К гравитационному телескопу на солнечном парусе

IKAROS (Andrzej Mirecki / «Википедия»)
IKAROS (Andrzej Mirecki / «Википедия»)
Вячеслав Турышев
Вячеслав Турышев

Вячеслав Турышев, ведущий научный сотрудник лаборатории реактивного движения (JPL) NASA и профессор кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), в беседе1 с Алексеем Кудря рассказывает о солнечных парусах, гравитационном телескопе и аномалии «Пионеров».

— Здравствуйте! Сегодня в гостях у «Троицкого варианта» Вячеслав Геннадьевич Турышев — российский ученый-астрофизик, специализирующийся на проблемах релятивистской астрофизики, точных измерений и фундаментальной физики. В 1987 году он окончил физический факультет МГУ (кафедра квантовой теории поля и физики высоких энергий). В 1990 году там же, в МГУ, защитил кандидатскую а затем в 2006-м — и докторскую диссертации по астрофизике и теоретической гравитационной физике. В настоящий момент Вячеслав Геннадьевич является ведущим научным сотрудником Лаборатории реактивного движения NASA и профессором кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA).

Изображение экзопланеты с помощью солнечной гравитационной линзы

— Вячеслав, я знаю, что вы являетесь автором объяснения эффекта «Пионеров». Мы к этому еще вернемся. Но в первую очередь я хотел бы с вами поговорить как с автором или соавтором идеи получения прямого многопиксельного изображения деталей поверхности экзопланет. Это вообще как? И насколько это реалистичный проект? Потому что я встречал мнение, что, да, идея хорошая, но инженерная задача сверхсложная и трудноисполнимая. На грани невозможности. Поэтому хотелось бы узнать от вас лично, как же посмотреть в гравитационный телескоп.

— Алексей, добрый день. Рад участвовать в этой передаче для «Троицкого варианта». Спасибо за вопрос. Мы занимаемся исследованием возможности построения изображений экзопланет с помощью гравитационной линзы Солнца уже много лет. Идея, конечно, не нова. Ее впервые выдвинул профессор Стэнфордского университета Фон Эшелман еще в 1979 году. Он предложил использовать солнечную линзу для связи с инопланетными цивилизациями. Фон Эшелман был участником научной команды «Вояджеров» и рассматривал различные способы радиофизических исследований с помощью этих аппаратов. Именно ему принадлежит идея о применении гравитационной линзы Солнца для межзвездной связи. Позже итальянский инженер Клаудио Макон развил эту идею, предложив даже космическую экспедицию для ее реализации. Однако мы посчитали, что было бы гораздо эффективнее использовать этот уникальный природный феномен для исследования экзопланет, создавая их детализированные изображения.

О гравитационном линзировании говорил еще Альберт Эйнштейн, и на практике этот эффект мы уже давно используем при вычислениях траекторий космических аппаратов в пределах Солнечной системы. Когда я пришел в Лабораторию реактивного движения NASA в 1993 году, я начал с изучения малых сил, влияющих на движение космических аппаратов. Было очевидно, что теория относительности должна использоваться практически всегда, когда речь идет о движении космических аппаратов и радиосигналах. Влияние гравитационного поля на распространение света и радиоволн давно стало стандартным эффектом, который учитывается в наших расчетах. Однако следующим шагом было осознание того, что, когда свет проходит вблизи массивного тела, его траектория искривляется. Гравитация небесного тела изменяет траекторию светового луча, и если два луча проходят по разным сторонам этого тела, каждый будет отклоняться в его сторону, а на определенном удалении они пересекутся. Таким образом, массивное тело действует как линза.

Схема гравитационного линзирования (NASA, ESA & L. Calçada)
Схема гравитационного линзирования (NASA, ESA & L. Calçada)

Самая большая и интересная линза в Солнечной системе — это наше Солнце. Однако здесь есть нюанс: световые лучи, проходящие вблизи Солнца, пересекутся на очень большом расстоянии. Фокальная область солнечной гравитационной линзы начинается примерно в 548 астрономических единицах (а. е.) от Солнца. Еще одна важная деталь — это то, что гравитационная линза не имеет одной фокальной точки, а лишь фокальную полупрямую. Поэтому, даже достигнув нужного региона, если продолжать двигаться вдоль оптической оси линзы, солнечная гравитация продолжит обеспечивать увеличение яркости и возможность получения изображений с огромным разрешением.

Для примера: если рассматривать гравитационную линзу Солнца при длине волны в один микрон, она увеличивает яркость объекта примерно в 100 млрд раз (1011). При использовании в плоскости изображения обычного телескопа с апертурой в один метр дополнительное увеличение яркости, обеспечиваемое использованием гравитационной линзы Солнца, составляет 4,5 млрд раз (4,5 × 10⁹), что подчеркивает уникальные возможности линзы.

При столь огромном увеличении, которое предоставляет гравитационная линза Солнца, важно понять, как именно мы можем его использовать. Давайте рассмотрим несколько численных оценок. Возьмем Землю с диаметром около 13 тыс. км и представим, что она находится на расстоянии 100 световых лет от нас. Если мы захотим получить изображение Земли с разрешением в один пиксель, нам потребуется телескоп с диаметром около 90 км. Но если мы стремимся создать изображение с разрешением, например, в 100 пикселей (100×100 пикселей), диаметр телескопа нужно увеличить до 9 тыс. км, что совершенно нереально с современными технологиями.

Однако ситуация меняется, если мы используем солнечную гравитационную линзу. В этом случае, взяв телескоп с апертурой всего в один метр и разместив его в фокальной области гравитационной линзы Солнца, мы сможем получить изображение такого объекта, как Земля диаметром 13 тыс. км, с разрешением около 800×800 пикселей. Для этого потребуется интегрировать сигнал примерно за 7 месяцев наблюдений. Это означает, что даже такой небольшой телескоп способен обеспечить фантастическое, уникальное разрешение благодаря эффекту гравитационного линзирования.

Теоретически всё это звучит прекрасно и вполне осуществимо, но как реализовать это на практике? На самом деле самым сложным техническим вызовом становится задача добраться до нужной точки в космосе за «разумное время», т. е. за период, позволяющий ученым и инженерам, участвующим в проекте, увидеть результаты своей работы. Это прежде всего требует разработки продвинутых двигательных установок, которые обеспечат быструю и эффективную доставку аппарата в фокальную область гравитационной линзы Солнца. Далее возникает вопрос обеспечения надежной связи на таких колоссальных расстояниях.

Помимо этого, нам предстоит решить задачу построения изображения, учитывая все временные изменения сигнала. Дело в том, что любая экзопланета движется по орбите вокруг своей звезды, а сама звезда также движется относительно Солнца с определенной скоростью. Все эти факторы создают сложную динамическую систему, и нам необходимо уметь построить изображение такого объекта, который непрерывно изменяется во времени. Это добавляет дополнительную сложность, ведь необходимо учитывать орбитальное движение планеты, движение ее звезды и другие астрономические факторы, чтобы получить четкое изображение в таких условиях.

В 2017 году NASA поддержало нашу заявку и обеспечило финансирование. В течение пяти лет, с 2017 по 2022 год, мы занимались разработкой теории построения изображений с использованием гравитационного линзирования, а также проектированием космической экспедиции, способной реализовать эту концепцию. За это время мы пришли к выводу, что необходимо полагаться на технологии, о которых еще в начале XX века говорили Циолковский и Цандер в России. Они предлагали использовать давление солнечного света для движения в космосе.

Сегодня мы используем солнечные паруса для достижения высоких скоростей перемещения по Солнечной системе. Эти технологии были впервые опробованы в Советском Союзе, и с тех пор они значительно продвинулись. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) успешно испытало аппарат IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun). В Америке Планетарное общество запустило проект LightSail. Французские исследователи также применяют эти технологии для космических миссий. Солнечные паруса постепенно становятся реальностью и открывают новые возможности для космических исследований.

Сейчас мы работаем над запуском космического аппарата, который совершит облет Солнца. Планируется, что эта экспедиция состоится в ближайшие два года. Мы уже получили начальное финансирование, чтобы выполнить облет Солнца и достичь скорости, в два раза превышающей скорость «Вояджеров». Для сравнения, «Вояджеры» движутся со скоростью около 3,1 а. е. в год, а с использованием солнечного паруса мы планируем достичь скорости от 5 до 7 а. е. в год. Следующим этапом станет увеличение скорости и улучшение управляемости солнечным парусом.

Мы предполагаем, что экспедиция к фокусу солнечной гравитационной линзы состоится примерно через двенадцать лет, т. е. к 2035 году. Тогда мы запустим космический аппарат, который за последующие 20–25 лет достигнет фокального расстояния солнечной линзы. Более того, мы планируем использовать не один аппарат, а сразу 5–7, что позволит нам сканировать изображение, создаваемое гравитационной линзой Солнца, и получить более детализированную картину экзопланеты.

Имитация свертки изображения землеподобной экзопланеты (Turyshev & Toth: Phys. Rev. D 102, 024038 (2020); MNRAS 515(4), 6122-6132 (2022))
Имитация свертки изображения землеподобной экзопланеты (Turyshev & Toth: Phys. Rev. D 102, 024038 (2020); MNRAS 515(4), 6122-6132 (2022))

Конкретную экзопланету для наблюдения мы пока не выбрали, но подобные миссии предоставляют уникальные возможности для изучения далеких миров.

Хотя я опускаю некоторые технические детали, важно отметить, что само движение под действием давления солнечного света уже становится реальностью. Для этого мы планируем подлететь на расстояние около 0,2 а. е. от Солнца. На таком расстоянии солнечное давление обеспечит достаточно высокую скорость для космического аппарата. Естественно, связь будет осуществляться с использованием оптических систем, а не радиоволн. Управление аппаратом будет обеспечено с помощью электрических двигателей. Все эти технологии уже достигли достаточно высокого уровня развития.

Мы предполагаем, что экспедиция будет полностью готова через двенадцать лет, и тогда мы сможем отправить аппараты к фокальному расстоянию солнечной линзы. Это позволит нам наблюдать конкретную экзопланету или экзопланетарную систему с исключительным разрешением, недоступным другими методами.

Что мы достигли в результате нашего последнего исследования? Мы подтвердили, что действительно можно построить изображение экзопланеты с использованием солнечной гравитационной линзы. Мы предложили технические решения для проведения космической экспедиции, которая позволит достичь необходимых расстояний. Изображение, проецируемое солнечной гравитационной линзой, может быть использовано для восстановления детализированного изображения экзопланеты на расстоянии 10–30 парсек с разрешением примерно 700×700 пикселей в различных диапазонах — от оптического до ближнего инфракрасного.

Почему это важно? В ближнем инфракрасном диапазоне мы можем обнаруживать химические паттерны, указывающие на наличие водорода, кислорода, азота, метана и других элементов. Это позволит провести первичный анализ атмосферы экзопланеты и, возможно, подтвердить наличие жизни или условий, пригодных для жизни. Наша миссия будет не только получать оптические изображения, но и проводить спектроскопические измерения. Это позволит не только рассмотреть поверхность экзопланеты с высоким разрешением (примерно 25×25 км, что достаточно для различения континентов, основных топографических особенностей, погодных фронтов и других структур, возможно, даже городов и промышленных центров), но и анализировать атмосферные газы с помощью спектроскопии и, возможно, поляризационных измерений.

Например, если на планете есть болота, мы сможем обнаружить значительное содержание метана. В случае всплесков углекислого газа это может указывать на промышленную деятельность. Таким образом, мы сможем лучше понять, что происходит на экзопланете.

Вкратце, наше исследование показало, что солнечная гравитационная линза может быть использована как для создания детализированных изображений экзопланет, так и для анализа их атмосфер с целью обнаружения признаков жизни. Кроме того, если использовать несколько космических аппаратов, мы сможем мониторить планету на протяжении десятилетия, собирая научные данные, которые помогут нам понять, есть ли на планете жизнь, как она эволюционирует и какие изменения там происходят.

— То, что вы рассказали, это потрясающе! Я понимаю так, что в фокальную область будет отправлен некий интерферометр, правильно? Не один какой-то аппарат, а именно несколько аппаратов…

— Мы можем обойтись несколькими аппаратами, не прибегая к интерферометрическому режиму, так как это потребует дополнительных технологий. Эти аппараты будут просто телескопами, которые собирают фотоны. Представьте, что такое линза. Вообразите, что вы сидите в кинотеатре. Позади вас темный зал, а проектор проецирует световое поле на экран перед вами. Экран отражает свет, и этот отраженный свет попадает в ваши глаза, создавая изображение в мозгу. Теперь представьте, что экран убрали. Проектор продолжает работать, световое поле по-прежнему распространяется, но, поскольку экрана нет, вы не видите, что оно содержит. Вы выходите на сцену, смотрите на проектор, но не видите полную картинку — только световое поле. Когда вы движетесь по сцене, яркость проектора изменяется в зависимости от вашего положения.

Если вы сможете зарегистрировать изменения яркости в конкретной точке, вы сможете, зная оптические свойства линзы, восстановить изображение, которое проецируется. Именно так работает гравитационная линза Солнца. У нас есть источник света — экзопланета, которая отражает свет звезды и излучает в инфракрасном диапазоне, потому что она теплая. Это световое поле направляется к фокальной области, где мы размещаем телескоп, направленный на Солнце. С помощью коронографа, который блокирует свет самого Солнца, мы наблюдаем кольцо Эйнштейна — результат проекции света экзопланеты.

Чтобы восстановить изображение, нам не нужно создавать картинку этого кольца Эйнштейна. Мы просто измеряем его яркость на фоне солнечной короны, которая создает шум. Для интеграции сигнала может потребоваться около 300 секунд. На каждой точке этого светового поля мы аккумулируем данные, обрабатываем их, устраняем влияние солнечной гравитационной линзы и восстанавливаем изображение.

Для качественного восстановления нам понадобится несколько телескопов, так как одного будет недостаточно, чтобы учесть вращение планеты и убрать облака с ее поверхности. Мы отправим 5–7 телескопов, каждый из которых будет поочередно сканировать поверхность экзопланеты, собирая данные по пикселям, двигаясь в плоскости изображения. Эти данные и будут использоваться для восстановления полной картины экзопланеты.

Сама планета, скажем, Земля диаметром 13 тыс. км на расстоянии 100 световых лет, проецирует изображение через гравитационную линзу Солнца в цилиндре диаметром около 1,3 км. Поэтому мы разместим однометровые телескопы в этом световом поле и будем сканировать его, шаг за шагом измеряя яркость Эйнштейна в каждом пикселе. Эти измерения станут основой для восстановления изображения источника — экзопланеты. Вот так работает принцип получения изображений с помощью гравитационной линзы.

Гравитационные линзы для связи с инопланетянами

— Хорошо. Вот еще одна грандиозная идея, про которую я слышал за вашим авторством. Это гравитационное линзирование для передачи сигналов. То есть правильно ориентированные гравитационные линзы могут усиливать яркость сигнала. Я правильно понимаю, что если можно усиливать энергию сигналов таким образом, то это вполне реальный способ передачи достаточно сложных сообщений? Значит, возможно создание линии такой вот своеобразной связи. И если есть такой способ передачи данных, то не исключено, что им уже кто-то пользуется, тогда мы можем эти сообщения перехватить?

— Это действительно очень интересная тема! Еще Энрико Ферми задавался вопросом: если существуют инопланетные цивилизации, то где их сигналы? Возможно, мы ищем не там? Все наши текущие способы поиска инопланетных сообщений сводятся к радиосигналам или оптическим всплескам. Но, может быть, мы ищем не то и не там?

Передача электромагнитных сигналов на большие расстояния оказывается крайне неэффективной с точки зрения энергии. Если, например, направить лазерный луч мощностью в один киловатт в космос, сигнал сильно ослабнет даже на разумных расстояниях — скажем, в 10 парсек — и поток фотонов будет очень слабым. Однако, когда мы рассмотрели солнечное гравитационное линзирование, а также линзирование в более общем смысле, стало ясно, что этот эффект может работать и «в обратную сторону». Если разместить лазерный передатчик в нужной продуманной точке — в фокальной области звезды, например в фокальной области солнечной линзы, — и направить лазер в зону, где формируется кольцо Эйнштейна, то можно передать сигнал на огромное расстояние. Солнечная гравитация будет фокусировать и уплотнять пучок так же, как и для приема сигналов.

Рой космических аппаратов, отправляющихся к тому месту, где они могут увидеть сфокусированный свет от экзопланеты (изображение: The Aerospace Corporation)
Рой космических аппаратов, отправляющихся к тому месту, где они могут увидеть сфокусированный свет от экзопланеты (изображение: The Aerospace Corporation)

При расчетах отношения сигнал/шум становится понятно, что лазерный луч, усиленный гравитацией соседних звезд, может быть принят в Солнечной системе с огромной яркостью — порядка 106 фотонов в секунду. Если кто-то размещает передатчики в фокальных областях близлежащих звезд (в пределах 10–20 парсек) и направляет лазерный сигнал в нашу сторону, то мы можем уловить его с помощью уже существующих оптических инструментов.

Таким образом, выходит, что технически мы уже готовы принимать такие сигналы, если кто-то захочет с нами связаться. Современные телескопы, как наземные, так и космические, способны регистрировать эти лазерные лучи, усиливающиеся за счет гравитационного линзирования.

Мы подали заявку на организацию так называемого оптического поиска сигналов межзвездной природы — это своего рода новая программа SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence) с использованием оптических методов. По сути, открывается совершенно новая область исследований: поиск таких сигналов с помощью уже существующего оборудования. Мы разработали техническое задание для астрономического сообщества, которое занимается поиском подобных сигналов, указав, где и что нужно искать.

Оказывается, если какая-то инопланетная цивилизация пытается передать нам сигналы, разместив лазерный передатчик в фокальной области своей звезды, то мы уже сейчас можем уловить эти сигналы с помощью существующих оптических инструментов — ничего принципиально нового нам не требуется. Мы также предлагаем дополнительно отправить небольшие космические аппараты на высокоэллиптическую орбиту вокруг Земли, что улучшит возможности приема таких сигналов. Однако даже на нынешнем этапе наши существующие средства вполне могут быть использованы для поиска и обнаружения подобных межзвездных сигналов.

— Это нечто, конечно! Организовать службу, как в фантастике. Я сразу вспомнил про ефремовское Великое Кольцо. Самое интересное, что Ефремов это отнес в далекое будущее, а вы говорите, что это можно сделать уже сейчас. Поразительно, конечно.

— Вспомним книгу и фильм «Задача трех тел». Там действительно использовали солнечную линзу для передачи сигналов. Это яркий пример того, как наша работа находит отражение в интересных художественных произведениях. Я уверен, что в ближайшие 15–20 лет использование солнечной линзы станет достаточно распространенной технологией, а через 12 лет мы уже планируем запустить наш проект. Со временем это откроет нашей цивилизации доступ к уникальным возможностям для связи с ближайшими звездными системами в нашей галактике.

Что самое любопытное — всё это работает на основе известных физических принципов. Мы не изобретаем что-то принципиально новое, а просто эффективно применяем уже известные подходы, используя хорошо изученную физику для решения межзвездных задач.

Знаете, я часто прошу своих студентов назвать три самых распространенных элемента во Вселенной. Обычно они называют гелий и водород, что, конечно, абсолютно правильно. Но я добавляю к этому свою шутку. Сейчас я назову вам три элемента на английском, которые также часто встречаются — не в природе, а в разговорах о сложных научных задачах. Один из них упоминался в фильме «Аватар», это анобтениум (unobtanium). Помните, его добывали на Пандоре? Так вот, к анобтениуму я добавляю еще два: нонэкзистиум (non-existium) и анафордиум (un-affordium). Анобтениум — это то, что невозможно добыть или произвести, нонэкзистиум — это то, чего не существует, а анафордиум — это то, что невозможно себе позволить.

Так вот, в наших исследованиях мы стремимся избегать всех этих «элементов». Мы опираемся только на известные физические принципы, которые реальны и достижимы. И даже при таком подходе мы получаем совершенно уникальные результаты. На следующем этапе нам нужно реализовать эти идеи и получить доступ к невероятным возможностям, включая передачу информации и связь с нашим галактическим окружением.

Аномалия «Пионеров»

— Спасибо. Теперь про «Пионеры». В своей статье вы пишете, цитирую, что «Аномальное ускорение космических аппаратов «Пионер» обусловлено силой отдачи, связанной с анизотропным излучением теплового излучения от транспортных средств». А можно получить перевод с научного языка на общечеловеческий? В чем заключается ваше объяснение, есть ли какое-то экспериментальное подтверждение вашего объяснения этой аномалии? Можно вкратце ссылки указать на что-то.

— У меня есть интересный совет для автомобилистов: когда вы ведете машину вечером, помните, что свет фар вашего автомобиля может слегка изменить его траекторию. Это шутка, конечно, но идея в том, что отдача от фотонов может немного притормаживать автомобиль, точно так же, как она повлияла на космические аппараты «Пионер».

Аппараты «Пионер», улетев далеко от Солнца, не могли использовать солнечные батареи и полагались на радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГи) с плутонием-238, у которого период полураспада составляет 87,8 года. Только около 6% тепла от этих генераторов преобразовывалось в электроэнергию, а остальная энергия выделялась в виде инфракрасного излучения, уходящего в космос.

Аппараты стабилизировались вращением, что обеспечивало их ориентацию в пространстве, но не использовалась трехосная стабилизация. Это означает, что излучение инфракрасных фотонов, особенно тех, что были направлены перпендикулярно оси вращения, усреднялось благодаря быстрому вращению аппаратов. Однако фотоны, излучаемые вдоль оси вращения, создавали анизотропное излучение, особенно если форма аппарата была несимметричной. В случае «Пионеров» параболическая антенна диаметром 2,6 метра и РИТЭГи, установленные в ее плоскости, играли важную роль. Излучение, касающееся внешней поверхности антенны, частично поглощалось и частично отражалось, создавая световое давление, что вызывало силу отдачи, приводившую к небольшому ускорению.

Эти космические аппараты всегда были нацелены на внутреннюю часть Солнечной системы, чтобы поддерживать связь с Землей. Переизлучение было также направлено внутрь Солнечной системы, создавая дополнительное световое давление по оси вращения. Мы смогли установить, что это переизлучение всегда происходило вдоль оси вращения, но ориентация аппаратов была менее точной на расстояниях более 5 а. е., когда антенны уже не могли четко «видеть» Землю.

На расстояниях более 20 а. е. аппараты всё время были направлены на внутреннюю часть Солнечной системы. Мы заметили, что аномальное ускорение было вызвано именно этими механизмами: инфракрасное излучение, направленное вдоль оси вращения, создавало небольшую силу, которая сказывалась на траектории аппаратов.

Что мы заметили? Мы обнаружили, что существует угловая зависимость этого ускорения, особенно в ранней части траектории, когда ось вращения аппарата была направлена на Землю. Это ускорение было слабым, и мы его зафиксировали, но не стали широко об этом говорить, потому что данных было недостаточно для подтверждения на одном аппарате. Когда мы изучали данные с «Пионера-11», их было больше, и мы лучше понимали угловую зависимость ускорения, но эти данные не были опубликованы.

Движение «Пионеров» (JPL)
Движение «Пионеров» (JPL)

Со временем стало ясно, что величина этой аномальной силы примерно одинакова для обоих аппаратов. В 1997 году мы опубликовали статью, в которой сообщили, что на «Пионер-10» и «Пионер-11» действует некая неизвестная сила, создающая ускорение примерно (8,74 ± 1,33) × 10–10 м/с². Это и стало той самой «аномалией „Пионеров“». Несмотря на то, что мы учли все эффекты ньютоновской и релятивистской гравитации, а также все известные негравитационные силы, действующие на аппараты, оставалась невязка, которую и объясняло это ускорение.

Наши исследования охватывали долгий период — около двадцати лет после того, как аппараты прошли 5 а. е. от Солнца, и было очевидно, что на них действует это ускорение, равное (8,74 ± 1,33) × 10–10 м/с². Интересным оказалось то, что величина этого ускорения численно совпадала с произведением скорости света на постоянную Хаббла (сH0). Это чисто численное совпадение привлекло много внимания, и после публикации нашей статьи появилось множество работ на эту тему.

В 1998 году, как вы помните, появились первые данные о темной энергии. Мы опубликовали нашу статью в Phys. Rev. Letters, и буквально через пару месяцев были опубликованы результаты по темной энергии. Это вызвало шквал исследований — за год появилось около 80–120 статей, которые пытались объяснить «аномалию „Пионеров“» через космологические эффекты. Но это было довольно забавно, ведь не было никаких оснований связывать эти данные с космологией. Это всего лишь численное совпадение — скорость света на постоянную Хаббла.

Когда мы поняли, что требуется дополнительный анализ данных, я просмотрел все возможные архивы и обнаружил, что у нас в лаборатории есть траекторные данные «Пионера-10» и «Пионера-11». Эти данные хранились на магнитных лентах, ведь аппараты запускались еще в 1972–1973 годах, когда использовались перфокарты. Позднее данные перенесли на магнитные ленты, и нам нужно было собрать их в единый архив, чтобы они могли использоваться с современными навигационными программами. Эти программы вначале писались на Fortran 66, 77, 88, а затем перешли на C и C++. Так что требовалось не только прочитать старые данные, но и адаптировать их для современных траекторных вычислений.

После того как мы это сделали, мы построили разностную модель «Пионеров», чтобы понять, как перераспределяется тепло на борту аппаратов. И вот тут мы смогли показать, что эффект ускорения менялся со временем в соответствии с поведением РИТЭГов на борту. Количество выделяемого тепла было связано с количеством плутония-238, что создавало высокую корреляцию с тепловыми процессами на аппарате.

Изготовление масштабной модели позволило изучить процесс производства и сборки аппарата (Калифорния)
Изготовление масштабной модели позволило изучить процесс производства и сборки аппарата (Калифорния)

Были два основных механизма: первый — это переотражение тепла от внешней поверхности антенны, а второй — тепло, выделяемое внутренними системами аппарата, которые преобразовывали часть тепла в электроэнергию для питания инструментов. Эти механизмы объясняли около 80% всего эффекта. Мы пришли к выводу, что основной причиной аномального ускорения был тепловой эффект. Направление сигнала, его временная зависимость, разное поведение двух аппаратов — всё это соответствовало количеству плутония на борту каждого из них.

Таким образом, стало ясно, что большая часть этого эффекта (около 80%) объясняется вполне понятной физикой. Хотя осталась еще небольшая необъясненная часть (примерно 20%), когда мы учли основной тепловой механизм, в остатках сигнала не осталось никакой структуры, указывающей на нечто новое. Мы опубликовали результаты и, признаться, были немного разочарованы — мы надеялись найти новую физику, но оказалось, что этот сигнал можно объяснить простыми, известными нам процессами.

— В общем, как я понял: хочешь проехать дальше — выключай дальний свет.

— Абсолютно верно, да, будь аккуратен.

— Веди машину аккуратно. Ясненько, давайте дальше.

Далекие путешествия на солнечных парусах

— Вы уже упоминали идею о передвижении с помощью солнечных парусов. Но у всех, я знаю, на слуху в основном идея StarChip Пита Уордена. Там же Ави Лёб, Мартин Рис, Юрий Мильнер, Стивен Хокинг… Как я понял, то, что предлагаете вы, даст прямо сумасшедшие скорости. За четыре года до Плутона, правильно? По Солнечной системе — это понятно. А вот на межзвездные расстояния это будет работать?

— Солнечные паруса, конечно, являются менее эффективным механизмом для полетов на межзвездные расстояния. Они хороши для достижения разумных дистанций — порядка 1000 а. е. за приемлемое время, например, за 25–30 лет. Однако для межзвездных полетов этого недостаточно. В проекте Breakthrough Starshot Юрия Мильнера, возглавляемом Питом Уорденом, предлагается использовать лазерный парус, который теоретически может обеспечить гораздо большие скорости, сопоставимые со скоростью света.

Технологически создать такой лазерный парус, возможно, не так сложно, но есть серьезные вопросы. Например, как создать поток энергии достаточной плотности? Для этого нужно сконцентрировать примерно миллион лазеров мощностью по одному киловатту каждый. Это не просто лазерная указка — это полноценная энергетическая установка, которая может буквально сдувать космические аппараты с орбиты.

К сожалению, маловероятно, что этот проект будет реализован в ближайшее время, хотя я бы очень хотел увидеть его осуществление. Движение с околосветовыми скоростями — это красиво и захватывающе, и, что важно, физика не запрещает этого.

Когда вы объединяете огромное количество лазеров в один когерентный пучок, плотность энергии в этом пучке достигает уровня гигаваттов. Такой мощный пучок нужно направить на лазерный парус, который должен обладать высочайшей степенью отражения — практически не поглощать излучение. Сегодня уже существуют материалы, представляющие собой кристаллические структуры, которые способны отражать свет практически полностью, сводя поглощение к минимуму.

Однако возникает еще одна задача — удержать этот парус в лазерном пучке. Если использовать такой мощный лазер и направить его на плоский парус, то из-за гауссового распределения излучения (гауссовый пучок) парус сдуется буквально в первые наносекунды — он просто улетит в сторону. Для того, чтобы избежать этого, нужно создать особый пучок излучения, который был бы не просто плоским, а имел бы более сложную структуру, например вогнутую параболу. Такой пучок стабилизировал бы парус, не позволяя ему отклоняться. Это критично, поскольку лазер будет действовать на парус в течение нескольких минут, и за это время важно не потерять контроль над его положением.

Мы тщательно изучали множество аспектов, связанных с взаимодействием лазерного излучения с формой и структурой паруса, и сейчас понимаем, как это можно реализовать. Я являюсь одним из советников этого проекта, и тема лазерного паруса мне хорошо знакома. Технически всё это возможно, но остается вопрос, как обеспечить стабилизацию паруса в короткий период взаимодействия с лазерным излучением. Есть идеи, но на практике это пока не реализовано. Мы создавали прототипы и тестировали их в вакуумных трубах, так что, в принципе, понимаем, как это можно сделать.

Если удастся решить эти технические проблемы (при наличии достаточного финансирования), то, возможно, через условные двадцать лет мы сможем запустить этот проект. Сейчас проект немного затормаживается по разным причинам, но сама идея, конечно, остается очень интересной.

— Фантастика пришла к нам… Вопрос: о чем я забыл вас спросить? Рубрика «Свободный микрофон».

— Наверное, самое важное сейчас — это то, что мы переходим от слов к делу. Мы уже получили первичное финансирование для разработки солнечных парусов. Первым шагом станет запуск солнечного паруса на низкую орбиту вокруг Луны, что продемонстрирует возможность управления такими парусами. Следующий шаг — это запуск космического паруса на орбиту вокруг Солнца, и для этого мы уже сотрудничаем с нашим потенциальным инвестором. Как только эти два этапа будут успешно выполнены, космические паруса могут стать стандартным инструментом для проведения космических исследований.

Сейчас действительно складывается странная ситуация: выпускник университета, который приходит в промышленность и начинает работать над космическим проектом по полету в дальний космос, сталкивается с долгим и сложным процессом. Он приходит в NASA, пишет первую заявку — она не срабатывает. За это время он получает кандидатскую, затем докторскую степень, пишет вторую заявку — и снова неуспешно. В конечном счете после третьей заявки проект одобряется, и, условно говоря, когда этому человеку исполняется около 50 лет, он, наконец, видит свой космический аппарат на стартовом столе. Это не совсем правильная реальность, ведь человек фактически работает всю жизнь над одним-двумя проектами.

Наши солнечные паруса могут изменить эту ситуацию. Они прежде всего недороги. Экспедиция вокруг Солнца, которую мы планируем, стоит 22 млн долл. Это, конечно, значительная сумма, но она вполне доступна для таких проектов, особенно в сравнении с традиционными миссиями, которые могут стоить сотни миллионов. За эти средства мы сможем облететь Солнце и продемонстрировать совершенно новые технологии.

Мы стремимся сделать такие технологии доступными для широкого применения, провести своего рода маленькую революцию в космических исследованиях. Это позволит запускать недорогие космические аппараты для исследования различных регионов Солнечной системы.

Одним из самых интересных решений является запуск космического аппарата на полярную орбиту вокруг Солнца. Можно вспомнить, как аппарат «Кассини» летал вокруг Сатурна, а «Галилео» — вокруг Юпитера. Оба аппарата обнаружили гексагональные структуры в полярных областях этих планет. Это связано с вращением газовых гигантов и вариациями плотности в их атмосферах. Не исключено, что на полюсах Солнца могут быть обнаружены подобные структуры.

Мы планируем запустить космический аппарат с солнечным парусом для наблюдения полярных областей Солнца. Почему именно солнечный парус? Потому что это значительно дешевле, чем использование химических двигателей. Наша архитектура солнечного паруса с изменяемым вектором тяги позволяет изменять наклон орбиты на 3° за 21 день. Таким образом, в течение полугода или года мы можем вывести аппарат на полярную орбиту вокруг Солнца и начать мониторинг его полярных областей.

Эта экспедиция, которую мы сейчас готовим, позволит провести детальные исследования полярных регионов Солнца с минимальными затратами.

Еще одна интересная идея — понаблюдать за нашей Землей как за экзопланетой. Мы запускаем аппараты, которые занимаются поиском экзопланет с помощью так называемого транзитного метода. Это метод, когда планета проходит перед своей звездой, и ее светимость немного уменьшается. Так мы можем обнаружить экзопланеты и изучить их атмосферы. Нашей целью является калибровка инструментов, используемых для изучения атмосфер экзопланет, наблюдая, как наша Земля проходит по диску Солнца.

Вопрос такой: сможем ли мы, используя те же методы, что и для поиска жизни на других планетах, обнаружить признаки жизни на нашей собственной планете? Мы планируем запустить аппарат с солнечным парусом, который будет наблюдать транзиты не только Земли, но и Венеры и Меркурия. Это даст нам возможность проводить сравнительную планетологию — исследовать атмосферы нескольких планет в Солнечной системе и подтвердить наличие жизни на Земле с использованием тех же технологий, что мы применяем для поиска жизни на экзопланетах.

Таким образом, мы отработаем методы, которые затем можно будет использовать для поиска жизни на экзопланетах в ближайших звездных системах.

Мы также готовим экспедицию с солнечным парусом для полета через гейзеры на Энцеладе, спутнике Сатурна. Космические аппараты с солнечным парусом пронесут миниатюрную биолабораторию через гейзеры, которые были обнаружены аппаратом «Кассини». Мы хотели бы подтвердить наличие органической жизни в океане под поверхностью Энцелада. Это было бы невероятным открытием!

Эта миссия — одна из трех экспедиций, где мы планируем использовать солнечные паруса. Это то, над чем мы работаем сейчас. Для меня главная цель — чтобы в ходе этих трех миссий мы отработали технологии, которые необходимы для полета к солнечной гравитационной линзе. Моя задача очень конкретна: я хочу, чтобы технологии для изучения экзопланет с помощью солнечной гравитационной линзы развивались и совершенствовались, чтобы наша миссия могла отправиться в ближайшие 12 лет.

— Вы рассказываете совершенно удивительные вещи. Я хочу еще одного разговора с вами, потому что я думаю, что наверняка возникнут новые вопросы. Большое спасибо за очень интересную беседу! Я надеюсь, что мы еще раз встретимся. Я думаю, что и нашим зрителям, и нашим читателям захочется продолжить общение с вами.

— Огромное спасибо за приглашение! Всегда рад пообщаться и рассказать о наших проектах — это действительно захватывающие темы! Я полностью согласен, что если возникают вопросы, то о них нужно говорить и давать ответы. Поэтому я всегда готов снова прийти и обсудить с вами любые интересующие вас вопросы.

— И вам спасибо. Всего хорошего. До свидания!

— До свидания!

Статьи В. Г. Турышева и соавторов

Как посмотреть в гравитационный телескоп?
arxiv.org/abs/2204.04866

Аномалия «Пионеров»
arxiv.org/abs/1204.2507

Солнечный парус
arxiv.org/abs/2303.14917

Гравитационное линзирование для межзвездной передачи энергии
arxiv.org/abs/2310.17578
arxiv.org/abs/2404.01201


1 Видеоверсии интервью см.: youtu.be/THUO-OP6XnY; rutube.ru/channel/36379070; vk.com/video/@trvscience

Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 4,50 из 5)
Загрузка...