FAROOQ AHMED
Поскольку космические телескопы проходят модернизацию, более крупные детекторные матрицы, которые имеют улучшенную чувствительность и уменьшенный шум, принесут пользу целому ряду исследований и применений для обороны.
25 августа отмечались «сладкие 16 лет» космического телескопа «Спитцер». Запущенная в 2003 г. с запланированной основной миссией на 2,5-5 лет инфракрасная (ИК) обсерватория - последняя из Больших обсерваторий НАСА для полета - надолго пережила свой первоначальный мандат, истощив свой запас жидкого гелиевого хладагента и перейдя в «теплую миссию» в 2009 г. (Рис. 1).
Рис. 1. Космический телескоп «питцер» виден на фоне инфракрасного неба. Полоса света - это светящееся пылевое излучение из галактики Млечный Путь, видимое на расстоянии 100 мкм (как видно из миссий IRAS и COBE). Предоставлено НАСА/JPL-Caltech.
В своей недавней книге о Спитцере «Больше вещей на небесах: как инфракрасная астрономия расширяет наше представление о Вселенной» Майкл Вернер, ведущий научный сотрудник Spitzer, и Питер Эйзенхардт, старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА, подробно описывают многочисленные вклады Спитцера в астрономию. Они включают в себя: лучшее понимание планет размером с Землю в системе TRAPPIST-1; обнаружение так называемых больших детских галактик (недавно образованных галактик бóльших, чем астрономы считали возможным); самую обширную карту Млечного Пути из проекта Galactic Legacy Mid-Plane Survey Extraordinaire (GLIMPSE 360); и детали Туманности Улитки, красочные остатки солнцеподобной звезды почти в 700 световых годах от Земли, среди десятков других открытий.
«Спитцер» - не первый аппарат, обнаруживающий ИК-волны в космосе. Ему предшествовали инфракрасный астрономический спутник, запущенный в 1983 г., и инфракрасная космическая обсерватория Европейского космического агентства, запущенная в 1995 г. Однако прогресс, достигнутый в приборостроении во время разработки Спитцера (что позволило более чем в тысячу раз увеличить число пикселей на детектор, например), и результаты, полученные этими достижениями, подчеркивают необходимость работы в этом спектре в космосе (Рис. 2). Как отмечают Вернер и Эйзенхардт в своей книге, «инфракрасная часть спектра находится на передовой линии современных астрофизических исследований».
Рис. 2. На этом панорамном изображении из проекта GLIMPSE 360 (центральный ряд) видно множество звездной активности в галактической плоскости Млечного Пути, достигающей дальней стороны нашей галактики. Это изображение охватывает 9° неба. Красные облака указывают на присутствие крупных органических молекул, которые были освещены близлежащим образованием звезд. Черные пятна - плотные, скрывающие облака пыли. ИК-изображения были записаны с помощью камеры Spitzer IRAC. Любезно предоставлено НАСА/JPL-Caltech.
По словам Джованни Фацио, старшего физика Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики, есть две основные причины, по которым это происходит: «по мере расширения Вселенной объекты в космосе удаляются от нас. Видимый свет, который они излучают, растягивается - он переходит в инфракрасное излучение. Поэтому, чтобы наблюдать объекты в ранней Вселенной, мы должны наблюдать в инфракрасном диапазоне. А инфракрасные волны могут проникать сквозь пыль и другие затемняющие явления - особенно вокруг формирующихся звезд». В августе Фацио получил премию SPIE’s George W. Goddard Award в области космической и воздушной оптики на конференции SPIE Optics + Photonics в Сан-Диего.
ИК-матрицы были первоначально разработаны Министерством обороны США (МО США) для отслеживания ракет. «Первоначально астрономы использовали избыточные детекторы, которые должны были быть изменены для использования в астрономии», - сказал Фацио. «Спитцер» имеет три научных прибора: ИК-камеру (IRAC), ИК-спектрограф и многополосный фотометр для визуализации. Фацио – главный исследователь по камере Spitzer IRAC. Только две из четырех детекторные матрицы IRAC размером 256×256 пикселей, работающих на длинах волн 3,6 и 4,5 мкм, остаются работоспособными в своей теплой миссии. Они состоят из антимонида индия, в то время как детекторные матрицы длиной волны 5,8 и 8 мкм, которые больше не работают, изготовлены по технологии примесной проводимости кремния, легированного мышьяком.
«Работа в космосе также имеет преимущества перед наземными обсерваториями», - сказал Фацио. «Например, у вас есть 100% передача по всему инфракрасному спектру и миллионное снижение фонового излучения».
Прежде чем он будет выведен из эксплуатации в январе 2020 г., Spitzer будет использовать свои операционные инфракрасные детекторы, чтобы продолжать идентификацию объектов для космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в дальнейшем исследовании. Под руководством НАСА и его европейских и канадских партнеров по космическому агентству этот научный преемник Спитцера и космического телескопа Хаббл в настоящее время планируется запустить в марте 2021 г. (Рис. 3).
Рис. 3. Изображение космического телескопа Джеймса Уэбба. Любезно предоставлено Northrop Grumman.
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST)
Космический телескоп НАСА «Спитцер» представлял собой усовершенствованное поколение по сравнению со своим предшественником - инфракрасным астрономическим спутником. Кроме того, ожидается, что изощренность приборов JWST позволит обнаружить образование некоторых из самых ранних известных галактик, а также недостаточно изученные детали - не только присутствие и расположение экзопланет, но и их физическую среду. JWST имеет запланированную основную продолжительность миссии в пять лет, хотя он заправлен топливом на 10 и более лет.
ИК-матрицы были первоначально разработаны Министерством обороны США для отслеживания ракет.
JWST использует два типа детекторов: ртутно-кадмиево-теллуридные детекторы H2RG для 0,6-5 мкм БИК (ближней ИК-области спектра), изготовленные Teledyne Imaging Sensors в Камарильо, Калифорния, и легированные мышьяком кремниевые детекторы для 5-28 мкм СИК (средней ИК-области спектра), изготовленные Raytheon Vision Systems в Голета, Калифорния. Каждый детектор H2RG БИК имеет около 4 млн пикселей, в то время как детекторы СИК имеют около 1 млн пикселей каждый.
«Метод эпитаксиального роста, используемый для изготовления современных инфракрасных детекторов, дает более однородные матрицы и гораздо более высокие выходы, чем рост кристаллов антимонида индия, которые мы использовали на IRAC Спитцера», - говорит Фацио.
Кроме того, телескоп JWST имеет первичное зеркало диаметром 6,5 м, образованное 18 шестиугольными сегментами, в отличие от 85-сантиметрового зеркала в телескопе Spitzer. (Основное зеркало Хаббла имеет диаметр 2,4 м).
«Существует четкий вектор прогресса от ранних тактических инфракрасных детекторов (МО США) до космического телескопа Хаббла, Spitzer, а теперь JWST», - сказал Бернард Раушер. В качестве экспериментального астрофизика Раушер является научным сотрудником Центра космических полетов имени Годдарда для телескопа Джеймса Уэбба и выполняет функции заместителя научного сотрудника по проекту для его интегрированного научного приборного модуля (ISIM) (Рис. 4).
Рис. 4. Интегрированный научный приборный модуль космического телескопа Джеймса Уэбба опускается в телескоп, который лежит лицевой частью книзу на сборочном стенде в Центре космических полетов Годдарда НАСА. Любезно предоставлено NASA/Chris Gunn.
Хаббл наблюдает преимущественно в видимой и ближней к УФ областях спектра. JWST будет сосредоточен на ИК-области, превосходя возможности Спитцера. Раушер говорит, что детекторы JWST улучшили чувствительность и плотность пикселей и уменьшили скорость темного счета и шум считывания. Раушер назвал это «огромным прогрессом по сравнению с тем, что мы имеем в настоящее время — значительно больше диафрагма и большие области фокальной плоскости».
Научная аппаратура на ISIM включает камеру и спектрограф БИК (обнаружение длины волны 0,6-5 мкм), камеру и спектрометр СИК (обнаружение длины волны 5-27 мкм), визуализатор БИК и бесщелевой спектрограф (обнаружение длины волны 0,8-5 мкм). Космический телескоп будет расположен вблизи второй точки Лагранжа - точки гравитационного равновесия - нашей системы Земля-Солнце, напротив солнца. Из-за своего расположения JWST будет охлаждаться пятислойным, примерно 21×14-метровым изолирующим солнцезащитным щитом, хотя телескоп также использует жидкий гелиевый криоохладитель для прибора СИК. Однако разрыв в солнечном щите во время тестирования недавно вызвал задержку запуска.
Терагерцовое будущее
Мона Джаррахи - профессор электротехники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, которая в основном работает в терагерцовой области спектра. Эта область зажата между длинноволновыми микроволнами и коротковолновым ИК-излучением. Она была недостаточно изучена, потому что ее нельзя легко оценить традиционными электронными или фотонными устройствами из-за ограничений полупроводниковых приборов. Но «терагерцовый разрыв», как его называют, сокращается. По словам Джаррахи, «как фотонное, так и электронное сообщества смогли повысить производительность своих устройств, но остаются некоторые фундаментальные физические ограничения».
Терагерцовые детекторы дают ценную информацию для астрофизических исследований. Как и ИК-волны, терагерцовые волны достаточно длинные, чтобы пройти через пыль и затемняющие явления, а также вокруг формирующихся звезд. И, как отмечает Джаррахи, «терагерцовая область очень богата для обнаружения спектральных сигнатур химических веществ, важных для нашего понимания астрофизики и планетных явлений. Многие молекулы имеют уникальные сигнатуры в терагерцовой области. Например, мы могли бы исследовать, имеют ли экзопланеты сходную среду обитания с Землей».
В июле лаборатория Джаррахи объявила о разработке терагерцового детектора, который работает без криогенного охлаждения и может быть пригоден для размещения на космических телескопах следующего поколения. Обычные методы обнаружения терагерцового излучения включают смешивание терагерцовых частот с эталонными частотами и их преобразование в радиочастоты для анализа электронными устройствами. Решение Джаррахи состояло в использовании фотонного смесителя вместо электронного (Рис. 5). «Преимущество заключается в том, что в фотонике у вас нет таких ограничений пропускной способности, как у электронных устройств».
Рис. 5. Фотография и изображение на электронном микроскопе терагерцового детектора, разработанного командой Моны Джаррахи в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Любезно предоставлено Mona Jarrahi/UCLA.
Поскольку детектор Джаррахи не требует охлаждения, он потенциально освобождает космический аппарат от бремени переноса жидкого гелия. Космический телескоп «Спитцер», например, был выведен на гелиоцентрическую орбиту, а не на земную, отчасти для того, чтобы уменьшить охлаждающее вещество, необходимое для компенсации тепловой нагрузки Земли.
Джаррахи признает, что терагерцовая технология не так совершенна, как ИК-технология. Однако повсеместное распространение терагерцовых сигналов по всей Вселенной в сочетании с чувствительностью и масштабируемостью технологии ее обнаружения делает ее привлекательной. Джаррахи сейчас работает над развертыванием своей детекторной технологии для астрофизических исследований. «Как инженер, я получаю информацию от астрофизиков - в какой химии и физике они заинтересованы - и затем я собираю устройства на основании этого», - сказала она.
Устойчивость к излучению
Раушер из НАСА также работает над матрицами детекторов следующего поколения. Также на августовской конференции SPIE Optics + Photonics он подробно описал устойчивые к излучению детекторы, которые могут летать в будущих миссиях.
«Инфракрасные матрицы по своей природе устойчивы к излучению, - сказал Раушер. - Но ртуть-кадмий-теллурид будет медленно разрушаться радиацией в космосе». Вместо этого он сосредоточился на кремнии для новых детекторов. «Это очень зрелая технология, и она использовалась в ПЗС (приборах c обратной зарядной связью) на протяжении десятилетий. Вы можете достичь квантовой эффективности до 85% при 940 нм, что полезно для обнаружения водяного пара». В сотрудничестве с учеными из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Раушер занимается разработкой фотонных счетных p-каналов ПЗС. «Устойчивость к излучению происходит именно от легирующей примеси, - сказал Раушер. - Мы используем бор вместо фосфора, который традиционно используется».
В поисках темной энергии
НАСА, конечно, имеет амбициозные планы на будущие космические аппараты. В своем десятилетнем обзоре 2010 года Национальный Исследовательский Совет, созванный через Национальную Академию наук, уделил приоритетное внимание широкому полевому инфракрасному обзорному телескопу (WFIRST), который может быть запущен в середине 2020-х гг. Его детекторные матрицы в настоящее время планируются в размере 2048×2048 пикселей на длине волны 2,5 мкм. Бывший телескоп МО США WFIRST будет искать темную энергию и концептуально похож на телескоп «Евклид» Европейского Космического Агентства, который планируется запустить в 2022 г. Нынешняя администрация, однако, регулярно исключала WFIRST из своего бюджета, ставя под серьезное сомнение будущее того, что было названо «главной большой космической миссией НАСА». «К счастью, Конгресс продолжает возвращать его в бюджет», - сказал Фацио из Гарвард-Смитсоновского института.
Статья из журнала «Photonics spectra», ноябрь 2019 г.
Перевод подготовила Елена Михаленко