# NASA запустило SPHEREx: первые результаты спектроскопического обзора всего неба Источник: https://www.youtube.com/watch?v=uHSQW_BBYAc Канал: Brian Keating Опубликовано: 21.11.2025 --- Космическая миссия NASA SPHEREx успешно завершает свое первое полное картографирование всей небесной сферы в спектроскопическом диапазоне, демонстрируя беспрецедентную точность и стабильность работы оборудования. В ходе интервью профессор Калифорнийского технологического института (Caltech) Джейми Бок и астрофизик Брайан Китинг обсудили уникальную архитектуру этого скромного по размерам, но грандиозного по возможностям телескопа, а также первые научные результаты, охватывающие вопросы космологической инфляции, происхождения межзвездного льда и физики ранних галактик. ## 🛰️ Архитектура и уникальная система охлаждения SPHEREx [[JUMP:0:00]] SPHEREx представляет собой уникальную миссию, запущенную в марте, которая осуществляет спектроскопический обзор всей небесной сферы. Аппарат функционирует на низкой околоземной орбите, проходящей строго вдоль терминатора — линии, разделяющей день и ночь между полюсами Земли. Такая траектория идеальна для инфракрасных телескопов, так как позволяет постоянно удерживать солнечные панели направленными к Солнцу, защищая сам прибор. Главной визуальной и инженерной особенностью SPHEREx являются три конусообразных вложенных экрана, составляющих основу пассивной системы охлаждения. Тепловые фотоны последовательно переизлучаются и уходят в открытый космос, что позволяет охлаждать зеркала телескопа без использования жидких хладагентов или криогенных установок. В условиях низкой орбиты система обеспечивает температуру основного зеркала на уровне 62 Кельвинов, а специальная радиационная панель пятой ступени охлаждает детекторы длинноволнового диапазона до экстремальных 45 Кельвинов. Благодаря этому обсерватория работает без расходных материалов и жидких хладагентов, полностью полагаясь на естественный холод космического пространства. Вопреки масштабам решаемых задач, SPHEREx оснащен скромным зеркалом диаметром всего 20 сантиметров. Однако малая апертура компенсируется гигантским по астрономическим меркам полем зрения — $3,5^\circ \times 11^\circ$. Пространственное разрешение составляет 6 угловых секунд на пиксель, что стало осознанным компромиссом ради достижения максимальной чувствительности прибора. Оптическая система построена по трехзеркальной схеме с расщепителем луча, который разделяет свет на две фокальные плоскости. Каждая плоскость укомплектована тремя 4-мегапиксельными инфракрасными детекторами серии Hawaii. ## 🔬 Метод «постыдно простой» спектроскопии [[JUMP:4:07]] Профессор Джейми Бок назвал метод получения спектров, примененный в SPHEREx, «постыдно простым», удивившись, что ученые не додумались до него раньше в контексте масштабных космических обсерваторий. Вместо сложных, тяжелых дифракционных решеток или призм непосредственно поверх матриц детекторов установлены линейно-переменные интерференционные фильтры. Толщина напыления слоев на этих фильтрах плавно меняется, из-за чего пик пропускания длины волны непрерывно сдвигается от одного края матрицы к другому. Спектральное разрешение фильтров является умеренным и составляет от $R \sim 35$ до $130$ в зависимости от диапазона. В процессе работы маневренный космический аппарат быстро меняет ориентацию и делает серию снимков. Для получения полного спектра объекта в 102 цветовых каналах телескопу необходимо сделать 51 шаг наведения (по два снимка на позицию), при этом каждая экспозиция длится около двух минут. Примечательно, что после разработки концепции команда Caltech обнаружила, что аналогичный метод уже успешно использовался в межпланетных автоматических станциях для быстрого картографирования поверхностей планет. ## 🌌 Стратегия обзора неба и динамика орбиты [[JUMP:6:58]] Для защиты чувствительной оптики SPHEREx должен строго избегать попадания в поле зрения Земли и Солнца, что оставляет для наблюдений ограниченную полукруглую зону на небесной сфере. Телескоп выполняет экспозицию, затем смещается на один элемент разрешения (около 12 угловых минут) и делает следующий шаг. Из-за движения Земли по орбите наша планета периодически начинает заслонять рабочую зону, что требует от аппарата совершать крупные маневры перенацеливания (slew) для сброса зоны избегания. Полная картина сканирования напоминает гигантский пазл, который полностью складывается за 6 месяцев непрерывной работы, формируя цельную карту неба. Период обращения спутника вокруг Земли составляет чуть более 95 минут. Аппарат не имеет маршевых двигателей для коррекции орбиты; его траектория рассчитана таким образом, что сплюснутость Земли у полюсов заставляет орбиту естественно прецессировать, удерживая ее вдоль линии терминатора. Для точной ориентации используются исключительно гироскопы (реактивные колеса). Траектории сканирования непрерывно пересекаются на северном и южном эклиптических полюсах, благодаря чему в этих точках формируются зоны глубокого обзора с повышенной экспозицией. Все полученные данные публикуются в открытом доступе для мирового научного сообщества в течение двух месяцев с момента сбора. ## 🎈 Поиски негауссовости и тайн космической инфляции [[JUMP:9:39]] Перед SPHEREx стоят три фундаментальных вопроса: * Как началась Вселенная? * Как зародились галактики? * Где в нашей Галактике находится вода? Говоря о начале Вселенной, Джейми Бок отметил, что в первые мгновения после Большого взрыва космос прошел через стадию стремительного расширения — инфляции. Энергетический масштаб этой эпохи достигал $10^{16}$ ГэВ, что на много порядков превосходит возможности любых современных земных ускорителей частиц. Единственной лабораторией для изучения этой экзотической физики остается сама Вселенная. SPHEREx ищет ключевое свойство инфляции — так называемую локальную негауссовость ($f_{NL}$) первичных возмущений. Данные реликтового излучения (CMB), полученные спутником Planck, показывают, что распределение температурных флуктуаций практически идеально подчиняется кривой Гаусса. По мнению Бока, это удивительно, поскольку большинство астрофизических процессов в поздней Вселенной ярко выраженно негауссовы. Однако точность измерений CMB подошла к пределу «космологического шума», обусловленного двумерной природой карты реликтового излучения. Зоны повышенной и пониженной плотности материи ранней Вселенной впоследствии дали начало крупномасштабной структуре космоса, которую ученые картируют с помощью галактик. Трёхмерная карта крупномасштабной структуры содержит на порядки больше информации, чем CMB. SPHEREx планирует измерить координаты около 500 миллионов галактик с низкой точностью спектроскопического красного смещения и 15 миллионов с высокой точностью. По прогнозам команды миссии, это позволит улучшить ограничения на параметр локальной негауссовости $f_{NL}$ в 10 раз — снизив ошибку со значения 5 (у CMB) до 0,5. Как пояснил профессор Бок, однополевые модели инфляции предсказывают пренебрежимо малую негауссовость (менее 1%), тогда как многополевые модели предполагают значение $f_{NL} \sim 1$. Таким образом, новые данные помогут экспериментально исключить или подтвердить огромный пласт теоретических моделей. В качестве альтернативного метода изучения инфляции Брайан Китинг упомянул поиски реликтовых гравитационных волн через B-моду поляризации CMB на экспериментах BICEP/Keck, Simons Observatory и SPT. Данные BICEP 2018 года уже исключили несколько ранее популярных моделей инфляции на уровне более двух сигма. ## 🌌 Исследование внегалактического фонового излучения и эпохи реионизации [[JUMP:23:14]] Второй ключевой задачей миссии является изучение Эпохи реионизации (вплоть до красного смещения $z \sim 6$), когда излучение первых звезд и галактик ионизировало нейтральный водород в межгалактической среде. Пик звездообразования во Вселенной пришелся на период около 5 миллиардов лет после Большого взрыва, после чего начался спад. Вместо традиционного штучного изучения далеких галактик, требующего гигантских телескопов, SPHEREx применяет метод измерения суммарного внегалактического фонового излучения (EBL). Главная трудность этого метода заключается в наличии мощнейшего зодиакального света — солнечного излучения, рассеянного межпланетной пылью нашей Солнечной системы, которое на два порядка ярче, чем EBL. Чтобы обойти эту проблему, ученые используют тот факт, что зодиакальный свет пространственно однороден, тогда как далекие галактики демонстрируют ячеистую структуру («кружевной узор») из-за их гравитационного скучивания в гало темной материи. Анализируя пространственный спектр мощности на 102 длинах волн в глубоких полях, SPHEREx сможет зафиксировать суммарный свет даже от самых тусклых карликовых галактик, которые невозможно увидеть по отдельности. Чувствительность прибора позволяет зафиксировать характерные спектральные маркеры реионизации — Лайман-брейк (Lyman break) и Лайман-альфа скачок (Lyman alpha bump). Более того, по утверждению ученых, метод чувствителен к гипотетическим экзотическим источникам света, таким как распад частиц темной материи. ## 💧 Картирование космической воды: 10 миллионов ледяных целей [[JUMP:31:06]] Вода на Земле имеет выраженное межзвездное происхождение, причем в молекулярных облаках она существует преимущественно не в виде пара или жидкости, а в виде льда на поверхности пылинок. Этот лед играет важнейшую цементирующую роль на ранних стадиях формирования планет в протопланетных дисках. SPHEREx будет исследовать запасы воды методом абсорбционной спектроскопии: измеряя поглощение инфракрасного света фоновых звезд при его прохождении сквозь холодные газопылевые облака. На этих длинах волн вода, углекислый газ ($CO_2$), угарный газ ($CO$) и метанол оставляют четкие индивидуальные спектральные «отпечатки пальцев». Предыдущие космические телескопы смогли детально изучить лишь несколько сотен подобных объектов. SPHEREx совершит грандиозный технологический скачок, сформировав базу данных из почти 10 миллионов ледяных мишеней по всему небу с отношением сигнал/шум не менее 100 в каждом спектральном канале. ## 🚀 От сборки в Колорадо до триумфального пуска [[JUMP:35:04]] В январе текущего года полностью собранный аппарат SPHEREx был перевезен на грузовике из Болдера (штат Колорадо) на базу Космических сил США Ванденберг в Калифорнии. Маршрут пришлось прокладывать в обход Лос-Анджелеса из-за бушевавших там в то время масштабных лесных пожаров. На орбиту телескоп отправлялся на ракете Falcon 9 компании SpaceX, причем для первой ступени носителя это был уже четвертый полет. Запуск SPHEREx стал совместным (co-launch): на стандартном переходном кольце ESPA под головным обтекателем вместе с ним разместились четыре малых спутника миссии NASA PUNCH, предназначенных для исследования гелиофизики и прогнозирования космической погоды. Даже вместе они заняли лишь малую часть огромного обтекателя Falcon 9. Из-за серии технических задержек пуска интернациональной команде инженеров пришлось провести немало времени в городке Ломпок, увлекаясь дегустацией местных вин и прыжками с парашютом. Профессор Бок подчеркнул, что ключевым залогом успеха проекта стало привлечение молодых ученых и аспирантов Caltech, которые обладали уникальным опытом создания космологических приборов «от и до» в рамках своих PhD-диссертаций. Пуск прошел полностью успешно, все этапы отделения ступеней и выведения полезной нагрузки были подтверждены телеметрией. ## 📈 Первые результаты и аномалии на орбите [[JUMP:40:08]] На этапе ввода в эксплуатацию (commissioning) команда столкнулась с необходимостью дегазации оптики. Попеременное нагревание аппарата тепловым излучением Земли помогало испарять остаточную влагу с поверхностей зеркал. Чтобы предотвратить замерзание паров воды на оптических элементах, зеркала принудительно подогревали выше температуры окружающей среды, пока общая температура не упала ниже 150 Кельвинов. В итоге прибор продемонстрировал потрясающую термодинамическую стабильность на уровне 10 микрокельвинов. Реальная чувствительность обсерватории на орбите практически идеально совпала с наилучшим расчетным сценарием (CBE), подготовленным еще в 2018 году. Этому способствовала более высокая, чем ожидалось, оптическая эффективность фильтров и детекторов, что компенсировало небольшую потерю чистого времени экспозиции. В спектральных данных обнаружилась одна яркая аномалия — мощная линия излучения земного гелия в верхних слоях атмосферы. Этот фон оказался ярче всего остального астрофизического неба на данной длине волны, из-за чего чувствительность одного конкретного спектрального канала снизилась из-за фотонного шума. На остальных длинах волн телескоп ограничен исключительно естественным фотонным шумом самого неба. На первых собранных картах неба отчетливо видны Магеллановы облака, сужение плоскости Галактики на длинных волнах и диффузное свечение полициклических ароматических углеводородов (PAH) на отметке 3,3 микрона. Отдельные прямые линии на изображениях оказались артефактами свечения полярных сияний, вызванных текущим периодом высокой солнечной активности. ## ☄️ Ранняя наука и сенсационное наблюдение межзвездной кометы Атлас [[JUMP:45:39]] В рамках калибровки алгоритмов определения красных смещений команда успешно применила метод самоорганизующихся карт (SOM) и протестировала алгоритмы на выборке из 6800 галактик обзора DESI BGS, обнаружив характерный звездный континуальный выступ на длине волны 1,66 микрона. В центре глубокого поля обсерватории также оказалась знаменитая туманность Кошачий Глаз, для которой были получены подробнейшие спектральные профили линий эмиссии. Настоящим сюрпризом стало экстренное наблюдение межзвездного объекта 3I/Atlas (комета Атлас) — третьего в истории обнаруженного тела, прилетевшего в Солнечную систему по гиперболической траектории из глубокого космоса. Из-за быстрого движения кометы команде пришлось задействовать специальные дополнительные поля наблюдений для восполнения полного спектра. Анализ данных показал ошеломляющий результат: на оптических волнах объект выглядит компактным, но в инфракрасном диапазоне внезапно раскрывается гигантская кома из газообразного углекислого газа ($CO_2$), простирающаяся более чем на 300 угловых секунд. Данные полностью согласуются с наблюдениями космического телескопа JWST, однако широкое поле зрения SPHEREx позволило зафиксировать внешние масштабы комы, недоступные узкофокусному JWST. Сама комета демонстрирует уникальный химический состав — огромные объемы $CO_2$ при критически малом содержании водяного пара и угарного газа, что, по мнению ученых, говорит о сильной температурной обработке объекта в его родной звездной системе. В декабре, когда объект выйдет из-за Солнца, SPHEREx проведет его повторные наблюдения. ## 🗺️ Будущее миссии и вызовы анализа данных [[JUMP:51:13]] Базовая двухлетняя миссия SPHEREx рассчитана на создание четырех полных карт звездного неба, а публикация ключевых космологических результатов запланирована через три года после запуска. В дополнение к основным задачам запущены три наследуемые программы (legacy science): * Изучение физических свойств объектов Солнечной системы. * Анализ массивных скоплений галактик. * Исследование родительских звезд экзопланет и маломассивных звезд. Конструкция аппарата не имеет технических ограничений, препятствующих продлению его работы сверх основного срока, если NASA примет соответствующее решение. Основные трудности проекта сейчас сместились в плоскость математического анализа данных. Поскольку большинство существующих космологических инструментов оптимизировано под приближение плоского неба, команде пришлось с нуля разрабатывать сложнейшее программное обеспечение для расчета трехточечных функций спектра мощности (биспектра) непосредственно на сфере. Чтобы валидировать работу алгоритмов и исключить систематические ошибки, ученые используют массивные симуляции с искусственным инжектированием фальшивых источников по всему небу. Исследователям необходимо детально изолировать крупномасштабные инструментальные эффекты на угловых масштабах порядка $30^\circ$, чтобы гарантировать чистоту извлекаемого сигнала первозданной инфляции.