Университетский спутник «Ломоносов» ищет самые мощные ускорители во Вселенной

Проект «Ломоносов» — масштабный научно-образовательный космический проект Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, направленный на изучение экстремальных астрофизических  явлений. За время работы спутника сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ с коллегами получили новые данные о многих малоизученных физических явлениях во Вселенной и в атмосфере Земли. Результаты исследований опубликованы в таких высокорейтинговых журналах, как Journal of Cosmology and Astroparticle Physics и Space Science Reviews.

Спутник «Ломоносов» — проект МГУ имени М.В.Ломоносова — стартовал с космодрома «Восточный» в 2016 году. Основная цель спутника: исследовать космические лучи предельно высоких энергий — это частицы во Вселенной, ускоренные до самых больших значений энергии. Также ученых интересуют быстропротекающие процессы оптического, рентгеновского и гамма-диапазонов, которые происходят во Вселенной и затрагивают верхние слои атмосферы Земли. Все это — экстремальные процессы в космосе, и их исследования — актуальная проблема современной астрофизики. Помимо фундаментальных задач, спутник предназначен и для решения некоторых практических проблем. Оборудование, установленное на борту «Ломоносова» позволяет наблюдать за потенциально опасными космическими объектами: малыми небесными телами, астероидами и космическим мусором.

Космические лучи — это потоки частиц (преимущественно протонов) высоких энергий, заполняющие межзвездное пространство. Большой интерес для современной науки представляет изучение происхождения, химического состава и энергетического спектра комических лучей предельно высоких энергий (порядка 1019-1020 эВ). Наземные измерения подобных лучей очень трудны из-за малого количества таких частиц — в среднем на площадке размером 1 км² появляется лишь одна частица, причем раз в сто лет. Физики МГУ впервые провели эксперименты по регистрации лучей предельных энергий в верхних слоях атмосферы Земли при помощи телескопа, установленного на борту спутника «Ломоносов». Попадая в атмосферу, комические лучи предельно высоких энергий взаимодействуют с ней и порождают широкие атмосферные ливни — каскады вторичных частиц — и, как следствие, кратковременные мощные вспышки ультрафиолетового излучения.

Орбитальный телескоп ТУС (Трековая УСтановка) использует атмосферу Земли в качестве гигантской мишени, в которой происходит процесс взаимодействия с космическими лучами предельно высоких энергий. ТУС регистрирует ультрафиолетовые вспышки, порожденные вторичными частицами широких атмосферных дождей, а по числу зарегистрированных фотонов этих вспышек можно будет определить энергии первичных частиц. Российские ученые находятся на этапе изучения данных, собранных орбитальным телескопом за первые месяцы работы, что в дальнейшем поможет прояснить природу и механизмы ускорения частиц предельно высоких энергий.

Кроме световых вспышек, обусловленных космическими лучами предельно высоких энергий, телескоп зарегистрировал и другие быстрые атмосферные события, проявляющиеся в ультрафиолетовом диапазоне. Наибольший интерес представляют транзиентные световые явления — кратковременные, длительностью от одной до сотен миллисекунд, вспышки электромагнитного излучения, предположительно связанные с грозовыми областями в средних и нижних слоях атмосферы.

С одной стороны, такие события создают нежелательный фон при выполнении основной задачи телескопа — регистрации космических лучей предельно высоких энергий, а с другой, представляют собой отдельную актуальную задачу современной физики — выяснение физической природы транзиентных световых явлений и их связи с атмосферным грозовым электричеством.

На космическом аппарате «Ломоносов» ученые также установили комплекс аппаратуры, состоящий из трех приборов: БДРГ, ШОК и UFFO. Комплекс предназначен для изучения гамма-всплесков. Гамма-всплески — это кратковременные возрастания потока гамма-квантов до энергий, равных, по крайней мере, 109 эВ. Во время таких всплесков выделяется примерно столько же энергии, сколько при взрыве сверхновой, но за одну секунду. Эти явления считаются одними из самых мощным во Вселенной, однако при этом они слабо изучены.

Для правильного понимания природы гамма-всплесков необходимо проводить наблюдения одновременно в оптическом и гамма-диапазонах. Однако, зарегистрировать оптическое излучение в момент явления очень трудно, поскольку заранее не известно, в какой области неба оно произойдет. Оборудование на борту космического аппарата «Ломоносов» позволяет регистрировать оптическое излучение непосредственно в момент гамма-всплесков.

Прибор БДРГ (Блок Детекторов Рентген-Гамма) представляет собой три детектора гамма-квантов, оси которых перпендикулярны друг другу. Трехмерные измерения обеспечивают определение точных координат источника всплеска. При регистрации явления БДРГ передает специальный сигнал-триггер на оптические широкоугольные камеры (ШОК). При регистрации сигнала осуществляется запоминание оптического изображения области неба, где произошел всплеск, и передача информации в мировую сеть для наведения на эту область наземных телескопов.

Еще один прибор — UFFO (Ultra Fast Flash Observatory) по  специальной команде включает рентгеновский телескоп для регистрации всплеска в жестком рентгеновском диапазоне. Кроме того, UFFO быстро наводит в область локализации явления оптический телескоп. В ходе проведения экспериментов было достигнуто рекордное на сегодняшний день время наведения оптики — около одной секунды.

За период с запуска спутника до августа 2017 года «Ломоносов» зарегистрировал 20 гамма-всплесков космологического происхождения, а также гамма-всплески от магнетаров — нейтронных звезд с очень сильным магнитным полем. Данные, полученные со спутника, представляют собой уникальную информацию широкого диапазона длин волн (оптического, рентгеновского, гамма). Российские ученые утверждают, что эта информация позволит сделать большой шаг к пониманию до сих пор мало изученного явления гамма-всплесков.

«Мы осуществили коррелированные наземные и космические измерения гамма-всплеска в оптическом и гамма-диапазонах одновременно на спутнике и на наземной сети роботизированных телескопов МГУ “МАСТЕР”. При современном уровне развития космических исследований наземные гамма-обсерватории очень важны для исследований в области высоких энергий, а в космических экспериментах они являются считаются существенным их дополнением», — рассказал один из авторов статьи Михаил Панасюк, доктор физико-математических наук, директор научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В.Ломоносова.

В ходе работ по проектированию научных приборов и бортовых систем для спутника «Ломоносов» ученые использовали самые современные достижения в области электроники, ядерно-физических методик, оптических средств мониторинга и программного обеспечения. У некоторых из этих разработок нет мировых аналогов. 

«В инициативном порядке в рамках реализации проекта “Ломоносов” по программе развития МГУ специалистами МГУ создан и успешно протестирован в ходе летных испытаний космический аппарат “Ломоносов” — прообраз космического сегмента оптического мониторинга потенциально опасных объектов техногенного и природного происхождения в околоземном космическом пространстве», — добавил Михаил Панасюк.

Работу над проектом космического эксперимента «Ломоносов» выполняли специалисты, студенты и аспиранты Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына, Государственного астрономического института имени П.К. Штернберга, Научно-исследовательского института механики, Института математических исследований сложных систем  и механико-математического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова. Работа проходила в сотрудничестве с учеными из АО «Корпорация ВНИИЭМ», Объединенного института ядерных исследований, Университета Сонгюнгван (Республика Корея), Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе и из университета Пуэбла (Мексика).

Базируясь на опыте работы со спутником «Ломоносов» и на основе уже полученных результатов, ученые приступили к реализации следующего проекта под названием УНИВЕРСАТ — СОКРАТ (Система Оповещения Космической Радиационной, Астероидной и Техногенной опасности). Этот проект посвящен созданию космической группировки малых спутников для мониторинга, обнаружения и оперативного прогноза природных и техногенных космических угроз. Проект предусматривает мониторинг радиационной обстановки, электромагнитных транзиентов и потенциально опасных объектов естественного (астероиды, метеоры) и техногенного (космический мусор) происхождения. Мониторинг осуществят в режиме, близком к реальному времени в околоземном космическом пространстве, что чрезвычайно важно для оперативного оповещения о существовании угроз как для космических аппаратов, так и для человека в космосе.

Фото: Спутник "Ломоносов". Источник: Михаил Панасюк