За последние 100 лет человечество значительно продвинулось в изучении космоса. О том, что произойдет в космической индустрии в ближайшие 30–50 лет, размышляет астрофизик Сергей Попов
Об эксперте: Сергей Попов, астрофизик, популяризатор науки, профессор РАН, Abdus Salam International Center for Theoretical Physics (Trieste, Italy).
Промежуток в 30 лет — это примерно 1 млрд секунд. Примерно 1 млрд ударов сердца.
Давайте оглянемся на 30 лет назад. В то время человечество еще не открыло ни одной планеты у звезд, похожих на Солнце, и не знало о том, что наша Вселенная расширяется все быстрее и быстрее. Первое из двух открытий можно было предсказать, второе — нет. Первое явилось итогом целенаправленных усилий по поиску экзопланет, а второе стало для большинства ученых неожиданным результатом исследований в области внегалактической астрономии и космологии. Пожалуй, это были два самых главных открытия в астрономии с 1960-х годов. Значит, в современной науке какие-то крупные достижения мы можем предвидеть, а какие-то — нет. Будем считать, что бокал наполовину полон, и попробуем задуматься, что мы узнаем о Вселенной в следующие 30 лет.
К новым планетам и не только
Почему вообще можно предсказывать научные открытия? Дело в том, что многие важнейшие результаты ученые получают на больших установках (телескопах, космических аппаратах и т.д.), ввод в строй которых распланирован иногда на десятки лет вперед. Давайте посмотрим, какие важные астрономические инструменты начнут работать в ближайшие лет 20 и какие космические проекты в Солнечной системе можно будет реализовать. А заодно сможем понять, на какие открытия мы можем рассчитывать благодаря им.
Сейчас на орбите находится космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST). Можно рассчитывать, что он проработает как минимум до начала 2040-х годов. За это время будет сделано много интересных открытий — в первую очередь ожидается, что они будут связаны с историей формирования галактик, начиная с самых первых, и с экзопланетами. Первые результаты, полученные на этом инструменте, дают все основания для оптимистичных прогнозов. Возможно, через 30 лет мы будем хорошо представлять, как формировались галактики, их группы и скопления.
Для исследований экзопланет также важны крупные наземные телескопы. В конце 2020-х — начале 2030-х годов начнет работу новое поколение супертелескопов с диаметром 30–40 м. Первым из них станет 40-метровый Extremely Large Telescope (ELT) Европейской южной обсерватории. Он заработает в 2028 году. Вместе с JWST эти инструменты позволят начать изучение атмосфер потенциально обитаемых планет, обращающихся вокруг красных карликов. Можно надеяться, что через 30 лет мы будем знать планеты земного типа в зонах обитаемости с атмосферными характеристиками, говорящими о наличии жизни. Это станет важнейшим прорывом в вопросе поиска жизни во Вселенной.
Кроме того, за ближайшие годы будет открыто множество новых экзопланет разных типов. Благодаря таким аппаратам Европейского космического агентства, как Gaia (он успешно заканчивает свою миссию, но полная обработка данных потребует нескольких лет) и PLATO (ожидаемый запуск — в 2027 году), уже к концу 2020-х годов счет пойдет на десятки тысяч. Это должно позволить в деталях понять, как формируются планеты и их системы.
Но жизнь можно искать не только на далеких планетах. В 2030 году к спутнику Юпитера Европе прилетит аппарат NASA — Europa Clipper. Это будет первая межпланетная станция, предназначенная для детального исследования небесного тела, считающегося самым вероятным кандидатом на обнаружение жизни в Солнечной системе. Можно быть уверенным, что до 2053 года к Европе будут отправлены более совершенные аппараты, которые смогут детально исследовать состав подледного океана этого спутника. Кроме того, наверняка будут запущены межпланетные станции для изучения двух спутников Сатурна — Энцелада и Титана, они также обсуждаются в контексте жизни (причем если на Титане она и есть, то принципиально отличается от земной).
Со скоростью кометы
Безусловно, будет продолжаться исследование Марса. За 30 лет мы существенно продвинемся в изучении этой планеты. Сейчас есть все основания утверждать, что в далеком прошлом климат на Марсе был куда благоприятнее, а значит, есть надежда, что тогда на Красной планете успела появиться жизнь. 30 лет — достаточный срок, чтобы разобраться в этом вопросе.
Помимо тел Солнечной системы есть тела, не относящиеся к ней напрямую. Речь идет о межзвездных кометах и астероидах, пролетающих мимо нас в своем странствии по галактике. Пока было обнаружено по одному объекту каждого из типов: межзвездный астероид Оумуамуа и комета Борисова. Уже в следующем году в Чили заработает очень важный для всей астрономии инструмент — американский большой обзорный телескоп Обсерватории имени Веры Рубин. Кроме всего прочего, он позволит открывать большое количество межзвездных объектов в Солнечной системе. Причем мы сможем обнаруживать их еще «на подлете». В связи с этим активно обсуждаются проекты «перехвата» таких тел с помощью межпланетных аппаратов для их детального изучения. Вдобавок новый телескоп должен поставить точку в вопросе о существовании еще одного крупного тела в Солнечной системе — девятой планеты.
JWST проработает еще лет 20. Тем не менее в NASA уже несколько лет активно обсуждается, какой инструмент придет ему на смену. Окончательное решение пока не принято, а потому разрабатывается сразу несколько проектов. Скорее всего, новый телескоп, качественно превосходящий JWST по своим параметрам, будет работать как минимум в оптическом и инфракрасном диапазонах. А может быть, еще и в ультрафиолете. Такой инструмент станет решать много задач, но среди них точно будет наблюдение самых первых звезд во Вселенной, которые пока не удается увидеть, и детальное изучение атмосфер двойников Земли. Пожалуй, это одни из самых амбициозных (но конкретных и достижимых!) целей, которые могут быть достигнуты как раз на границе рассматриваемого нами 30-летнего периода.
За горизонтом событий
Столько всего интересного, а мы даже еще ни разу не упомянули черные дыры. Пора! В 2037 году должен начать работу космический лазерный интерферометр eLISA. Это проект Европейского космического агентства, его основная задача — наблюдение гравитационных волн от сверхмассивных черных дыр. Кроме того, примерно в такие же сроки (скорее, немного позже, чем eLISA) должен быть реализован аналогичный (но не идентичный!) китайский проект. Такие инструменты должны помочь узнать много нового о сверхмассивных черных дырах, их формировании и эволюции.
Но, как мы знаем, сверхмассивные черные дыры можно изучать разными способами. Все помнят так называемые фотографии черных дыр в галактике М87 и в центре нашей галактики, полученные Телескопом горизонта событий (EHT). Это система крупных наземных радиотелескопов, разбросанных по всему земному шару. Обычно эти инструменты, принадлежащие самым разным странам и организациям, решают разные независимые задачи, но иногда они проводят совместные наблюдения. И тогда это «телескоп размером с Землю» — EHT. Эта система будет расширяться и совершенствоваться. В ближайшие 30 лет будут получены изображения окрестностей еще нескольких черных дыр, а качество картинки при этом существенно возрастет. Все это крайне важно для изучения природы гравитации.
Не будем забывать и про черные дыры звездных масс. Сейчас начался четвертый сеанс научных наблюдений на наземных гравитационно-волновых детекторах. В этот раз будут работать сразу четыре установки: две антенны LIGO в США, европейская Virgo и японская KAGRA. На ближайшие лет десять запланировано еще несколько сеансов. Причем апгрейды позволят постоянно увеличивать чувствительность установок. А к пятому сеансу может присоединиться и пятая установка — еще одна антенна LIGO в Индии. Кроме слияний черных дыр такие инструменты регистрируют и слияния с участием нейтронных звезд. Можно надеяться, что в ближайшие 30 лет благодаря наблюдениям таких событий мы наконец-то поймем, как ведет себя вещество в недрах этих объектов. А это важно не только для астрономии, но и для ядерной физики.
Поймать волну
На масштабе нескольких десятилетий ожидается создание гравитационно-волновых антенн нового поколения (нельзя же ведь вечно апгрейдить уже существующие инструменты). Такие проекты разрабатываются в Европе (Einstein Telescope) и США (Cosmic Explorer). Среди многих задач, которые будут решать эти приборы, выделяется исследование областей в непосредственной близости от горизонта событий.
Перечисление ожидаемых суперустановок можно завершить мегапроектом системы радиотелескопов Square Kilometer Array (SKA). Половина установки будет находиться в Австралии, половина — в Южной Африке. Сейчас идут активные работы по ее строительству. В конце 2020-х годов система должна начать наблюдения. У такого проекта множество разнообразных задач. Среди них и космология, и изучение разных источников, связанных с нейтронными звездами (в том числе и удивительных быстрых радиовсплесков), и многое другое. Ну и кто знает, может быть, SKA зарегистрирует сигналы внеземного разума (примечание автора: здесь мысленно ставим смайлик).
Разумеется, не все крупные проекты попали в наш список. Например, на 2027 год NASA запланировало запуск космического телескопа имени Нэнси Грейс Роман, а в 2029 году Европейское космическое агентство планирует запуск спутника Ariel для изучения атмосфер экзопланет. Начинается сооружение крупнейшего комплекса в наземной гамма-астрономии — это проект Cherenkov Telescope Array. Планируется сооружение низкочастотных радиотелескопов на обратной стороне Луны. Обсуждается миссия к Венере для изучения ее атмосферы и проверки гипотезы о присутствии там жизни. Перечень можно продолжать. И все эти инструменты могут дать новые интересные (и неожиданные) открытия.
Большие надежды
В заключение назовем еще три результата, которые могут быть получены в ближайшие 30 лет. Трудно сказать, какому инструменту повезет (и вообще, повезет ли хоть какому-то), но если такие результаты будут получены, то это станет огромным прогрессом в понимании того, как устроена Вселенная на самом фундаментальном уровне.
Во-первых, это регистрация частиц темного вещества. В настоящее время мы думаем, что примерно четверть плотности Вселенной связана с загадочным компонентом, которому нет места в Стандартной модели элементарных частиц. Этого темного вещества должно быть в несколько раз больше, чем обычного, состоящего из протонов, нейтронов и электронов. Темное вещество — это тоже какие-то частицы. Но какие? У теоретиков есть огромное количество идей по этому поводу, а экспериментаторы и наблюдатели уже десятки лет безуспешно пытаются узнать хоть что-то про эти частицы. Есть множество установок в подземных лабораториях, на которых пытаются зафиксировать взаимодействие неуловимых частиц с обычным веществом. Пока безуспешно. Может быть, в ближайшие десятилетия кому-нибудь улыбнется удача. Или, возможно, астрономы смогут получить что-то конкретное — например, надежно зарегистрировать сигналы, связанные с аннигиляцией этих частиц.
Во-вторых, было бы крайне интересно зафиксировать процесс испарения черных дыр или хотя бы достоверно обнаружить следствия этого процесса. Испарение черных дыр было предсказано Стивеном Хокингом в 1975 году. Но спустя почти полвека после публикации его фундаментальной статьи мы так и не можем увидеть, как черные дыры исчезают в яркой вспышке. Это должно позволить существенно продвинуться в построении моделей квантовой гравитации.
Наконец, есть надежды, что детальное изучение реликтового излучения — микроволнового фона, оставшегося от эпохи горячей Вселенной, — позволит увидеть «отпечатки» стадии первичной инфляции. Современные космологические теории предсказывают, что рождение нашей Вселенной началось с крайне короткой фазы, когда объем Вселенной с огромной скоростью многократно возрос. И только потом Вселенная заполнилась горячим и плотным веществом — то есть произошел Большой взрыв. Есть довольно оптимистичные предсказания относительно величины искомого эффекта, и кажется, что обнаружить необходимые детали в реликтовом излучении можно будет со следующим поколением установок в ближайшие 10–20 лет.
Темп научного прогресса в астрономии остается очень высоким. Новые технологии позволяют создавать все более чувствительные приборы для изучения Вселенной. Так что нас ждет много открытий. И, конечно, самые интересные открытия — те, которые не удалось предсказать заранее.
