Режим одиночного телескопа


В режиме одиночного телескопа Миллиметрон будет нацелен в основном на исследование холодного вещества, участвующего в образовании звезд и планет в нашей и других галактиках, а также многочисленных атомарных и молекулярных спектральных линий.


Формирование и эволюция галактик, звезд и планетных систем.

  • поиски скрытого водорода

  • структура и кинематика плотных межзвездных облаков, филаментов звездообразования

  • механизмы образования массивных звезд

  • общие характеристики межзвездной среды в галактиках

  • структура и своства околозвездных оболочек и планетарных туманностей

  • фотометрия и спектральные наблюдения протозвезд

  • определение параметров протопланетных дисков, поиск воды

  • прямые наблюдения холодных (Т<30K) экзопланет

  • фотометрия холодных белых карликов

  • аккреционные диски в тесных двойных системах

  • космический инфракрасный фон и обзоры далеких галактик (z>1)

Излучение молекул и атомов в субмиллиметровом диапазоне возникает при гораздо более низких температурах, чем в оптическом и инфракрасном. Это позволяет исследовать холодную межзвездную среду, и, в частности, изучать содержание «скрытого водорода», практически не излучающего непосредственно и регистрируемого только по сопутствующим элементам и молекулам. Наиболее важными спектральными линиями являются переходы HD 112 мкм, CII 158 мкм, HeH+ 149 мкм, серия вращательных переходов CO.

Образование звезд связано с появлением большого количества пыли, излучающей в субмиллиметровой области. Современные данные, полученные с помощью космического телескопа Гершель, показывают, что звездообразование происходит в тонких (<0.1 пк) газо-пылевых волокнах. Параметры этих волокон до конца не определены, в частности, не выяснена роль магнитного поля в их образовании. Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо более высокое угловое разрешение, лучшая, чем у Гершеля, чувствительность, и возможность измерять поляризацию. Параметры Миллиметрона удовлетворяют этим критериям. Кроме этого, вклад Миллиметрона в исследование эволюции и формирования звезд будет связан с наблюдением более далеких областей звездообразования (в т.ч. внегалактических), что позволит исследовать начальную функцию масс звезд в более широком диапазоне.

При формировании планетных систем в протопланетных дисках наблюдения в субмиллиметровом диапазоне также позволят получить важнейшую информацию: излучение молекулы HD на длинах волн 112 и 56 мкм, OI на длине 63 мкм предположительно позволит определить массу газа в протопланетном диске. Чрезвычайно интересно определить положение «снеговой линии» – области в диске, дальше которой существует водяной лед. Для этого необходимы наблюдения линий воды, для которых земная атмосфера непрозрачна.

27 волокон, в которых происходит образование звезд в облаке IC 5146, по результатам обработки изображений, полученных на телескопе им. Гершеля. Источник: D. Arzoumanian et al., A&A 529, L6 (2011)

Поскольку звездообразование приводит к появлению пыли, галактики с активным звездообразованием имеют большую светимость в субмиллиметровом диапазоне. Это позволит Миллиметрону с его высокой чувствительнотью обнаруживать галактики на протяжении всей эпохи, когда они существуют, и составить полную картину эволюции галактик. Для выполнения этой цели необходимо проводить наблюдения как в континууме (спектральное распределение энергии), так и в спектральных линиях (CO, CII, OI и др). Ключевым параметром здесь является также и угловое разрешение. Галактик с активным звездообразованием на небе так много, что они сливаются при недостаточно высоком разрешении. Для Миллиметрона с главным зеркалом диаметром 10 м этот эффект оказывается значительно слабее, чем для Гершеля и Спики с диаметром 3.5 м. По предварительным оценкам, Миллиметрон может получить спектры не менее 100 000 галактик, и провести наблюдения в континууме для десятков миллионов галактик. Таким образом, будет получено на 3 порядка больше научной информации об эволюции галактик, чем это сделано Гершелем.


Физика и эволюция твердотельных объектов в Солнечной системе, нашей и других галактиках, проявления жизни и разума.

  • пыль в областях низкой плотности газа

  • производство пыли в областях звездообразования

  • субмиллиметровые наблюдения планет, астероидов и комет Солнечной системы

  • поиск кандидатов в сферы Дайсона

Наблюдения с помощью обсерватории Гершель и других субмиллиметровых и инфракрасных телескопов показали, что пыль существует даже в тех местах, где ее наличие ранее не предполагалось: в эллиптических галактиках, где она должна была разрушиться, на периферии дисковых галактик вдалеке от областей звездообразования. Эти открытия ставят новые вопросы о механизме возникновения и распространения пыли. Для ответов на эти вопросы необходимы новые высокочувствительные наблюдения как слабой пыли на периферии галактик, так и протозвездных и протопланетных объектов. Основным методом исследования будет построение спектральных распределений энергии, причем ключевым требованием является высокая точность калибровки, обеспечивающая малые систематические ошибки.

Возможностей Миллиметрона должно быть достаточно для регистрации излучения облака пыли массой 1 масса Солнца с расстояния 1 Мпк (при температуре облака 20К), или 10-8 масс Солнца на расстоянии 100 пк.

Космическая субмиллиметровая обсерватория даст важную информацию о свойствах тел нашей Солнечной системы, в основном это касается атмосфер планет, распределения воды и транснептуновых объектов.


Образование и эволюция сверхмассивных черных дыр, темная материя и темная энергия.

  • эффект Зельдовича-Сюняева на скоплениях галактик

  • мелкомасштабная анизотропия реликтового излучения

  • параметры активных ядер субмиллиметровых галактик

  • крупномасштабная структура Вселенной при z>2

  • гравитационное линзирование далеких галактик

  • физика джетов

Изучение скоплений галактик с помощью теплового и кинетического эффектов Зельдовича-Сюняева позволит получить ограничения на параметры космологической модели, в том числе и на параметры, характеризующие эволюцию темной энергии. Также с помощью наблюдения поляризации эффекта Зельдовича-Сюняева планируется измерить квадрупольную компоненту анизотропии реликтового излучения с точки зрения наблюдателя, находящегося в скоплении, т. е. из разных мест Вселенной. Это позволит окончательно решить «проблему квадруполя» современных измерений анизотропии реликтового излучения.

Механизм образования сверхмассивных черных дыр в центрах галактик до сих пор не установлен. По современным наблюдениям, объекты с массой миллиард масс Солнца существовали уже в первый миллиард лет эволюции Вселенной, спустя всего лишь 300-500 млн. лет после образования первых звезд. Наблюдения субмиллиметровых спектральных линий позволяют исследовать черные дыры в процессе аккреции – активные ядра галактик (АЯГ). Причем, в отличие от оптического и ближнего инфракрасного диапазонов, в которых изучение АЯГ может значительно (или даже полностью) поглощаться, в субмиллиметровом диапазоне можно получить точную оценку энергетики черной дыры. Благодаря этому Миллиметрон сможет изучить совместную эволюцию черных дыр и галактик. В отличие от предшественников, только Миллиметрону будут доступны типичные (а не рекордно яркие) объекты на протяжении практически всей эпохи эволюции галактик.

Получение спектров большого количества галактик впервые позволит построить трехмерные каталоги галактик при красных смещениях z>2 и исследовать эволюцию крупномасштабного распределения темной материи в эпоху, когда Вселенной было менее трех миллиардов лет. Миллиметрон может заполнить провал в информации по этому вопросу между эпохой рекомбинации (300 000 лет) и существующими трехмерными каталогами (3-13 млрд. лет).

Кроме режима интерферометра, важная информация о ближайших окрестностях черных дыр может быть получена и другим методом – путем наблюдений экстремального фарадеевского вращения, создаваемого сильным магнитным полем вблизи черной дыры. Такие наблюдения не требуют выского углового разрешения, и могут проводиться в режиме одиночного космического телескопа, но требуют очень высокой чувствительности (возможности выделить очень малую долю поляризованного сигнала).


Первые объекты во Вселенной, первые звезды и галактики, первичные черные дыры, кротовые норы и многоэлементная Вселенная.

  • спектральные наблюдения самых далеких галактик, поиски первых галактик, содержащих звезды поколения III

  • поиск послесвечений гамма-всплесков и определение их энергетики

  • поиск возможных проявлений первичных черных дыр, кротовых нор

Кроме режима интерферометра, важная информация о ближайших окрестностях черных дыр может быть получена и другим методом – путем наблюдений экстремального фарадеевского вращения, создаваемого сильным магнитным полем вблизи черной дыры. Такие наблюдения не требуют выского углового разрешения, и могут проводиться в режиме одиночного космического телескопа, но требуют очень высокой чувствительности (возможности выделить очень малую долю поляризованного сигнала).

Возможное обнаружение линии иона HeH+ в спектре далекого квазара с красным смещением z=6.42. Источник: I. Zinchenko, V. Dubrovich, C. Henkel “A search for HeH+ and CH in a high-redshift QSO”, MNRAS 415, L78-L80 (2011).

Гамма-всплески изучены гораздо менее, чем сверхновые. Особенно трудно исследовать всплески на больших красных смещениях (z>5), из-за того, что оптическое излучение может претерпеть сильное поглощение по дороге. Но в то же время, далекие объекты являются и самыми интересными, т. к. они могут быть связаны со взрывами гипотетических первых звезд. Субмиллиметровые наблюдения послесвечений всплесков позволяют избежать поглощения и лучше определить энергетику взрыва, а также определить точные координаты на небе для наведения мощнейших оптических телескопов. В настоящее время проведено уже более 50 подобных наблюдений. Высокая чувствительность Миллиметрона позволит наблюдать более слабые, а значит, более частые или более далекие послесвечения.

Изучение строения магнитного поля в окрестности черных дыр по фарадеевскому вращению позволит проверить эффекты, предсказываемые теорией кротовых нор и проверить существование этих объектов.