Космические обсерватории

Огромный объём информации о космосе целиком остаётся за пределами земной атмосферы. Большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучи космического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности Земли. Для того чтобы изучать Вселенную в этих лучах, необходимо вынести наблюдательные приборы в космос. Ещё недавно внеатмосферная астрономия была уделом мечтателей. Теперь она превратилась в быстро развивающуюся отрасль науки. Результаты, полученные на космических телескопах, без малейшего преувеличения перевернули многие наши представления о Вселенной.
Первые космические обсерватории существовали на орбите недолго, и программы наблюдений на них ограничивались несколькими пунктами. Современный космический телескоп — уникальный комплекс приборов, разрабатываемый и эксплуатируемый несколькими странами в течение многих лет. В наблюдениях на современных орбитальных обсерваториях принимают участие тысячи астрономов со всего мира.
Для успешной работы космической обсерватории требуются совместные усилия самых разных специалистов. Космические инженеры готовят телескоп к запуску, выводят его на орбиту, следят за обеспечением энергией всех приборов и их нормальным функционированием. Каждый объект может наблюдаться в течение нескольких часов, поэтому особенно важно удерживать ориентацию спутника, вращающегося вокруг Земли, в одном и том же направлении, чтобы ось телескопа оставалась нацеленной строго на объект.
Астрономы собирают заявки на проведение наблюдений, отбирают из них наиболее важные, готовят программу наблюдений, следят за получением и обработкой результатов. Данные, полученные на космических телескопах, в течение некоторого времени доступны лишь авторам программы наблюдений. Потом они поступают в компьютерные сети, и любой астроном может воспользоваться ими.

ИНФРАКРАСНЫЕ ОБСЕРВАТОРИИ

Для проведения инфракрасных наблюдений в космос приходится отправлять довольно большой груз: сам телескоп, устройства для обработки и передачи информации и, наконец, охладитель, который должен уберечь ИК-приёмник от фонового излучения — инфракрасных квантов, испускаемых самим телескопом. Поэтому за всю историю космических полётов в космосе работало очень мало инфракрасных телескопов. Первая инфракрасная обсерватория была запущена в январе 1983 г. в рамках совместного американо-европейского проекта IRAS.
В состав комплекса IRAS входил телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 57 см. Детекторы регистрировали ИК-излучение с длинами волн 12, 25, 60 и 100 мкм. Чтобы уменьшить влияние фонового излучения, инструмент охлаждался жидким гелием, имевшим температуру всего 2,4 К. Спутник проработал на орбите 10 месяцев и отключился после исчерпания запасов охладителя. Из-за особенностей орбиты IRAS передавал данные наблюдений на Землю дважды в день; во время этих же сеансов связи он получал новые задания и снова на полдня отключался.
Главной задачей телескопа IRAS были поиски источников длинноволнового ИК-излучения, составление карт неба в инфракрасном диапазоне. На это отводилось 60% времени наблюдений. За время полёта полный обзор всего неба был проведён шесть раз — для обнаружения переменных источников. IRAS осуществил наблюдения около 250 тыс. источников инфракрасного излучения.
На телескопе IRAS впервые были открыты тысячи галактик с мощным инфракрасным излучением, в том числе такие, которые в ИК-диапазо-не излучают больше энергии, чем во всех остальных областях спектра. Это излучение в основном связано с межзвёздной пылью, нагреваемой недавно образовавшимися звёздами. IRAS позволил подробнее изучить свойства пылевых частиц и в нашей Галактике. Интерес к инфракрасным источникам в газопылевых облаках связан с тем, что именно эти облака, по современным представлениям, являются «звёздными яслями». Только что родившаяся звезда, окружённая газовым облаком, не видна с Земли, так как её излучение полностью поглощается пылью. При этом пыль нагревается и начинает светиться сама, но в отличие от звезды не в видимом, а в инфракрасном диапазоне. По характеру излучения пыли можно судить о свойствах звезды, которая прячется в недрах облака. IRAS обнаружил множество таких прото-звёздных объектов. С его помощью были открыты пылевые облака и вокруг многих известных звёзд. В частности, пылевой диск, представляющий, вероятно, так и не сформировавшуюся планетную систему, был обнаружен у Веги, одной из самых ярких звёзд неба.
Многие открытия этого телескопа связаны с Солнечной системой. За шесть последних месяцев наблюдений он обнаружил шесть новых астероидов, позволил прояснить природу пылевых поясов между орбитами Марса и Юпитера. Его наблюдения пролили свет на содержание пыли в кометах.
Результаты, полученные на телескопе IRAS, обрабатываются до сих пор. Но недостатки этого телескопа — малая чувствительность и низкая разрешающая способность (примерно такая же, как у невооружённого глаза) — не позволили ответить на вопрос о природе и происхождении многих ИК-источников.
В ноябре 1989 г. на орбиту вышел специализированный ИК-телескоп СОВЕ, предназначенный для исследований реликтового излучения, сохранившегося со времени Большого Взрыва и имеющего температуру 2,7 К Исследования этого излучения позволили получить информацию о самом начале развития Вселенной, о первых галактиках и звёздах.
В ноябре 1995 г. Европейским космическим агентством осуществлён запуск на околоземную орбиту инфракрасной обсерватории ISO. На ней стоит телескоп с таким же диаметром зеркала, как и на IRAS, но для регистрации излучения используются более чувствительные детекторы. Наблюдениям ISO доступен более широкий диапазон инфракрасного спектра. В настоящее время разрабатывается ещё несколько проектов космических инфракрасных телескопов, которые будут запущены в ближайшие годы.
Не обходятся без ИК-аппаратуры и межпланетные станции. Так, запущенный к Юпитеру 19 октября 1989 г. американский аппарат «Галилео» передал большой объём информации о падении на планету в июле 1994 г. фрагментов кометы Шумейкеров -Леви 9. При этом использовался картографический ИК-спектрометр корабля. Неоценимую информацию об атмосфере Венеры и поверхности Марса принесли ИК-спектрометры, установленные на автоматических межпланетных станциях, посылавшихся к этим планетам.

ХАББЛОВСКИИ КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП

В конце апреля 1990 г. с борта американского корабля многоразового использования «Дискавери» была выведена на орбиту крупнейшая околоземная обсерватория для наблюдений в оптическом диапазоне спектра — Хаббловский космический телескоп весом более 12т (кооперативный проект НАСА и Европейского космического агентства). На него возлагались большие надежды, однако вскоре после запуска выяснилось, что главное 2,4-метровое зеркало телескопа обладает сферической аберрацией, значительно ухудшающей характеристики этого уникального инструмента. И всё же за первые 18 месяцев полёта был проведён ряд результативных наблюдений.
2 декабря 1993 г. к телескопу отправился челнок «Индевор» с миссией обслуживания. В ходе недельной работы астронавты заменили большую часть электронных блоков, исправили погнутую солнечную батарею и самое важное — установили блок корректирующей оптики, устранивший погрешности главного зеркала. Возможности телескопа после ремонта значительно возросли.
В феврале 1997 г. к Хаббловскому телескопу вновь стартовал космический корабль «Дискавери». На этот раз были вновь заменены некоторые электронные блоки, установлен спектрограф высокого разрешения и новая ИК-камера, с помощью которой планируется начать поиск планет у ближайших звёзд.
Специалисты НАСА предполагают повторять подобные «сервисные» полёты в среднем раз в три года и считают, что срок службы телескопа на орбите может превысить запланированные изначально 15 лет.
Хаббловский телескоп оказался невероятно дорогостоящим, но тем не менее очень эффективно работающим астрономическим инструментом. Угловое разрешение телескопа получилось лучше 0,1″, что на порядок выше, чем у наземных оптических инструментов (под таким углом, например, будет видна муха с расстояния около 20 км). С помощью этого телескопа удалось увидеть и исследовать такие мелкие детали самых различных астрономических объектов, которые ранее были недоступны телескопам. Упомянем лишь некоторые из его достижений.
Получены чёткие изображения планет Солнечной системы, которые ранее можно было сделать только с помощью межпланетных станций. Так, удалось проследить за сезонными изменениями вида полярной шапки Марса и всей поверхности этой планеты, за извержением вулкана на спутнике Юпитера Ио, за падением на Юпитер кометы. Впервые учёные смогли увидеть детали поверхности Плутона. Чрезвычайно ценный материал получен по яркой комете Хей-ла — Боппа: астрономы следили за тем, как у кометы по мере приближения к Солнцу формируется хвост, как происходят взрывоподобные выбросы пыли с поверхности её ядра. Это дало неоценимый материал о составе и природе комет.
Учёные увидели мельчайшие детали межзвёздных газовых туманностей, обнаружили протопланетные диски, окружающие молодые звёзды, струи газа, выбрасываемые формирующимися звёздами, новые типы планетарных туманностей со сложной структурой газовых волокон.
Удалось заглянуть в самые плотные центральные части шаровых звёздных скоплений и галактик, получить веские свидетельства существования в ядрах многих галактик невидимых объектов с массой в сотни миллионов и миллиарды масс Солнца (по-видимому, чёрных дыр).
Удалось найти и исследовать пульсирующие звёзды — цефеиды — в далёких галактиках и по ним оценить расстояние до этих звёздных систем, уточнив тем самым всю шкалу межгалактических расстояний.
Реализовалась возможность увидеть наконец во всех деталях те галактики, внутри которых находятся ква-зары: яркий свет квазаров мешает выделить при наземных наблюдениях слабое свечение породивших их звёздных систем.
Оказалось возможным детально исследовать в некоторых галактиках очень трудные для наблюдений околоядерные звёздно-газовые диски размерами порядка тысячи световых лет и даже наблюдать в них отдельные молодые звёздные скопления.
В рамках специально разработанной программы «Глубокое поле», нацеленной на исследование особенно далёких галактик, на телескопе получены изображения предельно слабых объектов — до 30-й звёздной величины. Большинство из них являются галактиками, которые (из-за конечной скорости света) мы наблюдаем в эпоху ранней молодости. Их сравнение с современными галактиками значительно продвинуло наше понимание того, как миллиарды лет назад формировались звёздные системы.
Работа космического телескопа рассчитана на длительный срок Данные, полученные с его помощью по различным наблюдательным программам, через определённое время становятся доступными (по глобальной электронной сети Интернет) для бесплатного пользования учёными любой страны.

УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ОБСЕРВАТОРИИ

Ультрафиолетовое излучение Солнца и звёзд практически полностью поглощается озоновым слоем нашей атмосферы, поэтому УФ-кванты можно регистрировать только в верхних слоях атмосферы и за её пределами.
Интерес астрономов к УФ-излуче-нию обусловлен в большой степени тем, что именно в этом диапазоне излучает самая распространённая молекула во Вселенной — молекула водорода — и находится самая яркая линия атомарного водорода — Лай-ман-альфа.
Впервые ультрафиолетовый телескоп-рефлектор с диаметром зеркала 80 см и специальный ультрафиолетовый спектрометр выведены в космос на совместном американо-европейском спутнике «Коперник», запущенном в августе 1972 г. Наблюдения на нём проводились до 1981 г.
Наиболее знаменит другой ультрафиолетовый спутник — IUE, который, без сомнения, можно считать одним из самых удачных космических проектов. Спутник IUE вышел на орбиту в январе 1978 г. и начал свои многолетние наблюдения. На нём были установлены зеркальный телескоп (диаметр зеркала 45 см) и два спектрографа.
На спутнике IUE проводились наблюдения самых разнообразных объектов: от комет и планет до удалённых галактик. Об этих наблюдениях написано несколько книг, опубликовано около 3 тыс. статей в научных журналах, проведено более десяти крупных научных конференций.
Отечественный рекорд длительности работы космической обсерватории на орбите также принадлежит ультрафиолетовому телескопу. Спутник «Астрон» покинул Землю в марте 1983 г. Предполагалось, что он проведёт на орбите один год. УФ-на-блюдения проводились на телескопе-рефлекторе «Спика» с диаметром зеркала 80 см и на ультрафиолетовом спектрометре. Телескоп прекратил наблюдения лишь в июне 1989 г., намного превысив ожидаемое время работы.
На ультрафиолетовой обсерватории «Астрон» проводились исследования звёзд, в том числе с необычным химическим составом, новых и сверхновых звёзд, в частности знаменитой сверхновой 1987 г. в Большом Магел-лановом Облаке, других галактик, газовых туманностей и комет.
В настоящее время в России ведутся работы по подготовке запуска нового ультрафиолетового телескопа «Спектр-УФ» с диаметром зеркала 170 см.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ

Рентгеновские лучи доносят до нас информацию о мощных космических процессах, связанных с экстремальными физическими условиями. Высокая энергия рентгеновских и гамма-квантов позволяет регистрировать их «поштучно», с точным указанием времени регистрации. Детекторы рентгеновского излучения относительно легки в изготовлении и имеют небольшой вес. Поэтому они использовались для наблюдений в верхних слоях атмосферы и за её пределами с помощью высотных ракет ещё до первых запусков искусственных спутников Земли. Рентгеновские телескопы устанавливались на многих орбитальных станциях и межпланетных космических кораблях. Всего в околоземном пространстве побывало около сотни таких инструментов.
Наблюдения космического рентгеновского излучения начались в Соединённых Штатах Америки сразу же после окончания Второй мировой войны. В то время для регистрации рентгеновских квантов использовались обыкновенные счётчики Гейгеpa, установленные на трофейных немецких ракетах «Фау-2″. В 1949 г. одна из этих ракет впервые уловила рентгеновское излучение от ближайшего к нам источника — Солнца, а в 1962 г. был обнаружен первый источник за пределами Солнечной системы. Точность приборов на ракетах была невысока, но учёных тогда интересовали не столько характеристики космических рентгеновских источников, сколько сам факт их существования. Устанавливать более сложное оборудование было, конечно, невыгодно, так как чаще всего по окончании полёта оно разрушалось вместе с ракетой. В те годы рентгеновские телескопы часто поднимались в небо также на воздушных шарах — стратостатах.
В 1970 г. на околоземную орбиту вышел спутник «Ухуру» (США), предназначенный для поиска рентгеновских источников по всему небу. С этого времени рентгеновская астрономия превратилась в полноправную отрасль науки о Вселенной, а точность измерения потоков рентгеновского излучения приблизилась к точности наблюдений в других диапазонах спектра. Предел чувствительности ракетных наблюдений едва превышал интенсивность рентгеновского излучения Крабовидной туманности. Космические наблюдения на «Ухуру» позволили фиксировать лучи в тысячу раз меньшей интенсивности.
«Ухуру» зарегистрировал много рентгеновских источников различной природы. Некоторые его открытия стали основополагающими. Например, он обнаружил жёсткое (коротковолновое) излучение от двойной звезды Геркулес Х-1. Это позволило предположить, что по крайней мере часть такого излучения вызвана явлениями перетекания вещества со звезды на звезду в тесных двойных системах. Кроме того, спутник зарегистрировал рентгеновское излучение, приходящее из межгалактического пространства в скоплениях галактик. Это доказывало, что галактики погружены в разреженный и очень горячий газ. Наконец один из невидимых источников, обнаруженных «Ухуру», — Лебедь Х-1 — оказался связанным с объектом, который имеет слишком большую массу, чтобы быть нейтронной звездой. Это позволило считать его первым кандидатом в чёрные дыры.
По мере совершенствования техники на орбиту поднимались всё более сложные и разнообразные приборы. С их помощью были подробно изучены объекты, обнаруженные на «Ухуру», и совершены новые открытия. В 1975 г. секретный американский спутник «Вела» и Астрономический Нидерландский Спутник (АНС) зарегистрировали рентгеновские барстеры (от англ. burst — «вспышка») — вспышки жёсткого излучения. На АНС удалось также измерить рентгеновское излучение звёздных корон (верхних атмосфер) у Капеллы и Сириуса.
В ноябре 1978 г. ракета-носитель «Атлас» подняла в космическое пространство рентгеновскую обсерваторию «Эйнштейн», чувствительность которой в 10 тыс. раз превышала чувствительность телескопа «Ухуру». Наблюдения на этой обсерватории показали, что почти каждая звезда благодаря горячей газовой короне является источником рентгеновского излучения, подобного солнечному. Впервые в этом диапазоне наблюдались остатки вспышек сверхновых — сброшенные звёздами расширяющиеся оболочки, заполненные горячим газом. «Эйнштейн» зарегистрировал жёсткое излучение многих звёздных скоплений, галактик и квазаров. Оказалось, что рентгеновское излучение во Вселенной — явление такое же обычное, как и излучение оптического диапазона.
В 80-е гг. стартовали новые рентгеновские телескопы на японских спутниках «Тенма» и «Гинга», советских «Астроне», «Кванте» и «Гранате», европейском спутнике EXOSAT. В 90-е гг. к ним присоединились совместная американо-европейская обсерватория ROSAT и японский спутник ASCA. Помимо тех объектов, о которых мы уже говорили, большое внимание сейчас уделяется изучению рентгеновского излучения горячих газовых (так называемых аккреционных) дисков вокруг нейтронных звёзд или чёрных дыр, входящих в состав тесных звёздных пар, активных ядер галактик, также окружённых газовыми дисками, и горячего газа в скоплениях галактик Исследование химического состава, температуры и плотности этого газа позволит получить бесценную информацию о возникновении и эволюции галактик и самых ранних этапах развития Вселенной.

ГАММА-ОБСЕРВАТОРИИ

Гамма-излучение тесно соседствует с рентгеновским, поэтому для его регистрации используют похожие методы. Очень часто на телескопах, запускаемых на околоземные орбиты, исследуют одновременно и рентгеновские, и гамма-источники. Однако процессы, порождающие гамма-излучение, могут существенно отличаться от тех, что ведут к возникновению рентгеновских квантов. Гамма-лучи доносят до нас информацию о процессах, происходящих внутри атомных ядер, и о превращениях элементарных частиц в космосе.
Первые наблюдения космических гамма-источников были засекречены. В конце 60-х — начале 70-х гг. США запустили четыре военных спутника серии «Вела». Аппаратура этих спутников разрабатывалась для обнаружения всплесков жёсткого рентгеновского и гамма-излучения, возникающих во время ядерных взрывов. Однако оказалось, что большинство из зарегистрированных всплесков не связаны с военными испытаниями, а их источники расположены не на Земле, а в космосе. Так было открыто одно из самых загадочных явлений во Вселенной — гамма-вспышки, представляющие собой однократные мощные вспышки жёсткого излучения. Хотя первые космические гамма-вспышки были зафиксированы ещё в 1969 г., информацию о них опубликовали только четыре года спустя. Всего за десять лет работы спутники «Вела» обнаружили 73 вспышки. Наблюдения с других космических аппаратов позволили многократно увеличить их число, но только в 1997 г. удалось получить первые оптические отождествления гамма-вспышек. Их природа окончательно не выяснена.
На космических обсерваториях наблюдаются и другие источники сверхжёсткого излучения. В августе 1975 г. на околоземную орбиту вышел гамма-телескоп «Cos-B». В его задачи входили наблюдения постоянно действующих галактических и внегалактических источников. На этом телескопе наблюдалось гамма-излучение от некоторых пульсаров. На обсерватории НЕАО-3, запущенной в сентябре 1979 г., проводились наблюдения гамма-линий — потоков гамма-квантов в узком диапазоне энергий, образующихся во время ядерных реакций при вспышках новых и сверхновых звёзд.
Гамма-телескопы устанавливались также на многих межпланетных кораблях. Успешные наблюдения 85 гамма-всплесков были проведены на советских станциях «Венера- II» и «Венера-12″. Оборудование для регистрации жёсткого излучения использовалось на советских зондах «Фобос-1″ и «Фобос-2″ и американском корабле «Улисс», предназначенном для изучения полярных областей Солнца. При помощи этой аппаратуры изучалось гамма-излучение, возникающее во время солнечных вспышек
Крупнейшая гамма-обсерватория весом 17 т, действующая и поныне, вышла в околоземное пространство 5 апреля 1991 г. На ней установлено четыре телескопа, которые регистрируют излучение в очень широком диапазоне энергий — от 30 тыс. до 30 млрд электронвольт! Эта обсерватория носит имя американского физика Артура Комптона, получившего Нобелевскую премию за исследования электромагнитного излучения высокой энергии.
Телескопы Комптоновской обсерватории позволили получить новую информацию о солнечных вспышках и гамма-излучении активных ядер галактик и далёких квазаров, о нейтронных звёздах и кандидатах в чёрные дыры, о таинственных гамма-вспышках, об аннигиляции электронов и позитронов, при которой рождаются гамма-кванты определённой энергии, о взаимодействии энергичных космических лучей с атомами межзвёздного газа и о ядерных реакциях в новых и сверхновых звёздах.
Общее количество космических обсерваторий превышает уже несколько десятков. Понятно, что в короткой статье можно было рассказать только о некоторых из них. И всё же нельзя не упомянуть ещё об одном весьма успешном проекте. С целью проведения внеатмосферных астро-метрических наблюдений в августе 1989 г. в космос был запущен специализированный спутник «Гиппар-кос». В ходе наблюдений он, в частности, измерил координаты свыше 118 тыс. звёзд с точностью до тысячных долей угловой секунды и определил положения и цветовые характеристики около миллиона звёзд. (Подробнее об этом спутнике можно прочесть в статье «Где находятся и куда движутся светила».)