Как построить телескоп для охоты за тёмной энергией

Телескоп «Евклид» вскоре начнёт изучать два миллиарда галактик. И это будет воистину технологическое чудо.

Вселенную заполняет загадочная сила, известная под названием тёмной энергии. Она заставляет нашу Вселенную расширяться с ускорением, в результате чего галактики разлетаются друг от друга всё быстрее и быстрее. Проблема в одном – мы не знаем точно, что это за сила. Как вообще может существовать такая важная сила, которую мы не понимаем?

Десятилетия астрономы задаются этим вопросом. И новый телескоп призван прояснить эту загадку. Телескоп Евклид Европейского космического агентства (ЕКА), который планируется запустить во второй половине 2022 года, не похож ни на какой другой аппарат. Он отправится в космос с тем, чтобы окончательно раскрыть некоторые из секретов тёмной энергии. Также он будет наблюдать и за тёмной материей – странным невидимым веществом, массой превосходящим всю обычную материю Вселенной. Невиданная доселе точность этих наблюдений перевернёт все наши представления о космосе.

«На сегодня не существует общепринятой теории о природе тёмной энергии, — говорит Кэтрин Хейманс, профессор астрофизики Эдинбургского университета, член Шотландского астрономического общества и член консорциума Евклида – группы из тысяч учёных, которые готовятся к обработке данных, собранных телескопом. – Я бы сказала, что самый главный наш вопрос – это что лежит в основе такого явления, как тёмная энергия?»

Евклид собирают с учётом опыта создания предыдущих телескопов – к примеру, телескопа «Планк», изучавшего реликтовое излучение, оставшееся после Большого взрыва, с 2009 по 2013 года. По словам научного руководителя проекта «Евклид» Рене Лаурейса, новый телескоп, работая в видимом и инфракрасном диапазоне, будет в 5-10 раз мощнее имеющихся на сегодня. Также Евклид позволит нам улучшить понимание структуры Вселенной и проверить фундаментальные теории физики, собрав данные о тёмной материи. «Наблюдая за воздействием гравитации на масштабные структуры, мы сможем проверить, работает ли общая теория относительности Эйнштейна по всей Вселенной», — сказал Хейманс.

Телескоп Евклид собирают уже десять лет, с момента, когда этот проект был одобрен ЕКА в 2011-м. Подрядчики разрабатывали и собирали эту машину, что в итоге привело к сборке и тестированию аппарата в 2020-м в чистой комнате Airbus в Тулузе, Франция. Весь Евклид имеет длину в 4,5 м и ширину в 3,1 м, и весит 2160 кг. Он состоит из двух частей: сервисного модуля, обеспечивающего телескоп энергией, и модуля полезной нагрузки, где находятся зеркала и инструменты.

Главный компонент телескопа – это основное зеркало, вместе с которым в модуле полезной нагрузки содержатся два прибора – один будет улавливать видимый свет объектов Вселенной, другой – излучение в ближней инфракрасной части спектра. Телескоп создан по принципу трёхзеркального анастигмата, а точнее – его варианта под названием «телескоп Корша». Одно из зеркал 1,2 м в диаметре сделано из карбида кремния и покрыто серебром. Его чрезвычайно гладкая поверхность позволит ему улавливать свет, пришедший от самых далёких галактик Вселенной. Для калибровки оптики и проверки точности зеркала было использовано плоское фокусирующее зеркало (на фото выше). По словам Паоло Муси, руководителя проекта по производству телескопа из компании Thales Alenia Space, это зеркало использовалось для правильного выравнивания зеркал телескопа.

Лаурейс говорит, что целью учёных во время шестилетней основной миссии телескопа будет изучение двух миллиардов галактик. На одном снимке должны будут поместиться десятки тысяч галактик. Учёные будут исследовать форму и движение этих галактик. Форма покажет нам, как тёмная материя закрывает нам вид на эти галактики, а скорость – как они ускоряются под действием тёмной энергии. Масштаб этих наблюдений будет беспрецедентным – ещё ни один телескоп не делал изображений такого большого количества галактик. Свет будет улавливать матрица из приборов с зарядовой связью (charge-coupled devices, CCD) размером 6×6 штук (на фото выше).

Два инструмента, содержащихся в модуле полезной нагрузки – это канал видимых изображений (Visual Imaging Channel, VIS) и спектрометр и фотометр ближней инфракрасной части спектра (Near-Infrared Spectrometer and Photometer, NISP). Строго говоря, качество изображений у Евклида будет хуже, чем у телескопа «Хаббл», запущенного НАСА в 1990-е. Однако прорывом будет количество полученных Евклидом изображений, на которые попадёт целый калейдоскоп различных галактик из ранней Вселенной. «Мы сможем разметить трёхмерное распределение тёмной материи до отметки в десять миллиардов лет назад, — говорит Лаурейс. – Разметив распределение галактик, мы сможем очень точно описать расширение Вселенной, идущее под воздействием тёмной энергии».

Чтобы гарантировать выживание телескопу, который будет отправлен в космос на российской ракете «Союз», его подвергли испытаниям на вибростенде. На фото видны кабели, подключённые к акселерометрам, управляющим вибрациями. «Кабели идут к инструментам, — говорит Муси. – Они приклеены к разным частям телескопа, и ускорение каждой из его отдельных частей отслеживается и анализируется». После испытаний в Тулузе телескоп отправили в Льежский космический центр в Бельгии, где его испытали в вакуумной камере, чтобы убедиться, что он сможет работать в морозном космическом пространстве.

Телескоп будет находиться в 1,5 млн км от поверхности Земли в точке L₂ системы Солнце—Земля (точке Лагранжа), в которой притяжение Солнца и Земли компенсируют друг друга. Это позволит телескопу находиться в стабильном состоянии при минимальном расходе горючего. Солнечный щит – плоский прямоугольник из пластика, усиленного углеволокном – будет защищать бок телескопа, направленный к Солнцу, от света нашей звезды. Температуру телескопа для его правильного функционирования нужно будет держать на очень низком уровне, около -190 °С, поэтому бок телескопа, на котором будет расположен солнечный щит, покрыт золотистой термоизолирующей тканью из майлара и каптона.

Два других зеркала телескопа, также сделанных из карбида кремния, направляют свет, собранный основным зеркалом, в два инструмента. Синий объект на фото выше – интерференционный светофильтр, разделяющий свет на видимую и ближнюю инфракрасную часть спектра. Складное жёлтое зеркало направляет свет. Всё это позволяет телескопу получать точные изображения галактик и их форм. «Если вы хотите получить изображение формы объекта, нужно быть уверенным в том, что ваш инструмент не искажает изображение», — говорит Джузеппе Ракка, менеджер проекта Евклид. «Поэтому в Евклиде обязательно должны быть идеальные инструменты».

Евклид будет ежедневно выдавать по 100 Гб данных о Вселенной. В этом будет участвовать и инструмент VIS, обёрнутый на фото в алюминиевую фольгу, которую снимут перед полётом. Данные будут отправляться на антенны, стоящие на поверхности Земли, после чего их будут анализировать группы учёных, входящие в консорциум Евклида. «Сейчас мы испытываем эту систему, — говорит Лаурейс, — стараемся устранить все узкие места процесса».

Разработка компонентов телескопа началась в 2013 году, по окончанию проектирования, а сборка – только два года назад, в феврале 2019. Пару месяцев телескоп был закреплён на системе тележек, что позволяло вращать его и работать над разными компонентами. «Работники одевались в специальные белые костюмы, чтобы не загрязнить оптику, — говорит Муси, — а иначе это будет проявляться на изображениях в виде шума». В 2022 году телескоп закрепят в отсеке полезной нагрузки на ракете, которую запустят с европейского космопорта Куру во Французской Гвиане.

Испытания телескопа проводятся с использованием различных инструментов и компонентов, некоторые из которых затем снимают и отправляют на хранение. Часть из них видна на фото выше. «Во время механических испытаний используется множество инструментов», — говорит Лорен Бруард, программный менеджер Евклида из Airbus. Некоторые компоненты удерживают разные части телескопа, пока над ними ведётся работа, но при этом в дальнейшем они уже не понадобятся.

Кабели на борту телескопа могут достаточно сильно разогреться для того, чтобы начать портить изображения, поэтому их отводят подальше от зеркал телескопа. Также кабели могут начать влиять друг на друга, создавая шум на изображениях. На фото проводится испытание на электромагнитную совместимость, чтобы гарантировать, что кабели не доставят проблем друг другу. «Внутри телескопа нужно размещать как можно меньше электроники», — говорит Бруард. Это позволит Евклиду достичь уровня точности, необходимого для преобразования наших представлений о Вселенной.

Чтобы телескоп не грелся, на нём используется радиатор, отводящий в космос тепло. Он передаёт тепло от инструментов в вакуум космоса. Такой метод используется на разных космических миссиях и даже на МКС, чтобы компоненты не перегревались на солнце. «Там нет воздуха, отводящего тепло, — говорит Муси. – Его можно только излучать». Радиатор соединяется с инструментами, обеспечивая защиту тонких инструментов, изучающих галактики, от излишнего тепла.

Модуль полезной нагрузки Евклида, в котором находятся зеркала и инструменты, крепится к сервисному модулю, где содержится электроника, при помощи шести монтажных скоб. Одна из них видна на фото выше, а термоизолирующая ткань сверху защищает боковую часть модуля полезной нагрузки, примыкающего к солнечному щиту. Не так-то просто создать машину настолько чувствительную, чтобы она смогла изучать два миллиарда галактик, многие из которых чрезвычайно тусклые. Однако все эти компоненты – от высокоточного зеркала Евклида до крепёжных скоб – работают над этой задачей совместно. «Это так здорово, — говорит Хейманс. – Это будет вершина моей карьеры».