Китай откладывает запуск космического телескопа Сюньтянь

Космический телескоп Сюньтянь — вступление Китая в глобальную гонку с целью раскрыть секреты тёмной энергии, но он будет запущен не ранее середины 2025 года.

Запланированный теперь уже на середину 2025 года к запуску с космодрома Вэньчан на юге Китая двухметровый Сюньтянь (Xuntian — «Обзор небес») присоединится к 1,2-метровому космическому телескопу Европейского космического агентства Евклид (см. первые полученные с его помощью полноцветные изображения), а также к 2,4-метровому космическому телескопу NASA Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на середину 2027 года, с целью наблюдения за миллиардами отдалённых галактик, картографирования структуры вселенной и проверке соперничающих теорий о тёмной материи и тёмной энергии.

«Сюньтянь планировали запустить к концу этого года. Сейчас график скорректировали на июнь 2025 года», — говорит Джан Ху, научный сотрудник системы телескопов Сюньтянь в Китайской национальной астрономической обсерватории в Пекине. Джан говорит, что сейчас он и его команда завершают работу над предполётной «проектной квалификационной моделью» для Сюньтяня, жёсткие эксплуатационные испытания которой начнутся в начале следующего года.

По словам Джана, на первом этапе Китай самостоятельно разрабатывает все пять инструментов Сюньтяня. Он руководит командой из примерно 100 инженеров и учёных из пяти исследовательских институтов со всей страны, которые работают над 2,6-гигапиксельной обзорной камерой, которая станет основным инструментом телескопа.

Сюньтянь — один из самых важных научных объектов, когда-либо построенных Китаем, — говорит Квентин Паркер, астрофизик из Университета Гонконга, — и поэтому его задержка стала сюрпризом. «Это необычно для Китая, потому что они обычно не откладывают дела. Они превосходно справляются со своими задачами», — говорит он.

Задержка может иметь серьёзные последствия для трёхсторонней гонки с целью разгадать двойную загадку тёмной материи — невидимого «гравитационного клея», который позволяет формироваться галактикам — и тёмной энергии — загадочной, но доминирующей силы, стоящей за постоянно ускоряющимся расширением нашей Вселенной. Вместе взятые, тёмная материя и тёмная энергия составляют подавляющие 95 процентов массы и энергии Вселенной, а привычная материя составляет оставшиеся 5 процентов. Изучение истинной природы тёмной материи и тёмной энергии имеет решающее значение для космологии, потенциально предлагая ответы на вопросы, касающиеся самого глубокого происхождения Вселенной, её будущей судьбы и всего, что находится между ними. По словам Паркера, более поздний запуск Сюньтяня уменьшит временное преимущество, которое в противном случае он мог бы иметь перед телескопом NASA Роман. «Одним из больших преимуществ запуска продукта раньше вашего конкурента является то, что вы срываете первую вишенку для науки», — добавляет он. Если даты запуска Сюньтяня и Романа окажутся близкими, «начнётся интересная динамика с точки зрения того, кто получит первые данные, первые изображения и первые результаты исследований».

Спустя десятилетия ожидания китайским астрономам по понятным причинам хочется иметь собственную обсерваторию, сравнимую с космическим телескопом Хаббл, говорит астрофизик Ву Сюэбин из Пекинского университета. Однако, учитывая современный дизайн и передовые технологии, «может оказаться, что эта отсрочка — не такая уж и плохая вещь. Важно убедиться, что всё работает, прежде чем запускать его в космос», — говорит Ву.

Проект телескопа Сюньтянь действительно амбициозен. Впервые одобренные в 2013 году в рамках планов Китая по созданию космической станции концепция и дизайн миссии со временем развивались и теперь могут похвастаться, среди прочего, по-настоящему панорамным полем зрения, которое будет более чем в 300 раз больше, чем у Хаббла. Это означает, что Сюньтянь, который также иногда называют телескопом Китайской космической станции, может с помощью одного снимка обследовать участок неба, на съёмку которого Хабблу потребовался бы почти год, и сделать это примерно с тем же разрешением. Во время каждого наблюдения Сюньтянь также видит в два раза больше неба, чем Евклид, и в четыре раза больше, чем Роман.

Его обзорная камера, оснащённая детекторами с зарядовой связью (ПЗС-матрицами) на 2,6 миллиарда пикселей, призвана охватить 17 500 квадратных градусов (это 40% всего неба) во время запланированной десятилетней работы на высоте около 400 километров над Землёй на одной орбите с Китайской космической станцией Тяньгун.

Наблюдая в ближнем ультрафиолетовом и оптическом диапазоне длин волн от 0,255 до одного микрона, Сюньтянь будет «идеально дополнять» Евклида и Роман, которые больше фокусируются на ближнем инфракрасном диапазоне, замечает Юнь Ван, космолог из Центра инфракрасной обработки и анализа Калифорнийского технологического института.

Все три миссии имеют общий методологический краеугольный камень: они составляют карты расстояний и распределения галактик для получения более глубоких космических измерений. Но каждая из них будет исследовать Вселенную в разном возрасте, хотя и с некоторым перекрытием. Сюньтянь оглянется назад во времени и увидит свечение галактик, когда возраст Вселенной составлял одну треть от её нынешнего возраста. Тем временем Евклид и Роман сосредоточат своё внимание на галактиках, отстоящих от половины до трёх четвертей пути, пройденного Вселенной за её историю почти в 14 миллиардов лет.

Даже когда разные телескопы измеряют один и тот же объект, крайне важно проводить перекрёстную проверку полученных ими результатов, говорит Джейсон Роудс, астрофизик из Лаборатории реактивного движения NASA, который работает и над Евклидом, и над находящимся в разработке Романом. «Воздействие тёмной энергии на то, что мы в состоянии наблюдать, в отдельных взятых галактиках невелико», поэтому требования к измерениям очень высоки — даже мизерные технические ошибки могут привести к крайне неверным результатам, — говорит он.

Сюньтянь, Евклид и Роман также будут использовать метод наблюдения, именуемый слабым гравитационным линзированием, для составления карты тёмной материи, обнаруживая крошечные искажения в формах галактик. Такие искажения вызваны скоплениями промежуточной тёмной материи, которые посредством своих искажающих пространство-время гравитационных полей слегка изменяют путь света от галактик, когда он движется к Земле. В отличие от сильного линзирования, при котором массивная галактика на переднем плане может растягивать свет от точкообразной галактики на заднем плане, так, что он выглядит как кривая, слабое линзирование искажает изображения галактик только на тысячную долю или меньше эллиптичности их видимого углового размера, и это чрезвычайно сложно измерить.

По словам Чжана, в этом отношении оптическая система Сюньтяня имеет преимущество, поскольку его вспомогательное зеркало будет расположено сбоку, а не прямо перед основным зеркалом, чтобы не блокировать любой падающий свет и не создавать дифракционные узоры на изображениях. Эта так называемая внеосевая конструкция отличает Сюньтянь от Хаббла, Евклида и Роман, которые используют осевую архитектуру, которая неизменно проецирует дифракционные «пики» и другие визуальные артефакты на полученные изображения. По словам Чжана, изображения без пиков, полученные с помощью Сюньтяня, в дальнейшем помогут уменьшить ошибки при анализе слабого линзирования.

Хотя Сюньтянь будет проводить большую часть своего времени, исследуя далёкие галактики в погоне за тёмной материей и тёмной энергией, у него также есть длинный список второстепенных научных целей, которые необходимо выполнить с помощью тех же данных исследований и наблюдений четырёх других инструментов. Например, он будет искать экзопланеты вокруг выборки близлежащих звёзд, используя блокирующий звёздный свет коронограф, который может позволить увидеть сопровождающие звезду планеты, обладающие существенно более низкой яркостью. Кроме того, телескоп будет включать в себя высокочувствительный терагерцовый приёмник для изучения химии гигантских молекулярных облаков и других сложных объектов в Млечном Пути и соседних галактиках; многоканальный формирователь изображений для проведения более целенаправленных наблюдений в чрезвычайно глубоком поле и для мониторинга быстро меняющихся явлений, таких как пролёт астероидов и взрывы сверхновых; и интегральный полевой спектрограф для исследования экстремальной физики материи, вращающейся вокруг чёрных дыр.

После установки всех пяти инструментов на платформе телескопа останется пустой слот, который в дальнейшем будет использован отечественным, зарубежным или совместно разработанным устройством, которое установят астронавты с космической станции «Тяньгун», — говорит Джан.

В течение первого десятилетия работы Сюньтяня запланировано несколько манёвров по сближению и стыковке между телескопом и космической станцией на низкой околоземной орбите, чтобы обеспечить возможность дозаправки, технического обслуживания и модернизации. Принимая внимание опыт эксплуатации Хаббла, архитекторы Сюньтяня посчитали такое обслуживание критически важным для обеспечения устойчивой научной конкурентоспособности обсерватории.

«Совместная орбита хороша во многих отношениях», — говорит Джонатан Макдауэлл, астроном из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института. Например, починить или поменять инструменты на Евклиде или Романе сложно до невозможности, потому что каждый из этих двух телескопов расположен в точке Лагранжа 2 между Солнцем и Землёй, находящейся примерно в 1,5 миллионах километров от нашей планеты.

Но нахождение Сюньтяня на низкой околоземной орбите также означает, что нависающая над ним Земля будет постоянно закрывать ему обзор почти половины неба, ограничивая эффективность наблюдения телескопа, говорит — Макдауэлл. Кроме того, орбита Сюньтяня заставит телескоп переключаться между днём и ночью примерно каждые 90 минут, создавая тепловую нестабильность, которая может повлиять на его инструменты, — отмечает Роудс.

Однако такие неприятности могут оказаться наименьшей из орбитальных проблем Сюньтяня. «Моё самое большое беспокойство за Сюньтянь заключается в том, что, поскольку он имеет большое, широкое поле зрения и поскольку он находится ниже спутников Starlink (компании SpaceX), он увидит очень-очень много следов спутников Starlink на всех своих изображениях», — говорит Макдауэлл.

Команда Джана использовала моделирование, чтобы оценить негативное воздействие, которое Starlink и другие спутниковые группировки окажут на Сюньтянь. По словам Джана, как только 40 000 с чем-то спутников Starlink и аналогичные проекты, которые вскоре планируется запустить, будут полностью работоспособны на орбите, обзорная камера Сюньтяня обычно будет видеть по крайней мере один спутник в каждой из 150-секундных экспозиций своей основной камеры. «Но, похоже, их относительно легко идентифицировать и удалить из данных», — добавляет он.

На данный момент китайское астрономическое сообщество получило финансирование для создания четырёх центров, которые будут координировать и поддерживать исследования Сюньтяня, как только телескоп заработает. Также есть гранты, предназначенные для подготовительных исследований, связанных с Сюньтянем, включая моделирование изображений, операций и обработки данных телескопа. Такие глубокие и далеко идущие усилия по поддержке беспрецедентны для космических миссий в Китае.

«У команды Сюньтянь есть технические амбиции, и они зашли так далеко», — говорит Ван. Благодаря обмену данными между Сюньтянем, Евклидом и Романом или хотя бы координации их наблюдений, учёные, как мы надеемся, быстрее установят более жёсткие рамки для теории тёмной энергии. «Вероятно, у нас не будет окончательного ответа, но они дадут нам подсказки, как действовать дальше. Я бы сказала, что мы можем ожидать прорывов в течение 10 лет», — говорит она.