Воздушный шар сверхдавления, построенный студентами, путешествует по небу Земли в поисках темной материи

SuperBIT относится к новому классу бюджетных космических телескопов, переправляемых не на ракетах, а на высотных воздушных шарах.

Отредактировано 2023-25-06
Высотный аэростат SuperBIT с космическим телескопом в небе после запускаТелескоп для получения изображений на воздушном шаре сверхдавления после запуска.

Высотные воздушные шары в последнее время вызывают большой огонь. В феврале американские военные сбили воздушный шар-шпион, которым, возможно, управляло китайское правительство, и "неопознанное воздушное явление", которое, как выяснилось позже, скорее всего, было воздушным шаром для любителей.

Поэтому, когда в начале мая люди увидели еще один большой воздушный шар в южном полушарии, возникли опасения, что это может быть еще одно шпионское устройство. Вместо этого он представляет собой будущее астрономии: телескопы на воздушных шарах, которые заглядывают глубоко в космос, не покидая стратосферы.

"Мы смотрим вверх, а не вниз", - говорит Уильям Джонс, профессор физики Принстонского университета и руководитель группы НАСА по созданию телескопа Super Pressure Balloon Imaging Telescope (SuperBIT). Запущенный 15 апреля из Ванаки, Новая Зеландия, телескоп высотой почти 10 футов уже четыре раза обогнул Южное полушарие на воздушном шаре размером с футбольный стадион, сделанном из полиэтиленовой пленки. Три его бортовые камеры также сделали потрясающие снимки туманности Тарантул и галактики Антенны, которые по качеству не уступают снимкам космического телескопа Хаббл. Результаты исследования SuperBIT могут помочь ученым разгадать одну из величайших тайн Вселенной - природу темной материи, теоретически невидимого материала, о котором известно только по его гравитационному воздействию на видимые объекты.

Для исследования темной материи ученые могут использовать обсерватории нового уровня, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, полагаясь на их большие зеркала и расположение за пределами турбулентной атмосферы Земли для получения первозданных видов чрезвычайно удаленных небесных объектов. Но разработка космического телескопа и его запуск на мощной ракете обходится дорого. Например, выведение "Хаббла" на орбиту обошлось примерно в 1,5 миллиарда долларов, а запуск JWST в точку Лагранжа 2 - почти в 10 миллиардов долларов.

Для запуска SuperBIT потребовалось всего 5 миллионов долларов - снижение цены обусловлено относительной дешевизной воздушных шаров по сравнению с ракетами и более низким барьером входа для квалифицированных рабочих для создания системы.

"Всем этим управляют студенты. Именно это делает подобные проекты такими проворными и способными сделать так много при ограниченных ресурсах", - говорит Джонс, имея в виду совместную работу SuperBIT Принстона, Университета Дарема в Великобритании и Университета Торонто в Канаде. "У нас нет профессиональных инженеров или техников, работающих над проектом полный рабочий день - только аспиранты могут позволить себе роскошь посвятить проекту все свое внимание".

SuperBIT не является первым телескопом, поднятым на воздушном шаре: Эта честь принадлежит Stratoscope I, который был построен в 1957 году другой астрономической группой в Принстоне. Но SuperBIT - одна из немногих новых обсерваторий, ставших возможными благодаря 20-летним исследованиям НАСА в области так называемых воздушных шаров сверхвысокого давления. Эта работа, наконец, завершилась испытательными полетами, начавшимися в 2015 году, и новаторским запуском SuperBIT.

Традиционные воздушные шары содержат подъемный газ, который расширяется при нагревании солнцем и при изменении атмосферного давления с высотой. Это изменяет объем оболочки и, в свою очередь, плавучесть воздушного шара, что делает невозможным поддержание постоянной высоты в течение долгого времени.

Аэростаты сверхдавления поддерживают давление подъемного газа, обычно гелия, внутри основной оболочки, так что объем и плавучесть остаются постоянными днем и ночью. Затем воздушный шар использует меньший шар - баллонет - внутри или под основной оболочкой в качестве балласта, наполняя или опустошая карман сжатого воздуха для изменения высоты и эффективного управления кораблем.

Аэростат сверхдавления, на котором установлен SuperBIT, может поддерживать высоту 108 000 футов (выше, чем 99,2 процента атмосферы Земли), неся при этом полезную нагрузку в 3500 фунтов научных приборов. В отличие от JWST и других миссий, цель телескопа SuperBIT не в том, чтобы увидеть более далекие или широкие области Вселенной или обнаружить экзопланеты. Вместо этого он ищет признаки более вездесущей и загадочной сущности.

Фотография космического телескопаГалактики Антенны, каталогизированные как NGC 4038 и NGC 4039, - это две крупные галактики, столкнувшиеся на расстоянии 60 миллионов световых лет от нас в южном созвездии Корвус. Эти галактики ранее были запечатлены космическим телескопом Хаббл, рентгеновской обсерваторией Чандра и уже вышедшим из эксплуатации космическим телескопом Спитцер. НАСА/СуперБИТ

Как и "Хаббл", SuperBIT видит свет в диапазоне от видимого до ультрафиолетового, или в диапазоне длин волн от 300 до 1000 нанометров. Но если самое широкое поле зрения "Хаббла" составляет менее десятой доли градуса, то поле зрения SuperBIT шире - полградуса, что позволяет ему одновременно получать изображение более широких участков неба. И это при том, что зеркало у него меньше (полметра в диаметре по сравнению с 1,5 метрами у Хаббла).

У SuperBIT есть еще одно преимущество перед космическими телескопами. При меньшем времени от разработки до развертывания и без сложных аксессуаров, необходимых для защиты от радиации, экстремальных температур и космического мусора, команда SuperBIT смогла использовать более совершенные датчики камеры, чем на существующих космических телескопах. По словам Джонса, если широкоугольная камера Хаббла 3 содержит пару 8-мегапиксельных сенсоров, то SuperBIT - 60-мегапиксельный сенсор. Кроме того, телескоп на воздушном шаре сконструирован таким образом, что после окончания каждого полета он будет спускаться на парашюте, а это значит, что ученые смогут регулярно обновлять технологию с земли.

"Сейчас мы общаемся с SuperBIT в прямом эфире, 24 часа в сутки, в течение следующих 100 дней", - говорит Мэсси. "Он только что завершил свое четвертое путешествие вокруг света, испытав южное сияние, турбулентность над Андами и тихий холод над серединой Тихого океана". По словам Джонса, команда рассчитывает забрать систему где-то в конце августа, скорее всего, на юге Аргентины.

SuperBIT может быть только началом. НАСА уже финансирует разработку телескопа Gigapixel класса Balloon Imaging Telescope (GigaBIT), который будет иметь зеркало такой же ширины, как у Хаббла. Ожидается, что он не только будет дешевле любого космического телескопа, регистрирующего тот же спектр света, GigaBIT также будет "намного мощнее, чем все, что может быть запущено в космос в ближайшем будущем", - говорит Джонс.

Что касается того, раскроет ли SuperBIT тайну того, что такое темная материя, пока рано говорить. После нескольких полетов аспиранты должны будут изучить результаты проекта.

"Что скажут нам [данные]? Кто знает! В этом и заключается азарт, а также тайна", - говорит Мэсси. "После 2000 лет развития науки мы все еще не имеем абсолютно никакого представления о том, что представляют собой два самых распространенных типа вещества во Вселенной и как они себя ведут".