Когда взлетит «российский Хаббл»?


Изучение Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне имеет важное значение для исследования атмосферы экзопланет и поиска барионного вещества, причем полноценно УФ-телескопы могут работать только за пределами атмосферы Земли. Американский телескоп «Хаббл» на сегодня — единственнная космическая обсерватория такого рода, но его ресурс, хоть и был продлен до 2021 года, близок к исчерпанию. На смену ему может прийти российский «Спектр-УФ», работы над которым никак не завершатся из-за хронической нехватки финансирования научных космических проектов со стороны «Роскосмоса». N + 1 разбирался, как идут работы над «Спектром-УФ», что мешает их завершить и будет ли телескоп запущен в космос в 2024 году.

Проект «Спектр-УФ» был задуман еще в начале 1990-х годов, и изначально телескоп предполагалось вывести в космос в 1997 году. Этого, по понятным причинам, не произошло — в последнее десятилетие прошлого века стране было не до новых научных начинаний в космосе.

В середине 2000-х годов обновленная версия обсерватории получила международных партнеров — в частности, к проекту подключились Испания и Германия. Появление иностранцев обещало проекту стабильное финансирование, но запуск переносили еще несколько раз. Тем не менее, «Роскосмос» был так уверен в успехе, что в марте 2012 года громко анонсировал новый старт «Спектра-УФ», назначив его на 2015 год:

Однако с тех пор финансирование проекта неоднократно урезалось, в 2015 году телескоп никуда не полетел, и перспективы запуска «русского "Хаббла"» стали довольно расплывчатыми. Не добавляет оптимизма и недавно возбужденное уголовное дело по предполагаемым фактам хищения при производстве «Спектра-УФ».

Впрочем, отнюдь не это уголовное дело представляет главную угрозу для проекта. Куда больше перспективам российской УФ-обсерватории в космосе препятствуют другие причины, и прежде всего — сокращение расходов по Федеральной космической программе 2016-2025 годов.

Они всегда опазывают

Справедливости ради отметим, что для крупных научных проектов срыв запланированных сроков — скорее норма, чем отклонение. «Хаббл», работающий и в УФ-диапазоне, должен был полететь в космос в 1983 году, но на практике это произошло лишь в 1990 году, да и тогда оказалось, что его зеркало имеет серьезные дефекты. От этого космической обсерватории понадобился ручной ремонт — прямо на орбите.

Несмотря на все эти препятствия, «Хаббл» впервые смог изучить тусклые объекты в ультрафиолете. Он же первым увидел и ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне и Юпитере, получил спектры для некоторых экзопланет и нашел немало протопланетных дисков в Туманности Ориона.

Преемник «Хаббла», космический телескоп ИК-диапазона «Джеймс Уэбб», сможет изучить более холодные объекты — включая экзопланеты в зоне обитаемости. Побьет предшественника он и в плане срыва сроков: в 1997 году его запуск планировали на 2007-й, а сегодня речь идет уже о 2021 годе.

«Хаббл», крупнейший современный УФ-телескоп, шел к космосу 12 лет вместо изначально задуманных пяти. Но «Спектр-УФ» уже побил его рекорд по срыву сроков
 

Итак, почему запуска «Спектр-УФ» приходится ждать так долго, и главное: когда же телескоп, наконец, отправится в космос?

Что может ультрафиолет?

Ультрафиолетовая астрономия изучает Вселенную в электромагнитных волнах длиной от 10 до 310 нанометров. Чем короче волна, тем сильнее она поглощается веществом. Поэтому УФ-излучение почти полностью блокируется атмосферой, и до космических полетов УФ-астрономия была скорее мечтой, чем реальностью.

Но то же самое свойство — слишком эффективное поглощение веществом — делает ультрафиолет ценнейшим инструментом на орбите. До появления УФ-телескопов, в космосе нельзя было «увидеть» даже молекулярный водород, потому что видимое излучение и более длинные инфракрасные и радиоволны поглощаются им слишком слабо.

Но чтобы добиться наилучших результатов, недостаточно просто вывести в космос УФ-телескоп, оснащенный камерой для получения изображений звезд или галактик. Почти все малые и средние УФ-телескопы (с диаметром зеркала до метра) снабжают ученых только изображениями слабых (тусклых) объектов.

Между тем подлинный научный интерес представляют их спектры, позволяющие понять температуру, характер движения вещества и другие их характеристики. Однако для спектроскопии высокого разрешения требуется много фотонов — и, соответственно, телескопы с большим по размеру зеркалом.

«Спектр-УФ» в этом отношении обещает стать выдающимся инструментом. Диаметр его главного ситаллового зеркала составляет 1,7 метра. Оно собирает свет и отправляет его или в блок камер поля (для получения изображений), или в блок спектрографов (для получения спектров).

Это зеркало меньше, чем у «Хаббла» (2,4 метра), но за счет новых спектрографов российская обсерватория в ряде случае сможет получить даже более интересные данные.

Один из четырех

«Спектр-УФ» — третий из четырех российских космических телескопов XXI века. Из всей четверки стартовал в космос пока только «Спектр-Р» (в 2011 году) — он же «Радиоастрон», сумевший добиться исключительных результатов в радиоастрономии. Правда, в последнее время он потерял связь с Землей.

В 2019 году должен отправиться в космос второй из них — «Спектр-РГ», многообещающая по своим параметрам обсерватория для наблюдения неба в гамма-лучах и рентгеновском диапазоне. Четвертым должен стать «Спектр-М» («Миллиметрон»), обозревающий небо в миллиметровом и ИК-диапазоне.

 
Корпус телескопа «Спектр-УФ» в сборочном цехе
НПО имени Лавочкина
 

Почти двухметровое зеркало готово практически полностью, на него нужно лишь нанести отражающий ультрафиолет слой (из MgF2) толщиной в 25 нанометров. Делать это сейчас бессмысленно, поскольку в земной атмосфере, даже самой сухой, такое покрытие «живет» в лучшем случае месяцы. Соответственно, напылять его надо будет непосредственно перед запуском «Спектра-УФ», то есть ближе к 2024 году — этот срок начала работы обсерватории пока считается наиболее вероятным.

Научные перспективы

Научные задачи будущей многоцелевой космической обсерватории можно разделить на несколько групп. Первая из них — изучение экзопланет. В отличие от «Кеплера», «Спектр-УФ» — не обзорный проект, поэтому просто искать другие планеты он не будет. Его цель принципиально другая: наблюдение ранее открытых экзопланет с целью изучения их атмосферы и, в частности, поисков в ней признаков жизни.

Вокруг типичной экзопланеты присутствует повышенная концентрация водорода, покидающего ее атмосферу. Размер этого «водородного облака» заметно больше размера самой планеты, даже больше ее размера в видимом диапазоне, ведь водород даже в небольших количествах хорошо поглощает УФ-излучение, а вот видимое излучение — уже гораздо хуже.

Например, в случае Земли ее диаметр для видимого излучения составляет порядка 13 тысяч километров, а диаметр ее различимой в ультрафиолете геокороны — до 600 тысяч километров. Можно сказать, что в ультрафиолете планету — в том числе планету земного типа — изучать заметно проще, нежели в видимом диапазоне.

Спектрографы также способны заметить линии кислорода и других газов, которые иногда называют биомаркерами — признаками жизни.

Разумеется, само по себе присутствие кислорода в атмосфере другой планеты не обязательно означает, что там есть жизнь. Кислород может появляться и в ходе полностью неорганических процессов, той же фотодиссоциации водяных паров в верхних слоях атмосферы. И тем не менее, в сочетании с другими спектральными линиями (скажем, метана), подобные данные позволят значительно уточнить, насколько вероятно наличие жизни на той или иной экзопланете.

Вторая важная задача «Спектра-УФ» — поиск ранее незамеченного барионного вещества, или «невидимой обычной материи», то есть газа и пыли, трудно различимых для уже существующих телескопов.

На сегодня уже ясно, что барионное вещество не может отвечать за основную часть темной материи во Вселенной. Та должна состоять либо из неизвестных частиц, либо из черных дыр. Но, тем не менее, вполне вероятно, что значительные количества водорода и иных газов все еще скрыты от телескопов. По ряду оценок, до половины всего барионного вещества все еще не учтено астрономами.

«Спектр-УФ» будет искать «невидимые» облака газа в космосе за счет их «просвечивания» далекими квазарами, активными ядрами галактик, в центрах которых находятся сверхмассивные черные дыры.

Когда электромагнитное излучение с длиной волны около 121,6 нанометра проходит через скопление нейтральных атомов водорода, те поглощают его фотоны, за счет чего электроны в атомах нейтрального водорода переходят с первого уровня на второй. Излучение от далекого квазара, проходящее через каждое облако газа, лежащее между ним и земным наблюдателем, от каждого такого облака получает дополнительную линию Лайман-альфа, что позволит подсчитать общее количество неизвестного ранее астрономам барионного вещества на том отрезке, что лежит между Землей и квазаром.

Электроника и санкции

Однако современный телескоп — это далеко не только зеркало. Как уже было сказано, электромагнитное излучение, отраженное зеркалом, попадает либо в блок камер поля, либо в блок спектрографов. Оба блока снабжены приемниками излучения, производство которых представляет собой крайне сложную технологическую задачу. Непростой оказалась и история работы над ними. За научную часть проекта отвечает Институт астрономии РАН (ИНАСАН), производство ведется на НПО имени Лавочкина (там же, где были собраны «Радиоастрон» и «Спектр-РГ»).

Изначально предполагалось, что блок камер поля целиком предоставит испанская сторона, также участвующая в проекте «Спектр-УФ», — Мадридский университет Комплутенсе (UCM). В этом блоке установлены два приемника излучения — один из них построен на основе ПЗС-матриц, а другой — на основе микроканальных пластин. В этих пластинах каждая ячейка является канальным электронным умножителем, диаметр канала в котором, как правило, не превышает 10 микрометров.

Подрядчиками испанцев выступила изначально британская, а позже перешедшая к американцам компания Teledyne e2v. Именно она изготовила ПЗС-матрицы для первого приемника.

Однако В 2013 году испанцы, столкнувшись с недостатком финансирования, поставили «Роскосмос» в известность, что не смогут изготовить весь блок камер поля целиком, но пообещали завершить работы над микроканальным приемником излучения, то есть самым критичным элементом блока.

До 2018 года «Роскосмос» раздумывал, как организовать производство блока, и в прошлом году все же решил изготавливать остальные элементы блока в России.

Вопрос стоял достаточно остро, и не только с точки зрения научных результатов. Дело в том, что именно блок камер поля делает изображения далеких объектов. Эти кадры имеют большое пиар-значение, столь важное для современной науки, финансирование которой во многом зависит от общественного мнения. Спектрографы могут дать массу интересной информации ученым, но без ярких, визуально понятных для публики «картинок» телескопы имеют, так сказать, низкую пиар-отдачу.

«Спектр-УФ» в открытом положении
НПО имени Лавочкина
 

В блоке спектрографов, отдельном от камер поля, есть еще три приемника. Их также решили закупать в Великобритании, но после введения санкций против России компании Teledyne e2v пришлось переделывать свою продукцию, чтобы исключить из нее западную электронику двойного назначения.

Хуже всего было то, что под санкции попали, в числе прочего, и радиационно устойчивые микросхемы, рассказывает Борис Шустов, научный руководитель ИНАСАН. После замены их на обычные всю электронику пришлось дополнительно защищать от воздействия космической радиации, чтобы обеспечить обсерватории пятилетний рабочий ресурс. Усиленная защита увеличила массу электронных компонентов телескопа. Это, в свою очередь, потребовало пересмотра механической прочности узлов конструкции — и так далее. В конечном счете, блок спектрографов пришлось серьезно перепроектировать.

Стоит отметить, что «Спектр-УФ» — последний российский проект, которому вообще удалось что-то получить от Teledyne e2v. Все последующие попытки российских научных организаций закупить там оборудование были безуспешны. В частности, ГАИШ МГУ обращался к американской компании за электронными узлами для проекта «Лира», но успеха не добился.

Толщиной в две молекулы

Поскольку «Спектр-УФ» работает именно в ультрафиолетовом диапазоне, сложность его создания необычайно высока. И дело не только в сверхчувствительной электронике и бездефектном, большом и высококачественном зеркале. Необходимо еще обеспечить им условия для длительной и бесперебойной работы.

Во-первых, даже тонкий слой органических загрязнений, — толщиной буквально в две молекулы, — оказавшись на ПЗС-матрице приемника излучения, сделает невозможной ее корректную работу. Иными словами, производство и матрицы, и приемника должно быть «сверхчистым», еще более требовательным к отсутствию загрязнений, чем в случае с ПЗС-матрицами оптического диапазона.

Во-вторых, для корректной работы ПЗС-матрицы в космосе ее придется охладить до температуры около -100 градусов по Цельсию, отчего она станет самым холодным компонентом системы. Между тем на наиболее холодные объекты пылинки и микрочастицы осаждаются в повышенном количестве — то есть требования к чистоте производства еще более повышаются.

Работа именно в УФ-диапазоне налагает и ряд других ограничений. ПЗС-матрица нуждается в защите стеклом. Но почти любое стекло останавливает ультрафиолет, поэтому здесь используется стекло довольно экзотического состава, на базе MgF2 (тем же составом покрыто и зеркало телескопа). Внутри защищенной емкости с матрицей должен быть особо глубокий вакуум, что налагает повышенные требования и на герметичность емкости.

По словам замдиректора ИНАСАН Михаила Сачкова, на данный момент сами матрицы иностранного производства для «Спектра-УФ» уже готовы, и в целом комплектующие для летных образцов приемников излучения (тех, что отправятся в космос на «Спектр-УФ») уже в наличии — и для блока камер поля, и для блока спектрографов. Однако финальная сборка телескопа из комплектующих — также исключительно сложная задача.

Пока российская сторона рассчитывает на то, что ее выполнит Teledyne e2v в рамках продолжения проекта, начатого еще до появления зарубежных санкций против России. Но если по каким-то причинам, в том числе политическим, американцы откажутся, то российская сторона уже подстраховалась — сборку приемников в этом случае готов взять на себя ФИАН.

Готовность 70 процентов

Как отмечает Сачков, согласно официальным оценкам, оборудование проекта «Спектр-УФ» готово примерно на 70 процентов. Борис Шустов также говорит, что основные конструкции телескопа уже прошли целый ряд испытаний — статические, динамические, тепловые — и показали соответствующую устойчивость. По сути дела, осталось лишь собрать приемники, интегрировать их с корпусом обсерватории и запустить ее в космос.

Тем не менее, оставшиеся 30 процентов работ обещают быть не просто трудными — они грозят затянуться, в лучшем случае, на пять лет. В 2018 году Роскосмос урезал расходы последующих трех лет на научную часть Федеральной космической программы вдвое. И «Спектр-УФ» пострадал от этого едва ли не сильнее всего. Его финансирование на 2020 год снизилось примерно в 15 раз, хотя чиновники и обещают «наверстать» отставание от графика финансирования в последующие годы.

Несмотря на это, дату пуска пока никто не сдвигает — он по-прежнему назначен на 2024 год. Очевидно, что задержка финансирования и запуск в запланированный срок противоречат друг другу. Возникает закономерный вопрос: не будет ли запуск снова отложен, как это уже не раз бывало раньше?

Борис Шустов комментирует положение дел так: «Понятно, что если нам в конце 2025 года дадут то, что не дали раньше, и скажут: "Смотрите, мы все деньги по проекту дали", то завершить проект вовремя все равно будет невозможно. Ведь нужно же равномерное, регулярное финансирование. Срок запуска пока еще укладывается в ФКП, рассчитанную до 2025 года, но если так будет продолжаться, то, конечно, он сдвинется. Мы сейчас настаиваем на запуске в 2024 году, но если финансирование срежут, то о запуске в этом, да и в 2025 году, конечно, идти не будет».

«Фактически, наш проект «положили под капельницу» — он жив, но лежит и ждет [нормализации своего состояния]. В общей схеме приоритетов финансирования «космическая» наука далеко не на первом, и даже не на втором и не на третьем месте — несмотря на все декларации», — продолжает научный руководитель ИНАСАН. По его словам, чиновники из «Роскосмоса» объясняют задержку финансирования «распоряжениями сверху», например срочной необходимостью создания сверхтяжелого носителя для полета к Луне.

Как известно, для российской лунной сверхтяжелой ракеты уже выбрана одноразовая схема. Однако ранее второй половины 2020-х годов создать ее невозможно, а к тому времени одноразовая сверхтяжелая ракета будет малоконкурентоспособна в сравнении с новыми многоразовыми западными проектами. Поэтому очень вероятно, что «сверхтяж» придется переделывать — то есть оплачивать весьма дорогостоящий проект дважды.

Если финансирования для научных программ, и того же «Спектра-УФ», не хватает уже сейчас, то после осознания того, что всю работу по сверхтяжелой ракете придется переделывать, дефицит финансирования «космической науки» может стать хроническим.

Причем речь идет не о гипотетическом сценарии: «Роскосмосу» уже приходилось создавать новую ракету, которая устарела еще до запуска в серию. «Ангара», 20-летний проект по созданию «дешевой» ракеты, как пояснило руководство «Роскосмоса» в прошлом году, так и не будет массовой и поэтому не сможет стать дешевой. Это уже привело к началу разработки новых одноразовых ракет.

Российский «сверхтяж» вполне может повторить судьбу проекта «Ангара», потребовав замены себе еще до начала систематических полетов.

Жизнь под капельницей

«Самым неприятным моментом для ученых, работающих над созданием «Спектра-УФ», является полное отсутствие официальных пресс-релизов от «Роскосмоса», извещающих о переносе сроков из-за недостаточного финансирования», — говорит Михаил Сачков.

«Конечно, в стране бывают различные ситуации, в том числе и требующие уменьшения финансирования научных проектов, и все это понимают, если о таких ситуациях официально сообщается. На деле же все «корректировки» (читай: «секвестры») оформляются как бы по просьбе самих исполнителей», — продолжает он.

«То есть это не «Роскосмос» срезает финансирование научных проектов, создаваемых в интересах РАН, зачастую не согласовывая свои решения с Советом по космосу РАН, а как бы сами исполнители просят «Роскосмос» исключить работы из действующих контрактов. Исполнитель получает из «Роскосмоса» письмо с просьбой дать свои предложения под уменьшенное финансирование, и когда такое предложение выдано, то все выглядит как добровольное урезание работ», — утверждает замдиректора ИНАСАН.

В целом, ситуация, когда готовая на 70 процентов космическая обсерватория еще долгие годы никуда не полетит, довольно тревожна со всех точек зрения. Это не только многолетнее омертвление уже вложенных в проект значительных средств, но и большой риск. Компоненты крупных космических научных систем просто не предназначены для многолетнего хранения.

Так, ряд систем модуля «Наука», собираемого для отправки на МКС, из-за регулярных задержек финансировании просто пережили гарантийный срок своей работы. Но «Наука» и сегодня, через десятилетия после начала работ по ней, остается на Земле.

Кроме того, электронные компоненты спектрографов и блока камер со временем могут морально устареть, отстав от «переднего края» научных разработок в этой области.

Но та же серьезность ситуации внушает и некоторый оптимизм. Бросить на 70 процентов сделанную космическую обсерваторию психологически будет очень тяжело. Поэтому с высокой вероятностью она все же полетит в космос — если не в 2024 году, то позже. Главный вопрос — насколько.

Константин Александров

Источник: nplus1.ru





Комментарии