Сотрудники Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН разрабатывают сразу несколько концепций субтерагерцовых (частоты от 100 ГГц и выше) обсерваторий нового поколения. В их числе планируется создать компактную наземную антенную решётку, космический интерферометр, а также телескоп, расположенный на поверхности Луны. Наземные антенные решетки смогут работать совместно с наземными телескопами, а также с космической обсерваторией «Миллиметрон» в режиме интерферометра со сверхдлинной базой. Подробнее о новых обсерваториях можно прочесть в журнале «Космические исследования» (Cosmic Research).

Последнее десятилетие ознаменовалось значительными успехами в изучении Вселенной в субтерагерцовом, то есть в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне спектра (частоты от 100 до 1000 ГГц). Во многом этому способствовали успехи космических миссий Herschel и James Webb Telescope. Но большой успех сопутствовал и наземным проектам, таким как телескоп IRAM, интерферометр NOEMA и антенная решетка ALMA. Важным результатом наземных наблюдений стало получение Телескопом Горизонта Событий (Event Horizon Telescope или EHT) изображений сверхмассивных черных дыр в центре нашей Галактики и в галактике M87.

Наблюдения в субтерагерцовой части спектра затрагивают наиболее актуальные вопросы современной астрофизики. Это эволюция ранней Вселенной, процессы образования звезд и планет, поиск и изучение сложных органических соединений в межзвёздной среде и молодых звёздных системах, а также исследование компактных сверхмассивных объектов. Дело в том, что межзвёздная среда более прозрачна на субтерагерцовых частотах по сравнению с радио или инфракрасным диапазонами. Это даёт уникальную возможность непосредственно наблюдать сверхмассивные чёрные дыры в активных ядрах галактик и исследовать поведение вещества в столь экстремальных условиях. Другой нерешённый вопрос связан с формированием «строительных блоков», из которых образовались на нашей планете первые молекулы-репликаторы. Существует предположение, что они появились ещё на этапе формирования планеты или даже звёздной системы. Причём в количестве, достаточном для детектирования будущими обсерваториями. Отдельная задача связана с изучением ранней Вселенной и поиском искажений в спектре реликтового излучения.

В ближайшем будущем планируется создание новых обсерваторий субтерагерцового диапазона. Будет развиваться уже существующая наземная сеть телескопов-интерферометров со сверхдлинными базами (РСДБ), к ней добавят новые инструменты. Однако на высоких частотах возможности наземных обсерваторий существенно ограничены атмосферой Земли. Ещё одна проблема состоит в том, что на обширных пространствах северо-востока Евразии нет обсерваторий субтерагерцового диапазона. Это белое пятно на карте покрытия наземной сети телескопов негативно влияет на качество их наблюдений. Также прорабатываются новые концепции космических обсерваторий и интерферометров. Например, SMVA (Space Millimeter VLBI Array), EHI (Event Horizon Imager), THEZA (TeraHertz Exploration and Zooming-in for Astrophysics) и CAPELLA. Но полноценные наблюдения в субтерагерцовом диапазоне возможны только при развитии одновременно и наземных, и космических обсерваторий.

На сегодняшний день в Российской Федерации практически нет телескопов, способных выполнять наблюдения на частотах выше 100 ГГц. В свою очередь, Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН) активно работает над созданием космической обсерватории «Миллиметрон» (Спектр-М). В новой работе специалисты из АКЦ ФИАН рассмотрели несколько концепций обсерваторий субтерагерцового диапазона. Ими стали проекты субтерагерцовой наземной антенной решетки (массив антенн малого диаметра), космического интерферометра и телескопа, расположенного на поверхности Луны.

Наземная антенная решётка

Прототип решётки для отработки ключевых технологий будет состоять из нескольких антенн (3–6 антенн) диаметром от трёх до пяти метров. В начале его планируют установить в Пущинской радиоастрономической обсерватории (ПРАО), где есть все условия для тестирования системы. После завершения испытаний учёные предполагают создать на базе прототипа антенны и несущей платформы полноценную обсерваторию субтерагерцового диапазона. Она будет состоять из шести полноповоротных антенн диаметром до 8 метров и качеством поверхности антенн порядка 40 микрон. Причём начать наблюдения можно будет уже при наличии трёх антенн. Угловое разрешение получившегося инструмента достигнет 0,59'' угловых секунд. Разместить антенную решётку планируют либо на локальном плато на горе Маяк в Дагестане (высота над уровнем моря 2352 м), либо на пике Хулугайша в Саянах (высота над уровнем моря 3015 м).

Наземная антенная решётка

Обсерватория на Луне

С научной точки зрения крайне перспективными будут лунные телескопы, работающие в недоступных на поверхности Земли диапазонах электромагнитного спектра. Это низкочастотный (частота ниже <10 МГц, метровые волны) и высокочастотный (> 100 ГГц, включая дальний инфракрасный диапазон). В первом случае наблюдениям с Земли мешают ограничения ионосферы и техногенный шум радиоэфира, во втором ограничения связаны с поглощением и флуктуациями излучения при прохождении атмосферы. На поверхности Луны эти проблемы отсутствуют. Но научные задачи для высокочастотного диапазона более приоритетные. АКЦ ФИАН проработал сразу несколько вариантов радиоинтерферометрической антенной решётки, в зависимости от места размещения обсерватории на Луне.

Первый вариант предполагает размещение всего комплекса антенных решёток внутри тёмного кратера, в который не проникают лучи Солнца. Это снизило бы нагрузку на криосистемы научных приборов, но усложнило бы их энергообеспечение. Решением этой проблемы может стать специальный служебный модуль, который совершит посадку в зону, освещаемую Солнцем. Помимо генерации и передачи электроэнергии для антенных модулей в кратере он мог бы осуществлять обмен научными и служебными данными между обсерваторией и Землёй (возможно, через окололунный орбитальный ретранслятор).

Другой вариант — строительство наблюдательного комплекса в приполярной зоне на освещаемом Солнцем участке. Это снимает проблему энергообеспечения антенн и делает их более автономными. Причём отдельные элементы антенной решётки могут быть как стационарными, так и передвижными конструкциями. Перемещающиеся по поверхности антенны могли бы занять на поверхности Луны оптимальную для наблюдений локацию. Правда, это может создавать технические трудности в виду больших габаритов аппаратов.

Лунная антенная решетка, работая совместно с наземной сетью телескопов, позволит «рассмотреть» тени черных дыр с разрешением до 30 раз лучше, чем это сделал Телескоп горизонта событий. Это приведёт к прорыву в изучении физики сверхмассивных чёрных дыр. Также лунная обсерватория будет исследовать раннюю Вселенную через наблюдения спектральных искажений реликтового излучения и изучать некоторые проблемы звёздообразования.

Обсерватория на Луне

Космический интерферометр

Третье перспективное направление, которое может использовать опыт создания универсальной антенной решетки, это космический интерферометр (интерферометр «космос–космос»). Астрокосмический центр Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук накопил огромный опыт в процессе работы над проектами обсерваторий «Радиоастрон» и «Миллиметрон». Поэтому новый космический интерферометр может иметь проекции баз до 1.5 миллионов километров и более. Это позволит достичь предельно высокого углового разрешения, необходимого для исследования сверхкомпактных астрономических объектов, например, черных дыр, внегалактических мазерных источников и нейтронных звезд. Космический интерферометр, в отличие от антенной решётки, расположенной на поверхности Луны, сможет вести наблюдения близких окрестностей сверхмассивных чёрных дыр в динамике. Это позволит наблюдать движение вещества в экстремальных условиях в непосредственной близости от горизонта событий. Подобные наблюдения возможны в так называемом режиме «мгновенного снимка» (snapshot), когда за счёт удачной конфигурации орбит космических телескопов удаётся восстановить относительно качественное изображение источника за кратчайшее время.

Наиболее подходящие и ближайшие объекты для подобных исследований — это Sgr A* или М87.

Космический интерферометр

Источник: отдел по связям с общественностью ФИАН.