На орбите Земли продолжает работать космический телескоп «Хаббл». Запустили аппарат в 1990 году, а чтобы это случилось, с 1970-х отбирали предложения, пытались выбить финансирование, проектировали, строили и готовили программу исследований. Аналогичным образом о телескопе «Джеймс Уэбб» начали всерьёз задумываться в конце восьмидесятых, его разработка шла десятилетия, увенчавшись запуском лишь в 2021 году.
Замена «Уэббу» готовится прямо сейчас. Возможно понять, какой будет следующая космическая обсерватория такого размаха. Железобетонно зафиксированы требования к проекту, выданы контракты на разработку инструментов, ещё на начальных этапах планирования показали симуляцию снимков с телескопа. Есть даже обещанные сроки запуска. Кажется, что мы можем заглянуть в будущее.
Оглавление
Зачатие
Обычно историю телескопа «Роман» отсчитывают от 13 августа 2010 года. Но вообще начинать нужно на десятилетия раньше.
В астрофизике начала 1980-х популярность снискали модели расширения по типу SCDM (Standard Cold Dark Matter), где плотность Вселенной близка к критической. Считалось, что расширение замедляется за счёт холодной тёмной материи (95 % массы) и обычной, барионной, материи (5 % массы).
Постепенно начали копиться расхождения с наблюдаемой реальностью. То зонд COBE обнаружит анизотропию яркости реликтового излучения, то для существования старых звёзд нужна постоянная Хаббла ниже принятой на тот момент 50 (км/с)/Мпк.
В 1998 две независимые команды (Supernova Cosmology Project и High-Z Supernova Search Team) во время наблюдения за сверхновыми типа Ia показали, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Стандартом космологии стала модель ΛCDM, которую обсуждали с первой половины девяностых. В физику ввели концепцию тёмной энергии — гипотетического типа энергии, который даёт 70 % отсутствующей плотности энергии Вселенной.
Примерно в 2003 году минэнерго США совместно с НАСА запустили Joint Dark Energy Mission (JDEM), проект по совместному исследованию тёмной энергии. Государственные агентства США возжелали пролить свет на природу этой сущности, чтобы лучше понимать материю, пространство и время. Инициатива исходила от министерства энергетики, но ему был нужен опыт спутникостроения НАСА. Для выяснения истории расширения Вселенной предложили построить широкоугольный космический телескоп.
Вместо создания одного телескопа НАСА запускает целый конкурс проектов, все из которых заглохли. Их упоминания в литературе скудны: в общий доступ ушли пресс-релизы, слайды презентаций (пример от 17 октября 2003 года) и научные работы.
Слева направо: ADEPT, DESTINY, SNAP
В следующие несколько лет сформировали предложения аппаратов Dark Energy Space Telescope (DESTINY) и SuperNova/Acceleration Probe (SNAP). Университет Джонса Хопкинса представил для НАСА концепт телескопа для исследования тёмной энергии Advanced Dark Energy Telescope (ADEPT).
Однако в 2006 году программу Beyond Einstein (в рамках которой шёл JDEM) закрыли на неопределённый срок, чтобы увести все деньги в шаттлы. В августе того же года НАСА и минэнерго обратились в Национальный исследовательский совет США и попросили оценить эти и другие проекты программы.
В сентябре 2007 года совет высоко оценивает проект JDEM и рекомендует его первым для реализации по программе Beyond Einstein (отчёт, стр. 118).
JDEM-Omega, arXiv:1008.4936
В 2008 году программу Beyond Einstein возрождают и начинают всё переделывать, а НАСА убирает со своего сайта упоминания конкурса между тремя проектами. В сентябре НАСА и минэнерго объявили, что из DESTINY, SNAP и ADEPT возьмут лучшее и объединят в проекте JDEM-Omega.
Рождение
Чтобы выдали миллиарды на космонавтику, нужно заручиться поддержкой серьёзных организаций.
Раз в десять лет Национальные академии наук, инженерии и медицины США проводят обзор состояния исследований и выдают рекомендации приоритетных направлений. Десятилетних обзоров несколько видов, они трудозатратны и пишутся примерно два года. В руководящем комитете находятся десятки учёных, ещё сотни консультируют в советах и предоставляют научные работы.
Такой зафиксированный на бумаге консенсус — это хорошее подспорье в попытках выбить деньги. Десятилетние обзоры учёные называют «мечом и щитом»: это не только хорошее оружие в спорах о финансировании, но и защита от внезапных сокращений бюджетов. Хотя десятилетние обзоры ни к чему не обязывают, к ним прислушиваются законодательные органы, конгресс США и само НАСА. Проекты, названные в отчётах низкоприоритетными, могут пострадать при любых реструктуризациях, но задачу со статусом высокоприоритетной обычно не тронут.
13 августа 2010 года комитет десятилетнего обзора астрономии и астрофизики Национальных академий выпустил отчёт «New Worlds, New Horizons» (NWNH). В отчёте указаны три приоритета:
- Углубление понимания механизмов формирования первых звёзд, галактик и чёрных дыр.
- Поиск ближайших к нам планет с землеподобными условиями, способными поддерживать жизнь.
- Использование астрономических инструментов для понимания проблем гравитации и фундаментальной физики.
NWNH разбивает проекты в зависимости от стоимости и местоположения — космические или на Земле. В категории «от миллиарда долларов» отчёт на первое место ставит космическую обсерваторию WFIRST (Wide-Field Infrared Survey Telescope, широкодиапазонный инфракрасный обзорный телескоп) с зеркалом диаметром 1,5 метра. По сути, WFIRST — это переименованный JDEM-Omega.
WFIRST должен ответить на фундаментальные вопросы формирования тёмной энергии, оценить возможности формирования похожих на Землю планет в больших диапазонах орбитальных параметров, исследовать нашу и другие галактики. «Джеймс Уэбб» с такими задачами справиться не может, будь хоть весь его полёт посвящён таким исследованиям: угол обзора узковат.
В NWNH также приводятся первые оценки стоимости проекта и даты запуска: $1,6 млрд и 2020 год. Новостные издания тогда цитировали опасения о финансировании, которые высказывали в готовившем отчёт комитете. На всякий случай в NWNH добавили планы на случай перебоев с деньгами от НАСА, Национального научного фонда и минэнерго США.
Агентство НАСА отчиталось, что с NWNH ознакомилось, и начало идти по пунктам. 19 октября 2010 отдел астрофизики НАСА объявляет: открыт приём заявок в команду проработки научных задач Science Definition Team (SDT) для WFIRST. От этой команды просили выдать научные требования к будущему аппарату и описать его программу в виде Design Reference Mission (DRM) с оценкой научного вклада.
SDT укомплектуют в декабре того же года. Под итоговым отчётом стоят имена представителей 30 различных организаций, включая университеты нескольких стран, обсерватории, лаборатории, государственные агентства и частные компании. Рекомендации для телескопа готовят крупные учёные и сами открывшие тёмную энергию нобелевские лауреаты.
Первые наброски
WFIRST мог погибнуть ещё на стадии планов.
Летом 2011 члены и консультанты SDT подготовили предварительный отчёт и обрисовали будущую программу: новых технологий разрабатывать не нужно, запустить в точку Лагранжа L2 можно хоть в 2020 году. Документ уходит в НАСА и начинает циркулировать в астрономическом сообществе. До срока сдачи финальной версии отчёта ещё год.
30 сентября Европейское космическое агентство заканчивает фазу A планирования, а 4 октября внезапно объявляет для прессы о включении в план на 2015–2025 года космического телескопа ближнего инфракрасного диапазона «Евклид». Как и WFIRST, «Евклид» — это широкодиапазонная космическая обсерватория для исследований тёмной материи и энергии методами слабого гравитационного линзирования и барионных акустических осцилляций.
ЕКА предложило НАСА поучаствовать в «Евклиде»: предоставить инфракрасные датчики в обмен на места в исследовательской команде. В ноябре НАСА просит Национальный исследовательский совет США уточнить, есть ли в этом смысл. Во время рабочих встреч в январе 2012 года прозвучал вопрос: а нужен ли WFIRST, задачи которого всё равно выполнят европейцы?
Структурная и тепловая модель спутника «Евклид». Текущая планируемая дата запуска — июль 2023 года. Стефан Корваджо, ЕКА
Если бы «Евклид» оказался интересней, у WFIRST были все шансы попасть под нож. «Хаббл», например, на стадии планирования просто вычеркнули из бюджета. Закрыть могут даже почти законченный проект, как это было с «Джеймсом Уэббом», который отменили в июне 2011 года, когда дело уже дошло до строительства аппарата. Конечно, в обоих случаях увещеваниями астрономов телескопы спасли.
Оценка Национального исследовательского совета отвечает: дублирования научного потенциала нет, и WFIRST нужен, поскольку его задачи критической важности выходят за возможности основной программы «Евклида». 36 из 52 датчиков «Евклида» работают в оптическом диапазоне, а пиксели инфракрасных матриц европейского аппарата значительно крупнее. В отличие от «Евклида», в вопросах слабого гравитационного линзирования WFIRST функционирует в трёх инфракрасных диапазонах, а не одном широком оптическом, а для барионных акустических осцилляций работает для более высокого красного смещения.
Также понятно: от небольшого участия в проекте ЕКА смысла отказываться нет. В июне 2012 года НАСА подпишет соглашение о сотрудничестве по «Евклиду».
Чувствительность к точечному источнику различных запланированных инструментов: LSST (выделено красным), глубокий инструмент WFIRST (синий) и широкий «Евклида» (зелёный). Иллюстрация 2012 года показывает, что WFIRST будет видеть более тусклые галактики, чем «Евклид». LSST (Large Synoptic Survey Telescope, Большой обзорный телескоп) сейчас известна как обсерватория имени Веры Рубин. Assessment of a Plan for U.S. Participation in Euclid, Washington DC: The National Academies Press, doi.org/10.17226/13357
Работы над WFIRST не останавливали. Единственное изменение: в декабре 2011 года НАСА попросило SDT подготовить две программы DRM. DRM1 — это та же предварительная версия DRM, но с урезанной стоимостью, DRM2 — версия, где у задач WFIRST не будет совпадений с «Джеймсом Уэббом» и «Евклидом» ЕКА. Так поступили, поскольку на тот момент возникли опасения из-за тенденций бюджетного финансирования (стр. 8).
Конечно, учёные занимаются не просто бумагомарательством. Исследовательское бюро WFIRST ведёт серьёзную оценку возможных устройств. У каждой технологии есть рейтинг зрелости Technology Readiness Level, и, например, полётная готовность достигается как минимум на TRL-8. Пример типичных работ для WFIRST из отчёта WFIRST-AFTA 2015 (стр. 98): закупили 6 дорогих инфракрасных матриц, установили их качество в оснащённой по последнему слову техники лаборатории в Центре космических полётов Годдарда, поставили рейтинг TRL-4 (подтверждено в лабораторных условиях).
Процессы небыстрые. Пример с теми же матрицами: ещё через несколько лет насовцы демонстрируют для них уровень TRL-6 (работоспособность технологии показана в условиях, близких к реальным), попутно описав все изъяны и погрешности измерительных приборов. Научная работа вышла в 2020 году, а поставщик матриц сообщает, что 45-месячный контракт на разработку заключили ещё в 2014.
Финальный отчёт SDT готов в августе 2012 года. Два варианта аппарата на внутреннем жаргоне НАСА называют «полноразмерным»/«full size» и «размером с космический зонд»/«probe-size».
В DRM1 предполагался трёхзеркальный анастигмат с диаметром главного зеркала 1,3 м с рабочей температурой 205 К. DRM1 хотели оснастить 36 матрицами H2RG-18 разрешением 2048×2048 пикселей для работы в диапазоне длины волны от 0,7 до 2,4 мкм. Матрицы охлаждались до 100 К. Такие же матрицы поставили в «Джеймса Уэбба», поэтому ничего нового сертифицировать не пришлось бы. Запланированное основное время работы в 5 лет могло растянуться хоть до 10, до окончания топлива систем коррекции, после чего аппарат неизбежно выходит из точки Лагранжа L2.
Для запуска спутника массой 2530 кг предполагается ракета «Атлас-5».
Конструкция DRM1. arXiv:1208.4012
Захватываемый участок неба в DRM1 вместе со вспомогательными матрицами. arXiv:1208.4012
Задумка DRM2 скромнее: тоже трёхзеркальный анастигмат, но с 1,1-метровым зеркалом. Инфракрасных матриц в DRM2 предлагалось ставить меньше, 14 штук, но модели H4RG-10 разрешением 4096×4096 пикселей, то есть в четыре раза более чётких. С другой стороны, на тот момент TRL, уровень технической готовности, модели H2RG-10 был низковат. Также в DRM2 предлагалось сократить срок основной программы до 3 лет.
Конструкция DRM2 вдохновлена зондом WMAP, успешно зарекомендовавшим себя работой в течение 9 лет, с 2001 по 2010 года. Солнечные панели DRM2 свёрнуты вокруг телескопа и раскрываются после отделения от ракеты-носителя. Экономия массы (1979 кг в заправленном виде) и более компактные размеры допускают запуск на Falcon 9 v1.0.
Захватываемый участок неба в DRM2 вместе со вспомогательными матрицами в сравнении с «Хабблом», «Джеймсом Уэббом» и Луной. arXiv:1208.4012
Конструкция
Как и три проекта JDEM до них, DRM1 и DRM2 имеют мало общего с реальным обликом телескопа «Роман».
В августе 2011 года Национальное управление военно-космической разведки США бесплатно предоставило НАСА две основы для шпионских спутников. По сути, на складе в здании 1230 в городе Рочестер в штате Нью-Йорк лежали новенькие запакованные космические телескопы, которые для разведки считались морально устаревшими. НАСА получило просто корпуса и оптические системы, матрицы и электроника отсутствовали.
В СМИ цитировали мнение анонимного эксперта, который называл подарки основой для спутника типа KH-11, впервые опробованного в 1976 году. Другие указывали, что это могут быть остатки программы FIA-Optical «Боинга» 1999 года, от которых в 2005 году отказались в пользу аппаратов «Локхид Мартин».
Подарок оставался тайной до лета 2012.
Телескопы конструктивно походят на «Хаббл» и даже превосходят его технически. Диаметр их главного зеркала составляет те же 2,4 метра. Инфографика демонстрирует, несколько больше угол обзора у подаренных шпионских спутников. Nature
Эти шпионские телескопы обладают широким углом обзора, что затрудняет астрономические наблюдения за планетами вне Солнечной системы. Также невозможны исследования в инфракрасном диапазоне с длинной волной света, поскольку для этого зеркала́ пришлось бы охладить до температуры куда ниже, чем допускает их спецификация. Однако эти особенности будто специально созданы под WFIRST.
Сравнение угла обзора телескопов «Хаббл» и «Роман» (WFIRST): более 200-кратное преимущество. Изображение составлено на основе реальной фотографии галактики Андромеды, полученной с помощью 400 снимков «Хаббла», сшитых воедино. Понятно, что в задачи телескопа «Роман» входит уточнение теории расширения Вселенной и поиск землеподобных планет, а не просто съёмка красивых картинок. Сайт Института исследований космоса с помощью космического телескопа
Кажется, что подарок должен сэкономить много денег. На деле затраты на оптические системы составляют небольшую часть от общего бюджета исследовательской программы. При этом увеличение диаметра главного зеркала с 1,3 до 2,4 метра заметно удорожит запуск.
Каждый из шпионских телескопов даже без «начинки» сто́ит как минимум по $250 млн. Сторонники создания собственного телескопа с нуля приводили расчёты, где стоимость WFIRST возрастёт на те же $250 млн. Противники напоминали, что полировать главное зеркало долго и трудозатратно, а вместо затрат предлагали сэкономить суммарно до $1,5 млрд, задействовав оба устройства. Как бы ни спорили о затратах, даже хранение подарков обходилось в $75 тыс. в год.
План WFIRST на основе одного из подаренных телескопов получил название WFIRST-AFTA (Astrophysics Focused Telescope Assets, «средства телескопа с упором на астрофизику»). Нужно AFTA или нет, решали 7 месяцев (слайд 24, стр. 12). К лету 2013 года постановили: цена почти не изменится, зато получится улучшить возможности телескопа. К марту 2014 года свой отчёт на эту тему подготовил Национальный исследовательский совет США.
Конструкция и схема сборки телескопа «Роман» в его конечном варианте. Красным текстом выделены детали, которые НАСА называет spacecraft, собственно аппаратом (это несущая структура, двигательная установка, электроника, системы связи и солнечные панели), фиолетовым — полезной нагрузкой (научные инструменты и зеркала телескопа, закреплённые на собственном каркасе). Иллюстрация НАСА
Судьба одного из аппаратов была решена. Для второго телескопа применение тоже искали. В сентябре 2012 года в Принстонском университете провели трёхдневную конференцию, где рассмотрели возможные варианты. В ноябре НАСА запросило предложения от астрономов, в начале января 2013 приём заявок закрыли, отобрав более трёх десятков разнообразных проектов: от исследований в ультрафиолетовом диапазоне и поиска экзопланет до отслеживания космического мусора. Прошло десять лет, но и по сей день вторая основа для спутника-шпиона лежит без дела.
CGI
Архитектура WFIRST-AFTA добавляет инструмент, который концепция из NWNH не предусматривала.
В 2014 году на конструктивную проработку, управление техническими рисками и формулирование программы WFIRST выдали $56 млн. В дальнейшем денег не жалели, пытаясь ускорить ход работ: в 2015 году вместо запрашиваемых $14 млн конгресс США выдал $56 млн, в 2016 НАСА просило те же $14 млн, но получило $90 млн.
Заняться было чем: перед Science Definition Team поставили задачу написать новый план Design Reference Mission, но теперь для оптики с 2,4-метровым зеркалом (стр. 19). Первый отчёт WFIRST AFTA Final опубликован в мае 2013 года. В нём рекомендуется аппарат массой 4,5 тонны для запуска на ракете-носителе «Атлас-5».
В отчёте 2013 года в качестве необязательной опции, которую могут не принять, описан коронограф — прибор для поиска экзопланет. Такая научная задача в отчёте NWNH тоже присутствует, но не для WFIRST. Переход на основу из шпионских спутников произошёл отчасти именно из-за возможности установить коронограф.
В следующие годы идёт планирование работы телескопа, проектирование и сертификация для полётов его систем и приборов. В том числе обсуждаются концепции будущего коронографа и пишутся научные работы. В декабре 2013 года после несколько месяцев интенсивных исследований НАСА выбирает технологии для коронографа WFIRST и начинает активно готовить их для космического полёта (стр. 5). В марте 2015 года выходит обновление проекта WFIRST-AFTA 2015, где перед словом «coronagraph» ни разу не стои́т «optional».
Фрагмент планируемого графика использования WFIRST из отчёта 2016 года. Сливовым цветом отмечены исследования с помощью коронографа
Уже через пару лет коронограф будут отстаивать как обязательный инструмент. В апреле 2017 года НАСА запросило независимую проверку хода программы. К октябрю отчёт готов. В служебной записке стоимость программы оценивается уже в $3,6 млрд — выше, чем установленная годом ранее цель в $3,2 млрд. Полный отказ от коронографа сэкономил бы заветные $400 млн, но к тому моменту в НАСА такую опцию рассматривать не хотели и пообещали найти другие методы «порезать косты».
Обошлось тем, что коронограф стал не полноценным законченным прибором, а технической демонстрацией для будущих программ.
Описание принципов работы коронографа. Студия научной иллюстрации НАСА
Неудивительно, что в материалах для общественности НАСА слабо останавливается на CGI. Даже имя коверкается: сейчас обычно пишут Coronagraph Instrument, но в некоторой даже относительно новой документации (пример) кое-где проскакивает Coronagraphic Instrument.
Общая конструкция CGI. arXiv:2103.01980
Коронограф закрывает звезду, чтобы увидеть, как вращающиеся вокруг неё планеты отражают её свет. CGI не просто закрывает звезду непрозрачным диском: для затемнения небесных тел он оснащён целой комбинацией фильтров и диафрагм.
На начальных этапах предполагалось, что в аппарат установят спектрограф интегрального поля, который выдавал бы трёхмерный куб данных. В презентациях подобное упоминается, например, ещё в 2018 году (слайд 6). Из-за ограничений стоимости и сроков в CGI поставят щелевой спектрограф.
Но всё равно потребовались некоторые экспериментальные наработки, которые используются впервые и обещают на 2–3 порядка улучшить производительность относительно предыдущего поколения коронографов.
- EMCCD-матрица коронографа CCD201-20 производства британской e2v (ныне поглощена Teledyne Technologies и носит название Teledyne e2v) обладает разрешением 1024×1024 пикселя и захватывает видимый свет с минимальным уровнем шума в условиях низкого уровня света. Матрицу предоставило Европейское космическое агентство. Фильтры инструмента варьируют допустимые значения длины волны от 0,4 до 1,0 мкм.
CCD201-20, Teledyne - Специалисты JAXA изготовили высококонтрастные маски коронографа.
Презентация от октября 2021 года - Крупноформатное деформируемое зеркало производства AOA Xinetics (входит в «Нортроп Грумман») компенсирует движения и неровности других зеркал. В него встроена матрица 48×48 электрострикционных керамических актуаторов на ниобате свинца-магния. В лабораторных условиях некоторые образцы продержались 5–10 лет без отказов и помогли достичь уровень контраста ≈10−10. В телескопе стоит задача развить контраст в 10−9.
Презентация от октября 2021 года - Алгоритмы и оптическая конфигурация для регистрации волнового фронта, которые в лабораторных условиях доказали возможность коррекции малейших погрешностей.
Хотя этим технологиям ещё предстоит показать себя, у всего вышеперечисленного уже на 2021 год был уровень готовности TRL не ниже 6.
Зеркало коронографа с элементами быстрого управления, которое будет корректировать колебания ориентации обсерватории. Аналогичным образом линзы и матрицы в цифровых камерах компенсируют дрожание конечностей фотографа, чтобы даже у криворуких картинка получалась чёткой. В случае CGI чёткость нужна для того, чтобы закрыть свет далёкой звезды. НАСА
Сборка CGI началась в декабре 2021 года, поэтому НАСА порадовало публику фотографиями процесса.
Тестирование оптической скамьи CGI, сентябрь 2022 года. Большие чёрные прямоугольные элементы — замена реальных. НАСА
Сборка управляющей электроники CGI, декабрь 2022 года. НАСА
Маски фокальной плоскости CGI. Каждый из круглых компонентов содержит несколько отверстий, иногда тоньше человеческого волоса. НАСА
Цветные фильтры Color Filter Assembly для CGI. Каждый из фильтров предназначен для выделения конкретной длины волны. НАСА
Место работы
В отличие от концепции десятилетних обзоров, в отчётах 2013 и 2015 годов считалось, что размещать аппарат нужно на круговой геосинхронной орбите с наклонением 28,5 °.
В «финальном» отчёте 2015 года всё же рассмотрен запуск на гало-орбиту около точки Лагранжа L2. Для обоих вариантов перечислены достоинства и недостатки:
- На геосинхронной орбите возможно постоянно вести со спутником связь. Из L2 связь будет периодической, с перерывами, и скачивать информацию придётся по каналу до 300 Мбит/с антенн аппарата AFTA. При этом на тот момент наземные антенны сети дальней космической связи НАСА поддерживали скорости до 150 Мбит/с. Нужны некие алгоритмы сжатия и более редкие замеры научных данных.
- Для фотоматриц важно, что фон ионизирующего излучения в L2 ниже, чем во внешнем радиационном поясе магнитосферы Земли. Геосинхронная орбита находится во втором «бублике», где много захваченных магнитным полем Земли частиц.
Внешний и внутренний радиационные пояса Земли в сравнении с высотой некоторых орбит: геосинхронной, аппаратов систем спутников навигации и МКС - На геосинхронной орбите потенциально возможно провести ремонт роботом-спутником. Для этого телескоп предлагали сделать модульным, с возможностью замены компонентов.
- Земля излучает тепло, а постоянно держать аппарат в противоположном от неё направлении не получилось бы. При этом рабочая температура должна составлять 90 К (требуется регистрировать инфракрасное излучение с длиной волны до 2,5 мкм). Поскольку пассивного охлаждения недостаточно, в варианте для геосинхронной орбиты нужен механический криохладитель.
- Общая чувствительность инструментов, конструкция аппарата и ракета-носитель для запуска («Дельта-4 Хэви») совпадают в обоих вариантах.
В феврале 2016 года WFIRST выходит из категории исследований и становится реальным проектом. В документации термин «WFIRST-AFTA» больше не встречается — теперь это точно будет телескоп на основе подарка разведки США. Спутник пообещали вывести в космос в середине 2020-х с общей стоимостью проекта $3,2 млрд.
Облик WFIRST в представлении 2016 года. НАСА
Уже через полгода оценка во время прохождения Key Decision Point A выросла на $550 млн. Причин несколько: сроки сдвинулись, United Launch Alliance подняла цену на свою ракету, а НАСА навсегда отказалось от варианта с геосинхронным аппаратом в пользу размещения на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2.
Деньги и сроки
НАСА — космическое агентство, которое почти ничего не строит и крупных производственных мощностей не имеет, поскольку содержать собственные было бы накладно. НАСА выбирает исполнителей работ и заключает контракты, затем принимает изделия и эксплуатирует их. Примерно так же военная авиация не строит собственные самолёты, а закупает их, не владея средствами производства. Исторически подобный принцип сложился в США по окончании Первой мировой войны, когда усохший поток контрактов на самолёты грозил сгубить зарождающуюся авиаотрасль. Тогда государственная почта закупала почтовые пересылки воздушной почтой, чтобы помочь ситуации.
Аналогичным образом WFIRST — плод промышленности и исследовательских институтов США.
В мае 2018 года корпорация Ball Aerospace & Technologies получила контракт на сумму $113,2 млрд на производство инструмента WFI, его интеграцию в телескоп и тестирование. До этого Ball отметилась, например, шестиугольными зеркалами «Джеймса Уэбба» и оптическими системами «Хаббла».
Как и в случае с «Уэббом», инфракрасные датчики для телескопа НАСА закупило у Teledyne Scientific & Imaging. Контракт на 72 датчика за $23 млн заключили в июне 2018 года. В декабре 2021 года Teledyne отчиталась, что поставила 28 матриц H4RG-10.
За оптические системы телескопа взялась Harris (после слияния с L3 Technologies носит название L3Harris), которая и изготовила основу для «огражданенного» шпионского спутника. Контракт с НАСА подписали в декабре 2018 года. Harris и НАСА уже сотрудничали: корпорация интегрировала инструменты других подрядчиков в конструкцию «Джеймса Уэбба» и проводила длительное тестирование в криогенной вакуумной камере. Зеркало для телескопа «Роман» Harris тоже обязалась проверить в условиях пониженных температур.
Главное зеркало телескопа покрыли слоем серебра толщиной 400 нм, чтобы улучшить отражаемость инфракрасного излучения в нужном диапазоне. L3Harris, сентябрь 2020 года
В июле 2019 года Институт исследований космоса с помощью космического телескопа получил контракт на обеспечение работы центра научных операций. Сам Институт создала Ассоциация университетов по исследованию в области астрономии в 1981 году по заказу НАСА. Более тридцати лет под «космическим телескопом» из названия понимался только «Хаббл», но в 2021 году добавился «Джеймс Уэбб».
Наконец, в июле 2022 года со SpaceX заключили 255-миллионный контракт на запуск на Falcon Heavy в октябре 2026 года.
В августе 2019 WFIRST прошёл защиту эскизного проекта (preliminary design review). Но не сто́ит думать, что дальше началась спокойная, ничем не прерываемая, продолжающаяся по сей день неторопливая поступь изготовления приборов и сборки аппарата. Телескоп всерьёз пытались отменить или отложить три раза.
- Ещё в феврале 2018 года в президентском проекте бюджета на 2019 фискальный год WFIRST не профинансировали. На это немедленно отреагировало Американское астрономическое общество и блогеры. В марте конгресс США утвердил федеральный бюджет, в котором на WFIRST нашлись $312,2 млн.
Для WFIRST назначили общую стоимость проекта в $3,2 млрд, но удерживать проект в этой сумме было всё сложнее. В марте 2019 года на этапе Key Decision Point B выяснилось, что проекту в 2019 году нужно было $372 млн, на $60 млн больше реально полученного.
- В бюджете на 2020 год НАСА не запросило ни цента на WFIRST, чем фактически откладывало телескоп. Глава НАСА Джим Брайденстайн намекнул, что WFIRST возобновят, но после начала полёта «Джеймса Уэбба», путь которого по сборочным цехам и испытательным вибростендам на Земле неприятно затянулся.
В проекте федерального бюджета на 2020 год опять не предлагалось денег на WFIRST. В СМИ с сожалением мусолили идею, что эпоха космических телескопов ушла. Тем не менее конгресс вновь принял бюджет, где и увеличено финансирование «Уэбба», и нашлись деньги на WFIRST.
Сложилась закономерность: Трамп, на тот момент хозяин Овального кабинета, каждый год предлагал сократить бюджет разнообразных научных исследований на 5–10 %, а конгресс его игнорировал и одобрял увеличение на ту же сумму.
- В 2020 году ситуация повторилась: в феврале WFIRST вычеркнули из проекта бюджета на 2021 год, а в марте научное сообщество и политики призвали выдать на проект $505,2 млн. Именно такую сумму насовцы назвали как нужную, чтобы удержать проект в сроках к запуску в 2026 году. Полмиллиарда на год телескоп в итоге и получил.
При этом общая стоимость программы продолжала расти. Также в марте 2020 проект прошёл этап Key Decision Point C, где WFIRST оценили в $3,934 млрд.
Траты НАСА на астрофизику. Презентация от 2022 года
Впрочем, опасения как будто исчезли, и НАСА даже присвоило проекту имя известного человека. В мае 2020 НАСА объявило, что WFIRST переименован в честь Нэнси Грейс Роман. Как правило, полное длинное название Nancy Grace Roman Telescope почти не используют, сокращая его до Roman, Roman Space Telescope или аббревиатуры RST.
Выбор исторической фигуры не вызывает вопросов. Нэнси Роман называют «матерью „Хаббла“» — она сыграла одну из ключевых ролей в планировании этого проекта. Важна была не только её заметная научная деятельность в астрономии: Роман продвигала идею космического телескопа как внутри НАСА, так и среди политиков вне агентства.
Возможно, что «Роман» — последний «человек и телескоп». Ещё до запуска «Джеймса Уэбба» активисты раскопали, что реальный Уэбб в шестидесятых преследовал гомосексуалистов, и потребовали сменить название обсерватории. НАСА отказалось переименовывать аппарат, но в декабре 2022 года ввело политику, согласно которой космические программы нельзя называть в честь людей.
WFI
Wide Field Instrument, «широкоугольный инструмент» — это основной прибор аппарата, его «глаза». В материалах для прессы НАСА называет WFI «сердцем» телескопа «Роман».
Датчики ETU, НАСА
Сборка датчиков и сопутствующей электроники носит название Focal Plane System. Как правило, для иллюстрации WFI показывают фотографию сборки из 18 матриц инженерного образца FPS. Но вообще-то для устранения рисков были изготовлены три экземпляра:
- Engineering Design Unit (EDU), образец для проверки технических характеристик. К августу 2019 года готова научная работа, где описаны проведённые работы. EDU помог, например, выяснить нужную конфигурацию призменных компенсаторов, что снизило погрешности.
- Engineering Test Unit (ETU), образец для проведения испытаний в среде. Если судить по объявлению на стажировку в НАСА, ещё летом 2022 года на мощностях Космического центра Годдарда вели испытания ETU: на вибрацию, в термобарокамере, на совместимость с электромагнитными полями и чувствительность к ним.
- Полётный образец. Матрицы для него сертифицировали в июне 2021 года, а из того же объявления на стажировку известно, что в 2022 году шла начальная сборка полётного экземпляра и его подготовка к тестированию и сертификации. В мае 2023 года НАСА объявило, что полётный FPS закончен и готов для интеграции в WFI.
Полётный экземпляр сборки матриц WFI во время интеграции. НАСА, Крис Ганн
Описание принципов работы WFI, Студия научной иллюстрации НАСА
В FPS установлены 18 матриц H4RG-10. В названии закодированы основные характеристики:
- «H» — это HAWAII, бэкроним HgCdTe Astronomical Wide Area Infrared Imager, то есть ртутно-кадмиево-теллуридные широкоугольные инфракрасные астрономические матрицы.
- «4» означает, что матрицы захватывают 4096×4096 точек. Размер пикселя составляет 10 мкм. В «Уэббе», например, установлены H2RG, у которых разрешение в 4 раза меньше, 2048×2048.
- Поскольку в названии есть «R», с каждой стороны матриц расположены 4 ряда референсных пикселей. Чувствительны к свету только квадраты разрешением 4088×4088, поэтому общее разрешение съёмки — не 300 мегапикселей, а 288. Если вычесть зазоры между матрицами, телескоп захватывает кусочек 0,8×0,4 ° неба, и каждый пиксель — это 0,11 угловой секунды.
Матрицы подключены к относительной калибровочной системе и считывают данные по 32 каналам на частоте в 200 кГц, то есть для получения картинки нужно 3,04 секунды. Сами матрицы способны воспринимать свет до 2,5 мкм, но фильтры допускают работу от 0,48 до 2,3 мкм. В телескопе матрицы будут работать на температуре 95 К.
FPS — конечная остановка на пути света, который попадает через 2,4-метровую апертуру телескопа, проходит через череду зеркал и световой фильтр. 8 фильтров расположены на вращающемся барабане. На своём сайте НАСА приводит конфигурацию фильтров.
Длины волн, которые пропускают различные фильтры. НАСА
Также на 11-позиционном барабане предусмотрены два дисперсионных элемента для мультиобъектной спектроскопии, непрозрачная крышка для измерения темнового тока и flat-field с использованием внутренней относительной калибровочной системы Relative Calibration System. Из-за особенностей научных задач телескопа эта калибровка будет повторяться во время полёта.
Барабан Element Wheel Assembly, Ball Aerospace
Облик WFI изменился за время разработки. К примеру, в презентации 2014 года фильтров вообще предлагалось 6 с 8 позициями на барабане, а двухэлементная призма для измерения красного смещения сверхновых и их классификации изначально не предусматривалась. Мелочей много: поменяли радиаторы, механические крепления, кое-где сменили температуру работы.
Презентация от 2019 года. Конечный вариант здесь — не финальный
Финальная конструкция WFI. Презентация от 2021 года
На момент написания этого текста полётный WFI собирают для намеченных на лето 2023 года испытаний в термобарокамере, а интеграция на телескоп планируется весной 2024. Страница на сайте НАСА указывает, где находятся различные части инструмента.
Вообще, на интерактивной странице подсайта телескопа «Роман» удобно отслеживать ход работ и доставку частей космической обсерватории.
В сентябре 2021 года завершились проектные и опытно-конструкторские работы. Из-за пандемии коронавируса оценка стоимости выросла на $382 млн, до $4,3 млрд. Сдвинулся срок старта — запуск обещают не позднее мая 2027 года. Изготовление приборов и электроники НАСА планирует закончить к 2024 году, за чем последует общая сборка и тестирование аппарата в условиях, приближенных к реальным.
Масштабные проекты растягиваются на десятилетия. Пусть попытки сдержать телескоп «Роман» в обещанных сроках и бюджетах безуспешны, но теперь его подготовку уже точно не остановят.
