22.05.2012 /
№ 104 /
с. 5 /
Станислав Бабак / Бытие науки /
No Comments
В мае Европейское космическое агентство приняло решение о том, что следующей флагманской миссией будет проект JUICE, задача которого — исследование спутников Юпитера и самой гигантской планеты. Многие эксперты не согласны с таким выбором. Отвергнутые конкуренты — рентгеновский телескоп нового поколения ATHENA и уникальный проект гравитационноволновой антенны NGO — по мнению ряда ученых, дали бы в итоге более интересные научные результаты. Мы попросили рассказать об NGO и процедуре выбора проекта-победителя Станислава Бабака из немецкого Института Общества Макса Планка по исследованиям в области физики гравитации в Потсдаме-Гольме (Институт Альберта Эйнштейна).
Начну я, пожалуй, с того, что объясню, почему и как появилась NGO (New Gravitational Wave Observatory). Это имя дали проекту в Европейском космическом агентстве (ЕКА); те же, кто непосредственно связан с проектом, называют его eLISA (evolved LISA). LISA как проект существовал 20 лет, и это был хороший образец тесного сотрудничества европейских и американских ученых, а также агентств: ЕКА и НАСА. В начале 2011 года бюджет НАСА был урезан; в дополнение к этому космический телескоп им. Джеймса Вебба (преемник Хаббловкого телескопа) намного превысил свой изначальный бюджет (почти вдвое, и это еще не конец). НАСА перенаправило почти все ресурсы на то, чтобы вырулить телескоп Джеймса Вебба на плановое производство и избежать дальнейшего роста стоимости. В связи с этим стало ясно, что НАСА не сможет финансировать никакие серьезные проекты в области астрофизики в ближайшие 5-10 лет. Это послужило причиной разрыва сотрудничества между ЕКА и НАСА по ряду проектов, в частности по так называемым L-проектам (L— от Large, т.е. больших по стоимости и задачам). В марте 2011 года три крупных проекта: LISA, LAPLACE, XEUS — были вынуждены переформулировать основные задачи и сменить всю проектировку, чтобы уложиться в бюджет ЕКА для L-миссий (он составляет около 800 млн евро). Дополнительным требованием была смена имени каждого проекта (так, чтобы оно не имело ничего общего с изначальным). Вначале из LISA получилась eLISA (проэволюциониро-вовшая LISA), но, поскольку имя было слишком похоже на изначальное, нам его заменили на NGO. Два других проекта теперь известны как JUICE (ex-LAPLACE) и ATHENA (ex-XEUS).
ATHENA
Проект пришел на смену таким обсуждавшимся миссиям, как XEUS, Constellation-X, IXO. Это рентгеновский телескоп нового поколения. По всем основным параметрам (предельный поток, угловое разрешение, качество спектроскопии) он должен был бы существенно обойти предшественников. В частности, инструмент показывал бы непревзойденные результаты в спектроскопии с высоким пространственным разрешением. Работать предполагалось из точки L2. Ключевым было бы использование новой рентгеновской оптики (silicon pore optics). Спектр научных задач очень широк: изучение нейтронных звезд и черных дыр, активных ядер галактик и скоплений галактик, звезд и объектов солнечной системы, экзопланет и т.д. В частности, можно было бы надежно измерять темп вращения многих сверхмассивных черных дыр, изучать историю роста их массы. Многие исследования, возможные с ATHENA, имеют очевидный выход на вопросы фундаментальной физики и космологии. Телескоп работал бы в режиме заявок от различных групп исследователей. Миссия могла бы быть запущена в 2022 году и проработать на орбите 5-10 лет.
С.П.
Как сохранить научную ценность проекта, но сократить стоимость? Нам повезло в том, что урезать пришлось не 50 % расходов, а лишь где-то 25-30 %. Финансирование LISA изначально было полностью на плечах ЕКА и НАСА. Поэтому для eLISA теперь мы могли дополнительно рассчитывать на вклад от космических агентств европейских стран (Германия, Франция, Великобритания, Италия, Швейцария, Дания). Два других проекта-конкурента изначально рассчитывали на подобные вклады. С выходом из игры НАСА мы потеряли ракетоноситель. Европейская альтернатива (ARIAN-5) обладает большой грузоподъемностью (даже больше, чем нам надо), но это очень дорогая игрушка. План Б — использовать два российских «Союза», но вопрос: как?
LISA — это три одинаковых спутника на околосолнечной орбите, в форме равностороннего треугольника (со стороной 5 млн км), удаленных от Земли приблизительно на 20 градусов (позади нее, относительно направления орбитального вращения). Три спутника обмениваются лазерными сигналами и формируют интерферометрию: гравитационная волна влияет на частоту лазерного сигнала, и вся суть проекта состоит в измерении этого изменения частоты. Вопрос: как запихнуть три одинаковых спутника в два одинаковых ракетоносителя? Ответ: никак. Это было основное изменение в конструкции LISA. В новом варианте для NGO мы оставили один спутник, как было, а два других уменьшили: убрали часть телекоммуникаций, убрали один лазер, упростили схему измерений. Теперь основной (материнский) спутник обменивается лазерными сигналами с дочерними (упрощенными) спутниками. Тем самым мы решили проблему размещения трех спутников по двум «Союзам» (один запускает большой спутник, а другой — два малых).
Следующей проблемой было уменьшение массы каждого спутника. Основной вес — это топливо. Для LISA нам надо было вывести каждый спутник в заданную точку, затормозиться и дальше оставить его в свободном падении. Чтобы сэкономить топливо, мы решили не отвозить спутники далеко (лишь на 10 градусов позади Земли) и отказаться от торможения. Это повлекло следующие изменения в конструкции:
1. Треугольник, сформированный тремя спутниками, должен быть, насколько это возможно, равносторонним, с постоянной длиной сторон. Близость к Земле означает более сильные приливные силы, которые дестабилизируют конфигурацию.
Поэтому мы уменьшили длину сторон треугольника до 1 млн км.
2. Отказ от торможения означает, что eLISA будет дрейфовать от нас, и через пару лет расстояние между Землей и eLISA будет уже около 25 градусов, после чего телекоммуникация со спутником будет затруднительна. Новый момент был связан с тем, как мы выйдем на нужную орбиту. Чтобы опять же сэкономить топливо, мы используем лунную гравитацию как катапульту.
eLISA/NGO
Проект возник на основе разработки LISA, которая должна была осуществляться совместно ЕКА и НАСА. Это была бы первая гравитационно-волновая обсерватория в космосе. Поэтому результаты NGO были бы уникальны. Обсерватория должна была регистрировать гравитационные волны частотой от 0.0001 до 1 Гц. В первую очередь это позволило бы изучать сверхмассивные черные дыры, обнаруживая десятки слияний таких объектов в год. Разумеется, результаты NGO/eLISA представляли бы большой интерес для фундаментальной физики (можно было бы проверять предсказания различных теорий гравитации) и космологии. Кроме этого, удалось бы новым методом изучать компактные двойные звездные системы в нашей галактике. Например, NGO увидела бы все двойные из нейтронных звезд и/или черных дыр в Галактике с периодами менее 35 минут. Время активной научной работы составило бы около 2 лет (с возможностью продления до 5).
С.П.
Другие изменения заключались в уменьшении диаметра телескопов и увеличении мощности лазеров. В итоге мы сумели добиться того, что eLISA не очень сильно отличается от LISA, и при этом мы уложились в предполагаемый бюджет ЕКА. Оценка стоимости была произведена дважды: первый раз — в исследовательском центре ЕКА (ESTEC, Ноордвийк, Нидерланды) и второй раз — основным подрядчиком (subcontractor) ЕКА — фирмой Astrium.
Теперь пару слов по науке (подробности см. в е-принте [1]). Как оказалось, из-за модификации всей конструкции мы потеряли возможность наблюдать часть гравитационно-волновых источников, но того, что осталось, более чем достаточно для изучения формирования массивных черных дыр в ядрах галактик, эволюции двойных звездных систем в нашей Галактике и распределения звезд и звездных остатков в центральных областях галактик. Изучение фазы сильных гравитационных волн позволит проверить Общую теорию относительности (ОТО) в условиях сильного динамического гравитационного поля. Ну и, конечно, всегда есть вероятность найти что-нибудь экзотическое (космические струны, черные дыры с массой в несколько тысяч солнечных масс и т.д.). Основная разница между LISA и eLISA состоит в количественном, а не в качественном отношении: от «очень много источников» к «много» и от «ультраточных измерений параметров источников» к «точным измерениям».
Перейдем к процессу выборов большого (L) проекта в рамках реализации программы ЕКА Cosmic vision [2]. Он состоял из нескольких этапов. В начале каждый проект подал заявку с описанием конфигурации и научных перспектив (Yellow Book [3]). Потом представители от каждого проекта сделали доклад перед членами SSAC (Space Science Advisory Committee). Затем SSAC провел анонимное голосование и после обсуждения представил свои рекомендации директору по науке ЕКА.
SSAC рекомендовал проект JUICE, и директор поддержал эту рекомендацию. Наконец последний этап — совещание SPC (Science Programme Committee). В нем участвуют делегаты от космических агентств европейских стран. SSAC должен был оценивать научный потенциал каждого проекта. ЕКА и SPC, принимая во внимание рекомендации научного совета (SSAC) и учитывая потенциальный риск и неопределенности, связанные с каждым проектом, должны были принять окончательное решение. Результатом всего этого стал выбор проекта JUICE, который должен быть запушен в 2022 году, а около 2030 года должен добраться до лун Юпитера, которые могут содержать воду.
Я был сильно удивлен и расстроен таким решением и, конечно, попытался понять причины такого выбора. Дело в том, что спутник Galileo уже летал к Юпитеру и, по сути, ничего особо нового ожидать не приходится. Кроме того, к Юпитеру сейчас летит аппарат Juno. SSAC обосновал свое решение в документе, который вызвал искреннее недоумение и много вопросов «почему». Сей документ полон противоречий, которые никто так и не объяснил.
— Почему стоимость NGO вдруг резко изменили — с 850 млн евро до 1,06 млрд прямо перед совещанием SSAC? И это после двух независимых оценок 3-4 месяца назад?!
— Почему вдруг оценочное время готовности NGO к запуску изменили с 2024 на 2025 год без какой-либо аргументации?
— Почему ЕКА вдруг изменило свою же оценку готовности некоторых компонент NGO (лазеры, телескопы) с “medium risk” на “critical, high risk”? Спецификации телескопной системы почему-то не соответствовали тому, что было изначально заявлено. С лазером тоже что-то непонятное: уже есть протестированный в лабораториях лазер, вполне подходящий для NGO. Где же тут высокий риск?
— Почему возможная предвзятость (conflict of interest) некоторых членов SSAC не была принята во внимание во время голосования и обсуждения? Почему члены прежнего проекта LAPLACE (из которого вылупился JUICE) принимали участие в голосовании?
— Почему SSAC оценил научный потенциал NGO как «очень высокий» (цитирую: «SSAC unanimously recognized the high science value of NGO»), оценил научный потенциал ATHENA как «высокий» («SSAC also recognized the science value of ATHENA») и тем не менее рекомендовал JUICE, чей научный потенциал вообще не оценен?
JUICE
Проект возник на основе миссии LAPLACE. Предполагается, что аппарат будет запущен в 2022 году и достигнет системы Юпитера в 2030-м. Основные це-изучение юпи-терианских спутников, которые могут иметь большие подледные объемы воды. Начав с изучения Каллисто, Европы и самого Юпитера, аппарат выйдет в 2032 году на орбиту вокруг Ганимеда — крупнейшего спутника в этой системе. Это основная цель миссии. В частности, планируется изучить магнитосферу спутника и ее взаимодействие с магнитосферой Юпитера. Запланированы только дистанционные исследования. Важным инструментом является радар, который должен будет выяснить, что же находится подо льдом спутников Юпитера. Работу миссии планируется завершить в 2033 году. Напомним, что сейчас к Юпитеру летит американский спутник Juno, который будет исследовать саму планету, но не спутники.
С.П.
Кроме того, как обычно в таком серьезном процессе, в воздухе витает множество слухов. Например, о том что в SSAC анонимно большинством голосов проголосовали за eLISA/NGO, а потом, напуганные представлением ЕКА повышения оценки стоимости (1,06 млрд евро) и риска по готовности, изменили свое решение. Возможно, повлияло и то, что у нас еще нет результатов по прототипу, который называется LISA Pathfinder. LISA Pathfinder — это маленький проект, который полетит в 2014 году для подтверждения технологической готовности LISA/eLISA/NGO. Результаты от этого спутника будут получены в 2015 году. Все наземные тесты показали, что в высоких частотах мы удовлетворяем всем требованиям (результаты даже лучше, чем минимальные необходимые требования). Тестирование же низких частот возможно только в космосе.
Я полагаю, что основной движущей силой был не научный потенциал проекта, а прагматизм — выбор простого и скучного, зато легко реализуемого варианта (ЕКА знает, как и что делать по юпитерианской миссии: ведь, например, Galileo уже летал туда). Если бы был выбран рентгеновский спутник ATHENA, это можно было бы понять, но еще одно бессмысленное путешествие к Юпитеру за 1 млрд евро?
На самом деле было бы здорово запустить NGO и ATHENA одновременно, как большой проект по исследованию сверхмассивных черных дыр, но… Ну а пока будущее гравитационноволновой и рентгеновской астрономии темно.
