Значимые достижения в космических исследованиях

Зачем мы вглядываемся в бездну

Современная наука о космосе развивается динамично – каждый год в мире запускаются космические аппараты, с помощью которых мы узнаем все больше новой информации. Я бы сказал, что за последние плюс-минус десять лет практически по всем основным направлениям космической науки были открыты новые горизонты. Одна из таких тем – поиск экзопланет, то есть планет, расположенных у других звезд. Буквально каждый год открывается несколько сотен таких планет, и, возможно, уже половина всех телескопов, которые работают на Земле и в космосе, заняты их изучением. Ученые каталогизируют их, пытаются определить орбиты, узнать, из чего состоят их атмосферы. И, конечно, всех интересует, есть ли на этих планетах жизнь – думаю, в течение ближайших 5-10 лет нас будут ждать открытия именно в этой области.

В астрофизике на первый план сейчас выходят методы, с помощью которых ученые исследуют характеристики ранней Вселенной. Популярность и интерес в научной среде к этой теме объясняются тем, что, узнав, как была устроена ранняя Вселенная и что было 15 миллиардов световых лет назад, мы можем лучше понять законы физики того мира, в котором мы живем.

Одна из проблем современной астрофизики, а также физики элементарных частиц – природа так называемой «темной материи». 

Думаю, что в течение ближайшего десятилетия специалистами будут получены результаты по новым физическим законам в космосе, в дальней Вселенной, в черных дырах, в нейтронных звездах, и это позволит нам продвинуть нашу физику немного дальше той черты, где сейчас находится наше понимание. А наше сегодняшнее понимание основывается на знаниях, которые, как ни удивительно, были получены еще около века назад.

Сейчас в космосе работают и российские аппараты. Один из них, научная обсерватория  «Спектр РГ» , занимается исследованием объектов далекой Вселенной – нейтронных звезд, сверхновых и черных дыр, а также галактик и скоплений галактик. Изучать такие объекты очень интересно, потому что воссоздать те процессы, что происходят в них или около них, на Земле невозможно – например, энергетика Большого адронного коллайдера абсолютно несопоставима с энергетикой «рядовой» нейтронной звезды.

Ближе к Земле

Солнечная система также остается предметом интереса науки. Например, недавно были запущены американские и европейские аппараты к Юпитеру с задачей найти признаки возможной жизни на его ледяных спутниках. Казалось бы, какая может быть жизнь на поверхности объекта, где температура не поднимается выше -150 °С – -170 °С? Но есть убедительные данные о том, что под несколькими километрами льда существует относительно теплый океан, где вполне возможна примитивная жизнь. Кстати, поиски внеземной жизни – как прошлой, так и нынешней – являются «хитом» современной космической науки.

Не отстают от зарубежных коллег и российские ученые – сейчас активно ведутся поиски возможной жизни на Марсе. Так, одним из признаков биологической активности может являться метан, содержащийся в марсианской атмосфере, особенность этого газа в том, что он очень быстро – за несколько столетий –разлагается и «вымывается» под воздействием солнечного света. Если же удалось его зарегистрировать, значит, существует «кто-то» или «что-то», что его производит. Например, бактерии. Интересно, что данные, которые поступают от разных космических аппаратов, противоречивы – одни приборы «видят» метан, другие «не видят». Но это, скорее всего, свидетельствует лишь о более сложной химии в атмосфере Марса, чем было принято считать. К 2030 году запланирована доставка марсианского грунта на Землю в китайской миссии Tianwen-3 – скорее всего, там и будет точный ответ.

Другой сюжет, по которому мы сейчас так же активно работаем, – это подготовка миссии к Венере, которая должна состоятся после 2030 года. Фокус внимания исследователей направлен на историю планеты.

Солнце находится дальше от Земли, чем Венера, но влияет на нас гораздо сильнее: активность Солнца может провоцировать изменения геомагнитной обстановки, то, что мы называем «космической погодой». Изучение солнечно-земных связей – важнейшее направление космических исследований, так как здесь возможно влияние на радиосвязь, на спутники, на космонавтов и даже на авиалайнеры.

Наблюдения космической погоды и Земли 

В начале ноября 2024 года и в конце июля 2025 года с космодрома «Восточный» в космос были выведены две пары новых российских космических аппаратов «Ионосфера-М» для исследований физических явлений в ионосфере Земли – одной из оболочек нашей планеты, в которой важную роль играют заряженные частицы. В частности, именно ионосфере мы обязаны тем, что можем общаться по всему миру с помощью коротких радиоволн, для которых ионосфера служит «отражателем».

Зачем это нужно? Для более подробного изучения состояния нашей планеты. Сейчас мы можем смотреть на Землю практически во всех возможных диапазонах спектра. Радиоволны позволяют нам определить состояние атмосферы, океана, льда; инфракрасный диапазон дает информацию о растительности. В совокупности эти данные дают нам полную картину того, что глобально происходит на Земле: как меняется климат, экосистемы, где лес заменяется пустыней, где лес наступает на тундру из-за глобального потепления, где находятся источники выбросов и «места поглощения» углекислоты СО2.

Одно из направлений активной деятельности специалистов ИКИ РАН – использование данных спутникового мониторинга для всестороннего описания процессов, происходящих на Земле, а также работы по «углеродной повестке». 

Например, создание единой национальной системы мониторинга климатически активных веществ, к которым относится и углекислый газ, стало целью важнейшего инновационного проекта государственного значения, утвержденного постановлением Правительства России. В рамках этого проекта работают сотни организаций, а наши специалисты в ИКИ – отвечают за создание именно тех методов и технологий, которые позволят использовать спутниковые данные для оперативной и глобальной оценки. Это как раз тот случай, когда вместе работают десятки институтов: те, кто занимаются лесом, климатом, космосом. Такая мультидисциплинарная задача.

Например, в одном здании с ИКИ РАН работает академический Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов им. А.С. Исаева, с которым мы активно сотрудничаем. Когда вы смотрите сверху, из космоса, вы видите много, но не совсем понимаете, что происходит в конкретной точке, тогда нам на помощь приходят коллеги, которые «выходят на местность», которую снимает спутник, и говорят, что конкретно там наблюдается. Потом строится специальная модель, где описывается, что было выявлено по «верхним» (космическим) и «нижним» (наземным) данным – особенности роста растений, почвы. Таким образом уже можно четко интерпретировать то, что видно из космоса, поэтому сотрудничество с коллегами, которые ведут наземные наблюдения, очень важно.

Вообще дистанционное зондирование Земли – одно из наиболее динамически развивающихся прикладных направлений, связанных с космосом. Благодаря именно спутниковым данным можно решить много практических задач, важных и для МЧС, и для природы, да и для повседневной жизни людей. В России очень многие научные и не только научные группы этим занимаются. Мы ежегодно уже более 20 лет в ноябре проводим конференции по этой теме, и всегда собирается по тысяче и более человек, в том числе в последние годы онлайн. Приходят и представители промышленности, которые делают спутники, создают программы для обработки данных космического зондирования. 

Крупнейший архив данных спутникового зондирования Земли в России находится в ИКИ. Это Центр коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг». На октябрь 2025 года в нем хранится более 9 петабайт данных. И, что самое главное, эти данные доступны всем, и не только сами данные, но еще и инструменты для их анализа и обработки. Более сотни организаций пользуются разработанными у нас интерфейсами для решения собственных задач. 

Рентгенограмма Вселенной

Несмотря на то что астрономия – одна из древнейших наук, вплоть до середины XX века мы видели небо только в видимом диапазоне и немного – в радио, то есть получали очень ограниченную информацию о Вселенной. Рентгеновские лучи, гамма-излучение, инфракрасные лучи и ультрафиолет – то есть большую часть электромагнитного спектра атмосфера Земли не пропускает. С 1957 г. в космос стали отправляться космические аппараты, которые, вылетев за пределы атмосферы, позволили увидеть больше – так в науке появилась внеатмосферная астрономия.

Известный всем телескоп «Хаббл», расположенный на орбите Земли, позволяет регистрировать электромагнитное излучение в видимом, отчасти ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах, а его разрешающая способность почти в 10 раз больше, чем у телескопов, расположенных в наземных обсерваториях. Телескоп «Джеймс Уэбб» работает в инфракрасном диапазоне. Телескопы, которые «видят» Вселенную в рентгеновских лучах, не так широко известны, как «Хаббл» и «Уэбб», потому что не могут дать зрителям красивую картинку. Но они «видят» рентгеновское излучение, производимое очень энергичными объектами – нейтронными звездами, черными дырами и пульсарами. В видимом диапазоне эти источники могут быть тусклыми или невидимыми. Кроме того, в рентгене очень хорошо «видны» очень далекие объекты с большим энерговыделением – например, скопления галактик, находящихся от нас в миллиардах световых лет. Так, с помощью именно рентгеновских телескопов мы можем составить самую подробную карту дальней Вселенной.

Поэтому такой проект, как российский спутник «Спектр-РГ» для изучения Вселенной, работающий с 2019 года в космосе, очень востребован. Вряд ли в ближайшие 10-15 лет будет создана подобная ему астрофизическая обсерватория. В дальнейшем его архивы будут доступны международному сообществу ученых. Еще десятки лет весь мир будет пользоваться полученными таким способом данными для своих дальнейших исследований, построения гипотез о свойствах Вселенной. Работа, которая ведется «Спектр-РГ», – это полезная работа и для настоящего, и для будущего, которая делается тихо.  

Зачем измерять плазму около Земли

Исследования околоземной плазмы важны для прогноза «космической погоды». Когда на Солнце случается вспышка и происходит выброс солнечного вещества, он может прилететь к Земле и, вступив во взаимодействие с ее магнитным полем, вызывать магнитную бурю. 

Магнитосфера Земли – это область околоземного пространства с доминированием ее магнитного поля. Если бы на нее ничего не влияло, она представляла бы собой симметричный «пузырь» вокруг планеты, но так как Земля погружена в поток «солнечного ветра», то есть солнечной плазмы, форма магнитосферы изменяется и напоминает каплю. Под воздействием истекающей от Солнца плазмы магнитосфера со стороны Солнца как бы «поджата» к Земле, а с другой стороны удлиняется и может образовывать «хвост магнитосферы» протяженностью миллионы километров. Стандартное расстояние от Земли до магнитопаузы (границы магнитосферы) в сторону Солнца составляет около 60 тысяч км, а до околоземной ударной волны – около 90 тысяч км. 

Для того чтобы измерять поток солнечной плазмы, используются специальные приборы, которые буквально регистрируют отдельные протоны и электроны, измеряют электрические и магнитные поля. Но здесь есть нюанс – в такой разреженной среде сам космический аппарат наводит помехи, что влияет на качество измерений вокруг аппарата. Поэтому разрабатываются модели и теории, как учесть эти эффекты искажения, чтобы понимать, как правильно интерпретировать те данные измерений протонов и электронов, которые получает аппарат, как пересчитывать их состояние в точке измерения так, словно там отсутствует влияние аппарата. Это, в частности, было и темой моей кандидатской диссертации. 

Но для чего же проводятся эти сложные вычисления? В том числе и для того, чтобы прогнозировать магнитные бури. Ведь магнитные бури, вызывающие северное сияние, становятся причиной радиопомех в высоких широтах, а также могут индуцировать токи в электрических сетях, вызывать сбои в различных сложных технических системах, в частности, на космических аппаратах.

Для прогноза геомагнитных возмущений предлагается поместить спутник в так называемую  точку либрации (или точку Лагранжа)  между Землей и Солнцем, на расстоянии 1,5 миллиона километров от Земли (для сравнения: расстояние от Земли до Луны составляет 383,4 тысячи км). 

Спутник, находящийся в этой точке, фиксирует, что от Солнца прилетел выброс плазмы, у этого облака плазмы есть магнитное поле, плотность и скорость. Измеряя их, спутник получает информацию о том, как скоро он достигнет Земли и какой силы помехи вызовет.

Интересно, кстати, что полярное сияние не вызывается прямым воздействием солнечной плазмы на магнитосферу нашей планеты на дневной стороне. Ранее мы говорили о том, что магнитосфера похожа на каплю – «солнечный ветер» проникает сначала в этот «хвост», а затем плазма возвращается с этой противоположной стороны в виде полярных сияний.

Вообще, в этой области очень много интересных научных и практических задач. Мы, например, пока не можем предсказать, в какой точно момент будет сияние и в какой точке, какую оно вызовет помеху в радиоэфире. Для этого нужно смотреть данные в реальном времени и учесть множество параметров, среди которых могут быть неизвестные. 

Космические технологии и международное сотрудничество

Космос – это интернационализированная область, так как представители всех стран пользуются данными с научных спутников, печатаются в международных научных журналах и посещают профильные международные конференции. Конечно, в связи с непростой геополитической обстановкой международное сотрудничество стало менее интенсивным, однако космос – общий для всех, поэтому со временем мы рассчитываем на то, что глобальное сотрудничество восстановится в полном объеме. Нельзя сказать, что оно полезнее для нас, чем для какой-то другой страны, космос настолько сложно изучать и осваивать, что сделать это «в одиночку» практически невозможно. Поэтому все разговаривают друг с другом, общаются, помогают, вдохновляют. Практически все научные космические проекты в том или ином масштабе интернациональные. 

Возьмем, к примеру, космический телескоп «Джеймс Уэбб» и посмотрим, что там использовалось. Ракета была европейская, спутник американский, какие-то приборы были сделаны в других странах. Или «Спектр-РГ» – здесь один телескоп германский, другой российский. Именно комбинация участия разных стран дает мощный импульс, ведь мы берем самое лучшее, что есть на данный момент. 

Космические приборы вчера и сегодня

У нас есть музей, 90% которого – это самые разнообразные приборы для космических исследований, в том числе сделанные 50 лет назад. Это приборы для изучения астрофизических объектов, плазмы, магнитных полей, атмосфер других планет. Некоторые из них получили статус научно-технических памятников. Это оригинальные приборы, точные копии, а вернее – запасные экземпляры тех, которые работали в космосе. Обычно создаются одновременно два экземпляра прибора, чтобы, если что-то случится с одним, можно было оперативно до запуска заменить его на другой. 

Сегодня мы продолжаем делать много аппаратуры для спутников, не только научной, но и служебной. Например, для съемок Земли из космоса, для управления спутниками, для сбора научной информации с приборов. На многих аппаратах, которые летают в космосе, стоят приборы ИКИ. У нас они проектируются, строятся, испытываются, то есть проходят полный цикл от идеи до разработки, изготовления и испытаний, а потом – работы в полете.

Но, отвлекаясь от того, что делается именно в ИКИ, есть приборы, связанные с космосом, которые многие из нас используют каждый день и даже не задумываются об этом. Например, обычный навигатор в телефоне принимает сигнал из космоса, а мы даже не замечаем, сколько раз в день или в минуту он его принимает. И, кстати, платит за все государство. И у нас, и у американцев сигналы ГЛОНАСС, GPS ничего не стоят для человека, это такой бытовой сервис от государства. Лишь бы был прибор, который может его принять, а сейчас это любой сотовый телефон. 

Молодые кадры

Космос всегда притягивал людей, и сегодня молодежь также достаточно активно стремится его изучать. Направления интересов у всех разные. Люди приходят в ИКИ, когда хотят просто «заниматься космосом», а дальше каждый смотрит и выбирает направление по себе. Кому-то нравятся черные дыры, кому-то наблюдения за лесами из космоса, кого-то занимает перспектива жить на Марсе. Конечно, первокурсники обычно не сразу понимают, что именно им интересно. Но возможностей для выбора очень много. 

Сейчас мы работаем с вузами, в первую очередь с Московским физико-техническим институтом, Высшей школой экономики, Московским государственным университетом, где у нас есть базовые кафедры, а также с Московским авиационным институтом, Московским государственным техническим университетом, Московским инженерно-физическим институтом. Мы читаем лекции, принимаем студентов на практику, руководим выпускными работами. Практически половина научных сотрудников так или иначе где-то преподает. Этим занимается научно-образовательный центр, который и музей поддерживает, и работает со школьниками. В подготовку новых кадров мы вкладываем много сил. Это не так просто, но новые люди приходят. 

Со школьниками тоже работаем. Сложно гарантировать, что школьник придет работать именно к нам после окончания вуза, но он вполне может приобщиться к науке. Кроме этого, стараемся поддерживать различные научно-популярные инициативы. Например, есть Летняя космическая школа, это недельный интенсив для школьников и студентов, который организует команда энтузиастов космонавтики. Мы предоставляем свою территорию, и несколько сотен человек сюда приходят летом и слушают лекции, занимаются, реализуют свои проекты. А еще сотрудники очень часто читают лекции, дают интервью, комментарии по самым разным темам, связанным с космосом, как сейчас. Надеемся, что благодаря этому космос станет ближе и понятнее для каждого гражданина нашей страны.