В июле 1923 г. в издательстве Ольденбурга в Мюнхене вышла книга «Ракета в космическое пространство». Ее автором был Герман Оберт (Hermann Julius Oberth), ставший известным десятки лет спустя и даже произведенный в «отцы-основатели» ракетной техники. Основные положения его работы можно кратко сформулировать так:
1. При современном состоянии науки и техники возможно создание аппарата, способного выйти за пределы земной атмосферы.
2. В дальнейшем подобные аппараты смогут развивать такую скорость, что преодолеют земное притяжение и уйдут в межпланетное пространство.
3. Имеется возможность создать такие устройства, которые смогут выполнить подобные задачи, имея на своем борту человека, причем без серьезного ущерба его здоровью.
4. При определенных условиях создание таких устройств может стать вполне целесообразным. Такие условия могут возникнуть в ближайшие десятилетия.
В заключительных, констатирующих фразах последней части книги идет обсуждение далеких перспектив - возможности увидеть обратную сторону Луны, запуска искусственных спутников Земли, широкого применения их для различных целей, создания орбитальных станций, осуществления с их помощью определенных видов деятельности, в том числе научных исследований и астрономических наблюдений. Это позволяет считать июль 1923 года «точкой отсчета» космической астрономии.
В ознаменование 90-летия этого события редакция нашего журнала подготовила публикацию цикла статей о реализуемых в настоящее время (или недавно завершенных)
проектах исследования Вселенной, базирующихся на астрономических инструментах за пределами земной атмосферы. Полная летопись этой интереснейшей и активно
развивающейся отрасли астрономии заслуживает отдельной книги, которая, несомненно, уже в скором времени будет написана.
Космические телескопы видимого диапазона
В ходе эволюции человеческий глаз приобрел наибольшую чувствительность к тому участку электромагнитного спектра, который лучше всего пропускается земной атмосферой. Поэтому и астрономические наблюдения с древнейших времен ведутся главным образом в видимом диапазоне. Однако уже в конце XIX века астрономам стало понятно, что «воздушный океан» с его неоднородностями и непредсказуемыми течениями создает слишком много препятствий для дальнейшего развития наблюдательной техники. Если при измерениях положения звезд на небе все эти погрешности в основном устранялись статистическими методами, то попытки получить изображения небесных тел с высоким разрешением оказывались безуспешными даже в местах с наилучшим астроклиматом. При наблюдениях с поверхности Земли самые совершенные телескопы могли обеспечить стандартное разрешение порядка половины угловой секунды, в идеальных случаях - до четверти секунды. Теоретические расчеты показывали, что вынос телескопа за пределы атмосферы позволил бы на порядок улучшить его возможности (в ультрафиолетовой части спектра можно было добиться почти в 20 раз более высокого разрешения).
 |
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА:
> Длина - 13,3 м, диаметр - 4,3 м, масса - 11 тонн
(с установленными приборами - около 12,5 т); две солнечных батареи имеют размеры 2,6x7,1 м.
ПРИБОРЫ, РАБОТАВШИЕ ИЛИ РАБОТАЮЩИЕ НА ОБСЕРВАТОРИИ HUBBLE: > Широкоугольная и планетарная камера {Wide Field and Planetary Camera). Оснащена набором из 48 светофильтров для выделения участков спектра,
представляющих особый интерес для астрофизических наблюдений. В составе камер - 8 ПЗС-матриц (2 секции по 4 матрицы каждая). Широкоугольная
камера имеет больший угол обзора, планетарная камера обладает большим эквивалентным фокусным расстоянием, позволяя получать большие увеличения.
Именно этой камерой сделаны все потрясающие «пейзажные» снимки.
|
| КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ |
Начало практического воплощения идей внеатмосферной астрономии связано с именем американского астрофизика Лаймана Спитцера (Lyman Spitzer). В 1946 он подготовил для проекта RAND (Research and Development - «Исследования и разработка») компании Douglas Aircraft обширный доклад «Астрономические преимущества внеземной обсерватории», в котором не только доказал, что крупные орбитальные телескопы неизмеримо расширят возможности исследования небесных объектов, но и наметил развернутую программу таких исследований. Первая орбитальная обсерватория (для фотографирования Солнца) была запущена Великобританией в 1962 г. в рамках программы Ariel.
В 1968 г. Национальная аэрокосмическая администрация США (NASA) утвердила план строительства телескопа-рефлектора с диаметром зеркала 3 м. Проект получил условное название LST (Large Space Telescope - «Большой космический телескоп»). Запуск был запланирован на 1972 г. Но борьба продолжалась теперь уже в финансовой «плоскости»: средства то выделялись, то очередное правительство и Конгресс сокращали финансирование, вплоть до полного сворачивания программы. Диаметр объектива телескопа уменьшили до 2,4 м, зато появился новый участник проекта - Европейское Космическое агентство (ESA), взявшееся «в обмен» на 15% наблюдательного времени частично финансировать программу и участвовать в изготовлении отдельных приборов.
В 1979 г. был опубликован доклад NASA «Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы», в котором предполагалось осуществление программы «Большие обсерватории». Уже профинансированный Конгрессом в 1978 г. LST стал одним из четырех элементов проекта - ему была отведена роль «наблюдателя» в видимом, а также ближнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Комптоновская обсерватория (CGRO) отвечала за исследования в жестком рентгеновском и гамма-диапазоне,2 телескоп Chandra (СХО) должен был исследовать мягкое рентгеновское излучение, a Spitzer (SST) - средний и дальний инфракрасный участок спектра.
Hubble Space Telescope
Работы по созданию LST двигались наиболее быстро. Первоначально его отправка на орбиту планировалась на 1983 г. Правда, тогда его запустить не удалось, но было решено присвоить орбитальной обсерватории имя Эдвина Хаббла (Edwin Hubble). 24 апреля 1990 г. шаттл Discovery вывел телескоп на расчетную орбиту. От начала проектирования до запуска на этот проект было затрачено 2,5 млрд. долларов - при начальном бюджете $400 млн.
В настоящее время Hubble является старейшим и наиболее «плодовитым» астрономическим инструментом, работающим за пределами атмосферы. Для поддержания его в рабочем состоянии NASA организовала 4 ремонтных миссии, последнюю из которых осуществил экипаж шаттла Atlantis в мае 2009 г. Общие расходы на эксплуатацию орбитальной обсерватории с американской стороны составили более 6 млрд. долларов; еще 593 млн. евро выделило ESA.
Управление полетом, прием данных и их первичная обработка осуществляются Центром космических полетов Годдарда (Goddard Space Flight Center). В течение суток данные передаются в Научный институт космического телескопа (Space Telescope Science Institute, STScI), отвечающий за их основную обработку и публикацию для использования научным сообществом. Телескоп Hubble работает как международная исследовательская лаборатория. Рассматриваются проекты, поступающие со всего мира, хотя конкуренция за наблюдательное время весьма жесткая, поэтому реализуется в среднем один из 10 проектов.
Научные достижения телескопа Hubble. Несмотря на то, что после начала работы обнаружились отклонения формы главного зеркала телескопа от расчетной (не позволившие задействовать его «в полную силу»), Hubble практически сразу начал приносить ценные научные результаты. При создании этого инструмента было заявлено, что его основная задача - «устремить взор вглубь Вселенной». Ему предстояло, прежде всего, отработать «аванс» - продолжить исследования, начатые его «крестным отцом» Эдвином Хабблом:уточнить постоянную и проверить закон его имени, подтвердить интерпретацию красного смещения как допплеровского эффекта и реальность расширения Вселенной. С этими задачами ставший уже легендарным космический телескоп успешно справился.
В доказательствах того, что наша Галактика - не единственная подобная система во Вселенной, астрономы уже давно не нуждаются. Также не вызывает сомнений тот факт, что все эти «звездные острова» (точнее - их гравитационно связанные группы), постоянно удаляются друг от друга. Скорость взаимного удаления прямо пропорциональна расстоянию между объектами, а коэффициент пропорциональности носит название «константы Хаббла» (Н0). Ее первые оценки, сделанные самим Хабблом, давали значение порядка пятисот километров в секунду на мегапарсек. На протяжении последующих 90 лет они неоднократно пересматривались, будучи предметом ожесточенных дискуссий: ведь на самом деле эта константа, приведенная к системным единицам, представляет собой величину, обратную - ни много, ни мало - возрасту Вселенной. Последнее, наиболее точное ее значение равно 70,4 (км/с)/Мпк (Н0=2,28х10 -18 с -1), и немалую лепту в его установление внесли измерения, проведенные телескопом Hubble. Именно это и принято считать его главным «научным подвигом».
Установив факт расширения Вселенной, Эдвин Хаббл этим и ограничился, но его «космический тезка» пошел дальше и сумел не только подтвердить это на новом техническом уровне, но и доказать неравномерность этого расширения (точнее - его ускорение). Такое открытие требовало проведения измерений спектральных характеристик объектов на предельно больших расстояниях - а в этом был «силен» только Hubble. Удалось сделать несколько тысяч оценок блеска сверхновых типа 1а, особенность которых заключается в том, что в максимуме вспышки они выделяют примерно одинаковое количество энергии, а значит, наблюдаемая яркость вспышки зависит только от расстояния до ее источника.6 В выполнении этой программы исследований участвовало более десятка наземных и космических телескопов. Плоды такой кооперации были весьма успешными, а степень важности полученных результатов для науки оказалось достаточной для того, чтобы присудить коллективу авторов открытия Нобелевскую премию в области физики.
Для проверки «дальнобойности» телескопа было проведено несколько так называемых глубоких обзоров Вселенной. Для этого выбиралась площадка на небе, на которой отсутствуют близкие галактики и звезды нашей Галактики, и проводилось фотографирование с максимально длительными экспозициями. При этом удавалось запечатлеть очень удаленные объекты различных типов, размеров, светимостей и возрастов. Среди них были и молодые звездные скопления, которые только готовятся стать «привычными» галактиками, и уже вполне сформировавшиеся звездные системы. Глубокие обзоры Вселенной - Hubble Deep Field (HDF), в шутку названные астрономами «Глубокими Проколами Вселенной» -это взгляд сквозь миллиарды лет, в древнейшую историю нашего мира.
В ходе одного из «проколов» Hubble сосредоточил свое внимание на площадке размером в одну тридцатимиллионную часть небесной сферы и обнаружил на ней более 3000
тусклых - на пределе видимости - галактик. Детальный снимок другой подобной области неба продемонстрировал такую же картину, из чего был сделан вывод об изотропности
Вселенной - ее однородности во всех направлениях на больших масштабах. Поскольку такие наблюдения требуют весьма длительных экспозиций (во время одного из
сеансов «выдержка» достигла 11,3 суток), они были единичными. Астрономам удалось увидеть протогалактики - первые сгустки материи, сформировавшиеся менее чем через
миллиард лет после Большого взрыва и позже объединившиеся в звездные системы современного вида.
Особого внимания заслуживает уникальный эксперимент «Глубокий обзор Большими обсерваториями» (Great Observatories Origins Deep Survey - GOODS), осуществленный
скоординированными усилиями космических телескопов Hubble, Spitzer, Chandra, орбитального рентгеновского телескопа XMM-Newton и ряда крупнейших наземных инструментов.
Объектом наблюдений стали две площадки из программы Hubble Deep Field. На красном смещении Z=6 достигнута пространственная разрешающая способность порядка килопарсека,
для 60 тыс. галактик поля определены фотометрические красные смещения. Участники этого проекта утверждают, что они заглянули на 13 млрд. лет назад, в эпоху
реионизации, когда излучение первых звезд вызвало распад части атомов межзвездного водорода на электроны и протоны.
Рекордным пока что является «погружение» в глубины Вселенной, анонсированное в сентябре 2012 г. (Hubble extreme Deep Field). На протяжении 10 лет участок неба в
созвездии Печи экспонировался с суммарной выдержкой 2 млн. секунд. Астрономы утверждают, что в данном случае они увидели Вселенную в совершенно «детском» возрасте - не более
полумиллиарда лет. Самые тусклые галактики на снимке (всего их там насчитывается порядка 5500) имеют яркость в 10 млрд. раз ниже предела чувствительности
человеческого зрения.
 |
|
АКЦ ФИАН
Астрокосмический центр Физического института Академии Наук, Россия
ESA Европейское Космическое агентство NASA Национальная аэрокосмическая администрация, США CNES Национальный центр космических исследований, Франция CSA Канадское космическое агентство ASI Итальянское космическое агентство JAXA Японское агентство аэрокосмических исследований SSC Шведская космическая корпорация |
| КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ |
| Под названиями телескопов приведены параметры орбиты, оператор и дата запуска |
 |
Долгое время астрофизики-теоретики пытались убедить научную общественность в том, что сверхмассивные черные дыры обязательно должны присутствовать в центральных областях галактик, но наблюдательных доказательств этого не имели. Стоило «вмешаться в спор» телескопу Hubble - и все встало на свои места: сейчас экзотикой является скорее галактика без центральной черной дыры. Теперь аргументы ученых выглядят весьма убедительно: систематические наблюдения большого количества звездных систем выявили корреляцию между размерами балджа (центрального сгущения галактики) и массой сверхплотных объектов в их центрах, определяемой по лучевым скоростям звезд.
Не все результаты космического телескопа требовали сложных долговременных наблюдений. Среди его снимков много таких, которые сами по себе уже представляют решенные астрофизические задачи. Рождение звезд в «Трехдольной туманности» М20 он продемонстрировал исключительно наглядно. Планетарная туманность NGC 7027 - финальная стадия эволюции звезды, похожей на наше Солнце. Классическими стали «Столпы творения» в туманности «Орел»...
В момент подготовки «полетного задания» обсерватории некоторые проблемы не просто не были приоритетными - астрономы только догадывались о том, что они возникнут. К
таким задачам, прежде всего, следует отнести поиск планет иных звезд (экзопланет). Благодаря высокой чувствительности своих детекторов и отсутствию влияния
земной атмосферы Hubble способен зарегистрировать ничтожное изменение блеска наблюдаемой звезды, вызванное прохождением перед ее диском спутника планетных размеров.
В технике наблюдений такой способ поиска экзопланет называется «методом транзитов». Он применим только для объектов, плоскость орбиты которых слабо наклонена
к направлению на Землю, зато позволяет сразу определить много их характеристик - в частности, размер, массу, а иногда и состав атмосферы (путем спектрального
анализа излучения звезды во время «затмения»). Прорывным открытием следует признать первое обнаружение органической молекулы - метана СН4 -в газовой оболочке
планеты-гиганта HD 189733b с использованием одного из важнейших приборов телескопа Hubble - спектрометра NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer),
установленного на борту обсерватории через семь лет после запуска в ходе второй ремонтной миссии.
Кроме планетоподобных тел, космический телескоп подтвердил существование многочисленных протопланетных дисков в областях звездообразования (туманность «Орел», Большая Туманность Ориона) и возле некоторых звезд. Эти открытия инициировали появление весьма перспективного научного направления - поисков и исследования экзокомет, поясов экзоастероидов. Теперь уже очевидно, что процесс формирования планет в нашей Галактике происходит постоянно. Немало доказательств Hubble собрал для общепринятого с недавнего времени вывода о том, что экзопланеты должны быть во Вселенной вполне заурядным и распространенным явлением.
 |
|
Космический телескоп Hubble предоставил нам возможность полюбоваться потрясающим изображением яркого кольца звездообразования, окружающего сердце спиральной галактики с
перемычкой, обозначенной индексом NGC 1097. Эта галактика удалена от нас примерно на 45 млн. световых лет и видна в южном созвездии Печи. Она относится к классу
сейфертовских галактик, этот факт, что ее главная плоскость почти перпендикулярна к направлению на Землю, делает ее особенно «лакомым» объектом для астрономов.
Скрытая в самом центре галактики сверхмассивная черная дыра (ЧД) с массой окло 100 млн. солнечных масс постепенно поглощает вещество из окружающего пространства.
Это вещество, падая на ЧД, «закручивается» в аккреционный диск, разогревается и начинает излучать в широком диапазоне электромагнитных волн. Контуры диска четко
очерчены сравнительно недавно «родившимися» звездами, материалом для которых является падающее на ЧД вещество центрального бара (перемычки) галактики. Эти области
звездообразования ярко светятся благодаря излучению облаков ионизованного водорода. Диаметр кольца составляет около 5 тыс. световых лет, а спиральные рукава NGC 1097
простираются на десятки тысяч световых лет за ее пределы.
Однако в поведении этой галактики наблюдаются отдельные моменты, которые резко выделяют ее из сообщества подобных объектов. У нее имеется два небольших компаньона - эллиптическая галактика NGC 1097А, находящаяся на расстоянии 42 тыс. световых лет от центра «основной» звездной системы, и карликовая галактика NGC 1097В. Их наличие, безусловно, влияет на эволюцию необычного космического «трио». Существуют серьезные основания утверждать, что в недалеком (по космическим масштабам) прошлом взаимодействие между его членами было более тесным и активным. NGC 1097 является также уникальным регионом для «охотников за сверхновыми»: в ней уже отмечено три случая вспышек звезд большой массы в период между 1992 и 2003 гг. В этом отношении она заслуживает особого внимания и проведения регулярного мониторинга. |
 |
| КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ |
Основной «сферой деятельности» мощного космического телескопа, конечно же, мыслились исследования дальнего Космоса. Поэтому при изучении нашей Солнечной системы его потенциал был задействован довольно ограниченно. Но и перечень его достижений в ее пределах также впечатляет. Прежде всего, следует отметить небывалое в истории астрономии сопровождение падения на Юпитер обломков кометы Шумейкер-Леви 9 (D/1993 F2 Shoemaker-Levy 9) в июле 1994 г. Этот случай стал первым наблюдавшимся столкновением двух тел Солнечной системы.
Телескоп Hubble наконец-то сфотографировал поверхность Плутона с таким разрешением, что стало возможным говорить о составлении его карты. На снимках, сделанных космической обсерваторией, эксперты различают полярные шапки, яркие перемещающиеся пятна и загадочные линии. Впечатляющим было также открытие у Плутона, в дополнение к уже известному спутнику Харону, еще четырех небольших лун - Никты, Гидры, PIV, PV.
При наблюдениях астероида Веста (4 Vesta) планетологов поразила высокая разрешающая способность и четкая детализация поверхности (конечно, не стоит сравнивать снимки, сделанные полтора десятка лет назад с расстояния более 110 млн. км, с теми, которые получил космический аппарат Dawn в 2011-12 гг., находясь на орбите вокруг Весты). После того, как Hubble в 2006 г. провел исследования объекта 2003 UB313, вначале считавшегося 10-й планетой Солнечной системы, а позже получившего имя Эрида (136199 Eris), это небесное тело было признано слишком маленьким, чтобы «носить звание» планеты. Не подлежит сомнению и важность открытия полярных (авроральных) сияний на планетах-гигантах Юпитере и Сатурне, а также на юпитерианских лунах Ио и Ганимеде.
 |
|
Важным объектом исследований телескопа Hubble стали планетарные туманности - посмертный этап эволюции звезд типа нашего Солнца. По мере истощения запасов
термоядерного горючего они начинают периодически выбрасывать свое вещество в окружающее пространство, переходя в состояние белого карлика - сверхплотного объекта,
выделяющего энергию за счет медленного гравитационного сжатия. Сброшенные оболочки, освещаемые излучением звездного остатка, формируют сложные структуры, в
которых просматривается динамика процесса испускания вещества.
Ярким примером таких структур могут служить газовые волокна туманности NGC 5189, расположенной в южном созвездии Мухи на расстоянии 1800 световых лет (она имеет неофициальное название «Спираль»). Можно предположить, что туманность была сформирована в процессе взаимодействия двух независимых расширяющихся структур, наклоненных друг к другу. Подобную двойную биполярную структурированность обычно объясняют наличием у «сгоревшей» звезды массивного спутника, который своим притяжением влияет на направление «рек» истекающего газа. Хотя это объяснение весьма правдоподобно, визуально обнаружить такой компаньон в данном случае не удалось. Яркие золотистые кольца состоят из большого количества радиальных нитей и кометоподобных узлов. Обычно они формируются комбинированным воздействием ионизирующего излучения и звездного ветра. Фотография была сделана 6 июля 2012 г. Камерой широкого поля (Wide Field Camera 3) через узкополосные фильтры, центрированные на основные линии эмиссии ионизированных атомов серы, водорода и кислорода. Для определения цвета звезды в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне использовались широкополосные фильтры. |
| КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ |
Поскольку сервисные миссии к обсерватории Hubble больше невозможны (из-за прекращения полетов американских кораблей многоразового использования), ее технические возможности со временем будут только сокращаться, а оборудование - морально устаревать. NASA гарантирует полноценное функционирование телескопа как минимум до 2015 г. Его предполагаемый «сменщик», названный в честь бывшего директора американского космического ведомства Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope -JWST), будет ориентирован в основном на ближний инфракрасный диапазон. Связано это с тем, что в результате развития технологии адаптивной оптики, компенсирующей влияние неоднородностей атмосферы, наземные обсерватории в скором времени смогут делать снимки небесных объектов с «хаббловским» разрешением, затрачивая на это намного меньше средств и усилий, чем требуется для вывода на орбиту и эксплуатации сравнимого по размерам инструмента.
Космические обсерватории играют большую роль в развитии астрономии. Величайшие научные достижения последних десятилетий в опираются на знания, полученные при помощи космических аппаратов.
Большой объём информации о небесных телах не доходит до земли т.к. ей мешает атмосфера которой мы дышим. Большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности нашей планеты. Для изучения космоса в этих диапазонах необходимо вывести телескоп за пределы атмосферы. Результаты исследований полученные с помощью космических обсерваторий перевернули представление человека о вселенной.
Первые космические обсерватории существовали на орбите недолго, но развитие технологий позволило создать новые инструменты для исследования вселенной. Современный космический телескоп - уникальный комплекс который разрабатывается и эксплуатируется совместно учеными многих стран в течении нескольких десятков лет. Наблюдения полученные с помощью многих космических телескопов доступны для бесплатного использования учёными и просто любителями астрономии со всего мира.
Инфракрасные телескопы
Предназначены для проведения космических наблюдений в инфракрасном диапазоне спектра. Недостатком этих обсерваторий является их большой вес. На орбиту помимо телескопа приходится выводить охладитель, который должен уберечь ИК-приёмник телескопа от фонового излучения - инфракрасных квантов, испускаемых самим телескопом. Это привело к тому, что за всю историю космических полётов на орбите работало очень мало инфракрасных телескопов.
Хаббловский космический телескоп
Изображение ESO
24 апреля 1990 г. с помощью американского шаттла "Дискавери" STS-31 была выведена на орбиту крупнейшая околоземная обсерватория - космический телескоп "Хаббл" весом более 12т. Этот телескоп результат совместного проекта НАСА и Европейского космического агентства. Работа космического телескопа "Хаббл" рассчитана на длительный срок. полученные с его помощью данные доступны на сайте телескопа для бесплатного пользования астрономами всего мира.
Ультрафиолетовые телескопы
Озоновый слой окружающий нашу атмосферу практически полностью поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца и звёзд, поэтому УФ-кванты можно регистрировать только за его пределами. Интерес астрономов к УФ-излучению обусловлен тем, что в этом диапазоне спектра излучает самая распространённая молекула во Вселенной - молекула водорода. Первый ультрафиолетовый телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 80 см был выведен на орбиту в августе 1972 г. на совместном американо-европейском спутнике "Коперник".
Рентгеновские телескопы
Рентгеновские лучи доносят до нас из космоса информацию о мощных процессах связанных с рождением звёзд. Высокая энергия рентгеновских и гамма-квантов позволяет регистрировать их по одиночке, с точным указанием времени регистрации. Благодаря тому, что детекторы рентгеновского излучения относительно легки в изготовлении и имеют небольшой вес, рентгеновские телескопы устанавливались на многих орбитальных станциях и даже межпланетных космических кораблях. Всего в космосе побывало более сотни таких инструментов.
Гамма-телескопы
Гамма-излучение имеет близкую природу к рентгеновскому излечению. Для регистрации гамма-лучей используются методы схожие с методами применяемыми для исследований рентгеновского излучения. Поэтому зачастую на космических телескопах исследуют одновременно как рентгеновские, так и гамма-лучи. Гамма-излучение принимаемое этими телескопами доносит до нас информацию о процессах, происходящих внутри атомных ядер, а также о превращениях элементарных частиц в космосе.
Электромагнитный спектр, исследуемый в астрофизике
| Длинны волн | Область спектра | Прохождение сквозь земную атмосферу | Приемники излучения | Методы исследования |
| <=0,01 нм | Гамма-излучение | Сильное поглощение |
||
| 0,01-10 нм | Рентгеновское излучение | Сильное поглощение O, N2, O2, O3 и другими молекулами воздуха |
Счетчики фотонов, ионизационные камеры, фотоэмульсии, люминофоры | В основном внеатмосферные (космические ракеты, искусственные спутники) |
| 10-310 нм | Далекий ультрафиолет | Сильное поглощение O, N2, O2, O3 и другими молекулами воздуха |
Внеатмосферные | |
| 310-390 нм | Близкий ультрафиолет | Слабое поглощение | Фотоэлектронные умножители, фотоэмульсии | С поверхности Земли |
| 390-760 нм | Видимое излучение | Слабое поглощение | Глаз, фотоэмульсии, фотокатоды, полупроводниковые приборы | С поверхности Земли |
| 0,76-15 мкм | Инфракрасное излучение | Частые полосы поглощения H2O, CO2, и др. | Частично с поверхности Земли | |
| 15 мкм - 1 мм | Инфракрасное излучение | Сильное молекулярное поглощение | Болометры, термопары, фотосопротивления, специальные фотокатоды и фотоэмульсии | С аэростатов |
| > 1 мм | Радиоволны | Пропускается излучение с длинной волны около 1 мм, 4,5 мм, 8 мм и от 1 см до 20 м | Радиотелескопы | С поверхности Земли |
Космические обсерватории
| Агентство, страна | Название обсерватории | Область спектра | Год запуска |
| CNES & ESA, Франция, Европейский Союз | COROT | Видимое излучение | 2006 |
| CSA, Канада | MOST | Видимое излучение | 2003 |
| ESA & NASA, Европейский Союз, США | Herschel Space Observatory | Инфракрасное | 2009 |
| ESA, Европейский Союз | Darwin Mission | Инфракрасное | 2015 |
| ESA, Европейский Союз | Gaia mission | Видимое излучение | 2011 |
| ESA, Европейский Союз | International Gamma Ray Astrophysics Laboratory (INTEGRAL) |
Гамма-излучение, Рентген | 2002 |
| ESA, Европейский Союз | Planck satellite | Микроволновое | 2009 |
| ESA, Европейский Союз | XMM-Newton | Рентген | 1999 |
| IKI & NASA, Россия, США | Spectrum-X-Gamma | Рентген | 2010 |
| IKI, Россия | RadioAstron | Радио | 2008 |
| INTA, Испания | Low Energy Gamma Ray Imager (LEGRI) | Гамма-излучение | 1997 |
| ISA, INFN, RSA, DLR & SNSB | Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) |
Particle detection | 2006 |
| ISA, Израиль | AGILE | Рентген | 2007 |
| ISA, Израиль | Astrorivelatore Gamma ad Immagini LEggero (AGILE) |
Гамма-излучение | 2007 |
| ISA, Израиль | Tel Aviv University Ultraviolet Explorer (TAUVEX) |
Ультрафиолет | 2009 |
| ISRO, Индия | Astrosat | Рентген, Ультрафиолет, Видимое излучение | 2009 |
| JAXA & NASA, Япония, США | Suzaku (ASTRO-E2) | Рентген | 2005 |
| KARI, Корея | Korea Advanced Institute of Science and Technology Satellite 4 (Kaistsat 4) |
Ультрафиолет | 2003 |
| NASA & DOE, США | Dark Energy Space Telescope | Видимое излучение | |
| NASA, США | Astromag Free-Flyer | Элементарные частицы | 2005 |
| NASA, США | Chandra X-ray Observatory | Рентген | 1999 |
| NASA, США | Constellation-X Observatory | Рентген | |
| NASA, США | Cosmic Hot Interstellar Spectrometer (CHIPS) |
Ультрафиолет | 2003 |
| NASA, США | Dark Universe Observatory | Рентген | |
| NASA, США | Fermi Gamma-ray Space Telescope | Гамма-излучение | 2008 |
| NASA, США | Galaxy Evolution Explorer (GALEX) | Ультрафиолет | 2003 |
| NASA, США | High Energy Transient Explorer 2 (HETE 2) |
Гамма-излучение, Рентген | 2000 |
| NASA, США | Hubble Space Telescope | Ультрафиолет, Видимое излучение | 1990 |
| NASA, США | James Webb Space Telescope | Инфракрасное | 2013 |
| NASA, США | Kepler Mission | Видимое излучение | 2009 |
| NASA, США | Laser Interferometer Space Antenna (LISA) |
Гравитационное | 2018 |
| NASA, США | Nuclear Spectroscopic Telescope Array (NuSTAR) |
Рентген | 2010 |
| NASA, США | Rossi X-ray Timing Explorer | Рентген | 1995 |
| NASA, США | SIM Lite Astrometric Observatory | Видимое излучение | 2015 |
| NASA, США | Spitzer Space Telescope | Инфракрасное | 2003 |
| NASA, США | Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS) |
Инфракрасное | 1998 |
| NASA, США | Swift Gamma Ray Burst Explorer | Гамма-излучение, Рентген, Ультрафиолет, Видимое излучение |
2004 |
| NASA, США | Terrestrial Planet Finder | Видимое излучение, Инфракрасное | |
| NASA, США | Wide-field Infrared Explorer (WIRE) |
Инфракрасное | 1999 |
| NASA, США | Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) |
Инфракрасное | 2009 |
| NASA, США | WMAP | Микроволновое | 2001 |
Что такое «Хаббл»?
Американский ученый Эдвин Пауэлл Хаббл стал широко известным благодаря открытию эффекта расширения Вселенной. Его до сих пор часто упоминают в своих статьях великие ученые. Хаббл — человек, в честь которого был назван радиотелескоп, и благодаря которому произошла полная замена всех ассоциаций и стереотипов.
Телескоп «Хаббл» — один из самых известных среди объектов, которые непосредственно связаны с космосом. Его можно с уверенностью считать настоящей автоматической орбитальной обсерваторией. Этот космический гигант требовал немалого финансового вложения (ведь затраты на неземной телескоп превышали стоимость наземного в сотни раз), а также ресурсов и времени. Исходя из этого два крупнейших агентства мира, такие как НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА), решили соединить свои возможности и сделать совместный проект.
В каком году он был запущен, уже давно не является секретной информацией. Запуск на земную орбиту состоялся 24 апреля 1990 года на борту шаттла "Дискавери«STS-31. Возвращаясь к истории, стоит упомянуть то, что год запуска изначально планировался другой. Предполагаемой датой должен был стать октябрь 1986 года, но в январе того же года, произошла катастрофа «Челленджера» и все были вынуждены отложить запланированный запуск.С каждым месяцем простоя стоимость программы увеличивалась на 6 миллионов долларов. Ведь не так просто сохранить в идеальном состоянии объект, который нужно будет отправить в космос. «Хаббл» был помещен в особое помещение, в котором была искусственно создана очищенная атмосфера, а также частично функционировали бортовые системы. За время хранения, также некоторые приборы были заменены на более современные.
Когда запустили"Хаббл" все ожидали неимоверного триумфа, но не сразу все было так, как хотелось. Ученые столкнулись с проблемами уже с первых снимков. Было понятно, что на зеркале телескопа имеется дефект, и качество снимков отличалось от ожидаемого. Также было не совсем понятно, сколько лет пройдет с момента обнаружения проблемы до ее решения. Ведь было очевидным, что заменить главное зеркало телескопа непосредственно на орбите невозможно, а вернуть его на Землю чрезвычайно дорого, поэтому было принято решение о том, что нужно установить на него дополнительную аппаратуру и за счет нее скомпенсировать дефект зеркала.Так, уже в декабре 1993 года был отправлен шаттл «Индевор» с нужными конструкциями. Космонавты пять раз выходили в открытый космос и успешно смогли установить нужные детали на телескоп «Хаббл».
Что новое увидел в космосе телескоп? И какие открытия смогло сделать человечество на основе снимков? Это одни из самых распространенных вопросов, задаваемых когда-либо учеными. Конечно, самые большие звезды, снятые телескопом не остались без внимания. А именно, благодаря уникальности телескопа, астрономы выявили одновременно девять огромных звезд (в звездном скоплении R136), масса которых больше чем в 100 раз превосходит массу Солнца. Были обнаружены и звезды, масса которых превышает массу Солнца в 50 раз.
Также не осталось без внимания фото, где запечатлены двести безумно горячих звезд, которые в совокупности дают нам туманность NGC 604. Именно «Хаббл» смог заснять флуоресценцию туманности, которая была вызвана ионизированным водородом.
Говоря о теории большого взрыва, которая сегодня является одной из самых широко обсуждаемых и самой достоверной в истории происхождения Вселенной, стоит вспомнить о реликтовом излучении. Реликтовое излучение является одним из ее основоположных доказательств. А вот еще одним стало космологическое красное смещение.В совокупности получилось проявление эффекта Доплера. По нему тело видит предметы, которые к нему приближаются в синем цвете, а если они отдаляются, то становятся более красными. Так, наблюдая за космическими объектами с телескопа «Хаббл», смещение было красным и на этом основании было сделано заключение о расширении Вселенной.
Рассматривая снимки с телескопа, одним из первых вы увидите Дальнее поле. На фото вы уже не разглядите звезды по отдельности — это будут целые галактики.И сразу же возникает вопрос: на какое расстояние видит телескоп и какой его крайний рубеж? Для того, чтобы ответить, как телескоп видит так далеко, нужно подробно рассмотреть конструкцию «Хаббла».
Технические характеристики телескопа
- Габаритные размеры всего спутника: 13,3 м — длина, масса около 11 тонн, но с учетом всех установленных приборов, его масса достигает 12,5 тонн и диаметр — 4,3 м.
- Форма точности ориентации может достигать 0,007 угловых секунд.
- Две двусторонние солнечные батареи мощностью 5 кВт, но есть еще 6 батарей, у которых емкость 60 ампер/часов.
- Все двигатели работают на гидразине.
- Антенна, которая способна принимать все данные со скоростью 1 кБ/с, а отдавать — 256/512 кБ/с.
- Основное зеркало, диаметр которого — 2,4 м, а также вспомогательное — 0,3 м.Материал главного зеркала — плавленое кварцевое стекло, которое не поддается тепловым деформациям.
- Какое увеличение, такое и фокусное расстояние, а именно 56,6 м.
- Кратность обращения —раз в полтора часа.
- Радиус сферы «Хаббла» —отношение скорости света к постоянной Хаббла.
- Характеристики излучения — 1050-8000 ангстрем.
- А вот на какой высоте над поверхностью Земли находится спутник, известно давно. Это 560 км.
Как устроен принцип работы телескопа «Хаббл»?
Принцип работы телескопа является рефлектором системы Ричи-Кретьена. Строение системы — это главное зеркало, которое вогнуто гиперболически, а вот его вспомогательное зеркало — выпукло гиперболически. Устройство, установленное в самом центре гиперболического зеркала называется окуляр. Поле зрения — около 4°.
Так кто же все-таки принимал участие в создании этого потрясающего телескопа, который несмотря на свой почтенный возраст, продолжает радовать нас своими открытиями?
История создания уходит в далекие семидесятые года 20 века. Над самыми важными частями телескопа, а именно главным зеркалом работало несколько компаний. Ведь требования выдвигались достаточно жесткие, а результат планировался идеальным. Так, компания PerkinElmer хотела использовать свои станки с новыми технологиями для достижения нужной формы. А вот компания Kodak подписала контракт, в котором предполагалось использование более традиционных методов, но уже для запасных деталей. Работы по изготовлению начались еще в 1979 году, а полировка нужных деталей продолжалась до середины 1981 года. Даты были очень сдвинуты, и возник вопрос компетентности компании PerkinElmer, по итогам было перенесено запуск телескопана октябрь 1984 года. Вскоре некомпетентность проявлялась все больше, и еще несколько раз переносилась дата запуска.История подтверждает, что одной из предполагаемых дат был сентябрь 1986 года, в то время как общий бюджет всего проекта вырос до 1,175 млрд. долл.
И напоследок, информация о самых интересных и значимых наблюдениях телескопа «Хаббл»:
- Были обнаружены планеты, которые находятся вне Солнечной системы.
- Найдено огромное количество протопланетных дисков, которые располагаются вокруг звезд Туманности Ориона.
- Произошло открытие в изучении поверхности Плутона и Эриды. Были получены первые карты.
- Немаловажным является частичное подтверждение теории об очень массивных черных дырах, которые располагаются в центрах галактик.
- Было показано, что достаточно схожи по форме Млечный Путь и Туманность Андромеды имеют значительные отличия в их истории возникновения.
- Был однозначно установлен точный возраст нашей Вселенной. Он составляет 13,7 млрд. лет.
- Гипотезы относительно изотропности — также верны.
- В 1998 году были объединены исследования и наблюдения наземных телескопов и «Хаббла», и установлено, что в темной энергии ¾ содержания от полной плотности всей энергии Вселенной.
Изучение космических пространств продолжается...
Человека всегда волновали тайны мироздания. Когда появилась наша вселенная? Как давно? Существуют ли другие планеты, похожие на Землю? Вопросов огромное количество, и астрономы с помощью своих приборов всегда пытались увидеть в космосе больше, дальше и отчётливей.
Осуществлять наблюдение с поверхности нашей планеты в целом достаточно удобно. Надо просто выбрать место с атмосферой, не загрязнённой различными выбросами. Линзу телескопа можно сделать настолько большой, насколько позволяют имеющиеся технологии. Осталось только автоматизировать процесс наблюдения и записи результатов. И, казалось бы, всё, готовься узнать все тайны мира. Однако перед исследователями возникает большая проблема, связанная с поглощением земной атмосферой приходящего из космоса инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Между тем, в этом невидимом человеческим глазом волновом диапазоне содержится огромный объём информации, помогающей понять сущность происходящих процессов.
Лайман Спитцер
Идею создания средства наблюдения, картинка которого не подвержена искажению земной атмосферой, впервые выдвинул Герман Оберт в 1923 году. В то время такие перспективы казались очень далёким будущим. Однако уже в 1946 году в работе астрофизика Лаймана Спитцера были сформулированы основные принципы функционирования внеземной обсерватории. В качестве основного рабочего элемента предлагалось использовать не систему линз, как в обычных земных телескопах, а огромное зеркало, которое будет собирать на своей поверхности потоки исходящего излучения. При этом на точность наблюдения будет влиять только ровность зеркальной поверхности без каких-либо привнесённых искажений, вызванных турбулентными потоками земной атмосферы. Ну и конечно такой телескоп мог бы работать во всех интересующих диапазонах.
Период от формулирования идеи до её воплощения составил более 40 лет. Ведь сначала необходимо было детально отработать процедуру вывода телескопа на околоземную орбиту, да и инструменты, позволяющие с огромной точностью отполировать поверхность зеркала, появились только в 60-х годах прошлого века.
Первопроходцем в сфере создания больших космических телескопов по праву считается американская корпорация НАСА. Начиная с 1962 года она вплотную занималась созданием универсальных средств наблюдения. Первые орбитальные астрономические обсерватории (ОАО) были достаточно громоздкими и не имели устойчивых каналов связи с центром управления для передачи накопленной информации. Но даже эта несовершенная техника позволила сделать ряд научных открытий. Например, впервые была сфотографирована и изучена ультрафиолетовая спектрограмма Солнца.
Телескоп Хаббл
Следующим шагом должна была стать разработка телескопа с большим зеркалом, которое можно было бы использовать для изучения удалённых галактик и планет. Его строительство продолжалось около 15 лет, а стоимость была настолько велика, что НАСА пришлось обращаться за помощью к Европейскому космическому агентству. В результате на орбиту он был выведен только в 1990 году. Телескоп получил имя американского учёного Эдвина Хаббла, который разработал концепцию расширяющейся Вселенной.
Первые результаты работы нового космического телескопа оказались просто ошеломляющими. Невозможная ранее разрешающая способность, позволяющая без всяких искажений получить отчётливое изображение далёких планет, произвела настоящий фурор в научном сообществе. С помощью «Хаббла» удалось в деталях рассмотреть процесс столкновения кометы Шумейкера-Леви с Юпитером, получить чёткие изображения поверхности Плутона, обнаружить ранее неизвестные планеты, находящиеся вне солнечной системы.
Фрагмет туманности Киля, сфотографированной телескопом Хаббл в 2010 году
Срок службы космического телескопа «Хаббл» заканчивается в 2014 году. Ему на смену должен прийти новый аппарат, строительство которого уже вовсю ведётся НАСА и Европейским космическим агентством. Участвуют в разработках и российские учёные. Планируется, что новый телескоп получит имя Джеймса Вебба, талантливейшего американского учёного, внёсшего огромный вклад в изучение теории происхождении нашего мира.
Диаметр зеркала нового телескопа будет равен 6,5 метров (у «Хаббла» - 2,5 м). Для его защиты от солнечной радиации предполагается развернуть огромный отражающий экран, целью которого будет отведение лишнего тепла от измерительных датчиков. Телескоп сможет заглянуть ещё дальше во вселенную, уловить излучение самых далёких звёзд. Поэтому неслучайно, что основной целью выведения его на орбиту считается проведение целого комплекса наблюдений в отношении планетарных систем вне нашей галактики, изучение их физико-химических параметров и определение возможности существования на них органической жизни. С помощью нового телескопа учёные будут стремиться доказать, что мы не одиноки во вселенной.
Космические телескопы - это, как правило, телескопы, работающие за пределами атмосферы Земли и, тем самым, не утруждающие себя просвечиванием через эту атмосферу. Самым известным космическим телескопом на сегодняшний день является космический телескоп Хаббл, открывший сотни экзопланет, показавший множество живописных галактик, космических событий и расширивший горизонты нашего взгляда в космос. На смену Хабблу придет космический телескоп Джеймса Вебба, который будет запущен в космос в 2018 году и зеркало которого будет превышать диаметр зеркала Хаббла почти в три раза. После Джеймса Вебба ученые планируют отправить в космос Космический телескоп высокого разрешения (HDST), но это пока только в планах. Как бы то ни было, на долю космических телескопов приходится и будет приходиться большая часть наших открытий в глубоком космосе.
Мы представляем себе космос как темное, холодное и тихое место, где нет ничего, кроме бесконечной Вселенной вокруг. Однако насчет тишины космического пространства можно поспорить. По всей Вселенной перемещаются тысячи самых разных радиосигналов. Их испускают различные космические объекты и большая часть таких сигналов — это не более, чем шум и помехи. Но встречаются среди них и те, что к помехам отнести никак не получается. И недавно зарегистрировал огромный китайский радиотелескоп.
