Журнал «Вокруг Света» №08 за 2010 год - Вокруг Света

Изображение Солнца в рентгеновском диапазоне с новой орбитальной обсерватории SDO (Solar Dynamics Observatory). Большинство специализированных космических обсерваторий занимаются изучением Солнца. Некоторые из них, например SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), работают в точке Лагранжа L1 и никогда не попадают в земную тень. Но поскольку SDO должна передавать огромный поток данных, она помещена ближе к Земле — на геостационарную орбиту. Фото: NASA; NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

Тепло и холод

Интерес астрономов к рентгеновскому и окружающим его ультрафиолетовому и гамма-диапазонам был столь велик, что за первые 15 лет развития космической астрономии не было запущено ни одной обсерватории для наблюдений в других диапазонах. Только в 1983 году NASA отправило на орбиту инфракрасную обсерваторию IRAS, которая за 10 месяцев построила первую в мире тепловую карту неба.

Впрочем, основная причина такой задержки, конечно, не в недостатке интереса. На самом деле создать инфракрасный телескоп сложнее, чем рентгеновский. Да, здесь нет квантов с разрушительной энергией, и зеркала прекрасно отражают инфракрасное излучение. Вот только вдобавок эти зеркала сами его испускают. Если не принимать специальных мер, температура спутника на околоземной орбите составляет 200–300 градусов Кельвина, а значит, все его детали интенсивно светят как раз в том самом инфракрасном диапазоне, в котором планируется вести наблюдения.

Представьте, что линзы вашего фотоаппарата стали светиться, как лампы дневного света. Ясно, что ничего хорошего в кадре не получится. Поэтому всю оптику и детекторы орбитальных инфракрасных телескопов приходится охлаждать жидким гелием, запас которого привозится с Земли в сосуде Дьюара. И как только гелий заканчивается, телескоп выходит из строя. Поэтому раньше инфракрасные обсерватории обычно не работали больше двух лет. Но в последние годы благодаря совершенствованию криогенной техники срок работы обсерваторий удалось продлить. Новая европейская инфракрасная обсерватория «Гершель» рассчитана на три года эксплуатации. Столько же должна проработать микроволновая обсерватория «Планк», требования к охлаждению телескопа которой еще более жесткие. 

Большие телескопы

Еще дольше, чем ИК-телескопы, не появлялись в космосе обычные инструменты видимого диапазона. Но тут причина была иная. В запуске такого инструмента просто не было большой необходимости, поскольку видимый свет неплохо наблюдается и с Земли. Впрочем, к 1989 году одна «космическая» задача в видимом свете все же созрела. Она касалась точного измерения координат большого числа звезд. Помехи от земной атмосферы оказались на порядок выше погрешностей измерительной техники. И тогда был запущен европейский астрометрический спутник «Гиппарх», определивший точные координаты и собственные движения примерно миллиона звезд. Это позволило измерить геометрические параллаксы, то есть расстояния до звезд, в радиусе нескольких сотен парсек от Солнца (вместо прежних десятков), а также значительно уточнить параметры вращения нашей Галактики.

А на следующий год пришла очередь знаменитого «Хаббла». С главным зеркалом диаметром 2,4 метра он долго оставался самым большим космическим телескопом, пока в прошлом году Европейское космическое агентство не запустило инфракрасный телескоп «Гершель» диаметром 3,5 метра. На Земле такого размера инструменты не могут полностью реализовать свою разрешающую способность: дрожание атмосферы размывает изображение. Но по иронии судьбы «Хаббл», выйдя на орбиту, дал изображение хуже, чем такой же наземный телескоп. Причиной оказалась ошибка в изготовлении главного зеркала. Проект мог бы закончиться полным провалом, если бы телескоп не был рассчитан на обслуживание астронавтами, которым удалось этот дефект исправить, установив специальный компенсатор.  На сегодня «Хаббл» — старейшая космическая обсерватория. Стать долгожителем и до сих пор получать первоклассные научные результаты «Хабблу» позволили еще четыре пилотируемые миссии обслуживания. Каждый раз астронавты не только заменяли изношенные узлы, но и устанавливали усовершенствованное оборудование. Достаточно сказать, что первоначально разрешение ПЗС-матрицы основной камеры космического телескопа составляло всего 800 × 800 точек — как у современной дешевой веб-камеры. Во время последнего полета к «Хабблу» в мае прошлого года астронавты установили на нем новую камеру с матрицей 4096 × 4096 точек и еще одну инфракрасную ПЗС с разрешением 1024 × 1024 точки.

И все же серьезных перспектив у «Хаббла» уже нет. За время его жизни в телескопостроении случилась настоящая революция: системы адаптивной оптики позволили почти полностью избавиться от атмосферных помех при наблюдениях прямо с поверхности Земли. Поэтому нет смысла запускать на смену «Хабблу» новый большой телескоп видимого диапазона. Вместо этого в 2014 году в космос отправится 6,5-метровый инфракрасный телескоп «Джеймс Вебб».

«Хаббл»

Диапазон — видимый, ближний УФ, ближний ИК

Объектив — ø 2,4 м

Собирающая площадь — 4,5 м2

Масса — 11 тонн

Орбита — низкая околоземная (550 км)

Год запуска — 1990

Годы модернизации — 1993, 1997, 1999, 2002, 2009

Снимок галактики М82 в видимом диапазоне, сделанный «Хабблом» и вошедший в композитное изображение на с. 160. Видны звезды галактического диска и яркие области активного звездообразования. Темные прожилки на их фоне — пылевые облака Открытия «Хаббла»

Наблюдение протопланетных дисков у других звезд. Пятикратное уточнение скорости расширения Вселенной. Наблюдения далеких сверхновых, указывающие на существование темной энергии.

«Чандра»

Диапазон — мягкий рентген

Объектив — ø 1,2 м, сборка из четырех концентрических зеркал скользящего падения с покрытием из иридия и золота

Собирающая площадь — 0,04 м2

Масса — 5 тонн

Орбита — высокоэллиптическая (апогей 130 тыс. км)

Год запуска — 1999

Рентгеновское изображение М82, полученное «Чандрой» и вошедшее в композитный кадр на с. 160. В рентгене видны источники, связанные с черными дырами вблизи центра галактики, а также выбрасываемые из ядра галактики потоки горячего газа Открытия «Чандры»

Открытие рентгеновского излучения сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики. Первая регистрация рентгеновского излучения от гаммавсплеска. Открытие в галактике М82 нового класса черных дыр с промежуточными массами — между звездными и сверхмассивными.

«Спитцер»

Диапазон — средний и дальний ИК

Объектив — ø 0,85 м, бериллиевое зеркало, охлаждаемое до 5,5 кельвина

Собирающая площадь — 0,57 м2

Масса — 1 тонна

Орбита — гелиоцентрическая

Год запуска — 2003

Трехканальный инфракрасный снимок М82, сделанный «Спитцером» и вошедший в композитное изображение на с. 160. Видны клубы холодной межзвездной пыли (красные), выдуваемые прочь из галактики излучением горячих звезд (голубые) Открытия «Спитцера»

Первое прямое наблюдение экзопланеты и первая карта температур на экзопланете. Обнаружение самых молодых известных звезд, скрытых в пылевом коконе. Регистрация света самого первого поколения звезд во Вселенной.

Узкие специалисты

Впрочем, отдельные задачи все-таки и сейчас осмысленно решать в космосе с помощью инструментов видимого диапазона. Так, например, запущенный в прошлом году телескоп «Кеплер» будет три с половиной года подряд непрерывно следить  за одним и тем же участком неба на границе созвездий Лебедя и Лиры, фиксируя любые колебания блеска сотен тысяч звезд, подобных нашему Солнцу. Ожидается, что у некоторых из этих звезд будут обнаружены затмения, вызванные планетами земного типа. Космическое базирование телескопа обеспечивает непрерывность наблюдений вне зависимости от погоды и смены дня и ночи. За первый год работы «Кеплер» выявил 400 кандидатов в экзопланеты — примерно столько же найдено за все 15 предшествующих лет их изучения.

Надо сказать, что на большинстве космических обсерваторий установлены как раз не универсальные, а специализированные инструменты, нацеленные на решение конкретных задач, недоступных наземным телескопам. Взять, к примеру, аппараты, изучавшие космический микроволновый фон — излучение на границе между инфракрасным и радиодиапазонами, сохранившееся, как считается, с эпохи горячей Вселенной. Наблюдать это излучение можно и с Земли — так оно и было обнаружено в 1964 году, но для точного измерения его спектра и построения детальной температурной карты всей небесной сферы необходимы наблюдения с орбиты. Первый такой инструмент «Реликт-1» полетел в 1983 году на борту советского метеоспутника «Прогноз-9», но в СССР это направление исследований дальнейшего развития не получило. Запущенный в 1989 году американский COBE (Cosmic Background Explover) имел сравнимые показатели точности, но зато смог измерить спектр излучения, за что разработчикам в 2006 году досталась Нобелевская премия. У следующего аппарата NASA — WMAP, стартовавшего в 2001 году, чувствительность и разрешение были в 30–40 раз выше, чем у COBE, а в прошлом году приступил к работе европейский спутник «Планк», чувствительность которого поднята еще на порядок. Каждый такой шаг становится серьезной вехой в космологических исследованиях.