Бывают в истории астрономии проекты, от которых за версту несёт авантюрой. Когда я впервые услышал о SOFIA — Стратосферной обсерватории инфракрасной астрономии, — мне было безумно интересно. А зачем это вообще нужно? Идея проста до безумия и гениальна: берём списанный Boeing 747SP, прорезаем в фюзеляже гигантскую дверь, устанавливаем почти 20-тонный телескоп и на высоте 13 километров, над облаками и водяным паром, открываем люк прямо в небо. Никакой ракеты, никакого космического вакуума, только самолёт, который на скорости 900 км/ч мчится сквозь стратосферу, а за его стеной воет 50-градусный мороз. Именно так почти 12 лет добывали уникальные данные, которые не мог дать ни один другой инструмент на Земле.
Зачем вообще поднимать телескоп в небо?
Для непосвящённого человека инфракрасная астрономия — это что-то таинственное. Мы ловим не свет звёзд, видимый глазом, а их тепло. А всё теплое во Вселенной — от холодных газопылевых облаков до далёких галактик — испускает фотоны в инфракрасном диапазоне. Беда в том, что земная атмосфера практически непробиваемая этим лучам. Главный виновник — водяной пар, которым насыщена тропосфера. Он поглощает большую часть инфракрасного излучения, оставляя нам лишь жалкие окошки прозрачности.
Решение? Подняться выше парниковой шубы. Именно это и делала SOFIA. На крейсерской высоте 12–14 километров, выше 99% атмосферного водяного пара, открывался доступ к 85% инфракрасного спектра. Это почти космос, но с возможностью вернуться домой, поменять приборы, залить свежий хладагент и следующим вечером снова взлететь. Никакой космический телескоп такой роскоши не даёт. Ззакончился запас жидкого гелия, необходимого для охлаждения инфракрасной ПЗС-матрицы на «Гершеле» — всё, миссия умерла. У SOFIA, как у автомобиля, кончилось топливо — заправились, сменили масло и дальше в путь.
Телескоп-гигант
SOFIA была не просто телескопом, установленный на борту самолёта. Это был полноценный рефлектор системы Кассегрена с главным зеркалом диаметром 2,7 метра, лишь немного уступающий «Хабблу» по размеру. Эффективная апертура составляла 2,5 метра. Чтобы разместить этот инструмент, инженерам пришлось перекроить заднюю часть фюзеляжа Boeing 747SP — специальной модификации «Джамбо», укороченной и облегчённой для дальних перелётов.
В полёте огромная раздвижная дверь отъезжала в сторону, и телескоп смотрел в открытый космос. При этом он оставался изолированным от салона гибкой перегородкой, чтобы турбулентность не колотила оптику и не мешала учёным, сидящим в тёплом (по планам проекта. А на деле, в очень холодном и шумном) салоне с ноутбуками. Третье плоское зеркало хитроумно заводило свет прямо внутрь самолёта, в фокальную плоскость, где стояли сменные научные приборы. В отличие от космических обсерваторий, где менять приборы невозможно, SOFIA могла менять начинку как перчатки. FLITECAM для ближнего ИК, FORCAST для среднего, HAWC — для дальнего, приёмник GREAT для терагерцовых частот, спектрометр FIFI-LS. И еще долго можно продолжать зачитывать список.
Дальний инфракрасный: где SOFIA – царица диапазона
Обычный читатель может спросить: «А зачем нам летающий телескоп, когда есть великий "Джеймс Уэбб"?» И здесь кроется самое интересное. JWST работает в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне, примерно до 28 микрометров. Но значительная часть Вселенной светит на гораздо более длинных волнах — от 30 до 600 микрометров. Это царство дальнего инфракрасного, или, как его любят называть астрофизики, терагерцовая область. Именно здесь лежит пик излучения холодной межзвёздной пыли, протопланетных дисков, тёмных молекулярных облаков, где рождаются звёзды, и ядер активных галактик, раскалённых лишь до минус 200 градусов по Цельсию.
SOFIA была практически единственным окном в этот холодный мир на протяжении многих лет. Космический телескоп «Гершель» Европейского космического агентства, работавший в том же диапазоне, закончил миссию ещё в 2013 году, когда испарился жидкий гелий. И с тех пор, до появления следующего аналогичного проекта (а его нет даже в ближайших планах), SOFIA оставалась последним инструментом, способным, например, отобразить магнитные поля целых галактик, измеряя поляризацию дальнего инфракрасного излучения. Обсерватория была неповторимой: JWST не умел этого, «Хаббл» не умел, наземные обсерватории — тем более. Только летающая лаборатория с регистрацией в Калифорнии и Штутгарте.
Урожай, собранный в небе
За 12 лет научных полётов SOFIA накопила портфолио открытий, которым позавидовали бы иные орбитальные миссии. Перечислю те, что греют душу мне лично.
Первое — гидрид гелия (HeH+). Теоретики десятилетиями твердили, что это первая молекула, родившаяся во Вселенной после Большого взрыва, когда гелий соединился с водородом. Но поймать её спектральный след не удавалось никому. SOFIA нашла HeH+ в планетарной туманности NGC 7027, поставив точку в многолетних поисках. Это как найти ископаемую амёбу, но для химии космоса.
Второе — вода на освещённой стороне Луны. До 2020 года считалось, что вода на Луне может прятаться разве что в вечно тёмных кратерах полюсов. SOFIA, глядя на залитые Солнцем равнины, обнаружила молекулярную воду в реголите. Никакой другой телескоп не мог этого сделать: земным мешает атмосферный пар, а JWST категорически запрещено смотреть на столь яркие объекты вроде Луны.
Третье — атомарный кислород в атмосфере Марса. Впервые его содержание было измерено напрямую, а не смоделировано.
Четвёртое — фосфиновая драма на Венере. Когда в 2020 году наземный ALMA заявил о возможном биомаркере фосфине в облаках Венеры, мир загудел. SOFIA с её высочайшим спектральным разрешением проверила эту гипотезу и не нашла фосфина в предсказанных количествах. Сенсация была остужена, наука сделала своё дело.
Пятое — магнитные поля галактик. SOFIA впервые построила карты направления магнитных полей по целым галактикам, показав, как они регулируют звездообразование, то сдерживая, то направляя гравитационное сжатие облаков.
Ну и, наконец, погоня за тенью Плутона: самолёт гнался за оккультацией (явление, когда одно небесное тело проходит между Землёй и более удалённым объектом, временно скрывая его от наблюдателя), чтобы проанализировать состав атмосферы карликовой планеты, и подтвердил наличие метановой дымки.
Одна ночь из жизни летающей обсерватории
Как это выглядело изнутри? Представьте: вы поднимаетесь на борт в сумерках. В носовой части — кабина пилотов и зона отдыха, дальше — командный центр с десятками мониторов, похожий на пункт управления полётами. В хвосте — тот самый телескоп. На высоте 13 километров небо чернильно-чёрное даже днём. Открывается люк, внутрь врывается холод, но салон герметичен. Самолёт вибрирует, но система стабилизации держит телескоп с точностью до угловых секунд. Учёные прильнули к экранам, оператор вводит координаты, ночь длится 10 часов. За это время SOFIA может собрать столько данных, сколько наземный телескоп не соберёт за месяц. А потом посадка, завтрак в ангаре и новый разбор полётов — в прямом смысле. Экипажи видели южные сияния, снимали на телефоны, шутили, что работа у них — лучшая в мире. С этим трудно спорить.
Почему закрыли и где сейчас SOFIA
В сентябре 2022 года SOFIA совершила последний научный рейс, после чего отправилась в Музей авиации и космонавтики Пима в Аризоне. Причина банальна и жестока: деньги... Обсерватория стоила дороже, чем любой другой проект астрофизики NASA, уступая только «Хабблу» и «Уэббу». Эксплуатация Boeing с телескопом обходилась примерно вчетверо дороже первоначальных оценок. А научная отдача, измеряемая в публикациях, не смогла оправдать амбиций перед лицом «десятилетнего обзора» Национальных академий США (Decadal Survey — это стратегический документ, который регулярно выпускают Национальные академии США).
Космический телескоп JWST, набравший мощь, взял на себя часть задач, хотя, как я уже говорил, дальний инфракрасный остался сиротой. Будущие миссии, возможно, полетят на стратостатах или беспилотниках, но эра больших пилотируемых летающих обсерваторий, начатая ещё аэробсерваторией Койпера в 70-х, по сути, закончилась. SOFIA ушла на пике: в последние годы количество публикаций удвоилось, архив данных продолжает разбираться учёными по всему миру.
Взлетая из лётно-исследовательского центра Армстронга в Калифорнии, родного дома, самолет-обсерватория прилетел в Тусоне, штат Аризона, где она и нашла свое последнее место упокоения, или постоянный дом, в качестве экспоната музея авиации и космонавтики Пима.
Мне немного грустно от того, что такие миссии становятся историей. Но наука тем и прекрасна, что оставляет после себя не железки, а знание. И пока мы помним, как SOFIA летала по ночному небу, её наследие будет жить.