NASA выбрало телескоп PRIMA для изучения скрытой от наблюдений Вселенной в дальнем инфракрасном диапазоне

NASA выбрало новый космический телескоп, предназначенный для наблюдения Вселенной в дальнем инфракрасном диапазоне — в области длин волн, которую существующие обсерватории не могут эффективно видеть. Миссия стоимостью $1 млрд под названием PRIMA будет разработана и эксплуатироваться Лабораторией реактивного движения NASA, которой управляет Калтех.

Probe far-Infrared Mission for Astrophysics будет изучать объекты и процессы, скрытые от телескопов, работающих в видимом свете. IPAC Калтеха будет руководить научным центром миссии: принимать и обрабатывать наблюдения, сохранять полученные данные и координировать доступ астрономов к обсерватории.

PRIMA призвана помочь ответить на вопросы о том, как развиваются галактики и сверхмассивные чёрные дыры, как формируются звёзды и планетные системы и каким образом планетные атмосферы приобретают свой состав. Учёные также будут использовать её для изучения происхождения пыли и тяжёлых элементов во всей Вселенной.

Более холодный и чёткий взгляд

Телескоп и его детекторы будут охлаждены до температур на сотни градусов ниже нуля. Снижение их температуры должно подавить тепловые помехи, способные размывать или заглушать слабые сигналы, поступающие от далёких космических источников.

NASA заявляет, что такая конструкция должна сделать PRIMA гораздо более чувствительной, чем предыдущие миссии в дальнем инфракрасном диапазоне, а также позволит получать необычно детализированные изображения. Обсерватория будет охватывать длины волн от 24 до 235 микрометров. Коротковолновый диапазон примерно втрое меньше толщины человеческого волоса; самые длинные волны примерно соответствуют толщине двух сложенных друг на друга листов бумаги.

Криогенно охлаждаемый телескоп с зеркалом диаметром 1,8 метра будет направлять свет на два основных инструмента. PRIMAger с помощью изображающей поляриметрии будет обследовать широкие участки неба, а FIRESS обеспечит спектроскопию высокого разрешения в нескольких режимах. Вместе эти инструменты позволят исследователям изучать как расположение далёких объектов, так и физическую и химическую информацию, содержащуюся в их свете.

В число целей миссии входят рождение звёзд и планетных систем, изменение свойств галактик на протяжении космической истории, атмосферы экзопланет и тела в нашей собственной Солнечной системе. Заместитель администратора NASA Ники Фокс назвала PRIMA новым способом исследовать формирование планет, звёзд и чёрных дыр, а также историю воды на Земле.

Новая категория миссий

PRIMA станет первой астрофизической миссией NASA в классе зондов. Эту категорию рекомендовала Десятилетняя программа исследований Astro 2020, которую возглавляла физик Калтеха Фиона Харрисон. Зондовые миссии призваны занять промежуточное положение между небольшими миссиями Explorer, такими как SPHEREx, и крупными флагманскими обсерваториями, включая космический телескоп Nancy Grace Roman.

Лаборатория реактивного движения будет курировать архитектуру миссии и системную инженерию, а также интегрирует космический аппарат с его научной аппаратурой. Калтех и Лаборатория реактивного движения участвовали в разработке концепции PRIMA и технологий для неё, опираясь на десятилетия работы в инфракрасной астрономии.

Обсерватория будет использовать сверхпроводящие микроволновые кинетические индуктивные детекторы, также известные как MKID или KID. Физик Калтеха Йонас Змуйдзинас и инженер Лаборатории реактивного движения Рик ЛеДюк разработали эту технологию в 1999 году. По данным университета, первые работы по использованию сверхпроводящих материалов для обнаружения дальнего инфракрасного излучения неформально начались в кофейне возле Калтеха.

Детекторы испытывали в закрытой ныне Субмиллиметровой обсерватории Калтеха на Гавайях в 2007 году, а позднее устанавливали на наземных и аэростатных приборах. В течение последних пяти лет исследователи из Калтеха, Лаборатории реактивного движения и Лаборатории микроустройств JPL работали над повышением чувствительности матриц и приданием им достаточной прочности для космического полёта. Опытные матрицы теперь продемонстрировали готовность, необходимую для PRIMA.

Змуйдзинас заявил, что длительная разработка этой технологии создала возможность значительно повысить чувствительность в относительно малоизученной части спектра. По словам Калтеха, ожидаемое улучшение может составить примерно тысячу раз.

Данные для всего астрономического сообщества

IPAC будет поддерживать планирование миссии, составление расписания наблюдений, калибровку и обработку данных. Наблюдения телескопа будут храниться в Архиве инфракрасных научных данных, где уже собраны данные более чем 20 миссий NASA.

Центр будет опираться на опыт, полученный в ходе таких миссий, как космический телескоп NASA Spitzer, работавший с 2003 по 2020 год, SPHEREx NASA и обсерватория Herschel Европейского космического агентства. IPAC также поддерживал наземные обсерватории, накопив опыт, который будет применён в работе PRIMA.

После выхода обсерватории на полную мощность примерно 75 процентов времени наблюдений, как ожидается, будет распределяться на основе прошедших экспертную оценку заявок от более широкого научного сообщества. Более 400 астрономов уже подали почти 200 предложений по использованию данных PRIMA.

Одно из направлений интереса — изучение молекулярных потоков, исходящих из галактик. Эти потоки вещества могут сопровождать периоды интенсивного звездообразования или активность центральной чёрной дыры галактики и, возможно, влиять на рост галактик. Herschel наблюдала такие потоки в ограниченном числе близлежащих галактик; PRIMA призвана расширить подобные исследования на гораздо более широкий период космической истории.