Зачем швейцарские ученые ищут лёд на кометах?

Николас Томас (Nicolas Thomas), профессор экспериментальной физики Бернского университета. SWI

Зачем швейцарские ученые ищут лёд на кометах? Если мы хотим понять, как возникла солнечная система, то тогда это вполне осмысленная инвестиция в понимание нашего места в мироздании. С этой целью два астрофизика из Бернского университета применяют инновационные приборы, полагая, что ключ к разгадке этой тайны находится во льду, образующемся в пылевом слое комет.

В этой небольшой лаборатории в Бернском университете необычно шумно. Сегодня тут работает вибростенд, с помощью которого ученые проверяют разработанные ими приборы на прочность и сопротивляемость внешним вибрационным воздействиям. Впрочем, пока вибростенд проверяет выброшенный домашний компьютер, который некоторое время еще сопротивляется, но потом сдаётся: пластиковые детали ветерана компьютерной революции разлетаются в разные стороны.

«Когда эта штука поднимается»

Николас Томас (Nicolas Thomas) находится в соседнем помещении и наблюдает за происходящим через окно с бронированным стеклом. Профессор экспериментальной физики Бернского университетаВнешняя ссылка, он прекрасно понимает, какие гигантские силы воздействуют на технические устройства и на людей во время запуска ракеты-носителя. В 2016 году он присутствовал на Байконуре во время запуска в околоземное пространство системы фотокамер Cassis, в создании которой он сыграл ключевую роль.

«Я находился примерно в четырех или пяти километрах от места запуска, но это был незабываемый опыт. Когда эта штука поднимается, тебя начинает просто всего трясти, и ты думаешь невольно, бедные приборы, переживут ли они всё это!». Но ведь и это еще не всё: после старта ракета попадает в вакуум околоземного пространства, потом прибору приходится пережить резкое силовое воздействие в результате расстыковки спутника и ракеты, а в итоге прибор становится объектом воздействия космической радиации.

Вместе с кандидатом астрофизических наук Линусом Штёкли (Linus Stöckli) Николас Томас разработал новый тип приборов, который они хотели бы использовать во время будущего полета космического зонда к какой-то из известных комет. С его помощью они надеются обнаружить лёд под пылевыми наслоениями на поверхности кометы, а это сможет рассказать нам кое-что новое о процессе формирования Солнечной системы. «Изучая поверхность кометы, по крайней мере те несколько сантиметров, что находятся под ее поверхностью, мы имеем шанс хотя бы немного сфокусировать все те знания, которые у нас есть на предмет процесса формирования Солнечной системы», — говорит Николас Томас.

Кометы, скорее всего, являются своего рода строительным мусором, оставшимся после завершения процесса формирования Солнечной системы, они позволяют ученым заглянуть во время сразу после рождения Солнца. Анализ состава водяного льда могут дать дополнительные сведения о химическом составе пылевой туманности, из которой, собственно, и сформировалась Солнечная система. В ноябре 2014 года европейский космический зонд «Розетта», в создании которого принимал участие и Бернский университет, смог приземлиться, хоть и не без проблем, на комету 67P/Чурюмова-Герасименко. Это значит, что и вторая такая миссия тоже технически возможна.

Прогресс похож на стиральную машину

Нужны только новые приборы и датчики, ведь с тех пор прошло уже 10 лет, а прогресс не стоит на месте. Линус Штёкли показывает нам устройство, похожее на стиральную машину. Внутри специальной вакуумной камеры он поместил обычный спектрометр, купленный в магазине. С его помощью он в тестовом порядке пытается расшифровать состав различных смесей пыли и льда, с тем чтобы выяснить, как именно происходит соединение льда и пылевых частиц. Вопрос прост: можно ли таким образом отличить пыль ото льда? «Если мы сможем добиться этого, то у нас появится возможность разработать новый прибор, который и можно будет потом отправить в космос», — говорит Линус Штёкли.

Вместе с кандидатом астрофизических наук Линусом Штёкли (Linus Stöckli, на фото) Николас Томас разработал новый тип приборов, который они хотели бы использовать во время будущего полета космического зонда к какой-то из известных комет. SWI

Имеющийся в продаже обычный спектрометр для этого не подходит, астрофизикам требуется создать прибор малогабаритный и прочный, чтобы он помещался, например, на посадочной платформе зонда и был в состоянии выдержать все те отнюдь не курортные условия, царящие в космосе. Свою ставку бернские ученые делают на терагерцовый спектрометрВнешняя ссылка, который ранее использовался для обеспечения безопасности в аэропортах и для обследования кожных покровов пациентов. Однако в проектах по освоению космического пространства такая технология ещё не применялась.

Терагерцовая спектрометрия — это технология, которая базируется на диапазоне длин волн, ставшем доступным только сейчас благодаря новым технологиям. Специальная направленная антенна будет испускать пучки фотонов, которые будут либо отражаться изучаемой поверхностью, либо проникать сквозь неё. Отраженные и зарегистрированные приемным устройством волны должны приносить с собой информацию о химическом составе грунта, находящегося в нескольких сантиметрах под поверхностью кометы. Предполагается, что эта информация и поможет нам лучше понять характер ранней стадии развития нашей Солнечной системы.

«Многообещающий характер»

Об этом нам рассказывает Карстен Гюттлер (Carsten Güttler), планетолог из университета Мюнстера, специализирующийся на теплофизике. По его словам, подход ученых университета Берна к этой проблематике носит характер «очень многообещающий». Он знаком с проектом, но сам в нём не участвует. Карстен Гюттлер считает технологию терагерцовой спектрометрии «особенно интересной, поскольку мне неизвестно пока ни об одном подобном приборе, который применялся бы в области исследования комет». Ранее с этими целями применялись обычные волны, которыми пользуются радары, и излучение в инфракрасном диапазоне. Терагерцовый диапазон волн находится как раз посередине.

Хотя радар обеспечивает лучшее проникновение под поверхность, но разрешение отраженных волн при этом очень невелико. А инфракрасное излучение, обладающее хорошим разрешением, не проникает достаточно глубоко в подповерхностный слой. Николас Томас тоже отдельно подчеркивает, что терагерцовая спектроскопия — это совершенно новая технология. «Я думаю, что это как раз одна из причин, почему мировые космические агентства так заинтересованы в ней». Но для начала нужно, по его словам, создать новое поколение приборов и провести их всесторонние лабораторные испытания. «Если вы хотите установить такой прибор на космический зонд, то вам придется предусмотреть все возможные, в том числе наихудшие, варианты и сценарии, ведь после запуска ракеты уже ничего не исправить», — говорит Линус Штёкли.

Поддерживает этот проект, выделив 1,3 млн франков на следующие три года, Государственный секретариат Швейцарии по образованию, исследованиям и инновациям (Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation SBFI, подразделение Минэкономики страны). Европейское космическое агентство (ESA) финансирует начальный этап проекта, выделив 90 000 евро.

«Швейцария демонстрирует лидерство»

Николас Томас уже разработал несколько высокотехнологичных устройств, в настоящее время работающих в космосе. Он с гордостью показывает нам фотографии, которые камера Cassis Mars посылает ему на его мобильный телефон каждые 15 минут через Европейский ЦУП в ДармштадтеВнешняя ссылка (ФРГ). «Для меня это настоящий кайф, когда я вижу самые первые данные, полученные от прибора или датчика, над которым я столько работал». По оценкам Томаса, их новый прибор сможет быть использован в какой-то из космических миссий уже в начале 2040-х годов. К тому времени он уже более десяти лет как будет на пенсии.

«С этим сложно смириться. Я имею в виду, с мыслью, что вы, вероятно, никогда не увидите результатов собственного труда. Но таков научный процесс, он „запрягает“ очень медленно, и это тоже часть моей работы». Его мотивирует шанс внести свой вклад в формирование будущего, не говоря уже о том, что новый прибор поможет укрепить позиции Швейцарии в международном сообществе стран, осваивающих космическое пространство. «Швейцария демонстрирует лидерство в этой области, и это поможет обратить на себя внимание НАСА, которое также очень заинтересовано в сотрудничестве со Швейцарией. Мы создадим этот прибор, поместим на него швейцарский флажок и скажем, что наша работа тоже является частью вселенной».

Немецкая оригинальная версия вышла под редакцией Сабрины Вайс, оригинальная русскоязычная версия подготовлена русскоязычной редакцией SWI / ап.