Построение широкомасштабной карты Вселенной — столь амбициозно сформулирована задача астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», строительство которой завершают сейчас в НПО имени Лавочкина. Запуск ее намечен на следующий год, сам проект в изначальной конфигурации задумывался еще в советский период. Один из главных вопросов, на который должен ответить «Спектр-РГ», — как проходила эволюция галактик. В случае успеха миссии Россия сможет внести существенный вклад в развитие мировой науки.
Земная атмосфера для рентгеновских лучей эквивалентна слою свинца толщиной 1 м. А для наиболее информативного мягкого рентгеновского излучения непрозрачен даже 1 см воздуха. Нам с вами повезло: смертельное излучение из космоса до поверхности планеты не доходит. А вот для астрофизиков это проблема. Ведь многие интереснейшие объекты во Вселенной, к примеру — черные дыры, лучше всего изучать именно в рентгеновском диапазоне.
На заре космической эры считалось, что космос в рентгене окажется пустым. Но позднее выяснилось, что Вселенная буквально полыхает «рентгеном». Первый обзор неба в этом диапазоне, проведенный в 1971 году американским спутником Uhuru, обнаружил 339 источников. В 1990 году немецкий спутник ROSAT чувствительностью в 1000 раз больше внес в каталог уже 113 990 объектов. А кроме того, обнаружился рентгеновский фон, которым переливается весь небосвод. Есть предположение, что значительную часть этого «шума» создает множество точечных источников. Разглядеть их в этом «тумане» поможет «Спектр-РГ».
По словам академика РАН Рашида Сюняева, научного руководителя проекта, предполагается, что «Спектр-РГ» увидит около 3 млн сверхмассивных черных дыр, которые пожирают вещество со скоростью три массы Земли в секунду, а главное — зафиксирует около 100 тыс. скоплений галактик, то есть практически все эти колоссальные образования, состоящие из десятков тысяч галактик. Эти данные позволят астрофизикам составить самую грандиозную карту из всех возможных — карту Вселенной.
Набор инструментов
Основные научные приборы «Спектра-РГ» — немецкий рентгеновский телескоп eROSITA, изготовленный Институтом внеземной физики Общества имени Макса Планка, и аналогичный российский инструмент ART-XC, созданный Институтом космических исследований (ИКИ) РАН и Российским федеральным ядерным центром (РФЯЦ) в Сарове. «Немец» — толще и основательнее, «россиянин» — тоньше и чуть длиннее. Инструменты дополняют друг друга. eROSITA работает в более мягком рентгеновском диапазоне и обладает более широким полем зрения — 1 квадратный градус, что позволит «Спектру–РГ» за первые четыре года пребывания в космосе восемь раз сделать полный обзор неба.
— Таких обсерваторий для обзора всего неба с высокими чувствительностью, угловым и энергетическим разрешением больше нет, — рассказал «Известиям» заместитель директора ИКИ, руководитель работ по полезной нагрузке Михаил Павлинский. — Наземными инструментами подменить «Спектр-РГ» полностью невозможно.
Чувствительность eROSITA в 20 раз больше, чем у телескопа ROSAT, с помощью которого был сделан предыдущий вселенский обзор. Отсюда и способность разогнать тот «туман», который наполняет современную рентгеновскую картину мира.
Что касается российского телескопа ART-XC, то при меньшем поле зрения (0,3 кв. углового градуса) и разрешении (45 секунд) он «видит» в более жестком, высокоэнергетическом диапазоне, что позволит разглядеть детали, недоступные восприятию его немецкого «коллеги». Чтобы экранировать мягкое рентгеновское излучение, достаточно листа бумаги, а вот жесткий рентген способен проникнуть сквозь облака пыли и газа, закрывающие, к примеру, центры галактик. Между тем именно в центре нашей галактики, «всего» в 8 килопарсеках от Земли, притаилась черная дыра массой 4 млн Солнц.
Оба телескопа относятся к новейшему типу — в них используются зеркала косого падения. По прямой рентгеновский луч пролетит сквозь любое зеркало. Отразить или отклонить его можно лишь подставив поверхность тяжелого металла под очень острым углом — не больше половины градуса. Поэтому рентгеновское зеркало имеет вид трубы с едва заметным сужением сложной формы, фокусирующим излучение на детектор. Для повышения эффективности используют несколько зеркал разного диаметра с общей оптической осью, которые вкладывают одно в другое. Эти пакеты-матрешки должны быть сцентрированы с точностью 1,3 микрометра, то есть 1/50 толщины человеческого волоса. В обоих телескопах «Спектра-РГ» по семь таких блоков. В немецком инструменте — по 54 зеркала в каждом блоке, в нашем — по 28.
Но почему не сделать одну систему с зеркалами большого диаметра?
— Если вы наращиваете диаметр зеркальной системы, у вас увеличивается фокусное расстояние, — объяснил Михаил Павлинский. — Американцы и европейцы сделали два аппарата — Chandra и XMM-Newton, у которых фокусное расстояние порядка 8 м, и их стоимость зашкаливает за миллиард долларов. С нашим бюджетом мы бы никогда таких приборов не сделали. Даже сейчас стоимость eROSITA составляет около €100 млн.
Дороже золота
Космическая наука — недешевое удовольствие. Немецкие зеркала, к примеру, сделаны из никеля с отражающим покрытием из золота, российские — из никель-кобальта, но с иридиевым покрытием, которое в 10 раз дороже. Такой вот проект, где золото выходит дешевле.
— Иридий более эффективен для отражения излучения больших энергий, — пояснил Михаил Павлинский. — Здесь вопрос не в стоимости материала. Толщина слоя иридия, который наносится методом напыления, составляет порядка 10 нм. Но сама технология изготовления таких зеркал очень дорогая.
Одна из сложностей связана со шлифовкой поверхности. Ведь рентгеновское излучение характеризуется не только высокой энергией, но и очень короткой длиной волны, порядка 1 ангстрема — это диаметр атома водорода. Малейший дефект поверхности приводит к рассеиванию луча, поэтому шлифуется зеркало до шероховатости не выше 4 ангстрем. При этом толщина самого зеркала — 0,2 мм. Для сравнения: шероховатость зеркала европейского инфракрасного космического телескопа Herschel не должна была превышать 300 ангстрем. На шлифовку одного рентгеновского зеркала уходит три недели. Ранее такой технологией Россия не обладала. Ее пришлось создавать с нуля специалистам РФЯЦ. Так мы стали обладателями технологии, которой владеют только отдельные страны Западной Европы, Япония, США и которую сейчас усиленно развивает Китай.
На МАКС-2017 Аэрокосмический центр Германии (DLR) показал президенту России Владимиру Путину именно модель зеркала телескопа eROSITA, желая похвастать достижениями. Аналогичный предмет для гордости есть теперь и у нас. Однако на летном экземпляре ART-XC в конце концов решили поставить американские зеркала, изготовленные в Центре космических полетов имени Маршалла (NASA).
— Саров вышел на определенный уровень, на 90% освоил технологию, осталось 10%, быть может, даже 5%, — пояснил «Известиям» ситуацию Михаил Павлинский. — Но у нас не хватало времени, и требовалось дополнительное финансирование. А когда мы говорим, что купили американские зеркала, то надо понимать, что половину зеркальных систем американцы поставили как свой вклад в проект, то есть фактически нам они обошлись в несколько раз дешевле, чем если бы мы их делали сами. Но в следующем проекте, думаем, что уже сами справимся с этой задачей.
Россия и Германия поделили небо
Михаил Павлинский утверждает, что «Спектр-РГ» остался единственным российским проектом, в котором NASA сохранило свое участие поставками оборудования. И это лишний раз подчеркивает его значение. Кстати, eROSITA, по словам Михаила Павлинского, также «напичкана американскими компонентами», но, невзирая на это, разрешение на экспорт в Россию было получено без проволочек.
Скидка на американские зеркала стала частью сделки по своеобразному «распилу» Вселенной, которую наши и немецкие ученые поделили, как Испания и Португалия земной шар в 1494 году, — по меридиану.
— Когда мы договаривались с иностранными партнерами о том, какой прок будет российскому научному сообществу от того, что мы ставим тяжелый телескоп на наш аппарат, то решили поделить небо по нулевому меридиану в галактических координатах и отдать восточную часть российским ученым, а западную часть — немецким, — рассказал Михаил Павлинский. — Каждый обрабатывает свою зону в так называемый период правообладания — как минимум год, в течение которого право первой ночи будет у российских ученых в нашей части неба, а у немцев — в своей. Но это касается только данных телескопа eROSITA. По ART-XC все данные принадлежат российским ученым, за исключением небольшого участка порядка 0,5% неба, расположенного вокруг северного полюса эклиптики. Там договорились о совместной обработке с американцами за их вклад в проект.
Задержки — ничего необычного
«Спектр-РГ» планировалось запустить на несколько лет раньше — в 2014–2015-м, затем перенесли на 2016-й, потом на 2017-й, пока не назвали актуальную дату — октябрь 2018-го. Задерживать на Земле сложные научные аппараты — общемировая традиция, желающие без труда смогут найти, сколько планируемых дат пуска было у американского телескопа James Webb (до сих пор так и не запущенного).
Основной причиной переносов запуска «Спектра-РГ» были проблемы немецких партнеров при изготовлении рентгеновского телескопа eROSITA. Его ждали в Москве еще в 2010 году, но лишь в январе 2017 года летный экземпляр уникального научного прибора оказался в распоряжении НПО Лавочкина, разработчика платформы «Навигатор», на которой строится космический аппарат.
Российский телескоп был доставлен в НПО Лавочкина в конце 2016 года. После прибытия ценной посылки из Германии руководство проекта сообщило, что теперь у них «все в сборе». Однако есть одна важная система, поставка которой не только постоянно задерживалась, но до сих пор не произошла: речь о бортовом радиокомплексе (БРК), с помощью которого будет осуществляться управление и передача научных данных на расстояние 1,5 млн км.
Чтобы не повторилась история «Фобос-Грунт»
Информацию о трудностях с БРК подтвердил «Известиям» генеральный директор НПО Лавочкина Сергей Лемешевский.
— Есть вопросы по изготовлению летного образца БРК. Мы рассматриваем варианты решения этой проблемы. С технической точки зрения все вопросы выявлены, и речь идет о необходимости согласования графика работ для устранения проблемы. Думаю, что этот вопрос не скажется на сроках запуска миссии, — отметил он.
Проблемы уходят корнями в ноябрь 2011 года, когда из-за сбоя компьютера была потеряна межпланетная станция «Фобос-Грунт». На межпланетном аппарате стоял БРК, аналогичный тому, что планировался для «Спектра-РГ», но помочь в реанимации станции он не смог. После этой досадной аварии было принято решение пересмотреть элементную базу всех систем отечественных КА для дальнего космоса, а также добиться совместимости БРК «Спектра-РГ» с зарубежными средствами дальней космической связи. За БРК для «Спектра-РГ» отвечает ОАО «Российские космические системы» (РКС), объединяющее ведущие предприятия отечественного космического приборостроения. РКС не стремится распространяться о природе возникших проблем и способах их решения. Но предположить причину задержек нетрудно — это режим санкций и ограничение доступа к электронным компонентам необходимого качества.
Не вдаваясь в подробности, это предположение подтвердила «Известиям» пресс-служба госкорпорации «Роскосмос», в которую входит РКС.
— Санкции, конечно, влияют на проекты, подразумевающие международное сотрудничество. Но поскольку в их выполнении заинтересованы все участники, выработана система, которая позволяет оптимально решать поставленные научные задачи. Практически на изменение сроков реализуемого проекта сложившаяся ситуация не повлияла, — сообщили в пресс-службе.
Представители «Роскосмоса» заверили, что БРК «Спектра-РГ» будет совместим с зарубежными средствами дальней космической связи, поскольку это международный научный проект. Как сообщили в «Роскосмосе», при создании «Спектра-РГ» были использованы иностранные комплектующие.
Руководство НПО Лавочкина утверждает, что новой задержки пуска не произойдет, поскольку испытания идут с тестовым аналогом БРК.
— Уже решены все вопросы и завершены все испытания по входному контролю телескопов. Мы приступили к сборке телескопов с фермой, по завершении этих работ начинаем комплекс разобранных (космическая платформа и ферма с телескопами отдельно друг от друга) электро-радиотехнических испытаний, — сообщил Сергей Лемешевский.
По имеющейся информации, при подготовке «Спектра-РГ» выявился еще ряд проблем, в частности с программным обеспечением, отвечающим за работу немецкого телескопа eROSITA в составе КА.
— Интеграция телескопа eROSITA с космическим аппаратом еще не проводилась, — рассказал Сергей Лемешевский. — Проблем с программным обеспечением не возникало. Если сказать точнее, немецкая сторона сразу нас предупредила, что есть отличия от согласованных интерфейсов взаимодействия телескопа eROSITA с космическим аппаратом. Это потребовало от нас доработки программного обеспечения бортового комплекса управления. Доработка завершена, и сейчас мы выходим на этап интеграции российского и немецкого телескопов с космической платформой.
Для обеспечения приема сигнала крупнейшими отечественными антеннами в Медвежьих Озерах (64 м) и Уссурийске (70 м) запуск «Спектра-РГ» возможен только в марте-апреле или в сентябре-октябре. Недавний перенос запуска с сентября на октябрь 2018 года значит, что малейшая задержка приведет к уходу старта на 2019 год.
Справка Известий«Спектр-РГ» будет работать с условной средней «производительностью» в 2000 черных дыр в сутки. Но в космосе есть белые пятна побольше черных дыр.
Расчеты показывают, что обычная материя, включая дыры, составляет лишь около 4% массы Вселенной. Вещество оказалось бы размазано тонким слоем в 0,25 атома на кубометр, если бы у Вселенной не было очень массивного «каркаса» из так называемой темной материи. Устройство этого «скелета» легче всего понять, изучив топографию скоплений галактик, которые выстраиваются вдоль гравитационных хитросплетений темной материи. А скопления галактик, можно сказать, специальность «Спектра-РГ». Самое большое из известных на сегодня «ребер» космоса вытянулось на 10 млрд световых лет — порядка 10% размера наблюдаемой Вселенной. Но это лишь фрагмент самой грандиозной картины, которую может дать людям естествознание. Таких фрагментов усилиями разных астрономических инструментов выявляется всё больше. Но сделать полную «томографию» мироздания сможет только «Спектр-РГ».
Справка ИзвестийРентгеновский «бинокль» для космоса
Международная орбитальная астрофизическая обсерватория «Спектр-РГ» (Россия, Германия, США) Масса: 2730 кг Размеры при запуске: 3750 х 5200 мм Размеры на орбите: 3750 х 5800 х 13 700 мм Гарантированный срок активного существования: 7,5 года Платформа «Навигатор» (разработчик — НПО Лавочкина) Планируемый срок запуска: октябрь 2018 года на РН «Протон-М» с космодрома Байконур Рабочая орбита: точка Лагранжа L2 Программа исследований: восемь полных обзоров неба за первые четыре года работы, затем исследование точечных источников Стоимость: более 5 млрд рублей (в эту сумму не входят около €100 млн, затраченных Германией на создание телескопа eROSITA)
Полезная нагрузка: Рентгеновский телескоп eROSITA (extended ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) Масса: 860 кг Размеры: 2 м х 3 м Количество зеркальных систем: 7 Количество зеркал: 54 Наибольший диаметр зеркала: 358 мм Фокусное расстояние: 1600 мм Разрешение: 15 угловых секунд Эффективная площадь: 2500 мм2 Угол обзора: 1 квадратный градус Энергетический диапазон: 0,3–10 кэВ
Рентгеновский телескоп ART-XC (Astronomical Roentgen Telescope — X-ray Concentrator) Масса: 350 кг Размеры: 1 х 3,5 м Количество зеркальных систем: 7 Количество зеркал: 28 Наибольший диаметр зеркала: 145 мм Фокусное расстояние: 2700 мм Разрешение: 45 угловых секунд Эффективная площадь: 500 мм2 Угол обзора: 0,3 квадратного углового градуса Энергетический диапазон: 5–30 кэВ