О звездах и Человеке

[skroznik]

Легенда Человечества телескоп Хаббл.
20 лет на орбите

Эдвин Пауэлл Хаббл (1889–1953) — выдающийся американский астроном, чьим именем назван космический телескоп, работающий на околоземной орбите с 1990 года

О космическом телескопе имени Э. Хаббла мир узнал 20 лет назад. С тех пор летающая вокруг Земли обсерватория остаётся одним из главных источников уникальной информации о дальних звёздах и галактиках. Вначале планировалось, что телескоп проработает на околоземной орбите 15 лет, но, по-видимому, он доживёт в рабочем состоянии до 30-летия, а может и больше, и поможет разгадать ещё не одну тайну Вселенной.

25 апреля 1990 года многоразовый космический корабль «Дискавери» вывел на околоземную орбиту высотой около 610 км уникальный аппарат — космический телескоп имени Э. Хаббла (КТХ). Его могли запустить в космос несколькими годами раньше. Однако катастрофа космического челнока «Челленджер» с семью астронавтами на борту, случившаяся 28 января 1986 года, остановила на время полёты американских многоразовых транспортных космических кораблей.

Телескоп получил имя великого американского астронома Эдвина Хаббла (1889–1953). Хаббл доказал, что во Вселенной кроме нашей Галактики — Млечного Пути существует множество других (ближайшая из них — Туманность Андромеды) и что все они удаляются друг от друга. Открыв разбегание галактик, учёный вывел знаменитый закон, утверждающий, что галактики разбегаются со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними.

По своей первой профессии Хаббл был юристом, но любовь к астрономии, привитая ему дедушкой в детстве, затмила все другие интересы и сделала его одним из выдающихся открывателей Вселенной.

Телескоп имени Э. Хаббла — весьма внушительное сооружение: длина — 13,1 м, диаметр — 4,2 м, размах солнечных батарей — 12 м, масса — 11,3 т, диаметр главного зеркала телескопа-рефлектора — 2,4 м.

Ремонтные работы по модернизации телескопа имени Э. Хаббла завершены. На снимке запечатлён момент, когда телескоп после ремонта извлекли из грузового отсека и подготовили к возвращению на околоземную орбиту. 20 мая 2009 года. Фото: NASA

Главное зеркало КТХ массой 816 кг и диаметром 2,4 м изготовлено из плавленого кварцевого стекла, не подверженного тепловым деформациям. На его шлифовку и полировку ушло два года и четыре месяца. Если с такой же точностью «отшлифовать» поверхность земного шара, то высочайшие горные вершины будут выступать над поверхностью не более чем на 130 мм. Особые меры были приняты, чтобы не допустить искажения формы зеркала в условиях невесомости.

Несмотря на тщательность изготовления деталей и сборки, телескоп пришлось пять раз ремонтировать на орбите. Серьёзные дефекты главного зеркала обнаружились уже в самом начале работы. Оказалось, что оно обладает большой сферической аберрацией*, а это не позволяло получать снимки космических объектов высокого качества. Их можно было сравнить со снимками с наземного телескопа. Учёным удалось решить эту непростую проблему. Они придумали новый способ обработки снимков, при котором качество не страдало.

Однако дефекты главного зеркала и неполадки, возникавшие в блоках и системах космической обсерватории, надо было устранять. К КТХ полетели шаттлы с ремонтными бригадами: в декабре 1993 года — «Индевор»; в феврале 1997-го — «Дискавери»; в декабре 1999-го — «Дискавери»; в марте 2002-го — «Колумбия»; в мае 2009-го — «Атлантис»). В экипаж каждой экспедиции входили семь астронавтов. «Ремонтникам» приходилось по несколько часов работать в открытом космосе. Во время ремонта телескоп ставили на платформу в грузовом отсеке прилетевшего шаттла. Астронавты буквально охотились за КТХ, чтобы поймать и осторожнейшим образом поставить эту громадину высотой с четырёхэтажный дом на «рабочий стол».

Уже в ходе первой экспедиции в декабре 1993 года астронавты «Индевора» установили на главном зеркале КТХ корректирующий прибор COSTAR, который позволил улучшить «зрение» телескопа. Следующим экспедициям приходилось ремонтировать или даже заменять некоторые научные приборы, электронные блоки, гироскопы и солнечные батареи. Все ремонтные работы завершились в мае 2009 года.

Спиральная галактика М100 в созвездии Волосы Вероники (слева — фотография, сделанная КТХ до установки прибора COSTAR, справа — после его установки). Фото: NASA

Космический телескоп имени Э. Хаббла — один из самых успешных орбитальных космических аппаратов научного назначения. В нём заинтересованы исследователи планет Солнечной системы, нашей и других галактик, специалисты в области звёздной астрономии, космологи. Они постоянно обращаются к КТХ при решении множества проблем — от поиска замёрзшей воды на Луне до исследования загадочной тёмной материи во Вселенной.

КТХ передал на Землю огромное число фотографий самых разных космических объектов. Исследуя Солнечную систему, он фотографировал, например, Марс, Юпитер и Сатурн, полярные сияния на Юпитере, Сатурне и Ганимеде, падение на Юпитер в июле 1994 года кометы Шумейкеров — Леви. КТХ сфотографировал Плутон, который ещё недавно считался девятой планетой Солнечной системы, а сейчас возглавляет семейство карликовых планет, и открыл два его новых маленьких спутника — Никту и Гидру. Теперь семейство Плутона насчитывает три спутника (крупный спутник — Харон был открыт ещё в 1978 году). В 2015-м к Плутону приблизится американская межпланетная станция «Новые горизонты», которая наверняка откроет ещё какие-нибудь тайны этой далёкой планеты.

Полярные сияния над северным и южным полюсами Сатурна. Снимок сделан КТХ в январе 1998 года. Сияние имеет вид кольцевого занавеса вокруг обоих магнитных полюсов планеты, поднимающегося более чем на 1500 км над облаками. Фото: NASA

Исследуя Галактику, КТХ помог уточнить сведения о такой важнейшей характеристике звёзд, как их масса (с его помощью удалось измерить массу звёзд, превосходящих массу Солнца в 100–150 раз). На фотографиях некоторых туманностей обнаружены звёзды, находящиеся в эмбриональной стадии эволюции и завершающие жизненный путь, такие как белые карлики. Есть фотографии, позволившие уточнить детали строения и эволюции протопланетных дисков**, из которых формируются планеты. Кроме того, с помощью КТХ астрономы открыли несколько экзопланет (см. «Наука и жизнь» № 9, 2009 г., с. 81).

Фотографии диффузных и планетарных туманностей содержат уникальную научную информацию о происходящих в них физических процессах. А ещё мы наконец увидели, как красивы эти туманности.

В портретной галерее КТХ есть фотографии галактик всех типов и возрастов — от самых юных до самых старых, возраст которых сравним с возрастом самой Вселенной. Среди них можно увидеть и одиночные галактики, и двойные, включая взаимодействующие, а также группы галактик и их скопления. В некоторых далёких звёздных системах КТХ открыл сверхмассивные чёрные дыры.

Туманность NGC 6302 (Бабочка) в созвездии Скорпиона. Возраст этой планетарной туманности более 2200 лет, а размер превышает два световых года. Снимок сделан в сентябре 2009 года с помощью широкоугольной камеры, установленной астронавтами во время ремонта КТХ. Фото: NASA

Один из проектов космического телескопа имени Джеймса Э. Уэбба (JWST). Иллюстрация: NASA

Телескоп имени Э. Хаббла помог уточнить возраст Вселенной, отсчитываемый от Большого взрыва. По закону, открытому Эдвином Хабблом в 1929 году, v = Hr, где v — скорость галактики (так называемая лучевая скорость), r — расстояние до неё, H — постоянная Хаббла. По величине этой постоянной оценивают возраст Вселенной. Закон Хаббла справедлив для большинства галактик, за исключением очень близких к нам и очень далёких от нас.

КТХ удаётся регистрировать удалённые объекты, недоступные наблюдениям с Земли, в том числе цефеиды и пульсирующие звёзды, которые часто называют «маяками Вселенной». Благодаря этим маякам учёные с точностью до нескольких процентов рассчитали, что постоянная Хаббла Н = 72 км/(с·Мпк). Эта цифра хорошо согласуется с другими данными современной космологии. Если она верна, то возраст Вселенной составляет 13,7 млрд лет.

Благодаря КТХ сделано ещё одно из самых замечательных открытий последних лет: разлёт галактик происходит не замедленно, как думали раньше, а ускоренно. Получается, что во Вселенной кроме вселенского тяготения действует и вселенское отталкивание. Причём если первое вызвано привычной нам гравитацией звёзд и галактик, то второе — загадочной тёмной материей, заполняющей Вселенную.

В последние годы появились космические телескопы более внушительных размеров, чем телескоп имени Э. Хаббла. 14 мая 2009 года запущена космическая обсерватория «Гершель» Европейского космического агентства с главным зеркалом диаметром 3,5 м. В 2014 году планируется отправить в космос телескоп нового поколения, носящий имя Джеймса Э. Уэбба (в честь второго руководителя NASA — Джеймса Э. Уэбба, возглавлявшего агентство в 1960-е годы). Новая космическая обсерватория будет исследовать Вселенную в инфракрасном диапазоне. Её главный инструмент — телескоп с зеркалом диаметром 6,5 м. До сих пор такие огромные зеркала делали лишь для наземных обсерваторий, а телескоп Джеймса Э. Уэбба готов поселиться на околоземной орбите. С его запуском астрономов несомненно ждут новые открытия.

[skroznik]

Телескоп Гершель - прорыв в новую реальность.

Зеркало телескопа Гершель диаметром 3.5 метра, изготовленное из карбида кремния. Зеркальная поверхность имеет отклонения от идеальной не более, чем один микрон.

16 апреля 2009 года на орбиту будет выведен космический телескоп Гершель, созданный Европейским космическим агентством для изучения Вселенной в широком диапазоне волн инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов. Этот телескоп с диаметром зеркала 3.5 м станет самым большим зеркальным телескопом в космосе, перекрыв 2.4 метровый телескоп Хаббла.

Европейское космическое агентство (ЕSА), безусловно, очень гордится своей новой обсерваторией. Подготовка к запуску длилась более 20 лет. Первые наметки и технологические требования к намечаемой миссии датируются началом 1980 года. В 1983 году был запущен инфракрасный спутник IRAS, в качестве итога работы которого было получено 250 000 изображений инфракрасных источников. В 1995 году ESA запустил спутник ISO, позволивший существенно улучшить качество получаемой информации об объектах в ИК-области излучения. В августе 2003 года в работу был введен Spitzer Space Telescope, а в феврале 2006 года - AKARI. Оба этих спутника функционируют до сих пор.

Четвертая миссия ESA - телескоп Гершель - был спланирован как следующий прогрессивный этап в исследовании Вселенной в инфракрасном диапазоне длин волн: самый большой телескоп когда-либо выведенный на орбиту и с таким широким охватом по диапазону волн - от далекого ик-излучения до субмиллиметровых волн. 10 стран, включая США, принимали участие в разработке и реализации проекта. Предполагаемое время работы обсерватории на орбите - 3 года.

Почему же "Гершель" (Herschel)? Изначально предполагалось назвать телескоп FIRST ("Far InfraRed and Submillimetre Telescope"). Затем было принято решение присвоить ему имя Herschel, в честь великого английского ученого Уильяма Гершеля, который в 1800 году открыл, что кроме видимого света существует и инфракрасное излучение. Гершель обнаружил повышение температуры термометра, размещенного за красной полосой видимого спектра, когда проводил эксперимент по изучению расщепления солнечного света призмой, чем был весьма шокирован. Дальнейшие эксперименты привели его к выводу, что должен существовать невидимый свет вне полосы привычного видимого света, который и ответственнен за повышение температуры.

Herschel Space Observatory имеет размеры примерно 9 метров на 4.3 метра, массу в 3.25 тонн. На борту расположен инфракрасный телескоп диаметром 3.5 м системы Ричи-Кретьен, настроенный на длину волны в 10 мкм. Зеркало изготовлено из карбида кремния, легкого керамического материала, который устойчив к нагрузкам и экстремальным температурам. Поверхность отполирована настолько идеально, что очень похожа на стеклянную (отклонения от идеальной поверхности не более одного микрона, чтобы избежать искажения изображений).

ЕSА запускает две крупные научные миссии с помощью одной ракеты. Кроме обсерватории Гершель другим пассажиром на ракете Ариан-5 будет телескоп Планк, который предназначен для исследования космоса на еще больших длинах волны - в микроволновом диапазоне спектра. Одной из причин для такого совместного старта явилось то, что оба телескопы были спроектированы для работы в так называемой точке Лагранжа-2, одной из гравитационно "оптимальных" точек пространства, где тело может находиться неподвижно относительно Земли и Солнца.

Доставка Обсерватории Гершель на самолете АНТ-124 из Европы на космодром Куру во Французской Гвиане.

Спутник Гершель займет точку примерно на расстоянии в 1.5 миллионах километров от Земли, при этом расстояние будет меняться от 1,2 до 1,8 млн. км. Каждый месяц будут проводиться малые коррекции орбиты, чтобы компенсировать снос спутника с орбиты. Все время работы спутник будет направлен в противоположную сторону от Земли, Луны и Солнца, чтобы чувствительные приборы станции были защищены от сильного инфракрасного излучения этих объектов.

Еще одна причина совместного запуска обеих обсерваторий состоит в том, что оба прибора были изготовлены вместе, по единой технологии и в одни сроки, что естественно сказалось положительно с экономической точки зрения. И даже несмотря на это, общая стоимость обсерваторий Гершель и Планк составляет около 1.7 млрд. евро. Поэтому можно хорошо представить, насколько рискованна такая стратегия - запуск двух обсерваторий одной ракетой.

Научная аппаратура.

Обсерватория Herschel Space Observatory была создала усилиями ученых 10 стран и более чем 40 научных центров под эгидой Европейского космического агентства. На телескопе установлено 3 научных прибора для исследования излучения в выбраной области инфракрасного спектра.

• The Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) - фотометр и спектрометр среднего разрешения на длинах волн от 60 до 210 микрон, т.е. в диапазоне, который является оптимальным для изучения молодых, удаленных, содержащих много пыли галактик с бурным формированием звезд, т.к. их линии излучения и максимум непрерывного спектра смещены в красную сторону спектра.
• The Spectral and Photometric Imaging REceiver (SPIRE) - фотометр и спектрометр среднего разрешения на длинах волн 194-672 мкм. Он предназначен для изучения очень далеких галактик и ранних стадий формирования звезд - когда протозвезда окружена плотной пылевой и газовой оболочкой. Кроме того, для изучения образования и ранней эволюции активных ядер галактик и квазаров, а также для изучения крупномасштабной структуры Вселенной в ранние эпохи.
• The Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) - гетеродинного спектрометр высокого разрешения для дальней инфракрасной области спектра. Он покрывает диапазон в 480-1250 и 1410-1910 ГГц (что соответствует 157-625 мкм). Основная задача инструмента - изучение химического состава наблюдаемых объектов: движения, температур и других характеристик атомов и молекул вещества в них.

С учетом всех инструментов, обсерватория может проводить наблюдения в широком диапазоне длин волн, в том числе и тех, что до сих пор не наблюдались орбитальными телескопами - в диапазоне длин волн в 60-670 микрон. Они сконструированы таким образом, чтобы дополнять возможности друг друга. SPIRE и PACS представляют собой спектрометры, дающие пространственное распределение изучаемых объектов, в то время как HIFI дает очень высокое спектральное разрешение в линии.

Излучение объектов в выбранном диапазоне спектра означает то, что эти самые объекты находятся при низких температурах, иногда при очень низких (в пределах от 5 до 50K или -268° до -223°C), а для этого требуется специальное охлаждение для приемной аппаратуры. Инструменты будут погружены в гигантский криостат, заполненный более чем 2000 литрами жидкого гелия. Технология изготовления и использования такого криостата была отработана для спутника ISO; она даст возможность охлаждать инструменты до температур -271°С и даже ниже, т.е. практически приближаясь к абсолютному нулю. Например, болометры на приборах PACS and SPIRE будут охлаждаться до -273.3°С, т.е. всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля.

Основные цели запуска телескопа Гершель.

Классические "Столпы созидания", большие колонны-столбы газа и пыли. Если рассматривать области формирования звезд на все более длинных волнах, то постепенно проявляются все новые детали: (A) видимый свет: виден отраженный свет от туманности (0.5 мкм); (B) ближня ИК-область: туманность внезапно становится прозрачной (1-2мкм); (C) длина волн больше: можно уже увидеть выбросы из туманности (7 мкм); (D) еще более длинные волны: становятся видны различные структуры (50 мкм).

Человечество с момента своего возникновения смотрело на небо. После того, как в 1609 году (ровно четыреста лет тому назад) был изобретен телескоп и впервые направлен в небеса, возможности узнавать тайны Вселенной возросли многократно. Правда, все это происходило только в видимом свете, в оптическом диапазоне. И только в последней половине прошлого века появились возможности изучать космос в инфракрасном свете. Первый ИК-обзор был опубликован в 1965 году: это было 10 объектов, которые нельзя было разглядеть в оптике. В 1969 году таких объектов стало известно уже больше тысячи. Из последних открытий инфракрасной астрономии: Юпитер, Сатурн и Нептун имеют внутренние источники тепла; обнаружены сотни тысяч красных гигантов в центральном балдже нашей Галактики; молекулы воды, метана, диоксида углерода, формальдегида, оксида углерода в межзвездной среде. Старые, хорошо известные объекты, оказываются видимыми совершенно в другом свете, если наблюдать их в инфракрасной области.

Почему изучение инфракрасного излучения так важно для астрономов?

Потому что большая часть излучения во Вселенной происходит на длинах волн больше оптических. Потому что тела, ответственные за это излучение, имеют температуру ниже, чем требуется для излучения в оптике и более коротких волнах. Чтобы понимать, как формировались и эволюционировали звезды, нам надо исследовать атомы и молекулы в межзвездном пространстве. А это как раз тот диапазон, на который настроены приборы телескопа Гершель. Анализируя полученные спектры, можно получить информацию о температуре, плотности, светимости, составе, магнитных полях, динамике и химсоставе межзвездной среды. В нашей Солнечной системе холодные объекты такие как кометы, астероиды, да и сами планеты излучают в инфракрасном диапазоне.

Коричневые карлики, протозвезды, пылевые диски вокруг молодых звезд, экзопланеты достаточно холодные, и поэтому тоже излучают на длинных волнах. Кроме того, очень много объектов, которые действительно интересны ученым, очень часто скрыты облаками пыли или газа. Звезды и планеты на ранних стадиях формирования, мощные активные ядра галактик, центр нашей Галактики, объекты ранней Вселенной, удаленные от нас, скрыты веществом в пространстве между нами и этими объектами.

Пыль блокирует видимый свет, потому что размеры гранул пыли такого же порядка, что и длины волн в оптике, около 1 микрона и меньше, и поэтому отражают или поглощают свет. Но длинные инфракрасные волны успешно их огибают. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение нагревают пыль, она в свою очередь переизлучает энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, к ИК-излучению, которое проходит сквозь пыль, добавляется излучение самой пыли, которая сама излучает в этом же диапазоне. Анализируя излучение, можно получить информацию о тех источниках, которые лежат за пылевыми облаками.

Вода также излучает в тех полосах в дальней инфракрасной и субмиллиметровой областях, на которые настроены датчики телескопа Гершель. Вода имеет две особенности, которые делают ее обнаружение весьма ценной для астрономов: она широко распространена в космосе, и по изучению ее спектральных линий можно получить информацию об окружающей среде.

Межзвездные облака пыли и газа свободно пропускают излучение с длиной волны больше 1 микрона (1); поглощают излучение на более коротких длинах волн (2) и переизлучают в инфракрасном диапазоне (3); пыль сама излучает в ИК и субмиллиметровой областях спектра (4).

Одной из приоритетных целей миссии Гершеля является изучение так называемых "Темных веков" Вселенной, когда первые галактики только начали формироваться. Свет из этой ранней эпохи шел до нас 8,5 млрд. лет и из-за космологического расширения Вселенной спектр его излучения сместился в красную область, как раз в тот диапазон длин волн, на который настроены приборы обсерватории Гершель.

Спектрометр Гершеля с ультравысоким разрешением (HIFI) обладает уникальными возможностями для определения химического состава межзвездной среды, а также атмосфер комет и планет в нашей Солнечной системе. Он поможет ученым понять химическую историю нашей Галактики и Солнечной системы. Более 130 химических элементов и соединений обнаружено в межзвездной среде, и большинство имеют спектральные линии, вызванные вращательными переходами в молекулярных уровнях, а максимумы таких линий приходятся как раз на миллиметровый диапазон.

Исследуя Вселенную на разных длинах волн, можно узнать многие ее тайны. Уникальность телескопа Гершель состоит в том, что с помощью него можно будет увидеть такие объекты в дальней инфракрасной и субмиллиметровой частях спектра, которые до этого еще никогда не наблюдались. Ожидание неожиданных и сенсационных открытий - самая большая надежда, возлагаемая на эту миссию.