Возможно, одним из самых удивительных открытий XX века было то, что обычная материя, из которой состоят планеты, звезды, галактики — все, что мы видим в телескоп, занимает не более пяти процентов массы Вселенной. Все остальное состоит из таинственного, невидимого вещества — темной материи — и гипотетической темной энергии (ее доля в массе Вселенной почти 70%).
Ученые пока не смогли поймать темную материю — она невидима для электромагнитного излучения, поэтому с помощью современных приборов ее не обнаружить. Ее не увидеть в телескоп, но можно заметить, как она проявляется в гравитационном воздействии на вещество. Например, некоторые галактики вращаются иначе, чем предсказывает классическая физика, и учет темной материи может это объяснить. Считается, что темная материя играет важную роль в формировании галактик и расширении Вселенной.
Темная энергия еще более таинственна. Ее открыли только в 1990-х годах, и наука пока не может дать приемлемых объяснений. Известно, что Вселенная расширяется с ускорением, и темная энергия может быть причиной этого — она вызывает силу, которая преодолевает гравитацию и ускоряет расширение. Есть гипотеза, что темная энергия — это космологическая постоянная, то есть просто свойство пустоты (вакуума).
В 2019 году часть Нобелевской премии по физике вручили за теоретические открытия в области космологии, как раз связанные с пониманием развития Вселенной. Лауреат премии Джеймс Пиблз — автор идей о реликтовом излучении и его связи с Большим взрывом, а также о темной материи как о факторе образования гигантских структур во Вселенной. В пресс-релизе Нобелевского комитета подчеркивалось, что изучение темной материи и темной энергии —главный вызов современной физике. Путь к лучшему пониманию Вселенной призваны проложить сразу несколько космических миссий и строящихся гигантских телескопов. Все они будут поочередно запускаться в 2020-е годы. Новые телескопы получат беспрецедентное оптическое разрешение и светочувствительность. Именно это необходимо для ответов на вопросы: как сформировались первые галактики? что такое темная энергия? как сгусток материи после Большого взрыва превратился в то, что мы видим на небе? что будет со Вселенной дальше?
Гигантские телескопы
В середине 2020-х годов планируется запустить три космических проекта, относящихся к классу экстремально больших телескопов: Гигантский Магелланов телескоп (GMT, запуск в 2024 году, диаметр 24,5 м), Тридцатиметровый телескоп (TMT, запуск в 2027 году, диаметр 30 м) и Чрезвычайно большой телескоп (ELT, запуск в 2025 году, диаметр 39 м). Это будут поистине гигантские сооружения.
Например, GMT будет состоять из семи зеркал, каждое диаметром 8,5 м. Зеркала поштучно производят с 2005 года, и только шлифовка первого зеркала длилась более шести лет. Литье одного зеркала занимает почти три месяца и требует двадцати тонн боросиликатного стекла, работы ведутся в Университете Аризоны (США). В настоящее время полностью готовы только два первых зеркала, начать работу телескопа планируют на четырех зеркалах, в дальнейшем добавляя остальные. GMT будет расположен в обсерватории Лас-Кампанас (Чили). Стоимость проекта оценивается в миллиард долларов, работы ведутся совместными усилиями США, Австралии, Бразилии, Южной Кореи. Боросиликатное стекло поставляет Япония.
Европейский Чрезвычайно большой телескоп (ELT) строится с 2014 года, в нем будет большое сегментное 39-метровое зеркало, состоящее из 798 шестиугольных зеркал диаметром 1,4 м. Как и GMT, телескоп будет расположен в высокогорной части Чили. «Благодаря силе ELT мы сможем еще глубже погрузиться в раннюю Вселенную и найти много [гигантских] газовых туманностей», — говорит Эмануэле Паоло Фарина из Института астрономии имени Макса Планка.
В Тридцатиметровом телескопе планируются 492 шестиугольных сегмента диаметром 1,4 м, однако уже несколько лет проект буксует из-за массовых протестов против его размещения на Мауна-Кеа (эта гавайская Белая гора священна для местных народов).
Миссия Euclid
Ближайшим этапом в изучении темной материи и темной энергии станет космическая миссия Euclid Европейского космического агентства. Предполагается, что результаты исследований помогут приблизить человечество к пониманию эволюции Вселенной и ее ускоряющегося расширения.
Спутнику Euclid с помощью телескопа, оптической и инфракрасной камер предстоит составить карту распределения темной материи, наблюдая за тем, как она искажает свет, исходящий из далеких галактик. В рамках исследования темной энергии Euclid будет составлять карту трехмерного распределения галактик: закономерности распределения «войдов» (гигантских пустот между галактиками) используют в качестве критерия для измерения расширения Вселенной со временем. В частности, миссия должна ответить на один из важнейших вопросов космологии: почему расширение Вселенной ускоряется, а не замедляется за счет гравитационного притяжения всей материи в ней?
Работа над Euclid началась в 2007 году, когда был разработан предварительный проект миссии. Только в 2012-м его окончательно утвердил комитет по научной программе Европейского космического агентства. Генеральным подрядчиком стала франко-итальянская компания Thales Alenia Space, которая строит спутник Euclid. Контракт на изготовление модуля полезной нагрузки (телескоп диаметром 1,2 м и приборы — камеру видимого света и камеру ближнего инфракрасного диапазона) первоначально был заключен с Astrium SAS, позже компания стала частью Airbus Group. Теперь в качестве подрядчика, изготавливающего модуль полезной нагрузки, указывается Airbus Space and Defence.
Общая стоимость миссии составляет 800 млн евро. На стадии планирования проекта предполагалось, что лидирующая роль в миссии будет принадлежать NASA и американское космическое агентство оплатит как минимум половину ее стоимости, однако по настоянию европейского агентства роль американцев сократилась. Вклад NASA оценивается примерно в 20 млн долларов — в частности, NASA изготавливает инфракрасные детекторы для одной из камер. В работе над миссией Euclid принимают участие почти тысяча ученых более чем из ста институтов 14 европейских стран: Австрии, Бельгии, Германии, Дании, Испании, Италии, Нидерландов, Норвегии, Португалии, Румынии, Великобритании, Финляндии, Франции и Швейцарии, а также американские и канадские исследователи.
Первоначально Euclid планировали запустить в 2020 году, однако уже ясно, что ее отправят в космос не раньше 2022 года. Задержка во многом обусловлена проблемами с инфракрасными детекторами для камеры, разработанными NASA. В 2017 году стало известно, что детекторы не смогли пройти необходимые тесты: электроника плохо работала при низких температурах, в результате оборудование пришлось разрабатывать заново, что заняло больше года.
Только в середине 2018-го Европейское космическое агентство одобрило финальный проект спутника и всех подсистем. Осенью 2019 года на заводе Thales Alenia Space в Каннах проводились тесты структурно-термальной модели спутника Euclid — практически точной копии реального, только с неотполированными зеркалами телескопа и неполным набором электронных компонентов. Модель тестировали в вакууме в экстремальных температурах. Одновременно с этим на заводах Airbus в Тулузе и Thales Alenia Space в Турине тестировали телескоп и сервисный модуль. Оба модуля будут пристыкованы друг к другу в 2021 году. Для запуска спутника в 2022 году Европейское космическое агентство уже забронировало российский «Союз», однако сейчас рассматривает возможность использования новой европейской ракеты Ariane-62.
Euclid отправится к точке Лагранжа L2 в системе Солнце — Земля, расположенную в 1,5 млн км от поверхности Земли. Спутник будет вращаться по орбите вокруг L2, диаметр орбиты составляет около миллиона километров. Продолжительность миссии — шесть лет.
Устремленные в темноту
Euclid не единственный проект, призванный разрешить загадки темной энергии и темной материи. Исследовательские группы по всему миру запускают проекты по изучению «темной стороны Вселенной»; усилия в этом направлении предпринимает и Россия. В июле этого года была запущена российско-немецкая обсерватория «Спектр-РГ», на борту которой находятся российский телескоп АРТ-ХС и немецкий eROSITA. Стоимость проекта оценивается в 500 млн евро. В отличие от Euclid, который работает в видимом и инфракрасном спектрах излучения, «Спектр-РГ» проводит обзор всего неба в рентгеновском диапазоне, что позволит обнаружить все тяжелые скопления галактик во Вселенной. Все скопления галактик, активные галактические ядра, остатки сверхновых звезд и рентгеновские двойные звезды имеют крайне высокую температуру, за счет чего испускают рентгеновское излучение, которое и поможет их обнаружить. Полученная в ходе миссии информация позволит более полно понять влияние темной материи и темной энергии на обычное вещество на протяжении существования скоплений галактик.
Миссия «Спектр-РГ» рассчитана на четыре года, в течение которых будет составлено восемь карт. Ученые ожидают обнаружить около трех миллионов активных ядер галактик и квазаров, сто тысяч скоплений и групп галактик, а также около полумиллиона активных звезд, белых карликов, пульсаров и остатков вспышек сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр. Самая полная карта, которая совместит в себе все восемь обзоров, будет готова в 2025 году. В начале декабря «Спектр-РГ» добрался до своей целевой орбиты — как и у Euclid, это орбита вокруг точки Лагранжа L2.
США ведут сразу несколько параллельных проектов по изучению темной материи и темной энергии. Один из них — DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument, спектроскопический инструмент для изучения темной энергии), установленный на телескопе Mayall в Национальной обсерватории Китт-Пик в Аризоне. У DESI пять тысяч «глаз» — роботизированных волоконно-оптических датчиков. «Глаза» прибора расположены за фокальной плоскостью линз. DESI может наблюдать пять тысяч галактик одновременно — по одной каждым из своих датчиков. Датчики собирают свет галактик, после чего соединенные с ними спектрографы разделяют его на узкие цветовые полосы, чтобы точно отобразить расстояние галактик от Земли. В результате DESI получает информацию о расстояниях до галактик и скорости их удаления от нас и создает трехмерную карту Вселенной. Стоимость проекта составляет 75 млн долларов — большую его часть финансирует министерство энергетики США.
В 2022 году полноценную работу начнет Большой широкоугольный обзорный телескоп LSST на пике Эль-Пеньон в Чили — еще один американский проект для изучения темной материи и темной энергии. Характеристики телескопа впечатляют: диаметр его главного зеркала — 8,4 м, примерно как ширина теннисного корта, а его 3,2-гигапиксельная камера с линзой диаметром 1,57 м работает в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах. Длительность проекта составляет девять лет, его финансируют Национальный научный фонд США (473 млн долларов), министерство энергетики США (165 млн долларов) и частные инвесторы (40 млн долларов).
Наконец, не стоит забывать и об одном из наиболее масштабных и амбициозных космических проектов США последних лет — космическом телескопе Джеймса Уэбба, который готовится к запуску в марте 2021 года. Срок работы над проектом не раз продлевался, а бюджет успел вырасти в 20 раз. Первоначально планировалось, что телескоп запустят в 2007 году, а стоимость миссии составит 500 млн долларов. Сейчас стоимость миссии оценивается уже в 9,66 млрд долларов. Диаметр зеркала телескопа — 6,5 м; инструмент будет оснащен камерой ближнего инфракрасного диапазона, прибором для работы в среднем диапазоне инфракрасного излучения, спектрографом ближнего инфракрасного диапазона и датчиком точного наведения. Создание карты темной материи во Вселенной — одна из основных задач проекта наряду с изучением ранних звезд и галактик на стадии их формирования и дальних сверхновых. Телескоп будет запущен с помощью ракеты Ariane 5 на орбиту в точке Лагранжа L2 — по плану, первые исследования он начнет выполнять уже осенью 2021 года.
