Охотник за тёмной энергией получил «добро»

Независимая комиссия оценила проекты космических аппаратов, которые должны прийти на смену Космическому телескопу имени Хаббла и другим устройствам. Высшую оценку получил аппарат для изучения загадочной тёмной энергии, разгоняющей расширение Вселенной. А вот рентгеновским астрономам не повезло.

В 2002 году NASA и другие научные агентства США начали планировать крупную программу «После Эйнштейна» (Beyond Einstein), цель которой – разобраться в таких явлениях, где могут проявиться отклонения от общей теории относительности. Финансирование программы началось в 2004-м, а запуск первых космических аппаратов в её рамках должен был состояться в середине второго десятилетия XXI века.

Проект получился амбициозным – в космос должны отправиться сразу пять космических аппаратов, каждый из которых сам по себе был бы таким же прорывом, каким когда-то стал телескоп Хаббла. Однако научные амбиции, по мнению некоторых американских учёных, пали жертвой амбиций другого свойства – программы возвращения астронавтов на Луну и дальнейшей отправки их на Марс, объявленной президентом США. Вкупе с сокращением бюджета NASA это сделало невозможным запуск всех пяти космических обсерваторий. Стало ясно, что надо расставить приоритеты.

Около года назад американская администрация попросила Национальный совет по исследованиям провести независимый анализ и заключить, какой инструмент критически необходим для развития науки, а какой можно принести в жертву. На прошлой неделе комиссия представила свой отчёт.

Больше всего доверия у членов комиссии вызывает проект так называемой объединенной миссии по изучению тёмной энергии (Joint Dark Energy Mission, JDEM). Слегка хулиганское название – все значения слова joint читатель может посмотреть в словаре – на деле объединяет три различных проекта спутника, основной задачей которого будет измерение наблюдаемого блеска далёких сверхновых.
Проект находится в начальной стадии разработки, поэтому выбор пока не сделан. Стоимость аппарата составит около $1–1,1 миллиарда, его постройка может начаться уже через год, а запуск состояться в 2014 году.

Сверхновые типа Ia

Если масса белого карлика - остатка эволюции звезды небольшой массы - превышает так называемый предел Чандрасекара, давление вырожденного электронного газа более не в силах противостоять гравитации, и звезда начинает сжиматься. Превысить предел Чандрасекара белый карлик может за счет постепенной аккреции (падения) вещества соседской звезды на его поверхность или за счёт слияния с другой звездой.

Температура в центре в результате сжатия возрастает до огромных значений, в результате чего начинается неконтролируемая ядерная реакция термоядерного синтеза. За несколько секунд выделяется такое количество энергии, что гравитация более не может сдержать звезду, и ее вещество разлетается в разные стороны.

Поскольку взрыв происходит всегда при одной и той же массе (около 1,4 масс Солнца, предел зависит от химического состава), энергия взрыва практически постоянна, и по наблюдаемому блеску сверхновой можно определить расстояние до нее.

Задачи спутника ясны – он должен как можно точнее пронаблюдать как можно большее число взрывов сверхновых типа Ia, чтобы определить, как Вселенная расширялась в прошлом. Десять лет назад астрономы с удивлением обнаружили, что скорость расширения нашего мира увеличивается, хотя взаимное притяжение галактик должно, казалось бы, тормозить их при разбегании друг от друга. Для объяснения этой загадки пришлось предположить, что Вселенная более чем на 70% состоит из «тёмной энергии» – некой удивительной субстанции, за счёт которой на большом расстоянии силу гравитационного притяжения сменяет отталкивание.

Что такое тёмная энергия, никто не знает, хотя предположений на этот счёт много. Самая простая теория утверждает, что мы имеем дело с космологический постоянной, «лямбда-членом» уравнений Эйнштейна. Протестировать это предположение как раз и должен JDEM. Если выяснится, что космологическая постоянная полученным данным не соответствует, астрономам придется вместе со специалистами по элементарным частицам выяснять, из чего же сделана «тёмная энергия». Помимо наблюдений сверхновых аппарат также будет очень точно измерять небольшие искажения формы далёких галактик из-за эффекта слабого гравитационного линзирования (об этом мы тоже рассказывали). Наблюдения будут сосредоточены в инфракрасной области спектра: за счёт расширения Вселенной излучённый когда-то давно в видимой области спектра свет звёзд смещается в инфракрасный диапазон.


Вторым победителем стал проект космической обсерватории LISA, которая будет наблюдать гравитационные волны. Если теория относительности верна и гравитационное поле действительно представляет собой одну из форм материи, массивные тела при движении друг вокруг друга должны излучать гравитационные волны, подобно тому как тела заряженные излучают электромагнитные волны. Очень сильные всплески гравитационных волн должны появляться при слиянии чёрных дыр – например в ядрах галактик. Такие источники можно увидеть, даже если слияние произошло на границе видимой Вселенной.

LISA – это даже не один, а три спутника, летающих в вершинах равностороннего треугольника на орбите Земли вокруг Солнца, примерно на три недели отставая от нашей планеты. Каждый аппарат представляет собой кольцо диаметром 2,7 метра, внутри которого расположен куб из сплава платины и золота массой ровно в 2 кг. Каждый аппарат будет следовать за своей пробной массой с точностью до 10 нанометров – это всего несколько атомных размеров! Расстояние между аппаратами – около 5 миллионов км, измеряться оно будет также с точностью в несколько нанометров при помощи лазерных интерферометров.

Поскольку гравитационная волна, как и гравитация вообще, лишь возмущение структуры пространства-времени, прохождение гравитационной волны будет слегка менять эти расстояния. Таким образом аппарат и будет детектировать гравитационные волны.
Пока они не обнаружены, и, если LISA их тоже обнаружить не сможет, теорию относительности ждут большие неприятности.
Впрочем, финансировать проект комиссия не рекомендовала до тех пор, пока Европейское космическое агентство не протестирует некоторые технологии, необходимые для постройки обсерватории. В настоящее время запуск соответствующего спутника планируется на 2009–2010 год. Финансирование со стороны NASA должно составить около $2,3 миллиарда.

Меньше всего повезло астрономам, исследующим Вселенную в рентгеновском диапазоне: сразу два космических аппарата с рентгеновскими телескопами на борту получили низкие оценки. Наибольшим сюрпризом стал невысокий рейтинг рентгеновской космической обсерватории Constellation-X, считавшейся одним из фаворитов программы Beyond Einstein. На единой платформе $2-миллиардного Constellation-X должны были быть установлены четыре рентгеновских телескопа, суммарная эффективность которых должна была в десятки раз превышать эффективность современных рентгеновских телескопов. Кроме того, беспрецедентной должна была стать спектральная чувствительность аппарата.

Возможно, на экспертов повлияло то обстоятельство, что среди пяти проектов был еще один рентгеновский аппарат – Black hole finder, то бишь «искатель чёрных дыр». С его помощью астрономы планировали провести перепись дыр звёздных масс в нашей Галактике и сверхмассивных дыр в центрах близлежащих звёздных систем. Большинство их скрыты облаками пыли – остатками материала, которые дыра еще не успела поглотить. Через пыль пробивается только высокоэнергичное рентгеновское излучение.

Реликтовое излучение

Оно же космическое микроволновое фоновое излучение - сильно покрасневшее за счет расширения Вселенной равновесное тепловое излучение температурой около 2,7К, заполняющее всё пространство. В течение долгого времени после Большого взрыва вещество было ионизованным, поэтому плазма и излучение находились в состоянии теплового равновесия, вещество было непрозрачным.

Примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура упала до 3000 К, и электронам стало статистически выгоднее объединиться с протонами в первые атомы. Эту эпоху часто называют временем рекомбинации, хотя речь идет скорее о «комбинации»: объединение электоронов и ядер происходило впервые. Вселенная стала прозрачной для излучения.

За прошедшие 13,7 миллиарда лет наш мир расширился более чем в тысячу раз, однако слабые (на уровне тысячной доли %) неоднородности реликта по-прежнему содержат информацию о флуктуациях плотности в ранней Вселенной.

Наконец, последний срезанный – зонд Inflation probe для изучения инфляции, того короткого момента в самом начале жизни нашего мира, который сделал нашу Вселенную тем, чем она сейчас является. Во время инфляции большую роль играли эффекты квантовой гравитации – всё ещё не додуманной до конца теории, объединяющей общую теорию относительности и квантовую механику. Предполагается, что гравитационные волны, излученные во время инфляции (наблюдать их напрямую нельзя, слишком они слабы), оставили след в поляризации реликтового излучения. Этот сигнал и должен был измерять Inflation probe.

Представители NASA пока отказываются комментировать, остались ли у рентгеновских приборов какие-либо шансы. За Constellation-X остаётся поддержка астрономического сообщества – это один из приоритетных проектов на текущее и следующее десятилетия. Однако понятно, что в борьбе за финансирование в рамках Beyond Einstein команда, проектирующая JDEM, получила мощное оружие. Да и в успехе проекта LISA и так мало кто сомневался.

© gazeta.ru / 2007-09-14