Спутник «Михайло Ломоносов» запущен 28 апреля 2016 года с нового российского космодрома «Восточный» на солнечно-синхронную орбиту высотой около 500 км и уже более четырех месяцев передает на Землю научную информацию. Об экспериментах, проводимых на спутнике, рассказывает Михаил Панасюк, докт. физ.-мат. наук, директор НИИЯФ МГУ, зав. отделом космических наук НИИЯФ МГУ, зав. кафедрой физики космоса физфака МГУ.
«Ломоносов», созданный учеными МГУ совместно с коллегами из других организаций, должен изучить самые экстремальные явления во Вселенной — космические лучи предельно высоких энергий (КЛПВЭ, с энергиями свыше 1019 эВ), гамма-всплески в ранней Вселенной, связанные с мощнейшими выбросами энергии в астрофизических процессах, — а также воздействие энергичных частиц в околоземном космическом пространстве на земную атмосферу. Кроме того, на борту спутника установлен прибор, позволяющий смоделировать коррекцию зрительного аппарата человека в экстремальных условиях космоса — при почти полном отсутствии гравитации.
В течение последних месяцев разработчики проводили тестирование научной аппаратуры, занимались оптимизацией программных режимов ее работы. К настоящему времени испытания аппаратуры заканчиваются, начинаются запланированные научные исследования. Интересные результаты, впрочем, получены уже в первые месяцы работы спутника в тестовом режиме. Они станут основой для планирования дальнейших экспериментов.
КЛПВЭ и транзиентные световые явления
На спутнике установлено несколько детекторов для регистрации космических частиц и излучений, созданных учеными МГУ вместе со студентами, аспирантами и преподавателями университета, и два из них — в содружестве с зарубежными коллегами. Космическая платформа для спутника разработана специалистами АО «ВНИИЭМ» на базе серийной платформы «Канопус» при самом активном участии специалистов МГУ.
Орбитальный телескоп ТУС (Трековая УСтановка) — это первый инструмент, предназначенный для регистрации треков КЛПВЭ в атмосфере Земли с борта искусственного спутника. Он регистрирует следы космических частиц — быстрые ультрафиолетовые (УФ) вспышки, возникающие при взаимодействии каскада вторичных частиц от КЛПВЭ с атомами воздуха на высотах в десятки километров. По сути, орбитальный телескоп ТУС использует атмосферу нашей планеты в качестве гигантской мишени, в которой происходит процесс взаимодействия КЛПВЭ. Тем самым удается значительно увеличить эффективную площадь обзора (по сравнению, например, с наземными установками). Кроме того, направленный в надир телескоп ТУС способен фиксировать и другие разнообразные быстрые атмосферные процессы, проявляющиеся в УФ-излучении. Среди них — и широко известные молниевые разряды, и до сих пор плохо изученные так называемые транзиентные световые явления (спрайты, эльфы, синие джеты, гигантские джеты и пр.). Уже первые выборочные измерения в тестовом режиме позволили накопить достаточно большой объем полезной информации как по атмосферным явлениям, так и по работе самого прибора на борту спутника.
В одном из режимов работы телескопа ТУС удалось зарегистрировать мощные УФ-вспышки в атмосфере Земли, которые длятся от нескольких единиц до ста миллисекунд. Как правило, многие из них связаны с грозовыми областями на средних и низких широтах и дают одновременный сигнал во всем поле зрения прибора вследствие рассеяния излучаемого свечения в облака (рис. 2).
Наиболее интересные события представляют собой сложную пространственно-временную структуру, которая подлежит дальнейшему детальному изучению. Они, видимо, относятся к классу надоблачных высокоатмосферных транзиентных световых явлений (так называемые эльфы, спрайты). Примеры таких событий приведены на рис. 3. Интересно отметить, что, по данным мировой сети радиочастотной локации молний, для некоторых из таких событий не нашлось проявлений грозовой активности в пределах области наблюдений. Этот факт может поставить под сомнение модель их генерации, связанной с интенсификацией атмосферного электричества в нижних слоях атмосферы. В ближайшее время будет произведена типологизация событий и сравнение данных с наземными сетями регистрации молний и другими экспериментами.
Подобного рода ультрафиолетовые вспышки в атмосфере Земли оказываются, с одной стороны, нежелательным фоном при выполнении основной задачи телескопа ТУС (регистрации КЛПВЭ), а с другой — представляют собой отдельную актуальную цель проводимого эксперимента — выяснение их физической природы.
Гамма-всплески и радиационные пояса Земли
При гамма-всплесках выделяется чудовищная энергия — свыше 1053 эрг/с. Это примерно столько же, сколько при взрыве сверхновой звезды, но за одну секунду. Природа гамма-всплесков (наряду с ускорением КЛПВЭ) остается одной из загадок современной астрофизики. Считается, что их источники находятся на очень далеких, так называемых космологических расстояниях и связаны с коллапсом массивных звезд. Для понимания природы гамма-всплесков очень важны одновременные наблюдения в оптическом и гамма-диапазонах. До сих пор удавалось зарегистрировать в основном лишь оптическое «послесвечение», то есть отклик межзвездной среды на проходящую через нее ударную волну, возникающую во время взрыва. «Поймать» оптическое излучение непосредственно в момент самого гамма-всплеска необычайно трудно, поскольку заранее неизвестно, из какой области Вселенной придет сигнал. «Ломоносов» — первая российская многоволновая обсерватория, способная регистрировать излучение объектов от гамма-диапазона до оптического. Для этого на «Ломоносове» установлены приборы, позволяющие измерять эмиссию излучений этих необычных явлений в широком диапазоне длин волн.
Речь прежде всего о гамма-спектрометре БДРГ (Блок Детекторов Рентген-Гамма), обеспечивающем регистрацию гамма-излучения с высоким временным разрешением и чувствительностью. При этом БДРГ выдает специальный триггерный сигнал на оптические широкоугольные мини-телескопы ШОК (Широкопольные Оптические Камеры), по которому осуществляется запоминание оптического изображения области неба, где произошел всплеск. Кроме того, этот прибор позволяет определять местоположение на небе источника гамма-всплеска и оперативно передавать информацию в мировую сеть для наведения на эту область наземных телескопов.
На сегодняшний день с помощью БДРГ зарегистрировано шесть космических гамма-всплесков космологической природы, а также пять гамма-всплесков от магнитара SGR (Soft Gamma Repeаter) 1935+2154 — быстро вращающейся нейтронной звезды с очень сильным магнитным полем (порядка 1015 Гс). Особый интерес представляет собой всплеск GRB160802, временной профиль которого показан на рис. 4. Для этого всплеска характерно наличие нескольких пиков на временном профиле, которые могут быть обусловлены сталкивающимися релятивистскими оболочками, возникшими во время взрыва. Все эти события вошли в реестр мирового каталога, созданного NASA.
Недавно коллаборация, работающая на наземной установке ICECube в Антарктиде, объявила о регистрации всплеска астрофизических нейтрино. С помощью прибора БДРГ получены оценки верхнего предела потока гамма-излучения от источника нейтрино высоких энергий, зарегистрированных в этом эксперименте.
Наряду с астрофизическими событиями прибор БДРГ зарегистрировал гамма-излучение от нескольких солнечных вспышек, а также множество высыпаний магнитосферных электронов релятивистских и субрелятивистских энергий (по тормозному рентгеновскому излучению).
Следует особо отметить начало совместных экспериментов по наблюдениям высыпаний электронов из радиационных поясов Земли «Ломоносовым» и серией аэростатных экспериментов BARREL (Balloon Array for monitoring Relativistic Electron Losses).
Международная коллаборация BARREL проводит запуск аэростатов в авроральных широтах (в настоящее время из Кируны в Швеции) для изучения физических механизмов, приводящих к потерям электронов (вплоть до релятивистских энергий) из зоны устойчивого захвата в магнитной ловушке Земли (радиационных поясов) и их взаимодействие с атмосферой нашей планеты. Идея совместных экспериментов — в измерении характеристик высыпающихся частиц одновременно на больших и малых высотах (орбита «Ломоносова» и траектории аэростатов BARREL в районе Кируны).
Измерения заряженных частиц на «Ломоносове» проводятся с помощью трех приборов — БДРГ, ДЭПРОН (Дозиметр Электронов, ПРОтонов, Нейтронов) и ELFIN-L (Electron Loss and Fields INvestigator for Lomonosov), охватывающих широкий диапазон энергий частиц радиационных поясов Земли, их спектральные и угловые характеристики высоким временным разрешением — от миллисекунд и более. В ходе совместных экспериментов BARREL и «Ломоносова» уже получены уникальные данные о тонкой временной структуре потоков высыпающихся электронов, которые могут пролить свет на выяснение природы этого уникального явления в ближнем космосе.
Наряду с решением фундаментальных космофизических задач, один из «радиационных» приборов — ДЭПРОН — обеспечивает мониторинг радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве. Благодаря двум полупроводниковым детекторам для регистрации заряженных частиц, а также двум счетчикам медленных нейтронов, это устройство позволяет регистрировать потоки протонов, электронов и нейтронов, а также мощность поглощенной дозы радиации на траектории полета «Ломоносова». Наряду с данными других приборов по мониторингу радиационной обстановки созданных в НИИ ядерной физики МГУ и установленных на других спутниках (низкоорбитальных — серии «Метеор» — и геостационарном «Электро»), данные «Ломоносова» станут важным элементом в единой системе контроля радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве.
Еще один прибор, установленный на «Ломоносове», — UFFO (Ultra Fast Flash Observatory). Он представляет собой 20-сантиметровый УФ-телескоп, работающий по принципу адаптивной оптики и управляемый по триггеру от расположенной в нем широкоугольной рентгеновской камеры. Задача рентгеновского детектора — зафиксировать направление и время появления транзиента в рентгене и по этой информации направить УФ-телескоп УФФО на его источник. В настоящее время заканчивается отработка программного обеспечения по управлению этого прибора в условиях реального полета.
Болезнь движения в условиях микрогравитации
В ходе еще одного эксперимента на борту «Ломоносова» также изучаются экстремальные явления, но уже из области космической биологии и физиологии. Прибор ИМИСС-1 («Институт Математических Исследований Сложных Систем») позволяет регистрировать и анализировать ускорения в условиях орбитального полета спутника.
Основные цели данного исследования связаны с так называемой болезнью движения в условиях микрогравитации, одним из проявлений которой становится запаздывание стабилизации взорачеловека в условиях космического полета. Бороться с описанным явлением можно путем разработки специального устройства — корректора стабилизации взора. Сигналы корректора предлагается формировать в зависимости от движения головы космонавта по показаниям инерциальных микромеханических датчиков и передавать с помощью гальванической стимуляции на первичные афферентные нейроны его вестибулярного аппарата.
В ходе эксперимента ИМИСС-1 предстоит выяснить, каким образом изменяются характеристики датчиков в условиях космического полета по сравнению с данными наземных испытаний. В настоящее время идет накопление данных для проведения статистического анализа. Предполагается получить данные об инструментальных ошибках микроакселерометров в орбитальном полете. Для этого будут использованы значения микроперегрузок для чувствительных масс при наличии данных об орбите и показаний штатных датчиков угловой скорости спутника.
Созданный в МГУ Центр космических данных продолжает получение и обработку информации спутника «Ломоносов».
Михаил Панасюк
Сайт проекта: http://lomonosov.sinp.msu.ru