12 марта агентство NASA отправило с калифорнийской базы военно-космических сил США Ванденберг на околоземную орбиту космическую обсерваторию SPHEREx с весьма нестандартным полетным заданием. Успешное выполнение ее исследовательской программы может стать немаловажным вкладом в современную космологию, а также принести интересные астрофизические результаты.
Новая космическая обсерватория спроектирована и изготовлена корпорацией Ball Aerospace & Technologies. Она не поражает ни размерами, ни массой — всего 178 кг. На своем борту SPHEREx несет телескоп с двадцатисантиметровым зеркалом и спектрофотометром высокого разрешения, работающим на краю красной зоны оптического спектра и в ближнем инфракрасном диапазоне. Обсерватория была выведена на геоцентрическую орбиту высотой 700 км с периодом обращения 90 минут. Для запуска была использована работающая на керосине и жидком кислороде ракета среднего класса Falcon 9 с возвращаемой первой ступенью, развивающая максимальную тягу около 86 тонн. Одновременно той же ракетой на орбиту были выведены четыре микроспутника проекта PUNCH (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere), предназначенные для получения информации о солнечной короне и процессах формирования солнечного ветра.
Аббревиатура SPHEREx означает Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization, and Ices Explorer. Этот прибор должен обеспечить измерение красных смещений приблизительно 450 млн галактик в спектральном диапазоне от 0,75 до 5 мкм. Он оснащен 102 цветными фильтрами, которые будут последовательно вырезать для фотометрической регистрации различные участки этой спектральной области. Благодаря большому числу фильтров обсерватория сможет эффективно регистрировать красные смещения света как относительно близких, так и очень далеких галактик. Это даст возможность измерять расстояния от Земли до галактик разных возрастов, не используя традиционные спектрографы.
К слову, такая техника определения красных смещений называется фотометрической. В начале 1960 годов ее предложил и впервые применил на практике мигрировавший в астрономию выпускник Калифорнийского технологического института Уильям Элвин Баум, который разработал первые фотоэлектрические фотометры для калифорнийских обсерваторий Маунт-Вилсон и Маунт-Паломар. Сначала ей были доступны лишь сравнительно небольшие красные смещения, где-то не более одной второй. Однако теперь, после ряда усовершенствований, этот метод позволяет оценивать красные смещения около 14–15 или даже больше. Правда, по надежности он уступает спектрометрическим измерениям, поскольку для точного определения красных смещений надо считывать характерные спектральные линии атомов и молекул, на что фотометры не способны, однако позволяет получать информацию быстрее спектрометров и потому обеспечивает бóльшую массовость скрининга. В частности, обсерватория SPHEREx будет вести сканирование не отдельных участков звездного неба, а всего небосвода.
Вторая задача обсерватории — поиск следов водяного пара и углекислоты в межзвездных газопылевых облаках нашей галактики, из которых формируются звезды и планеты. Эта информация поможет лучше понять динамику процессов звездообразования. Предполагается, что число звезд, которые станут объектами этого мониторинга, дойдет до ста миллионов.
Миссия обсерватории SPHEREx рассчитана на 25 месяцев. Ее работу в будущем продолжит многоцелевая инфракрасная обсерватория Nancy Grace Roman Space Telescope, которую NASA предполагает отправить на околосолнечную орбиту ко второй точке Лагранжа L2 в мае 2027 года.
Собранный массив данных по галактическим красным смещениям дополнит аналогичную информацию, приходящую от обсерватории Европейского космического агентства «Евклид», запущенной с мыса Канаверал 1 июля 2023 года ко второй точке Лагранжа. Однако «Евклид» в ходе своей шестилетней миссии собирает и будет собирать информацию о галактиках, возникших не ранее 10 млрд лет назад, когда возраст Вселенной дошел приблизительно до 4 млрд лет.
SPHEREx сможет заглянуть вглубь времен гораздо дальше, в так называемую эпоху реионизации, когда возраст Вселенной не превышал миллиарда лет. Согласно Стандартной космологической модели, в это время ультрафиолетовое излучение гигантских звезд первого поколения (они же звезды населения III), сверхновых и аккреционных дисков черных дыр превратило молекулы нейтрального космического водорода в ионы. Этот процесс радикально повлиял на распространение электромагнитных волн во Вселенной и тем самым стал важным фактором ее последующей эволюции.
Результаты обсерватории SPHEREx при успешном завершении ее работы помогут точнее измерить динамику расширения Вселенной и тем самым лучше понять природу темной энергии. Они также будут способствовать реализации программы глубокого трехмерного картирования как относительно ближних, так и дальних галактик в широком диапазоне красных смещений.
Не исключено, что такое картирование позволит ответить на один из самых фундаментальных и сложных вопросов, поставленных современной космологией: каков механизм инфляционного расширения Вселенной? Стандартный сценарий приписывает эту роль скалярному полю, которое принято называть инфлатонным (а его кванты — инфлатонами). Считается, что это поле включилось через 10–35 с после рождения Вселенной и действовало до возраста Вселенной в 10–34 с. Флуктуации этого поля после его трансформации в сверхгорячую плазму и перехода расширения Вселенной в неинфляционный режим дали начало сгущениям темной и обычной материи, которые породили первые звезды, галактики и черные дыры. Наблюдаемое пространственное распределение ранних галактик отражает статистику этих флуктуаций, которую можно извлечь из результатов их картирования.
Почему это так важно? Теория утверждает, что если бы космологическая инфляция была вызвана единственным фактором — инфлатонным полем, — то флуктуации были бы гауссовыми, т.е. были бы суперпозицией независимых возмущениий, не скоррелированных по фазе. Если же таких факторов было два или больше, распределение должно оказаться негауссовым. Степень негауссовости определяется численным коэффициентом, положительным или отрицательным, который принято обозначать fNL. Его нулевое значение соответствует чисто гауссовому полю, а значительные отклонения от нуля заставляют подозревать иные варианты.
Пока что этот коэффициент удалось лучше всего оценить на основе информации о спектрах микроволнового реликтового излучения (МРИ), собранной космической обсерваторией «Планк». Она дает для него диапазон значений (–0,9 ± 5,1), причем достоверность этой оценки не превышает одного стандартного отклонения (одной сигмы). Однако МРИ было испущено с так называемой поверхности последнего рассеяния, которая в первом приближении представляла из себя двумерную область в ранней Вселенной. Правда, несмотря на общепринятое название, на деле она была не геометрической поверхностью, а тонким слоем, но особой роли это не играет. Во всяком случае, данные по МРИ содержат заведомо меньше информации о первичных флуктуациях генератора — или генераторов — инфляции, чем трехмерное картирование галактик. Информация от обсерватории SPHEREx, как предполагается, позволит оценить fNL с точностью до плюс-минус единицы. Именно поэтому она представляет такую ценность для космологии.
Запуск обсерватории SPHEREx откладывался несколько раз, но в итоге прошел штатно. Ракета-носитель стартовала 11 марта в 20:10 по тихоокеанскому времени (12 марта в 6:10 мск). Через 42 минуты после старта обсерватория отстыковалась от верхней ступени ракеты, а одиннадцатью минутами позже от нее попарно отделились и аппараты комплекса PUNCH. Предполагается, что SPHEREx начнет давать информацию примерно через месяц после запуска. Четырем спутникам PUNCH предстоит в течение 90 суток сформировать правильную орбитальную группировку и пройти калибровку бортового оборудования, после чего они также приступят к работе.
Алексей Левин
Загрузка...