[350x]Научный спутник "Ломоносов" позволит российским исследователям впервые в мире выполнить эксперименты по изучению экстремальных процессов во Вселенной.

Спутник «Ломоносов» — подарок Московского университета к 300–летнему юбилею своего основателя — самый крупный в космической флотилии Московского университета.
Спутник назван так не только потому, что его запуск приурочен к знаменательной дате. Цель экспериментов «Ломоносова» — исследование экстремальных физических явлений в атмосфере, ближнем космосе и во Вселенной — вписывается в одно из важнейших направлений научной деятельности первого российского академика, среди выдающихся результатов которого были работы по атмосферному электричеству и атмосферным свечениям — полярным сияниям.

Спутник «Ломоносов» предназначен для решения следующих научных задач:

-исследования космических лучей предельно–высоких энергий (свыше 1019 эВ) в районе обрезания энергетического спектра, предсказанного более сорока лет назад американским физиком К. Грейзеном и нашими физиками Г.Т. Зацепиным и В.А. Кузьминым (так называемое «обрезание ГЗК спектра космических лучей»);

-исследования космических гамма–всплесков — наиболее энергичных процессов во Вселенной — в оптическом, рентгеновском и гамма–диапазонах;

-продолжение исследований транзиентных световых явлений в верхней атмосфере (спрайты, фэйри и земные гамма–всплески), начатых в предыдущих космических проектах МГУ «Университетский–Татьяна» и Университетский–Татьяна–2»;

-исследования высыпаний частиц радиационных поясов, способных вызвать транзиентные явления в верхней атмосфере.

Вся эта проблематика находится на переднем крае современной космической физики и астрофизики. Спутник планируется вывести на орбиту в 2015 году при первом запуске с нового российского космодрома "Восточный".

О проблеме космических лучей предельно высоких энергий

В 1966 году сразу после открытия фонового космического радиоизлучения с температурой около 2,7 К, оставшегося после Большого взрыва, положившего начало существованию нашей Вселенной, в работах К. Грейзена, Г.Т. Зацепина и В.А. Кузьмина было показано, что в области энергии 5*1019 эВ может существовать обрыв энергетического спектра комических лучей за счет взаимодействия протонов и ядер космических лучей с фотонами «реликтового» излучения. Обнаружение такого «обрыва» спектра указывало бы на то, что источники космических лучей столь высоких энергий находятся на космологических расстояниях, значительно превышающих 100 Мегапарсек. Такое предсказание вызвало огромный интерес к изучению космических лучей самых высоких (предельных) энергий. Основной поток частиц с такими ультравысоких энергиях, как 1019 эВ и более, создают природные ускорители, которые находятся не в нашей Галактике, а за её пределами, и являютсянесравненно более мощными. Например, при взрывах сверхновых звёзд в нашей Галактике частицы «разгоняются» до энергии порядка 1018 эВ, которая в десятки раз меньше. Как именно ускоряются частицы за пределами нашей Галактики до ультравысоких энергий, пока в точности неизвестно, но среди кандидатов на роль таких мощных ускорителей учёные рассматривают радиогалактики, испускающие мощное излучение в радиодиапазоне, ядра активных галактик, содержащих «чёрные дыры», и сталкивающиеся галактики.

[350x]Все эти источники содержат струи газа (плазмы), движущиеся с огромными скоростями, приближающимися к скорости света. Такие струи играют роль «ударных волн», необходимых для работы ускорителя. Среди кандидатов на роль источников космических лучей предельно высоких энергий самыми перспективными оказались ядра активных галактик со струями газа. Один из наиболее хорошо изученных объектов — галактика М–87 в созвездии Дева, расположенная на расстоянии около 50 миллионов световых лет от нашей Галактики. В её центре, возможно, находится «черная дыра», которая обеспечивает энергией процессы вблизи нее и, в частности, гигантскую струю плазмы, принадлежащей этой галактике.

До открытия фонового космического радиоизлучения межгалактическое пространство казалось «пустым» и прозрачным не только для электромагнитного излучения, но для частиц ультравысокой энергии. Наличие такого «радиофона» во Вселенной должно сформировать излом или гибель частиц в области предельно высоких энергий, т.е. свыше 1019 эВ. Именно этот эффект и был предсказан в работах Грейзена–Зацепина–Кузьмина, а задача экспериментов в этой области физики космических лучей — подтвердить или опровергнуть эту теорию.

Измерения энергетического спектра в области предельно высоких энергий очень трудны из–за малого количества таких частиц. Для наблюдения этих редких событий необходимо создавать сеть наземных детекторов частиц на площади в тысячи квадратных километров. Две такие установки уже построены: обсерватория Пьер Оже (Аргентина) с площадью ~3000 км2 и телескопическая установка в штате Юта (США) с площадью ~700 км2. Пока экспозиция этих установок недостаточна для окончательных выводов об энергетическом спектре в интересующей нас области, но экспериментальные данные обсерватории Пьер Оже подтверждают данные установки HiRes о возможном изменении энергетического спектра в области предела ГЗК. Вместе с тем современная статистика событий пока не даёт убедительных данных об обрыве спектра при предельно высоких энергиях.

На борту «Ломоносова» будет установлен орбитальный детектор для наблюдения вспышек ультрафиолетового излучения в ночной атмосфере Земли. Суть эксперимента заключается в следующем. Попадая атмосферу, космические лучи с предельно высокими энергиями будут порождать в ней вторичные частицы и, как следствие, — вспышки ультрафиолетового света. Зеркало–концентратор, основа этого телескопа, сможет «собрать» такие световые вспышки, рожденные в атмосфере космическими лучами. По числу зарегистрированных фотонов можно будет определить энергию первичной частицы и, набрав статистику таких вспышек, воспроизвести энергетический спектр первичных частиц. Таким образом, этот новый эксперимент сможет приоткрыть тайну загадочных космических лучей при предельно высоких энергиях.

Помимо вспышек в ультрафиолетовом диапазоне, вызываемых космическими лучами орбитальный телескоп, безусловно, будет регистрировать и известные по измерениям на «Татьяне» транзиентные события — тоже вспышки в ультрафиолетовом диапазоне, но связанные с атмосферным электричеством. Поскольку эти события обладают различной длительностью, их можно будет не только «разделить», но и узнать о них много нового.

О проблеме транзиентных явлений в верхней атмосфере

[350x]В проекте «Ломоносов» впервые предполагается вывод в космос зеркала–концентратора большой площади — 2 м2. Такое зеркало обладает значительно более высокой чувствительностью — с его помощью в атмосфере можно выделять и наблюдать развитие во времени вспышки транзиентов на четыре порядка менее яркие, чем регистрируемые в настоящее время с помощью видеокамер, площадь входного отверстия которых не превышает 2 см2.

Исследования транзиентов в верхней атмосфере приводят к выводу, что эти вспышки — особый вид электрических разрядов, происходящих между облаками и ионосферой, в которых может быть сконцентрирована огромная энергия (иногда до сотен гигаджоулей). Эта энергия высвобождается в виде электромагнитного излучения с различными частотами от радиодиапазона до гамма–излучения. Присутствие гамма-излучения означает, что в таких разрядах электроны ускоряются до очень высоких энергий, что нехарактерно для «обычного» электрического разряда в газе. По своей яркости и по составу излучения (в том числе и в связи с присутствием электронов высокой энергии) такие разряды имеют много общего с атмосферными эффектами атомного взрыва. Мощные потоки электронов высокой энергии на высотах 10–20 км и, возможно, нейтронов представляют большую радиационную опасность, и поэтому изучение природы «нового» типа разрядов необходимо для понимания реальной опасности полётов в условиях повышенной вероятности разряда между облаками и ионосферой.

Явление мощных разрядов между облаками и ионосферой вызывает особый интерес и по другой причине. В настоящее время нет полностью обоснованной теории разрядов нового типа. Для её создания необходимо изучать разряды не только в тот момент, когда их интенсивность максимальна, но и на начальной стадии, когда все излучения ещё слабы. Благодаря высокой чувствительности прибора научная аппаратура на спутнике «Ломоносов» впервые сможет дать сведения о начальной стадии разрядов между облаками и ионосферой.

Успех работы в значительной степени будет зависеть от комплекса аппаратуры, способной наблюдать как начальную стадию разряда, так и его наиболее энергичную (яркую) стадию. В аппаратуре спутника предусматривается постановка дополнительных приборов для изучения этой яркой стадии разряда.

О проблеме космических гамма–всплесков

[350x]Гамма–всплески, представляющие собой явление генерации кратковременных всплесков потоков космического гамма–излучения, — одно из самых загадочных на сегодня явлений природы. Несмотря на явный прогресс в понимании этого явления, их изучение остается одним из приоритетных направлений современной астрофизики. До сих пор нет полной ясности в вопросе объяснения механизмов их генерации — здесь, как и в случае космических лучей предельно высоких энергий, главной проблемой является определение самого источника (ускорителя, генерирующего фотоны). В качестве источников гамма-всплесков существующие современные модели рассматривают активные ядра галактик.

Особую важность имеют одновременные наблюдения гамма–всплесков в разных диапазонах электромагнитного спектра, в частности, в оптическом и гамма диапазоне. Для этого применяются оптические камеры широкого поля и детекторов рентгеновского и гамма–излучения. До сих пор в оптическом диапазоне наблюдалось в основном так называемое послесвечение — отклик среды на взрыв в источнике всплеска, а в случае одновременной регистрации всплеска в оптическом и гамма–диапазонах появляется возможность получить важнейшую информацию, необходимую для понимания природы гамма–всплесков и физических процессов, протекающих непосредственно в момент максимального выделения энергии в источнике. Одновременные наблюдения гамма–всплесков с помощью оптических камер (разработка Государственного астрономического института имени П.К. Штенберга МГУ) и гамма–детекторов (разработка НИИ ядерной физики МГУ) также помогут ответить на вопрос о доле среди регистрируемых событий так называемых «тёмных гамма–всплесков», т.е. не сопровождающихся оптическим свечением.

Другой прибор, который также устанавливается на борту «Ломоносова» с целью изучения природы гамма–всплесков, — это ультрафиолетовый детектор. Данные этого прибора предоставят нам сведения об ультрафиолетовом и рентгеновском излучении, сопровождающем гамма всплески. Это дополнительная и весьма важная информация, которая поможет нам приоткрыть дверь к пониманию природы этого космического феномена.

Таким образом, на борту «Ломоносова» устанавливается три прибора, направленных на изучение гамма–всплесков в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения — от оптического до гамма лучей.

Следует отметить, что мониторные наблюдения всего неба в оптическом диапазоне, планируемые к реализации на борту «Ломоносова», позволяют проводить исследования, имеющие важный прикладной характер. Среди них слежение за потенциально опасными астероидами и крупными метеоритами, крупными фрагментами «космического мусора», а также другими объектами искусственного происхождения, появляющимися в околоземном пространстве и представляющими потенциальную угрозу космическим полётам и наземной инфраструктуре.

О проблеме изучения радиационного излучения Земли

[350x]Околоземное пространство заполнено энергичными частицами различной природы. Это галактические космические лучи, солнечные частицы и частицы радиационных поясов Земли (более подробно см. выше).

В проекте «Ломоносов» было решено сосредоточиться на изучении в основном энергичной радиации и, в частности, релятивистских электронов. Проблема генерации электронов релятивистских электронов продолжает быть актуальной как фундаментальной точки зрения (источники, механизмы ускорения), так и с прикладной (прогноз воздействия этих частиц на бортовую электронику и материалы космических аппаратов). Кроме того, существует еще один важный аспект этой проблематики околоземной космической физики — изучение их воздействия на земную атмосферу, которое связано с высыпанием частиц из геомагнитной ловушки — радиационных поясов. Это явление и является центральным в планирующихся экспериментах на «Ломоносове».

Дело в том, что «появление» частиц космического происхождения в верхних слоях атмосферы может инициировать физические условия, способствующие появлению высотных электрических разрядов, которые, в свою очередь, могут создать спрайты, эльфы и земные гамма–всплески, т.е. те транзиентные явления в атмосфере, на изучение которых направлен орбитальный телескоп на «Ломоносове». Если в первоначальной модели «снизу–вверх» релятивистские электроны «выметаются» в верхние слои атмосферы, то в рамках нашего эксперимента мы предлагаем рассмотреть модель «сверху–вниз» — вторжение в атмосферу электронов, высыпающихся из радиационных поясов вниз. «Работает» ли эта модель — покажет эксперимент на «Ломоносове».

Благодаря комплексу радиационных приборов на «Ломоносове» будет осуществляться постоянный мониторинг околоземной радиации, необходимый для обеспечения безопасности космических полетов на околоземных орбитах. Вместе с другими спутниками с радиационными приборами, которые будут работать в космосе одновременно с «Ломоносовым», планируется создать международную систему мониторинга космической радиации, которая позволит оценивать в реальном времени степень радиационного риска на разных орбитах, существенно отличающихся по радиационным условиям.


В рамках телевизионной передачи «Наука 2.0″. Ученые НИИЯФ и команда спутника «Ломоносов» осветили основные задачи проекта.
Репортаж начинается с 17 минуты 33 секунды приложенного видео.




Официальный сайт http://lomonosov.sinp.msu.ru/
Информация на сайте МГУ http://www.msu.ru/lomonosov/science/sputnik.html