Euclid: посол Земли на Темную сторону

Вселенная на 95% состоит из практически неизвестных темной материи и энергии. Они влияют на динамику и геометрию видимых объектов, но сами не излучают и не поглощают свет. Поэтому ученые пока не знают, что это такое на самом деле. Изучение природы «темной стороны» — одна из самых важных задач перед физиками и астрономами сегодня.

Euclid будет наблюдать в видимом и инфракрасном диапазонах за галактиками на расстоянии до 10 миллиардов световых лет, чтобы создать 3D-карту 35% неба. На остальных участках звездного неба яркие звезды расположены довольно плотно, что мешает наблюдениям. Карта и покажет, как расширялась Вселенная: из этих данных можно будет узнать многое о гравитации и природе темной энергии и темной материи. В «Консорциуме “Euclid”» более двух тысяч ученых из 300 институтов в 13 европейских странах, США, Канаде и Японии.

На рабочую орбиту у второй точки Лагранжа (L2) в системе Солнце — Земля Euclid отправился в субботу 1 июля. Запуск состоялся в 18:12 по московскому времени, первых сигналов, по расчетам команды ESA, можно ждать с 00:57 2 июля. Телескоп запустили на ракете-носителе семейства Falcon 9 от SpaceX.

От космодрома на мысе Канаверал во Флориде до L2 Euclid будет добираться четыре недели. Еще на два месяца запланированы проверки и калибровка техника. Через три месяца после запуска Euclid должен полноценно начать работать. Его миссия продлится как минимум шесть лет.

L2 — весьма удобное место для космических исследований. Точка находится в 1,5 миллионах километров от Земли в направлении, противоположном Солнцу. Там солнцезащитный экран Euclid сможет блокировать солнечный и отраженный от Земли и Луны свет. Телескоп тогда всегда будет смотреть в дальний космос, без «засветов» и с высоким уровнем стабильности приборов.

Что внутри Euclid: зеркало, VIS и NISP

Euclid готовили к запуску в космос 12 лет, с 2011 года. Сборка началась в феврале 2019. Собирали и тестировали двухтонный аппарат во Франции, в Тулузе, испытания проходили в Каннах, Турине и бельгийском Льеже. В феврале 2023 года завершились последние проверки, и уже собранный Euclid выставили на пресс-конференции в Каннах в ангаре Thales Alenia Space (TAS), одной из производственных компаний-партнеров: журналистов пустили посмотреть аппарат и пообщаться с инженерами.

Зеркало телескопа Euclid диаметром 1,2 метра собирает свет. Дихроический фильтр, специальный оптический компонент сзади, разделяет все излучение на видимый и инфракрасный свет. Данные передаются на два бортовых прибора: VIS для видимого диапазона и NISP для инфракрасного. Качество изображения будет похуже, чем у Hubble, но в поле зрения Euclid попадет гораздо больше объектов и наблюдаться они будут большее количество времени. Это и позволит описать расширение Вселенной и как на него влияет темная энергия.

Чтобы все нормально работало, нужно выдерживать температуру детекторов в диапазоне от -120 — -180°С, поэтому спасать приборы от перегрева будет специальный солнечный щит. Он усилен углеволокном и покрыт термоизолирующей «фольгой» из майлара и каптона. Майлар — тот золотистый материал, пленка из синтетического полиэфирного волокна, которую также используют на «солнечных парусах». Каптон — полимерная пленка, стабильная при температурах от −273 до +400 °C. Кроме того, от зеркал подальше отвели провода, которые могут нагреваться. Добавили инженеры в конструкцию и радиатор, который будет отводить тепло.

Телескоп Euclid разработчики конструировали так, чтобы достаточно высокое качество изображений обеспечивалось и в видимом спектре, и в инфракрасном диапазоне. Они использовали трехзеркальную схему Корша. Такая же, например, стоит на James Webb, тоже инфракрасном телескопе. Достоинствами этой схемы на любых объективах называют широкий спектральный диапазон и отсутствие бленды, козырька, который ограничивает световой поток.

Зеркала сделаны из карбида кремния и покрыты серебром. У карбида кремния высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения, поэтому его используют в точной космической оптике. Материал очень жесткий, но новейшие методы вроде химического осаждения паров (CVD) позволили создавать из него тонкие поликристаллические диски до 3,5 метров в диаметре. Например, зеркала из карбида кремния стоят на другом телескопе ESA — Gaia.

Через VIS должны получиться очень четкие изображения видимого спектра: он чувствителен к длинам волн от зеленого, 550 нанометров, до ближнего инфракрасного диапазона, 900 нанометров. Инженеры обещают: прибор обеспечит наилучшую чувствительность к низкой освещенности, когда-либо достигнутую в таком широком диапазоне волн. Гравитация влияет на траекторию света и влияет на форму галактик, которую мы видим. Если их точные рисунки, полученные через VIS, объединить с оценками расстояния до них, можно составить трехмерную карту распределения вещества во Вселенной и понять, как на все влияет ускорение того, как она расширяется.

Прибор для инфракрасного диапазона NISP будет заниматься спектроскопическими измерениями. Другими словами, этот прибор нужен, чтобы выяснить, сколько света галактика излучает на одну конкретную длину волны. Существует «красное смещение» — когда электромагнитное излучение увеличивает длину волны. Если его точно измерить, космологи будут очень благодарны — это поможет определить расстояние до каждой из наблюдаемых галактик. А расположение и перемещение галактик по ходу эволюции Вселенной уже расскажет ученым, что такое «темная сторона».

Инженеры ESA утверждают: у NISP самое большое поле обзора для инфракрасного прибора, когда-либо отправившегося в космосе. Диапазон волн — 900–2000 нанометров. Для них на приборе используется «сетка» из 16 детекторов, каждый по 2040 на 2040 пикселей.

Но сразу на детектор свет не попадает. Перед ним — фотометрический фильтр и спектрометрическая решетка. Они разбивают инфракрасные волны по конкретным значениям длин, а свет рассеивается так, что детектор потом сможет измерить интенсивность излучения в зависимости от длины волны. Так можно сравнить яркость галактик, которые «светят» на немного разных значениях спектра.

Нет сигнала — выдерни кабель и воткни обратно

С прибором NISP случился небольшой казус: на одном из последних испытаний засбоила камера. В конце мая 2021 года модуль полезной нагрузки — приборы и телескоп — приступил к термовакуумным испытаниям в камере Льежского космического центра (Centre Spatial de Liège) в Бельгии. Уже «летная» модель прибора, которую протестировали, записали в документы и присоединили к модулю, отказалась делать несколько снимков подряд. Паоло Страда, старший инженер–приборостроитель ESA на миссии Euclid, объяснял: «Представьте, что у вас есть цифровая камера. Вы делаете снимок, изображение получилось хорошее, и вы хотите сделать еще один. Но когда вы пытаетесь это сделать, управление камерой больше не реагирует: вы не можете установить экспозицию и спустить затвор. Единственный способ сделать еще один снимок — это все перезапустить, но после этого проблема повторится». Euclid в день должен передавать по 850 гигабит данных, и каждый раз перезапускать камеру ученые не захотели.

NISP уже испытывали до этого не один раз. Такой баг появился только в криогенной камере. Подумали на кабели: их могли неправильно заземлить или они «шумели». Но электромагнитные помехи могли идти откуда угодно. Вариантов было так много, что команда Euclid хотела запускать вторые термовакуумные испытания. Все сначала — график пришлось бы сдвинуть на месяц.

Решение обнаружил сотрудник отдела бортовых компьютеров и обработки данных Феликс Сигл. Криогенная камера была ни при чем: ошибку Сигл нашел в софте. Программное обеспечение справлялось в «нормальных» условиях. Но в криогенной камере и температуры низкие, и провода немного «дернулись», — сигнал от датчиков к компьютеру шел с задержкой на несколько миллиардных долей секунды. Перезагружать прибор и трогать кабели не стали, софт поправили, и запуск Euclid переносить не пришлось.

Вместо «Союза»

Euclid должен был полететь на российском «Союзе», но «Роскосмос» 26 февраля 2022 года приостановил сотрудничество с ESA «в ответ на санкции Евросоюза». Для коммерческого пуска должна была использоваться ракета-носитель «Союз-СТ-А». Тогда агентство могло бы использовать собственную Ariane 6, но ее первый запуск задерживается: его переносили с 2020 года на конец 2023. При этом глава ESA Йозеф Ашбахер предупредил, что эта дата не является окончательной. Тем не менее подтвержденной информации о неудачных испытаниях Ariane 6 нет.

В итоге ESA выбрало SpaceX и ракету Falcon 9. Космодром тоже пришлось поменять, и вместо Куру во Французской Гвиане Euclid отправился на мыс Канаверал во Флориде. Из-за перехода на другую ракету запуск, планировавшийся в 2022 году, пробуксовал до лета 2023. Агентство не раскрывает стоимость переноса и потери из-за срыва коммерческого пуска на «Союзе».

Falcon 9 купили не только для Euclid, но и для будущей миссии Hera, которая отправит три космических аппарата к астероиду Диморф (в этот астероид в 2022 году врезался зонд DART, сместив орбитальный период на 32 минуты). Но ESA надеется на Ariane 6 и подчеркивает, что неевропейские ракеты — временное решение. Кроме планируемой серии Ariane агентство собирается дорабатывать Vega.

Управлять полетом будет Европейский центр космических операций (ESOC) из Германии. Для этого также готовятся использовать наземные станции Cebreros в Испании и Malargue в Аргентине. На запуске и первых манипуляциях поможет австралийская Norcia и «покинутый» Куру в Гвиане.

Dark matter lives

Так зачем летит Euclid? Видимые объекты — лишь малая часть Вселенной. Скорее всего, 95% ее состоит из темной материи и энергии. Свидетельство этому — данные, которые получают космическая обсерватория Planck и аппарат WMAP, запущенные ESA и NASA еще в 2000-е. Они засекли колебания реликтового излучения — температуры микроволнового фона.

По современным представлениям, Большой взрыв случился 13,77 миллиардов лет назад. Температуры и энергии зашкаливали, и в начале истории вещество было в состоянии плазмы. Она не пропускает электромагнитные волны, потому что электроны и протоны рассеивают фотоны. Потом, через 379 тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная остыла до 3000 К (2726,85 °C), электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода, а среда стала прозрачна для электромагнитного излучения. Реликтовое излучение — то, что сохранилось с этой эпохи рекомбинации, одной из самых ранних высокотемпературных стадий эволюции. По нему можно измерять динамику и геометрию Вселенной.

Миссии Planck и WMAP как раз измерили мельчайшие флуктуации температуры реликтового излучения в одну десятитысячную кельвина. Ученые стали сравнивать их данные с теоретическими моделями, и «традиционная» теория их не смогла объяснить — только то, что «темная сторона» действительно есть. После этого ученые подсчитали, сколько в процентах составляет доля темной материи и энергии. Так подтвердили, что темная материя влияет на гравитацию, а более темная энергия — на расширение Вселенной. За изучение этих вопросов космолог Джеймс Пиблс получил в 2019 году Нобелевскую премию по физике.

О самой темной материи начали догадываться в 1933 году. Астроном Фриц Цвикки исследовал созвездие Волосы Вероники. Скорости галактик в скоплении тоже не смогла объяснить общепринятая теория: они двигаются очень быстро, если считать только видимое вещество. Если бы не было «темной стороны», галактики бы разлетелись кто куда. За Такие «несоответствия» начали находить и другие ученые. В 1980-х начались эксперименты под землей. Огромные установки в Европе и Китае пытаются уловить столкновения частиц темной материи с атомами обычного вещества. Но нет гарантий, что это вообще возможно. Поэтому до сих пор считается, что настоящие данные о темной материи и темной энергии придут к нам только из космологии, — и тут на помощь придет Euclid.

Текст: Александра Абанькова