Российские ученые разработали сверхточные детекторы для изучения спектральных линий воды. С их помощью исследователи смогут понять, как это вещество образуется в межзвездном пространстве, и может ли существовать жизнь в других уголках космоса.
Иллюстрация © NASA/JPL-Caltech
Поиск жизни во Вселенной — одна из главных задач космической обсерватории «Миллиметрон». Это орбитальный телескоп с 10-метровым зеркалом, который будет исследовать пространство в терагерцовом и субтерагерцовом диапазонах (100 ГГц — 10 ТГц) электромагнитных волн. Ожидается, что обсерваторию запустят в космос в 2030 году.
Основным научным комплексом экспедиции, ориентированным на исследование жизни во Вселенной, станет высокочувствительный Спектрометр Высокого Разрешения (СВР). Уникальность прибора в том, что за счет совмещения разных типов детекторов в одном приборе появляется возможность исследовать спектральные линии молекул воды и ее изотопологов (молекул, которые отличаются по изотопному составу атомов) в очень широком диапазоне частот.
В разработке детектора участвуют сотрудники Астрокосмического центра Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, Московского педагогического государственного университета, Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МФТИ и Института астрономии РАН. Описанию разработки посвящена публикация в IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.
«Вода — это ключ к пониманию многих процессов во Вселенной. Например, она может образовываться на поверхности межзвездной пыли. Изучение этих процессов поможет понять, как вода попала на Землю и как она распространяется между различными космическими объектами», — объяснила один из авторов разработки, заместитель заведующего лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ Елена Жукова.
Одной из главных целей «Миллиметрон» станет изучение воды в протопланетных дисках — областях, где формируются планеты. Эти диски содержат лед, который может сохраняться с момента образования родительского молекулярного облака. Сравнение молекул воды на Земле и в таких областях позволит понять, как влага оказалась на нашей планете. Вместе с тем, по убеждению ученых, концентрации воды в космосе может указывать на наличие жизни.
«Вода состоит из атомов водорода и кислорода. Если молекулярного водорода в космосе много, то кислород встречается гораздо реже. И если в какой-то области пространства есть эти молекулы, значит, там может быть и вода. А значит, там может быть и жизнь. По крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем», — пояснила Елена Жукова.
Чтобы исследовать спектры воды, сообщили специалисты, в приборе выделяют семь поддиапазонов терагерцевого диапазона частот. Для измерения первых трех из них на частотах до 1,3 ТГц используют SIS-детекторы (Superconductor-Insulator-Superconductor). Это «слойки» из двух сверхпроводников и изолятора между ними. Электроны в них проходят через изолирующий барьер благодаря эффекту квантового туннелирования, при котором микрообъекты одновременно проявляют свойства частиц и волн.
«В SIS-детекторах применяют туннельный контакт. Когда на него падает излучение, электроны в сверхпроводнике переходят в возбужденное состояние. То есть получают дополнительную энергию, и у них повышается шанс “проскочить” через изолирующий барьер. Если в это время на детектор поступает сигнал от космического объекта, он взаимодействует с уже возбужденными электронами, и те туннелируют почти со стопроцентной вероятностью. Этот процесс создает ток, который можно измерить. Именно этот эффект делает SIS-детекторы такими чувствительными. Они могут улавливать даже очень слабые сигналы из космоса. Их чувствительность близка к квантовому пределу», — рассказал соавтор разработки, старший научный сотрудник Лаборатории терагерцовых приборов и технологий АКЦ ФИАН Иван Третьяков.
Вместе с тем в терагерцевом диапазоне свыше 1,3 ТГц, сообщил ученый, используют так называемые HEB смесители (Hot-Electron Bolometer) — болометры на горячих электронах. Эти устройства работают за счет разогрева электронной подсистемы в пленке сверхпроводника толщиной 3,5–4 нанометра.
Эта пленка настолько тонкая, почти двумерная. Она нагревается даже от слабого сигнала. Другими словами, когда на нее попадает слабый сигнал из космоса, она поглощает его энергии, что то приводит к сильному изменению сопротивления пленки, которое можно зарегистрировать. У таких детекторов также низкий уровень шума, что делает их идеальными для изучения слабых космических сигналов.
Как считают ученые, запуск «Миллиметрона» откроет новую эру в изучении Вселенной. С его помощью ученые смогут также изучать и другие молекулы, которые играют важную роль в эволюции космоса. Такие как угарный газ, метан и аммиак.
Благодаря этому астрофизики смогут понять, как вода и другие молекулы формируют Вселенную, как появляется жизнь и может ли она существовать в других уголках космоса.
