгорел в атмосфере Земли.
Зачем нужен Roman Space Telescope?
Сейчас в космосе работают три инфракрасных телескопа. James Webb — главный астрономический инструмент современности. Время его работы расписано на месяцы вперед, а открытия на основе его данных идут непрерывным потоком.
Европейская миссия Euclid работает с 2023 года. Она преимущественно осматривает глубины космоса за пределами Млечного Пути. Недавно астрономы, работающие с этим телескопом, представили первый релиз данных, который содержит 26 млн галактик. Основной задачей аппарата является картографировать максимально возможное количество звездных систем Вселенной, чтобы по их распределению понять, где в ней скрываются темная материя и темная энергия.
Третьим инфракрасным космическим перископом является запущенный всего несколько месяцев назад SPHEREx. Он имеет две основные миссии — дополнить исследования Euclid, независимо измерив красное смещение 450 млн галактик и изучить, что происходит в протопланетных дисках.
Идея создать широкоугольный обзорный инструмент, подобный WISE, но больше и лучше, обсуждается с начала 2010 года. В конце концов она и превратилась в Космический телескоп Нэнси Грейс Роман. Выполнять он должен максимально широкий спектр задач — от поисков темной материи до обнаружения планет-сирот. Основная же его задача заключается именно в обнаружении того, что находится не так уж и далеко от нас, но в силу тех или иных обстоятельств остается незаметным несмотря на то, что состоит из вполне обычной материи.
Космический телескоп Нэнси Грейс Роман за полтора десятилетия пережил немало трудных времен, но сказать, что это какой-то проект, который неизвестно когда будет реализован, невозможно. Отдельно и сам астрономический инструмент, и космическая платформа для него уже изготовлены и испытаны. С 2025 года идет процесс их соединения. После того как он завершится, останется только еще раз их опробовать вместе и тогда уже готовить непосредственно к запуску.
Специалисты говорят, что произойти это может уже осенью 2026 года — гораздо быстрее, чем планировалось раньше. Однако, если финансирование NASA действительно сократят, он рискует остаться на Земле.
