Институт внеземной физики им. Макса Планка: История и исследования

Введение

Немецкий исследовательский институт Институт внеземной физики имени Макса Планка является частью Общества Макса Планка и расположен в Гарчинге, недалеко от Мюнхена, Германия. В 1991 году Институт физики и астрофизики имени Макса Планка разделился на Институт внеземной физики имени Макса Планка, Институт физики имени Макса Планка и Институт астрофизики имени Макса Планка. Институт внеземной физики имени Макса Планка был основан как филиал в 1963 году. Научная деятельность института в основном посвящена астрофизике с использованием телескопов, работающих в космосе. Значительная часть ресурсов направлена на изучение черных дыр в галактике Млечный Путь и в далекой Вселенной.

История

Институту Макса Планка по внеземной физике (MPE) предшествовал отдел внеземной физики при Институте Макса Планка по физике и астрофизике. Этот отдел был основан профессором Реймаром Люстом 23 октября 1961 года. Решением Сената Макса Планка от 15 мая 1963 года этот отдел был преобразован в подинститут Института физики и астрофизики Макса Планка. Профессор Люст был назначен директором института. Окончательно, решением Сената от 8 марта 1991 года, MPE был учрежден как самостоятельный институт в составе Max Planck Gesellschaft. Его деятельность посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию космического пространства за пределами Земли, а также астрофизических явлений.

Подробная история

Институту Макса Планка по внеземной физике (MPE) предшествовал отдел внеземной физики в Институте Макса Планка по физике и астрофизике. Этот отдел был основан профессором Реймаром Люстом 23 октября 1961 года. Резолюция Сената Макса Планка преобразовала этот отдел в подинститут Института физики и астрофизики Макса Планка 15 мая 1963 года. Профессор Люст был назначен директором института. 8 марта 1991 года Сенат принял еще одно постановление, в котором окончательно учредил MPE как автономный институт в рамках Общества Макса Планка. Институт занимается экспериментальным и теоретическим изучением космического пространства за пределами Земли и астрофизических явлений. Постоянная переориентация на новые, перспективные области исследований и привлечение новых сотрудников обеспечивают устойчивое развитие. Среди 29 сотрудников института, работавших на момент его основания в 1963 году, было 9 ученых и 1 аспирант. Двенадцать лет спустя, в 1975 году, штат увеличился до 180 человек, включая 55 ученых и 13 аспирантов, а сегодня (по состоянию на 2015 год) в институте работает около 400 сотрудников (130 ученых и 75 аспирантов). Стоит отметить, что число постоянных должностей в институте не увеличивалось с 1973 года, несмотря на выдающиеся научные достижения. Растущие задачи и международные обязательства в основном выполняются сотрудниками с ограниченным сроком контракта и финансируемыми внешними организациями. Благодаря лидерству в астрономии на международном уровне, институт привлекает ученых-гостей со всего мира. Количество долгосрочных гостей увеличилось с 12 в 1974 году до максимума в 72 человека в 2000 году. В последние годы MPE принимает в среднем около 50 ученых-гостей ежегодно. В первые годы научная работа в институте была сосредоточена на исследовании внеземной плазмы и магнитосферы Земли. Эта работа проводилась с использованием измерений частиц и электромагнитных полей, а также специально разработанной методики ионных облаков с помощью зондирующих ракет. Важной стала и другая область исследований: астрофизические наблюдения электромагнитного излучения, которое невозможно наблюдать с поверхности Земли из-за поглощения излучения атмосферой Земли. Эти наблюдения и выводы из них являются предметом инфракрасной астрономии, а также рентгеновской и гамма-астрономии. Помимо более чем 100 ракет, для проведения экспериментов на больших высотах использовалось все большее количество стратосферных шаров (на данный момент более 50; например, HEXE). С 1990-х годов спутники стали предпочтительной платформой для наблюдений благодаря их выгодному соотношению времени и стоимости. Тем не менее, для получения данных также используются высотные самолеты и наземные телескопы, особенно для оптических и ближних инфракрасных наблюдений. Новые методы наблюдений с использованием спутников потребовали записи, обработки и доступного хранения больших объемов данных в течение длительного времени. Эту сложную задачу выполняет группа обработки данных, которая быстро росла в последнее десятилетие. Для крупных спутниковых проектов были созданы специальные центры обработки данных. Наряду с многочисленными успехами были и разочарования. Неисправности ракет-носителей "Ариан" при испытательных запусках в 1980 и 1996 годах стали особенно болезненными неудачами. Спутник "Firewheel", в который многие сотрудники института вложили годы работы, был потерян 23 мая 1980 года из-за горения и нестабильности на первой ступени ракеты-носителя. Та же участь постигла четыре спутника миссии CLUSTER 4 июня 1996 года, когда был запущен первый Ariane 5. В этот раз катастрофа была связана с ошибкой в программном обеспечении ракеты. Последней потерей стал "ABRIXAS", рентгеновский спутник, построенный промышленностью под руководством MPE. Через несколько часов после выхода на орбиту, сбой в системе электропитания привел к полной потере спутника. Однако с годами история MPE – это прежде всего история научных успехов. Институт был основан в 1963 году как подинститут Института физики и астрофизики Макса Планка и стал независимым институтом в 1991 году. Основные направления исследований – астрономические наблюдения в спектральных областях, доступных только из космоса из-за поглощающего эффекта атмосферы Земли, но также используются приборы на наземных обсерваториях, когда это возможно. Научная работа ведется в четырех основных областях, которыми руководят директора: оптическая и интерпретационная астрономия (Бендер), инфракрасная и субмиллиметровая/миллиметровая астрономия (Генцель), высокоэнергетическая астрофизика (Нандра) и Центр астрохимических исследований (Каселли). В этих областях ученые возглавляют отдельные эксперименты и исследовательские проекты, организованные в около 25 проектных групп. Темы исследований, проводимые в MPE, охватывают физику космической плазмы и звезд, физику и химию межзвездной среды, звездообразование и нуклеосинтез, внегалактическую астрофизику и космологию. Многие эксперименты Института Макса Планка по внеземной физике (MPE) должны проводиться выше плотной атмосферы Земли с использованием самолетов, ракет, спутников и космических зондов. В первые годы эксперименты также запускались на воздушных шарах. Для проведения передовых исследований внеземной физики и современной экспериментальной астрофизики институт продолжает разрабатывать высокотехнологичное оборудование собственными силами. Это включает в себя детекторы, спектрометры, камеры, а также телескопы и полные полезные нагрузки (например, ROSAT и eROSITA) и даже целые спутники (как в случае AMPTE и EQUATOR S). В связи с этим технические и инженерные отделы имеют особое значение для исследовательской работы института. Наблюдатели и экспериментаторы проводят свои исследования в институте в тесном контакте друг с другом. Их взаимодействие при интерпретации наблюдений и выдвижении новых гипотез лежит в основе успешного прогресса исследовательских проектов института. На конец 2022 года в институте работало в общей сложности 508 сотрудников, среди которых около 100 ученых, 60 младших научных сотрудников, 10 учеников и 140 приглашенных исследователей.

The Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) was preceded by the department for extraterrestrial Physics in the Max Planck Institute for Physics and Astrophysics. This department was established by Professor Reimar Lüst on October 23, 1961. A Max Planck Senate resolution transformed this department into a sub institute of the Max Planck Institute for Physics and Astrophysics on May 15, 1963. Professor Lüst was appointed director of the institute. Another Senate resolution on March 8, 1991, finally established MPE as an autonomous institute within the Max Planck Society. It is dedicated to the experimental and theoretical exploration of the space outside of Earth as well as astrophysical phenomena. A continuous reorientation to new, promising fields of research and the appointment of new members ensures steady advancement. Among the 29 employees of the Institute when it was founded in 1963 were 9 scientists and 1 Ph. D. student. Twelve years later in 1975 the number of employees had grown to 180 with 55 scientists and 13 Ph. D. students, and today (status 2015) there are some 400 staff (130 scientists and 75 PhD students). It is noteworthy that permanent positions at the institute have not increased since 1973 despite its celebrated scientific achievements. The increasingly complex tasks and international obligations have been mainly maintained by staff members with positions having limited duration and funded by external organizations. Because the institute has assumed a leading position in astronomy internationally, it has attracted guest scientists throughout the world. The number of long term guests increased from 12 in 1974 to a maximum of 72 in 2000. In recent years MPE has hosted an average of about 50 guest scientists each year. During the early years, the scientific work at the Institute concentrated on the investigation of extraterrestrial plasmas and the magnetosphere of the Earth. This work was performed with measurements of particles and electromagnetic fields as well as a specially developed ion cloud technique using sounding rockets. Another field of research also became important: astrophysical observations of electromagnetic radiation which could not be observed from the surface of the Earth because the wavelengths are such that the radiation is absorbed by the Earth's atmosphere. These observations and inferences therefrom are the subject matter of infra red astronomy as well as X ray and gamma ray astronomy. In addition to more than 100 rockets, an increasing number of high altitude balloons (up to now more than 50; e. g. HEXE) have been used to carry experiments to high altitudes. Since the 1990s, satellites have become the preferred observation platforms because of their favorable observation time/cost ratio. Nevertheless, high flying observation airplanes and ground based telescopes are also used to obtain data, especially for optical and near infrared observations. New observation techniques using satellites has necessitated the recording, processing and accessible storage of high data fluxes over long periods of time. This demanding task is performed by a data processing group, which has grown quickly in the last decade. Special data centers were established for the large satellite projects. Besides the many successes, there have also been disappointments. The malfunctioning of the Ariane carrier rockets on test launches in 1980 and 1996 were particularly bitter setbacks. The satellite "Firewheel", in which many members of the Institute had invested years of work, was lost on May 23, 1980, because of a burning instability in the first stage of the launch rocket. The same fate was to overtake the four satellites of the CLUSTER Mission on June 4, 1996, when the first Ariane 5 was launched. This time the disaster was attributed to an error in the rocket's software. The most recent loss was "ABRIXAS", an X ray satellite built by industry under the leadership of MPE. After few hours in orbit, a malfunction of the power system caused the total loss of the satellite. Over the years, however, the history of MPE is primarily a story of scientific successes.]] The institute was founded in 1963 as a sub institute of the Max Planck Institut für Physik und Astrophysik and established as an independent institute in 1991. Its main research topics are astronomical observations in spectral regions which are only accessible from space because of the absorbing effects of the Earth's atmosphere, but also instruments on ground based observatories are used whenever possible. Scientific work is done in four major research areas that are supervised by one of the directors, respectively: optical and interpretative astronomy (Bender), infrared and sub millimeter/millimeter astronomy (Genzel), high energy astrophysics (Nandra), and in the Centre for Astrochemical Studies (Caselli). Within these areas scientists lead individual experiments and research projects organised in about 25 project teams. The research topics pursued at MPE range from the physics of cosmic plasmas and of stars to the physics and chemistry of interstellar matter, from star formation and nucleosynthesis to extragalactic astrophysics and cosmology. Many experiments of the Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE) have to be carried out above the dense Earth's atmosphere using aircraft, rockets, satellites and space probes. In the early days experiments were also flown on balloons. To run advanced extraterrestrial physics and state of the art experimental astrophysics, the institute continues to develop high tech instrumentation in house. This includes detectors, spectrometers, and cameras as well as telescopes and complete payloads (e. g. ROSAT and eROSITA) and even entire satellites (as in case of AMPTE and EQUATOR S). For this purpose the technical and engineering departments are of particular importance for the institute's research work. Observers and experimenters perform their research work at the institute in close contact with each other. Their interaction while interpreting observations and propounding new hypotheses underlies the successful progress of the institute's research projects. At the end of the year 2022 a total of 508 employees were working at the institute, numbering among them about 100 scientists, 60 junior scientists, 10 apprentices and 140 visiting researchers.

Проекты

Научные проекты в МПЭ часто представляют собой усилия различных исследовательских отделов по созданию, поддержанию и использованию экспериментов и оборудования, необходимого для широкого спектра научных исследований в институте. Помимо проектов, связанных с аппаратным обеспечением, существуют также проекты, использующие архивные данные и не обязательно связанные с новым инструментом. Краткий обзор последних проектов. Для космического телескопа EUCLID, запущенного в июле 2023 года, с которого исследователи надеются получить новые сведения о темной материи и темной энергии, институт разработал оптическую систему NISP. Прибор GRAVITY позволяет объединить четыре 8-метровых телескопа на Очень Большом Телескопе (VLT) в Чили посредством интерферометрии, формируя виртуальный телескоп диаметром 130 метров. В настоящее время ведется разработка проекта GRAVITY Plus, который, как ожидается, достигнет еще более высокой разрешающей способности благодаря новой системе адаптивной оптики, лазерным звездам-поводырям и расширенному полю зрения. Для 39-метрового Европейского чрезвычайно большого телескопа (E-ELT), который в настоящее время строится в чилийской пустыне Атакама и планируется завершить к 2027 году, МПЭ разрабатывает инструмент для первого света MICADO (Multi AO Imaging Camera for Deep Observations). Инфракрасная камера ERIS (Enhanced Resolution Imager and Spectrograph) заменит приборы NACO и SINFONI на VLT. С помощью eROSITA (расширенный рентгеновский обзор с использованием массива изобразительных телескопов), основного инструмента российского рентгеновского гамма-спутника Spektr-RG, запущенного с Байконура в июле 2019 года, было выполнено первое полное обследование неба в рентгеновском диапазоне.