Руководство по использованию: телескоп Nancy Grace Roman

Прошло более тридцати шести лет с тех пор, как космический челнок Discovery вывел на низкую околоземную орбиту космический телескоп Хаббл, и с тех пор он стал одним из основных инструментов выдающихся открытий и наблюдений в астрофизике. Несмотря на почтенный возраст, Хаббл по-прежнему обеспечивает важные научные данные, чему способствовали несколько миссий по обновлению оборудования, последняя из которых состоялась в конце первого десятилетия этого столетия. За это время астрономическое сообщество спроектировало ряд новых миссий, призванных занять место Хаббла после его вывода из эксплуатации; из них был выбран Wide Field Infrared Space Telescope, впоследствии переименованный в Nancy Grace Roman Space Telescope (далее — Nancy Grace). Запуск телескопа состоялся с площадки LC-39A во Флориде на ракете-носителе Falcon Heavy компании SpaceX. Два боковых ускорителя успешно вернулись и приземлились на отдельных площадках космодрома; центральный ускоритель не планировалось возвращать. Второй ступень вывела обсерваторию на путь к точке Лагранжа L2 системы Земля—Солнце, расположенной на расстоянии примерно полтора миллиона километров от Земли в противоположном от Солнца направлении. Из этой выгодной позиции телескоп сможет изучать Вселенную без помех от земного электромагнитного фона и с минимальным расходом топлива. До достижения конечной орбиты ожидается несколько месяцев перелёта, а основная научная миссия запланирована на пять лет; при этом запас топлива, по расчётам, позволит продолжать работу ещё примерно столько же. В этой статье рассматриваются аппаратные средства Nancy Grace; вопросы самой научной программы будут описаны отдельно.

Кому посвящён телескоп

Телескоп назван в честь Нэнси Грейс Роман, выдающегося астронома, которую часто называют «мамой Хаббла». Она была одной из первых женщин в национальном космическом агентстве США и сыграла ключевую роль в создании программ космической астрономии. Родом из Нэшвилла, она с детства интересовалась небом, организовала школьный астрокружок и рано проявила выдающиеся способности в учёбе: окончила школу по ускоренной программе, затем работала в обсерватории и получила докторскую степень в одном из ведущих университетов. В ранних исследованиях она получила признание за наблюдения переменной звезды в системе AG Draconis, а позже работала в области радиоастрономии и микроволновой спектроскопии. Перешедшая в национальное космическое агентство почти сразу после его основания, она стала первой исполнительной директоркой и руководительницей направления астрономии. Роман участвовала в подготовке и защите перед Конгрессом проекта космического телескопа, за что получила прозвище «мама Хаббла». Название WFIRST было официально присвоено проекту в знак её памяти спустя некоторое время после её смерти.

История проекта и сроки разработки

Проект WFIRST был рекомендован в отчёте декадального обзора национальной академии наук США как приоритетная миссия для следующего десяти‑летия. В последующие годы научная и инженерная команды вместе с сотрудниками агентства уточняли требования и дизайн инструментария. Подряд на создание основного научного прибора получил промышленный партнёр Ball Aerospace. Одна из важнейших вех — прохождение критической проверки конструктивного решения — была пройдена, после чего разработка ускорилась; несмотря на трудности с поставками материалов и внешние факторы, проект продвигался достаточно быстро.

Основные инструменты и их назначение

Телескоп оснащён двумя ключевыми приборами: широкопольным инфракрасным инструментом (Wide Field Instrument, WFI) и коронографом.

Wide Field Instrument (WFI) — Состав и возможности: WFI — это камера с примерно 300 мегапикселями, которая даёт поле зрения в сотни раз больше, чем у Хаббла. По сравнению с некоторыми камерами Хаббла её поле будет примерно в 200 раз шире; по другим параметрам — в десятки и сотни раз превосходит отдельные инструменты предыдущего поколения. Каждое получаемое изображение по угловому размеру будет больше видимого диска полной Луны. За первые годы работы телескоп запланировано картографирование областей небывалых размеров: в тот же период, за который Хаббл охватил относительно небольшую площадь, Nancy Grace зарегистрирует в суммарном виде многократно больший объём неба и будет собирать научные данные в сотни раз быстрее.

Конфигурация: WFI состоит из двух модулей — холодного сенсорного модуля (Cold Sensing Module, CSM) и модуля тёплой электроники (Warm Electronics Module, WEM). В состав детекторов входят 18 сенсоров на основе соединений ртути, кадмия и теллурида; варьируя содержание кадмия, инженеры выбирали рабочую длинну волны детектора. Сборка сенсорных матриц выполнялась с высокоточной клейкой каждого пикселя — позиционирование элементов с шагом порядка десятков микрометров.

Фильтры и спектроскопия: свет от объекта проходит через один из набора фильтров, смонтированных на поворотном механизме; также доступны призмы и грисмы для получения спектров. Это позволит изучать объекты в инфракрасном диапазоне: объекты, скрытые пылью, протопланетные диски, удалённые галактики, у которых свет смещён в красную часть спектра из‑за расширения Вселенной, а также явления гравитационного линзирования, важные для исследования тёмной материи и тёмной энергии.

Охлаждение: инфракрасные детекторы чувствительны к собственному теплу телескопа, поэтому они охлаждаются радиаторами для поддержания рабочей температуры порядка нескольких десятков градусов ниже нуля по Цельсию (указана конкретная рабочая температура системы). Это обеспечивает минимальную паразитную собственную эмиссию и высокое качество данных.

Калибровочная система: для точной относительной и абсолютной калибровки детекторов создан Simplified Relative Calibration System (sRCS), использующий набор светодиодов в нескольких длинах волн. sRCS пересмотрен и переоборудован в ускоренные сроки, чтобы соответствовать строгим требованиям миссии. Калибровка позволит измерять относительную яркость источников с точностью порядка десятых долей процента даже при огромных контрастах яркости.

Коронограф — Назначение и особенности: коронограф предназначен для блокировки света звезды с целью непосредственного наблюдения околозвёздных планет и изучения их спектров. Это технологический демонстратор — инструмент, разработанный для проверки новых технологий, который будет работать в течение ограниченного периода, после чего его данные и возможности станут доступны всем исследователям.

Производительность: по оценкам, коронограф будет значительно мощнее предыдущих аналогов, позволяя регистрировать планеты с контрастом, достигающим сотен и тысяч раз слабее светила. Это даст возможность обнаруживать и изучать планеты типа Юпитера по размерам и орбитальному расстоянию, а также получать спектральную информацию о составе их атмосфер.

Технические решения: ключевые элементы — два гибких зеркала диаметром несколько сантиметров, управляемые тысячами микроактуаторов в реальном времени для компенсации микросмещений и аберраций оптической системы. Зеркала способны корректировать ошибки порядка нескольких нанометров, то есть величин, сопоставимых с размерами молекулярных структур. Кроме зеркал применены специальные маски, подавляющие дифракционные боковые лепестки света. Коронограф состоит из двух основных блоков: оптического отсека, содержащего множество отражательных и преломляющих элементов, и электронного блока, обеспечивающего управление и обработку сигнала; их интеграция потребовала ультраточной юстировки с использованием лазерных систем.

Ограничения и методы наблюдения: выполнение детальных наблюдений одной планетной системы может занимать значительное время; в некоторых режимах регистрируются отдельные фотонные события для достижения максимальной чувствительности. Так как коронограф работает при комнатной температуре, он требует теплоизоляции от холодной внешней среды и тщательного экранирования электропитания, чтобы избежать электрических помех, способных исказить считываемые сигналы.

Интеграция инструментария и конструктивные особенности

Коронограф и WFI монтируются на Instrument Carrier — решётчатой структуре, расположенной между главным зеркалом телескопа и платформой космического аппарата. Для установки коронографа применялся специальный инструмент горизонтальной интеграции, уже использовавшийся при создании Хаббла и космического телескопа Джеймса Уэбба. Сборка и точная юстировка электронных и оптических панелей коронографа выполнялись с высокой степенью точности. Другие элементы конструкции включают раскладной защитный кожух входного апертурного окна (Deployable Aperture Cover, DAC) — своего рода «козырёк», который раскрывается уже в космосе. DAC состоит из двух теплоизолирующих слоёв, разделённых небольшим зазором, что повышает защиту от проникновения света в оптическую систему даже при возможных микро‑импактных повреждениях. Вероятность совпадения отверстий в обоих слоях при попадании микрометеорита оценивается как крайне низкая.

Оптическая система и происхождение основных элементов

В отличие от Хаббла, у Nancy Grace оптическая система включает десять зеркал: одно крупное главный элемент, аналогичный по диаметру главному зеркалу Хаббла, и ещё девять меньших зеркал, формирующих оптическую цепочку. Оптический комплект был изготовлен подрядной организацией на основе элементов, изначально создававшихся для другого спутника. Общая конструкция оптики была поставлена и доработана специализированной компанией на основе доступных частей, что позволило использовать технические преимущества и сократить сроки изготовления. Сборка и вёрстка ключевых приборов проводились в специализированных центрах, среди которых упоминаются центры, занимающиеся сборкой детекторов и их поставками, а также лаборатории, выполнявшие финальную интеграцию и тесты.

Научные возможности и место в совокупности миссий

WFI позволит проводить масштабные астрономические обзоры в инфракрасном диапазоне, что особенно ценно для изучения объектов, скрытых пылевой оболочкой, формирования планетных систем, структуры и эволюции галактик на больших расстояниях, а также исследования гравитационного линзирования, связанного с тёмной материей и тёмной энергией. Хотя другие миссии также нацелены на схожие вопросы, Nancy Grace сочетает широкое поле зрения и высокую скорость сбора данных, что делает её преемником Хаббла по задачам широкомасштабных обзоров и позволит получать объёмы данных, недоступные ранее. Технологическая проверка коронографа дополнит эти возможности демонстрацией методов прямой визуализации и спектроскопии экзопланет, предоставив ценные данные для будущих миссий, нацеленных на поиск пригодных для жизни миров.

Калибровка, точность и требования к чистоте данных

Высокая точность научных измерений требует не только высококлассной оптики и детекторов, но и тщательно продуманных систем калибровки, охлаждения и экранирования от помех. sRCS и другие калибровочные средства обеспечивают эталонные сигналы для проверки отклика детекторов в нескольких длинах волн, что позволяет достичь измерительной точности яркости объектов порядка десятых долей процента в условиях огромных контрастов. Радиаторы и термоизоляция минимизируют собственный инфракрасный фон телескопа, а сложные методы борьбы с электрическими помехами и стабилизации оптики обеспечивают требуемую чистоту сигналов.

Заключение

Nancy Grace Roman Space Telescope представляет собой крупную платформу следующего поколения для инфракрасных широкопольных наблюдений и технологической демонстрации прямой съёмки экзопланет. Комбинация большого поля зрения, высокочувствительных детекторов, точных систем калибровки и инновационных решений в коронографе обещает значительно расширить объём и качество астрономических данных по самым разнообразным темам — от формирования планетных систем до свойств тёмной материи и тёмной энергии. Архитектурные и производственные решения, использовавшие элементы от других программ и ускоренные циклы проектирования, позволили выполнить интеграцию приборов и подготовку миссии в ускоренные сроки, сохранив при этом строгие требования к точности и надёжности, необходимые для получения прецизионных космических наблюдений.