В ожидании космического телескопа Нэнси Грейс Роман
В рамках плана по подготовке к объему и диапазону данных, которые будут поступать с космического телескопа Нэнси Грейс Роман, запуск которого в настоящее время запланирован на май 2027 года, НАСА выделило финансирование пяти проектным инфраструктурным группам (PIT), которые будут писать программное обеспечение, запускать моделирование и планировать оптимальное использование потока данных телескопа. Три из этих PIT, каждый из которых получил за свою работу пятилетние многомиллионные гранты, базируются в Пасадене и связаны с преподавателями и сотрудниками Калифорнийского технологического института. Манси Касливал, доктор философии, профессор астрономии Калифорнийского технологического института, возглавляет группу RAPID (Римские оповещения оперативно на основе различения изображений); Юн Ван, старший научный сотрудник IPAC Калифорнийского технологического института, отвечает за инфраструктуру исследования красного смещения галактики; а Оливье Доре, главный научный сотрудник Лаборатории реактивного движения, которой Калифорнийский технологический институт управляет для НАСА, возглавляет группу по слабым линзам вместе с Дидой Маркович, заместителем главного исследователя, которая также работает в Лаборатории реактивного движения.
Проект римского космического телескопа начался в 2010 году под названием «Широкоугольный инфракрасный космический телескоп» (WFIRST), обещая обеспечить ту же точность изображений, что и космический телескоп «Хаббл», но с полем зрения как минимум в 100 раз большим, что позволит осматривать небо гораздо быстрее. Наблюдения миссии за галактиками и сверхновыми расскажут нам многое об истории и расширении космоса. С помощью другого инструмента для демонстрации технологий на борту, коронографа, можно будет получить изображения экзопланет в других звездных системах. WFIRST был назван главным приоритетом астрофизики в Десятилетнем обзоре астрономии и астрофизики 2010 года — списке исследовательских целей, проводимых каждое десятилетие Национальным исследовательским советом Национальной академии наук с 1960-х годов. В 2020 году WFIRST был переименован в честь Нэнси Грейс Роман, которая с 1961 по 1979 год занимала должность руководителя отдела астрономии и физики Солнца НАСА и неустанно лоббировала строительство космического телескопа Хаббл. «Римская миссия была задумана довольно давно, — объясняет Касливал, — но с тех пор многое изменилось. «Теперь мы действительно видели свет, или электромагнитное излучение, от мощных космических событий, связанных с гравитационными волнами».
Эти новые открытия открыли возможности для тех, кто, как Касливал, Ван и Доре, намерен максимально эффективно использовать инфракрасные наблюдения Романа. «Римское оборудование уже построено и проходит испытания», — говорит Ван, — «но план наблюдений и программное обеспечение все еще находятся в стадии разработки, поэтому мы можем помочь его оптимизировать». Команда PIT Касливала отвечает за создание системы оповещения RAPID, которая сообщает астрономам, где они могут найти новые интересные явления для наблюдения. RAPID достигает своей цели посредством процесса, известного как дифференцирование изображений. «Мы снова и снова делаем снимки одного и того же участка неба. Затем сравниваем изображения, чтобы увидеть, что изменилось», — говорит Касливал. «Мы ищем фейерверки, космические фейерверки… все, что взрывается, все, что меняется на наших глазах. Это называется астрономией во временной области. Астрономия во временной области переживает революцию, потому что у нас сейчас так много очень чувствительных телескопов, которые способный понять динамическую вселенную».
Работа с Zwicky Transient Facility и Palomar Gattini IR, оптическими и ближними инфракрасными телескопами Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института, которые обследуют все ночное небо, дала Касливал опыт, необходимый ей для разработки системы RAPID для Римского телескопа. «По мере поступления римских данных мы будем постоянно выполнять различение изображений. Когда мы увидим, что что-то изменилось, мы выдадим предупреждение», — объясняет Касливал. «У нас в Паломаре много практики в этом. Мы берем изображение, сравниваем его с предыдущими изображениями, а затем через семь минут отправляем предупреждение, чтобы астрономы всего мира точно знали, где на небе происходит что-то интересное."
Чтобы ускорить работу RAPID перед запуском Римского телескопа, Касливал говорит, что она расширяет команду ученых и специалистов по программному обеспечению, чтобы «создать конвейер данных, который будет надежным и устойчивым и будет служить обществу». На данный момент у RAPID есть основная команда из шести штатных ученых, работающих в IPAC и в Центре астрономии и астрофизики Кэхилла в кампусе Калифорнийского технологического института. Каждый участник привносит свой опыт в области машинного обучения, конвейеров оповещения, сверхновых, звезд, астероидов и т. д. «Сейчас мы работаем с моделированием», — говорит Касливал. «Мы внедряем сценарии в эти симуляции, такие как появление вспышки приливного разрушения — когда звезда приближается к массивной черной дыре и разрывается — чтобы узнать, как может выглядеть поток данных Романа».
Римский телескоп также сможет разделять задачи с космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, еще одной инфракрасной обсерваторией, которая вращается вокруг Солнца с декабря 2021 года. «Роман» будет двигателем открытий, — говорит Касливал, — а затем космический телескоп Джеймса Уэбба "Можно провести спектроскопическое исследование и детальную характеристику. Это позволит нам узнать, из каких элементов состоит, например, та или иная нейтронная звезда, слившаяся в результате слияния". Один из основных вопросов, на который римская миссия собирается ответить, заключается в том, насколько быстро ускоряется расширение Вселенной. Чтобы лучше понять большой взрыв, породивший нашу Вселенную, представьте себе фейерверк с огромным взрывом, заполнившим небо, таким, который известен как скорлупа кокосового ореха. Все начинается с драматического взрыва искр из точного центра. Эти искры быстро и равномерно вспыхивают во всех направлениях от центра, а затем постепенно замедляются и гаснут. Это не то, что происходит в нашей Вселенной. Его расширение скорее ускоряется, чем замедляется.
«Это противоречит нашим ожиданиям», — говорит Ван, — «потому что, если материя — это все, что есть во Вселенной, расширение Вселенной сегодня должно замедляться. Для ее ускорения требуется существование чего-то иного, чем материя: возможно, формы энергии». Мы называем это темной энергией, потому что она нам не видна. Мы не знаем, действительно ли это неизвестный компонент энергии, или нам нужно изменить нашу теорию гравитации (т. е. общую теорию относительности Альберта Эйнштейна), чтобы учесть за эти наблюдения. Это огромная загадка, одна из самых захватывающих и сложных проблем в современной космологии и физике». Есть три способа измерения ускорения расширения Вселенной, и Римский телескоп будет использовать их все. Первый — это наблюдение за сверхновыми типа Ia, как это делалось раньше. Поскольку все эти сверхновые имеют примерно одинаковый уровень светимости, их называют «космологическими стандартными свечами». Когда они ближе к нам, они сияют ярче. На более отдаленном расстоянии (а это тоже назад во времени, поскольку мы смотрим на свет, дошедший до нас миллиарды лет назад) они кажутся более тусклыми.
Второй путь — через явление, называемое слабым гравитационным линзированием, небольшое отклонение света от галактик из-за гравитации материи, лежащей между нами и галактиками. Измерение возникающих тонких изменений в формах галактик позволяет исследовать распределение космической материи, а также активность темной энергии. Команда Доре сосредоточится на этих усилиях. «Гравитационное линзирование позволяет нам провести полную перепись материи. С помощью Римского телескопа мы проведем такую перепись на очень большой территории Вселенной, что расскажет нам гораздо больше о Вселенной», — говорит Доре. «Создавая эти группы, НАСА осознает, что для того, чтобы максимально эффективно использовать возможности этой беспрецедентной обсерватории, потребуется богатство и разнообразие очень широкого научного сообщества».
Команда Ванга построит инфраструктуру для третьего способа измерения ускорения расширяющейся Вселенной — исследования красного смещения галактик. Этот обзор позволяет астрономам визуализировать трехмерное распределение галактик во Вселенной, исследуя историю космического расширения, а также историю роста крупномасштабных структур во Вселенной, обе из которых чувствительны к темной энергии. (Термин «красное смещение» относится к расстоянию галактик; чем дальше галактика, тем больше она будет смещать или растягивать свет в более красные длины волн из-за расширения Вселенной.) В состав римской исследовательской организации по красному смещению галактик PIT входят 11 участвующих учреждений под руководством от Калифорнийского технологического института. В команду входят руководители всех текущих и планируемых исследований красного смещения галактик с наземных объектов, а также миссии Европейского космического агентства «Евклид».
«Римский телескоп будет наблюдать за галактиками, которые находятся очень далеко», — объясняет Ван. «Это идеальные индикаторы крупномасштабной структуры Вселенной. Римский телескоп использует эти индикаторы галактик в очень широком диапазоне красного смещения, то есть ближе и дальше, что означает очень широкий диапазон в истории космоса. "Обладая этой информацией, мы можем почти определить скорость расширения Вселенной на разных расстояниях от нас. Но, имея дополнительные наборы данных с использованием сверхновых типа Ia и слабого гравитационного линзирования, мы можем перепроверить наши результаты. Вот почему я уверен, что в течение 10 лет мы сможем найти реальные ответы на наши вопросы о том, что вызывает ускоренное расширение Вселенной». Ван говорит, что ее привлекли азарт и романтика астрономии, и она продолжает получать от нее удовольствие. «Я родился романтиком», — говорит Ван. «Когда я был ребенком, мой отец читал древние китайские стихи, чтобы успокоить меня. Затем, когда я рос, я читал стихи себе, глядя на ночное небо. Я вырос в сельской местности. Было очень темно, поэтому небо было впечатляющим. Позже, когда я учился в Университете Цинхуа, я пошел на коллоквиум по космологии. Я был поражен и подумал: «Ух ты, ты имеешь в виду, что действительно можешь изучить всю Вселенную с помощью науки?» После этого я был одержим идеей стать космологом».
Касливал познакомилась с инфракрасной астрономией, когда училась в Корнелльском университете по специальности инженерная физика. «Меня всегда интересовала астрономия, но я понятия не имел, что значит быть астрономом», — говорит Касливал. «В тот момент это звучало как сумасшедшая мечта. Но затем я получил работу в лаборатории Джима Хоука, который построил инфракрасный спектрометр на космическом телескопе Спитцер, инфракрасном космическом телескопе НАСА, который работал более 15 лет. Мне удалось увидеть, как команда Хоука собирает данные, и я с таким волнением каждый день узнаваю что-то новое о Вселенной. Это то, что действительно пробудило во мне интерес к астрономии. Вселенная держит вас в напряжении. Никогда не бывает скучно». Между тем, Ван говорит, что она «не боится мыслить масштабно». Она добавляет: «Я просто думаю о том, что важно, что важно, какие ключевые вопросы следует задать. Надеюсь, наградой станут открытия. Так или иначе, открытия будут!»
