«Nancy Grace Roman»: SpaceX вывела в космос телескоп, который перепишет карту Вселенной

30 августа ракета Falcon Heavy компании SpaceX вывела в космос одну из самых амбициозных обсерваторий NASA — телескоп Nancy Grace Roman. Его цель — ответить на вопросы, которые десятилетиями ставят астрономов в тупик: что такое тёмная энергия и тёмная материя, и сколько экзопланет прячется в глубинах Млечного Пути.

Как всё происходило

Старт прошёл с Космического центра имени Кеннеди во Флориде. Falcon Heavy — одна из самых мощных ракет в мире — обеспечила телескопу нужную траекторию. Уже через несколько часов после отделения аппарат начал самостоятельный путь к точке Лагранжа L2 системы Солнце — Земля. Это место примерно в 1,5 миллиона километров от Земли, где гравитационные силы Солнца и Земли уравновешиваются. Там же работает телескоп James Webb — Roman будет трудиться «по соседству», но совсем другими методами.

Путь до L2 занял около трёх месяцев: телескопу нужно было аккуратно выйти на рабочую орбиту, развернуть системы и пройти серию проверок. Первые научные снимки учёные ожидают получить в начале 2027 года.

Параметры телескопа

Главное зеркало Nancy Grace Roman имеет диаметр 2,4 метра — такой же, как у «Хаббла». Но зеркало сделали легче (около 186 кг против более тяжёлого у «Хаббла») за счёт современных технологий. Оптическая схема — трёхзеркальный анастигмат: она минимизирует искажения на широком поле зрения. Эффективная апертура чуть меньше — 2,36 метра, а центральная заслонка блокирует примерно 30% света.

Телескоп работает в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах (примерно 0,48–2,3 мкм). Это критически важно: из-за расширения Вселенной свет от самых далёких объектов краснеет и уходит в инфракрасный диапазон, а земная атмосфера для такого излучения непрозрачна — поэтому нужен космический аппарат.

Задача 1: раскрыть тайну тёмной энергии

Тёмная энергия — загадочная сила, из-за которой Вселенная расширяется всё быстрее. На неё приходится около 68% всей энергии космоса, но мы почти ничего не знаем о её природе.

Roman будет изучать тёмную энергию сразу несколькими способами:

• Сверхновые типа Ia — «стандартные свечи» Вселенной: их истинная яркость известна, поэтому по видимой яркости можно точно определить расстояние. Roman будет наблюдать тысячи таких вспышек и по ним восстанавливать, как менялась скорость расширения Вселенной миллиарды лет назад.
• Крупномасштабная структура. Телескоп составит трёхмерную карту миллионов галактик по их красному смещению. Это покажет, как материя распределялась и «сгущалась» со временем.
• Слабое гравитационное линзирование. Под действием гравитации массивных объектов свет далёких галактик слегка искривляется. Roman измерит эти едва заметные искажения и по ним «нарисует» невидимую карту тёмной материи — ведь именно она задаёт гравитационный рельеф Вселенной.

Комбинация этих методов нужна, чтобы проверить разные гипотезы: либо тёмная энергия действительно меняется со временем, либо наша теория гравитации требует поправок на космологических масштабах.

Как именно строят карты тёмной материи

Тёмная материя не излучает, не поглощает и не отражает свет. Её нельзя увидеть ни одним телескопом. Мы знаем о ней только по гравитационному воздействию на видимую материю: звёзды в галактиках вращаются быстрее, чем должны; свет далёких объектов искривляется, проходя через области, где ничего не видно.

Задача — не «увидеть» тёмную материю, а вычислить её распределение по тому, как она искривляет свет.

Представьте далёкую галактику. Её свет летит к нам миллиарды лет и проходит сквозь «паутину» тёмной материи — скопления и нити, которые гравитационно искривляют пространство. В результате изображение галактики слегка растягивается, теряет идеальную круглую форму.

Искажение крошечное — доли процента. На одной галактике его не разглядишь. Но если взять миллионы галактик и усреднить их формы, появляется статистический сигнал: галактики там, где больше тёмной материи, систематически вытянуты в определённом направлении.

Это и есть слабое гравитационное линзирование — метод, предложенный в 1990-х, но требующий огромных объёмов данных. Roman за один кадр охватывает участок неба в 100 раз больше «Хаббла». Для карты тёмной материи нужно измерить формы примерно миллиарда галактик — Roman, по оценкам NASA, справится за пять лет миссии.

Чтобы построить трёхмерную карту, нужно знать не только положение галактики на небе, но и расстояние до неё. Roman определяет расстояние по спектрам с помощью гризма и призмы в составе WFI. Это позволяет «нарезать» Вселенную на слои по эпохам и увидеть, как паутина тёмной материи эволюционировала во времени.

Что получится в итоге: трёхмерная карта распределения тёмной материи — от относительно недавних эпох до примерно 10 миллиардов лет назад. По этой карте можно будет:

• проверить, как растут структуры — скопления галактик, нити, пустоты — и сравнить с предсказаниями разных моделей тёмной энергии;
• определить, постоянна ли тёмная энергия или менялась со временем;
• проверить общую теорию относительности на космологических масштабах — возможно, ускорение расширения Вселенной объясняется не «тёмной энергией», а модификацией гравитации.

Задача 2: найти тысячи экзопланет и «планеты-сироты»

Roman сделает ставку на гравитационное микролинзирование — редкий, но мощный метод. Когда звезда с планетой проходит почти точно перед более далёкой звездой, её гравитация усиливает свет фонового объекта. Если рядом есть планета, она оставляет дополнительный «след» в кривой блеска.

Метод позволяет находить планеты на больших расстояниях от своей звезды — в том числе аналоги Урана и Нептуна, а также «планеты-сироты», которые вообще не привязаны к звёздам. Roman будет постоянно следить примерно за 100 миллионами звёзд и, по оценкам NASA, обнаружит около 100 000 новых планет — больше, чем все наземные микролинзовые обзоры за всю историю вместе взятые.

Как микролинзирование находит «планеты-сироты»

«Планета-сирота» — это планета, которая не привязана ни к какой звезде. Она просто летит сквозь межзвёздное пространство — одна, в темноте. По разным оценкам, таких объектов в Млечном Пути могут быть миллиарды, а возможно, и больше, чем обычных планет у звёзд.

Обнаружить их крайне трудно: они не светятся сами и не освещены звездой. Транзитный метод не работает — нет звезды-хозяина. Метод лучевых скоростей — тоже. Единственный способ — гравитационное микролинзирование.

Представьте три объекта, выстроенные в одну линию: фоновая звезда (далёкая, светит как маяк), линза (объект, проходящий между нами и фоновой звездой), и мы — наблюдатели. Когда линза проходит точно перед фоновой звездой, её гравитация действует как увеличительное стекло: свет усиливается. Если линза — одиночный объект, кривая блеска плавно поднимается и опускается — симметричный «горб» длительностью от часов до недель. Если рядом есть планета, она создаёт дополнительный короткий «пик» на фоне основного горба. Планета массой с Юпитер даёт всплеск на несколько часов или дней; планета массой с Землю — на несколько часов или меньше.

Если линза — не звезда с планетой, а просто одиночная планета-сирота, то «горба» от звезды не будет, только короткий всплеск от самой планеты. Его легко пропустить, но Roman с его непрерывным мониторингом и точностью фотометрии способен его зафиксировать.

Roman находится в космосе, вдали от атмосферных помех и суточного цикла. Он может непрерывно следить за одним и тем же участком неба месяцами — что невозможно с Земли, где ночь чередуется с днём, а погода прерывает наблюдения. А его чувствительность хватает, чтобы заметить всплески от планет с массой от Марса до Нептуна.

Что именно ждут найти:

• ~100 000 экзопланет методом микролинзирования;
• значительную часть — планеты на широких орбитах (аналоги Урана и Нептуна), которых транзитный метод почти не находит;
• сотни или тысячи планет-сирот — одиночных объектов массой от нескольких земных до нескольких юпитеровых, свободно дрейфующих в межзвёздном пространстве.

Это даст первую надёжную статистику: сколько таких «бродяг» в Галактике, какого они размера и как распределены. Пока оценки варьируются на порядки — от «мало» до «миллиарды». Roman должен поставить точку.

Почему телескоп назвали в честь Нэнси Грейс Роман

Нэнси Грейс Роман была одной из первых женщин-руководителей в NASA и получила прозвище «мать „Хаббла»». Она десятилетиями убеждала политиков и учёных, что нужен большой космический телескоп для изучения Вселенной. Без её настойчивости «Хаббл» мог бы никогда не появиться. Roman — это дань уважения её видению: телескоп, который смотрит широко, системно и на долгие годы вперёд.