Астрономы предлагают SALTUS — новый 14-метровый инфракрасный космический телескоп

Из-за размера Вселенной и ее продолжающегося расширения свет первых галактик растягивается в инфракрасном диапазоне. Этот древний свет содержит ключи к разгадке происхождения Вселенной и, как следствие, нашего происхождения. Чтобы обнаружить и расшифровать этот свет, нужен очень мощный инфракрасный телескоп. Атмосфера Земли блокирует инфракрасное излучение, поэтому астрономы используют космические инфракрасные телескопы.

Инфракрасные телескопы также хорошо подходят для наблюдения за формирующимися планетами. Плотные среды, такие как протопланетные диски, непрозрачны для большей части света, но инфракрасный свет может показать, что происходит в этих средах формирования планет. Пыль поглощает свет, затем излучает его в инфракрасном диапазоне, а также рассеивает. Это сбивает с толку оптические телескопы, но инфракрасные телескопы, такие как SALTUS, предназначены для решения этой проблемы.

Международная группа ученых призывает к созданию нового инфракрасного космического телескопа. Его предварительное название SALTUS (Single Aperture Large Telescope for Universe Studies) — Большой одноапертурный телескоп для исследования Вселенной. В новой статье астрономы обрисовывают научное обоснование SALTUS.

«Миссия SALTUS предоставит мощную направленную космическую обсерваторию в дальнем инфракрасном (дальнем ИК) диапазоне для изучения нашего космического происхождения и возможности жизни в других местах», — пишут авторы новой статьи.

Если SALTUS будет построен, он будет отличаться от телескопа Джеймс Уэбб (JWST). JWST имеет четыре прибора, которые охватывают диапазон инфракрасных частот от 600 до 28 500 нанометров, или от 0,6 до 28,5 микрон, от ближнего инфракрасного (NIR) до среднего инфракрасного (MIR). SALTUS будет охватывать диапазон от 34 до 660 мкм, что находится в дальнем инфракрасном диапазоне (FIR). Радиус действия SALTUS недоступен ни одной существующей обсерватории, космической или наземной.

Инфракрасным телескопам необходима холодная температура для работы. Они используют солнцезащитные козырьки и криогенные охладители, чтобы снизить температуру и обеспечить обнаружение ИК-излучения. Чем длиннее волна инфракрасного света, тем холоднее должен быть телескоп. Солнцезащитные козырьки пассивны и охлаждают главное зеркало, но инструменты требуют активного криогенного охлаждения, и эти системы имеют определенный срок службы, что ограничивает продолжительность миссии. В случае SALTUS базовая продолжительность миссии составляет пять лет.

По словам авторов статьи, в течение этих пяти лет SALTUS будет использовать свое 14-метровое главное зеркало и пару инструментов, чтобы открыть «новое окно во Вселенную, через которое мы сможем исследовать наше космическое происхождение».

Этими двумя инструментами являются спектрометр SAFARI-Lite (SALTUS Far-Infrared Lite ) и HiRX (приемник высокого разрешения). Используя эти инструменты, SALTUS дополнит наблюдательные возможности JWST и ALMA.

Его апертура настолько велика, что это будет единственная обсерватория в дальнем ИК-диапазоне с пространственным разрешением в масштабе угловых секунд. Одна угловая секунда определяется как возможность показать два столба, находящиеся на расстоянии 4,8 мм друг от друга на расстоянии 1 км, как отдельные столбы. «Это позволит узнать истинную природу холодной Вселенной, которая содержит ответы на многие вопросы, касающиеся нашего космического происхождения», — пишут авторы.

Большая апертура SALTUS обеспечит высокую чувствительность и направлена ​​на решение нескольких фундаментальных вопросов.

Как развивается жизнь в процессе формирования планет? Чтобы ответить на этот вопрос, SALTUS исследует углерод, кислород и азот в 1000 различных протопланетных дисках. Он будет способен распознавать многочисленные молекулярные и атомные формы, а также различные типы кристаллической решетки льда и некоторых минералов. Ни один из существующих телескопов не обладает такой способностью.

Насколько мы понимаем, жизнь «вращается» вокруг воды. Вода начинает свой путь в тех же молекулярных облаках, где формируются звезды. SALTUS будет следить за путешествием воды от молекулярного облака до протопланетных дисков, ледяных планетезималей и комет, доставляющих воду на планеты, похожие на Землю. Ключевой частью работы SALTUS будет определение соотношения дейтерия и водорода.

Как появляются и развиваются галактики? SALTUS будет измерять, как галактики формируются и приобретают большую массу. Он будет способен измерять тяжелые элементы и межзвездную пыль от первых галактик Вселенной до наших дней. Телескоп также сможет исследовать коэволюцию галактик и их сверхмассивных черных дыр.

Отслеживание эволюции пылевых частиц в галактиках в первый миллиард лет существования Вселенной является частью понимания формирования и эволюции галактик. SALTUS сможет сделать это, наблюдая за ПАУ, полициклическими ароматическими углеводородами и их спектральными линиями. Некоторые спектральные линии ПАУ очень слабы, но будут полностью видны SALTUS.

Существует причинно-следственная связь между звездообразованием и активными ядрами галактик (АЯГ), которая влияет на рост и эволюцию галактик. Но эти два явления происходят в совершенно разных пространственных масштабах, и фаза, которая их связывает, скрыта пылью. Высокое разрешение и чувствительная спектроскопия в дальнем ИК-диапазоне SALTUS дадут астрономам более четкое представление об АЯГ и о том, как они формируют галактики.

SALTUS должен будет находиться в точке Лагранжа L2. Его максимальное расстояние от Земли составит 1,8 миллиона километров. Эта орбита даст телескопу две непрерывные зоны обзора по 20° вокруг полюсов эклиптики, что приведет к полному охвату неба каждые шесть месяцев.

Концепция SALTUS разработана в соответствии с Десятилетним обзором 2020 года и Астрофизической дорожной картой НАСА. Это прямой ответ на предложение НАСА провести в 2023 году Astrophysical Probe Explorer (APEX). Вопросы, на которые телескоп поможет ответить, взяты непосредственно из этих работ.

«SALTUS обладает как чувствительностью, так и пространственным разрешением для решения не только открытых научных вопросов, но, что более важно, неизвестных вопросов, которые будут подняты в 2030-х годах», — пишут авторы в своем резюме. «SALTUS ориентирован на будущее и хорошо подходит для удовлетворения текущих и будущих потребностей астрономического сообщества».