Что представляет собой телескоп «Миллиметрон»

В России создали приборы для поиска воды во Вселенной. Новое оборудование в космосе будет функционировать в составе обсерватории «Миллиметрон» («Спектр-М») — 10-метрового телескопа, который разместят на расстоянии 1,5 млн км от Земли.

Разработку исследовательского комплекса ведут ученые из Астрокосмического центра Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (АКЦ ФИАН), Московского педагогического государственного университета, Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Московского физико-технического института и Института астрономии РАН. Как ожидается, ввод телескопа в эксплуатацию может состояться в 2029 году.

— Проект «Миллиметрон» — обсерватория нового поколения. Когда ее построят, она станет самым большим в мире космическим телескопом за пределами Земли. Комплекс будет изучать пространство в миллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн. Большинство научных задач направят на исследование эволюции Вселенной, образование звезд и планет, — объяснил замруководителя АКЦ ФИАН Алексей Рудницкий.

Также с помощью обсерватории ученые будут исследовать активные ядра галактик, черные дыры, пульсары и другие экзотические объекты — такие как кротовые норы (гипотетические тоннели в пространстве-времени) или белые дыры (предполагаемые физические объекты в космосе, в которые ничего не может попасть, противоположности черных дыр), добавил он.

Особый фокус «Миллиметрона» будет направлен на изучение возникновения, миграции и трансформации воды во Вселенной.

— Вода — это ключ к пониманию многих процессов в космосе. Изучение частиц воды поможет понять, как они распространяются между различными объектами во Вселенной и как попали на Землю, — объяснила один из разработчиков детекторов заместитель заведующего лабораторией терагерцевой спектроскопии МФТИ Елена Жукова.

В частности, рассказала она, вода в виде частиц льда или пара может конденсироваться в облаках газа и пыли, в которых формируются звезды, или в протопланетных дисках. Также ее можно найти в составе астероидов, комет и атмосфере планет. И поскольку земные формы жизни основаны на воде, отслеживая ее концентрации во Вселенной, можно предположить, где имеет смысл искать живых существ.

Как работают квантовые приборы

Как объяснили ученые, воду в космосе будут исследовать с помощью спектрометра высокого разрешения. Это один из главных научных комплексов на борту «Миллиметрона». Чтобы точно определять спектральные линии H2O, в приборе выделяют семь поддиапазонов терагерцевого диапазона частот.

— Для регистрации сигналов до 1,3 ТГц мы применили детекторы, которые представляют собой «слойку» из сверхпроводников и изолятора между ними. Электроны проходят через изолирующий барьер благодаря квантовому тоннельному эффекту (при котором микрообъекты проявляют сразу свойства частиц и волн. — «Известия»), — сообщил заведующий лабораторией терагерцевых приборов и технологий АКЦ ФИАН Андрей Худченко.

По его словам, эта структура настолько чувствительна, что каждый фотон, который приходит даже от слабых космических источников, вызывает ток отдельных электронов. При этом не возникает паразитных эффектов и собственные шумы детектора сведены до минимума, до так называемого квантового предела точности измерений.

Как уточнил исследователь, толщина слоев сверхпроводников в детекторе составляет несколько микрон, а изолятора — всего 1 мк. Чтобы с рекордной чувствительностью поймать сигнал с неба, нужно, чтобы он весь был сфокусирован на этот микронного размера переход.

В диапазоне свыше 1,3 ТГц используют другое устройство. Оно работает за счет разогрева в пленке сверхпроводника толщиной 3,5–4 нм.

— Эта пленка из нитрида ниобия. Она настолько тонкая — почти двумерная, — что нагревается от малейшего сигнала. Другими словами, когда на нее попадает даже слабый импульс из космоса, она поглощает его энергию. Это приводит к изменению сопротивления материала пленки, которое можно зарегистрировать. У таких детекторов также предельно низкий уровень шума, — рассказал старший научный сотрудник лаборатории терагерцевых приборов и технологий АКЦ ФИАН Иван Третьяков.

Как вода поможет найти разумные существа

«Миллиметрон» откроет новую эру в изучении Вселенной, полагает профессор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Владимир Решетов.

— Есть задачи, для которых удаление от Земли на 1,5 млн км — решающий фактор. Так, запуск инфракрасного телескопа «Джеймс Уэбб» позволил заглянуть во времена, когда только зарождались галактики, и увидеть планеты у ближайших звезд. Проект «Миллиметрон» — это очередной шаг к пониманию устройства мира и разрешению загадки появления жизни на Земле, — объяснил ученый.

Кроме высокоточной спектроскопии, отметил он, уникальность российской обсерватории заключается в построении вместе с установками на Земле гигантского интерферометра — виртуального радиотелескопа с «линзой» в 1,5 млн км.

Радиоастрономия со столь большой базой позволит наблюдать тончайшую структуру удаленных космических объектов и, возможно, поможет обнаружить следы активности разумных существ, выразил надежду ученый.

— Вода — вторая по распространенности после водорода молекула во Вселенной. И изучение этого вещества имеет значение для понимания многих фундаментальных процессов, — отметил завлабораторией планетной астрономии отдела физики планет и малых тел Солнечной системы Института космических исследований РАН Александр Тавров.

Он пояснил, что, изучая изотопологический состав (соотношение разновидностей атомов в молекуле), можно многое понять о месте происхождения частиц воды и их трансформациях. К примеру, в окрестностях Солнца есть планеты — газовые гиганты, атмосфера которых осталась со времен формирования звездной системы. При этом внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля, Марс) свою первичную атмосферу утратили под действием солнечного ветра. Но потом на Земле сформировалась новая атмосфера, для которой источником воды стало, во-первых, ее выделение из внутренних пород и, во-вторых, доставка с помощью астероидов и комет.

Так, астероиды в период поздней тяжелой бомбардировки около 4 млрд лет назад могли обеспечить до 50% запасов воды на нашей планете, считают некоторые специалисты. Однако точные ответы на эти вопросы еще только предстоит получить. Возможно, «Миллиметрон» сыграет свою значимую роль в этом процессе, резюмировал ученый.