Космическият телескоп „Нанси Грейс Роман“ (Nancy Grace Roman) се появи благодарение на доста странна поредица от събития. Основното му огледало с диаметър 2,4 метра първоначално беше създадено не за астрономия, а за американски разузнавателен спътник, предназначен за подробно заснемане на повърхността на Земята. Военната програма се провали поради закъснения и огромно надхвърляне на бюджета, част от готовото оборудване остана без приложение, а няколко години по-късно Националното управление за военно-космическо разузнаване на САЩ (NRO) предложи ненужната оптика на НАСА. Космическата агенция напълно преустрои апарата за научни цели. Сега бившата разузнавателна система трябва да изследва тъмната енергия, разпределението на тъмната материя и планетите извън Слънчевата система.
Научните задачи на „Роман“ произтичат от откритие, което в края на 90-те години промени представите за развитието на Вселената. Тогава астрономите наблюдаваха свръхнови от тип Ia и забелязаха, че най-отдалечените взривове изглеждат по-слаби, отколкото предсказваха предишните модели. Измерванията показаха, че Вселената не просто се разширява, а скоростта на разширяването с времето се увеличава. За откритието на ускореното разширяване по-късно бе присъдена Нобелова награда за физика.За да обяснят това ускорение, космолозите използват понятието „тъмна енергия“. Според съвременния модел тя съставлява повече от 2/3 от общото съдържание на маса и енергия във Вселената. Идеята донякъде се припокрива с космологичната константа, която Алберт Айнщайн въвежда в уравненията си още през 1917 година, опитвайки се да опише статична Вселена. След откриването на космическото разширяване първоначалната мотивация изчезна, но десетилетия по-късно космологичната константа отново се оказа сред основните варианти за обяснение на наблюдаваното ускорение.
//ОЩЕ ПО ТЕМАТА:
Най-голямата „грешка“ на Айнщайн се завърна – и промени космологията завинаги
Природата на тъмната енергия може да бъде проверена само въз основа на огромен набор от наблюдения. На учените са им необходими свръхнови от различни епохи, точни разстояния между галактиките и подробни карти на мащабното разпределение на материята. Особена роля играе тъмната материя. Тя не излъчва светлина, затова не може да се види директно, но допълнителната маса влияе върху движението на галактиките и изкривява преминаващото в близост излъчване. Към края на 2000-те години изследването на тъмния сектор на Вселената се превърна в една от приоритетните задачи на астрофизиката, а през 2010 година НАСА получи препоръка да построи специализирана широкоъгълна обсерватория.
Първоначалният проект се наричаше Wide-Field Infrared Survey Telescope, съкратено WFIRST. Планът предвиждаше главно огледало с диаметър малко над един метър, което е приблизително два пъти по-малко от огледалото на „Хъбъл“. Телескопът трябваше да изследва големи участъци от небето, да измерва параметрите на отдалечени галактики и да възстановява историята на космическото разширяване.
Концепция на WFIRST
Почти веднага около проекта възникна спор. Изследването на екзопланети бързо придобиваше все по-голямо значение, поради което част от астрономите настояваха да се разширят възможностите на бъдещата обсерватория и да се добавят инструменти за търсене на светове около други звезди. В същото време значителна част от бюджета на НАСА за големи телескопи се поглъщаше от космическия телескоп „Джеймс Уеб“. Прогнозираната стойност на последния вече достигаше 8,7 млрд. долара, а по-късно се доближи до 10 млрд. долара. На фона на такава скъпа програма WFIRST рискуваше да остане без достатъчно финансиране.
Ситуацията се промени благодарение на неочаквано предложение от NRO. В разпореждане на ведомството имаше телескопни системи, които вече не бяха необходими за разузнавателни задачи. По основните си характеристики оборудването отговаряше на изискванията на НАСА и дори надхвърляше параметрите, заложени в ранния вариант на WFIRST.
Оптиката остана след закриването на програмата Future Imagery Architecture, стартирана през 90-те години за разработване на ново поколение спътници за наблюдение на Земята. След терористичните атаки от 11 септември 2001 година американското разузнаване засили работата по системата, разчитайки да получава от орбита особено подробни изображения на териториите на потенциални противници. Телескопите получиха огледала с размери, приблизително колкото огледалото на „Хъбъл“. Апаратите от този клас са способни да различават на повърхността на Земята обекти, по-малки от чаша за кафе.
Разработката се оказа изключително проблематична. Договорът беше възложен на Boeing, но програмата изоставаше от графика и разходите бързо нарастваха. Първоначалната стойност беше оценена на около 5 млрд. долара. Според данни от разследване на Ню Йорк Таймс, надхвърлянето на бюджета по-късно достигна още 13 млрд. долара. През 2005 година програмата Future Imagery Architecture беше прекратена, въпреки че част от оборудването вече беше произведено. Готовите компоненти се съхраняваха в чиста стая на компанията Exelis в Рочестър, щата Ню Йорк. По-късно Exelis стана част от L3Harris.
НАСА научи за възможното освобождаване на оборудването чрез контакти с военните. Първоначално NRO отказа да предаде системите, но към 2011 година позицията на ведомството се промени. Разследващите органи признаха част от телескопните сглобки за излишни и предложиха на НАСА да ги използва за гражданска програма.За WFIRST този подарък се оказа особено ценен поради размера на главното огледало. Вместо конструкция с диаметър малко над един метър бъдещата обсерватория можеше да получи огледало с диаметър 2,4 метра. Голямата апертура събира повече светлина, което позволява да се работи с по-слабосветящи обекти и да се получават повече научни данни при едно наблюдение. Допълнителните възможности отвориха пътя за коронографа – уред за потискане на ярката светлина на звездата при опит да се види много по-слаба планета в близост.
2,4-метровото огледало на „Нанси Грейс Роман“
През 2012 година NRO официално оформи предложението. Агенцията разполагаше с два частично разглобени телескопа от типа „Хъбъл“ с 2,4-метрови огледала, както и с отделно трето огледало и резервни компоненти. Инженерите и астрономите от НАСА пристигнаха в Рочестър, огледаха оборудването и стигнаха до заключението, че една от системите е подходяща за WFIRST. Безплатната оптика не превърна проекта в евтина мисия. НАСА получи главното огледало, вторичното огледало и част от носещата конструкция, но космическият апарат не можеше просто да бъде снабден с научна камера и изпратен в космоса. Инженерите трябваше да разглобят системата, да проверят компонентите, да премахнат затвореното оборудване и да проектират научни уреди, електроника, служебни възли и останалите части на космическия апарат.
Допълнителните разходи принудиха НАСА да се откаже от другите предложени телескопи. При един от останалите екземпляри беше открит малък дефект в огледалото. Няма публична информация за настоящото местонахождение на неизползваната апаратура: НАСА, NRO и L3Harris не съобщиха на авторите на изходния материал къде се съхраняват останалите системи. Превръщането на разузнавателната оптика в пълноценна космическа обсерватория отне повече от 10 години. Общата стойност на мисията достигна приблизително 4,3 млрд. долара. НАСА официално стартира разработката на WFIRST през 2016 година, а L3Harris продължи работата по огледалото и другите елементи на оптичния комплекс.
Нанси Грейс Роман
Дори след началото на разработката проектът няколко пъти е бил изложен на риск да загуби финансирането си. WFIRST пет пъти е бил изключван от президентските бюджетни предложения: два пъти по време на администрацията на Барак Обама и три пъти по време на първия мандат на Доналд Тръмп. Конгресът всеки път е възстановявал средствата за продължаване на програмата.
По-късно обсерваторията получи името на Нанси Грейс Роман, първата главна астрономка на НАСА и една от основните поддръжнички на американската програма за орбитални телескопи. Тя изиграва значителна роля в подготовката на „Хъбъл“, за което получава неофициалното прозвище „майката на Хъбъл“. Новата обсерватория стана първият космически телескоп на НАСА, кръстен на името на жена.По време на разработването научната картина успя да се усложни. Резултатите от спектроскопичния проект DESI, публикувани от 2024 година насам сочат, че свойствата на тъмната енергия могат да се променят с времето. Потвърждението ще наложи преразглеждане на най-простия модел, при който плътността на тъмната енергия остава постоянна през цялата история на Вселената. Някои космологични сценарии допускат дори спиране на ускореното разширяване и последващо свиване на космоса. „Роман“ трябва да провери историята на разширяването въз основа на извадка, недостъпна за предишните обсерватории.
След изстрелването си, което се очаква да се случи на 30 август, апаратът ще се отправи на разстояние от около 1,6 млн. километра от Земята, в близост до втората точка на Лагранж в системата Слънце–Земя, L2. В същата област работи и телескопът „Джеймс Уеб“. Положението в близост до L2 е удобно за продължителни астрономически наблюдения: Слънцето и Земята остават приблизително от една и съща страна на апарата, което улеснява ориентацията, екранирането на слънчевата светлина и поддържането на стабилна температура.
По размер на главното огледало „Роман“ почти не се различава от това на „Хъбъл“, но зрителното поле на новата обсерватория е поне 100 пъти по-широко. Основният инструмент ще бъде широкоъгълна камера с резолюция 300 мегапиксела. Една снимка ще обхваща огромна част от небето и ще съдържа толкова много пиксели, че за да се покаже кадърът в пълна резолюция, ще е необходима цяла стена от 4K телевизори. За пет години наблюдения „Роман“ трябва да обходи около 12% от небето и да получи изображения на милиарди галактики. Огромният обем данни ще позволи да се търси слабо гравитационно обективиране.
Успоредно с това телескопът ще наблюдава стотици милиони звезди и ще търси транзити. Когато планета преминава пред звезден диск, яркостта на звездата леко намалява. Повтарящите се спадове позволяват да се изчисли периодът на орбита и да се оцени размерът на планетата. Транзитният метод вече е допринесъл за откриването на по-голямата част от приблизително 6000 известни екзопланети, но мащабът на наблюденията на „Роман“ е много по-голям. Според оценката, посочена в изходния материал, телескопът е способен да открие около 100 хиляди транзитни планети с размери от Юпитер до обекти, които са приблизително два пъти по-големи от Земята. Получената извадка ще позволи да се сравнява устройството на планетарните системи въз основа на много по-голяма статистическа база, отколкото е достъпна в момента. Особена роля ще играе коронографът. Този уред потиска ярката светлина на звездата с помощта на система от маски и други оптични елементи, за да може камерата да различи слабата планета в близост. Без такова потискане звездното излъчване просто заглушава сигнала от много по-слабо светещ обект.
В основата на цялата мисия стои огледалото, което американското разузнаване някога възнамеряваше да разположи в космоса и да гледа Земята. След прекратяването на програмата Future Imagery Architecture НАСА получи готова 2,4-метрова оптична система и в продължение на повече от десет години я преработваше за напълно различни задачи. Сега „Роман“ трябва да измерва космическото разширение, да картографира невидимата материя, да търси планети около далечни звезди и да тества технология, която в бъдеще може да помогне за получаването на изображение на свят, подобен на нашия.