14.4. Пилотируемая космонавтика

История пилотируемых космических полетов прекрасно описана во множестве книг и статей. Можно выделить несколько этапов освоения космоса человеком. Во-первых, это относительно короткие полеты на околоземные орбиты, начиная с исторического старта первого космонавта 12 апреля 1961 г.; в разные периоды три страны (СССР, США и Китай) уже прошли эту первую стадию развития пилотируемой космонавтики. Во-вторых, американские лунные экспедиции, реализованные в конце 1960-х – начале 1970-х гг. В-третьих, создание космических станций (Skylab, «Салюты», «Мир», «Тяньгун», МКС) и долговременное пребывание на них – этот этап успешно продолжается и в наши дни. Наконец, отдельно следует выделить программу Space Shuttle – космических челноков, позволившую реализовать множество интересных и важных проектов, в том числе и в астрономии, однако закрытую из-за аварий и высокой стоимости.

Для развития астрономии и астрофизики первый этап внес небольшой вклад, поскольку в его основную задачу входило в первую очередь решение технических и медико-физиологических проблем. А вот в ходе реализации лунной программы было получено много новых сведений о нашем естественном спутнике: на Землю было привезено 382 кг образцов лунных пород. Впоследствии во многих лабораториях мира ученые получили возможность работы с ними, что привело к уточнениям датировки появления лунных кратеров и химического состава Луны. Итогом стала ударная модель формирования нашего спутника.

Кроме сбора образцов, получения фотографий и бурения астронавты установили на Луне более 2 т научного оборудования. Были проведены сейсмологические исследования и измерения гравитационного поля Луны, получены магнитометрические данные. Вдобавок были установлены уголковые отражатели, которые затем позволили проводить лазерную локацию Луны, что важно и для решения задач фундаментальной физики, а именно для проверок теорий гравитации. В результате всей этой активности в рамках программы Apollo накоплено огромное количество научных данных, которые легли в основу около 3000 научных публикаций.

В ходе лунной программы Apollo было получено много важных научных результатов.

Наибольший вклад пилотируемой космонавтики в астрофизику связан с работой космических станций. Первым по-настоящему успешным (с точки зрения астрофизических результатов) проектом стала станция Skylab, запущенная в 1973 г. Хотя там побывали экипажи всего лишь трех кораблей Apollo, тем не менее на станции были проведены важные астрономические наблюдения. В первую очередь это касается исследований Солнца, для чего были использованы ультрафиолетовые и рентгеновские детекторы. Именно наблюдения с борта Skylab позволили окончательно подтвердить существование корональных дыр. Кроме того, с помощью 15-сантиметрового телескопа с объективной призмой проводились ультрафиолетовые наблюдения звезд, с помощью рентгеновского детектора велись исследования галактических источников, также проводилось изучение зодиакального света, комет и космических лучей.

Отметим, что еще в 1971 г. на космической станции «Салют-1» был установлен ультрафиолетовый телескоп «Орион-1». Однако из-за технических проблем, которые привели к сокращению срока эксплуатации станции, с его помощью было получено очень мало важных научных результатов. На запущенной в конце 1974 г. станции «Салют-4» с помощью приборов «Филин» и РТ-4 удалось измерить рентгеновские спектры нескольких галактических источников в двойных системах с аккрецирующими нейтронными звездами и черными дырами. На станциях «Салют-6» и «Салют-7» также проводились астрономические исследования в разных диапазонах спектра. Однако важный шаг был сделан с запуском на орбиту станции нового поколения – «Мир».

Астрономические наблюдения на космических станциях начались в 1970-х гг.

К станции «Мир» были пристыкованы модули «Квант» и «Квант-2» с астрофизическим оборудованием. Особенно интересные результаты были получены с помощью обсерватории «РЕНТГЕН» на борту модуля «Квант»: с ее помощью удалось исследовать рентгеновское излучение сверхновой SN 1987А в Большом Магеллановом облаке, также был исследован ряд галактических источников с нейтронными звездами и черными дырами. Следует отметить, что в состав обсерватории «РЕНТГЕН» входило несколько инструментов, включая разработанные в Германии, Великобритании, Дании и Нидерландах, так что это была в полном смысле слова международная обсерватория.

В разное время на орбитальных станциях проводились наблюдения во всех диапазонах электромагнитного спектра.

Сейчас астрофизические исследования проводятся на Международной космической станции, где работает детектор космических лучей AMS-02, японский рентгеновский детектор MAXI, а также установлен рентгеновский телескоп NICER для исследования нейтронных звезд в двойных системах и отработки системы навигации по рентгеновским пульсарам (и еще несколько астрономических проектов для установки на МКС, в том числе российских, находятся в стадии разработки).

Наиболее важные результаты были получены в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах.

Преимущества космических станций связаны с более дешевой доставкой оборудования, которое затем можно настраивать, дополнять и ремонтировать. Кроме того, станция позволяет иметь более высокое энергопотребление и дает еще некоторые технические преимущества. Впрочем, у расположения на борту космических станций есть и недостатки. Среда вокруг станции в достаточной степени загрязнена, что вредно для оборудования (например, зеркал телескопов). Из-за присутствия экипажа станции не слишком стабильны, что не позволяет очень точно и в течение долго времени позиционировать телескопы, существуют ограничения по наведению телескопов на нужные объекты и по длительности экспозиции. Наконец, станции находятся на низкой околоземной орбите, где возможны не все наблюдения. Тем не менее космические станции были и остаются местом, где успешно проводятся многие астрофизические исследования.

Космические челноки (шаттлы) программы Space Shuttle неоднократно использовались для запуска астрономических спутников (Chandra, Compton и многих других). Самым известным вкладом шаттлов в астрономию является запуск, ремонт и модернизация космического телескопа Hubble.

Космический телескоп Hubble был выведен на орбиту в 1990 г. челноком Discovery. Из-за технических просчетов, допущенных при создании инструмента, потребовался его ремонт, для чего в 1993 г. к телескопу отправился шаттл Endeavour («Стремление»). Его экипаж успешно провел обслуживание телескопа, в ходе которого в конструкцию были установлены дополнительные оптические элементы. Затем еще четыре раза (в 1997, 1999, 2002 и 2009 гг.) к телескопу отправляли астронавтов на борту шаттлов для модернизации оборудования. Это позволило Hubble в течение более чем четверти века оставаться едва ли не лучшим телескопом, работающим в оптическом диапазоне (он также ведет наблюдения в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах, что существенно расширяет его возможности).

Использование шаттлов позволило не только отремонтировать Hubble, но и в течение ряда лет проводить его модернизацию, что увеличило длительность работы и эффективность инструмента.

В настоящее время обсуждаются различные проекты создания постоянной обитаемой лунной базы, где также может быть размещено и астрономическое оборудование. По всей видимости, одной из наиболее разумных идей о проведении астрономических наблюдений на Луне является возможность размещения радиотелескопов на обратной стороне нашего естественного спутника, где минимально влияние помех, связанных как с магнитосферой Земли, так и с искусственными источниками шумов.