14.1. Наблюдения из космоса. Космические телескопы

Есть несколько важных причин, делающих необходимыми астрономические наблюдения из космоса, несмотря на их высокую стоимость и связанные с этим риски. Первая состоит в том, что земная атмосфера непрозрачна для жесткой коротковолновой части спектра (гамма-лучи, рентгеновское излучение и жесткий ультрафиолет), а также для части инфракрасного и микроволнового диапазонов. Кстати, сюда же можно отнести наблюдения космических лучей из космоса, от которых до поверхности доходят лишь или вторичные частицы, или излучение широких атмосферных ливней. Вторая причина связана с тем, что земная атмосфера «портит картинку» (даже в той части спектра, для которой она прозрачна): за счет атмосферной турбулентности изображение «дрожит» (что не позволяет добиться высокого углового разрешения) и «мерцает» (что ограничивает точность фотометрических измерений). Наконец, третья причина связана с созданием установок, для которых на Земле просто недостаточно места: это могут быть радиоинтерферометры с очень большой базой («Радиоастрон») или гравитационно-волновые детекторы, предназначенные для регистрации волн большой длины (eLISA).

Наблюдения в некоторых диапазонах спектра возможны только за пределами атмосферы.

Формально эра астрономических наблюдений из космоса началась 5 августа 1948 г., когда на трофейной ракете V-2 был запущен рентгеновский детектор, зафиксировавший излучение Солнца. С помощью детекторов на ракетах было сделано еще несколько важных открытий, включая обнаружение источника Скорпион Х-1 (Sco X-1) – двойной системы с аккрецирующей нейтронной звездой. Однако поток научных результатов резко возрос с появлением астрономических спутников, позволяющих проводить длительные многократные наблюдения.

Уже в апреле 1961 г. на борту спутника Explorer 11 был запущен первый гамма-телескоп. Более серьезный инструмент, работающий в самом жестком диапазоне спектра, был выведен на орбиту в 1967 г. на спутнике OSO-3 (Orbiting Solar Observatory, Орбитальная солнечная обсерватория), и с его помощью удалось идентифицировать первые индивидуальные гамма-источники. Кроме того, рентгеновский детектор на его борту стал первым рентгеновским телескопом, установленным на спутнике, и с помощью этого инструмента впервые удалось наблюдать излучение источника Sco X-1 в течение достаточно долгого времени. Следующим большим шагом вперед в космической гамма-астрономии стал спутник Cos-B, который был разработан Европейским космическим агентством и запущен в 1975 г.

Внеатмосферные наблюдения позволяют получать более высокое качество оптических изображений.

Среди множества гамма-спутников второй половины XX в. выделяется гамма-обсерватория Compton Gamma Ray Observatory, CGRO («Комптон»), выведенная на орбиту в 1991 г. При массе в 17 т это самый тяжелый астрофизический спутник в истории, и этот рекорд, по всей видимости, продержится очень долго.

Рентгеновские наблюдения позволили открыть аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры.

Ввиду важности наблюдений в гамма-диапазоне в космосе постоянно работает несколько соответствующих инструментов. Иногда это небольшие детекторы, выполняющие роль дополнительной нагрузки (как приборы эксперимента «Конус» на спутнике Wind («Ветер», поскольку аппарат изучает солнечный ветер)), иногда – большие установки на специализированных спутниках (таких как Fermi и Swift («Быстрый», поскольку аппарат способен быстро разворачиваться в сторону гамма-всплесков)). Также продолжаются разработки новых инструментов.

Процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, не являются тепловыми. Они связаны или с существованием частиц, ускоренных до высоких энергий, или с ядерными процессами. А вот рентгеновское излучение может быть и тепловым, и нетепловым. В природе реализуется очень много сценариев, приводящих к испусканию рентгеновских лучей, поэтому неудивительно, что рентгеновские источники весьма многочисленны, и развитие этой ветви наблюдательной астрономии принесло (и продолжает приносить) много новой информации, востребованной как астрономами, так и физиками.

Первой специализированной рентгеновской обсерваторией стал запущенный в декабре 1970 г. аппарат Uhuru. К настоящему моменту на орбите побывало огромное количество аппаратов, проводивших наблюдения в этом диапазоне, – как крупные спутники, созданные ведущими космическими агентствами, так и небольшие приборы, разработанные и созданные в Японии, Индии и Китае, выведенные на орбиты с помощью собственных носителей со своих космодромов. Относительная доступность работы в этом диапазоне отчасти объясняется востребованностью мониторинга отдельных источников или участков неба значительной площади даже с помощью небольших инструментов.

Космические гамма-всплески около 30 лет оставались самой жгучей загадкой в астрофизике.

Важными этапами в развитии рентгеновской астрономии становилось появление новых спутников, позволяющих проводить обзоры неба на новом, значительно более высоком уровне чувствительности, или рентгеновских телескопов с рекордными характеристиками для изучения отдельных источников. К обзорным спутникам, сыгравшим большую роль, следует отнести ROSAT, который в 1990-е гг. представил полный обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне, и RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer, Обсерватория для изучения временных характеристик ренгтеновских источников им. Росси), проводивший в течение 15 лет мониторинг рентгеновских источников по всему небу, измеряя их временные и спектральные характеристики.

Особо стоит выделить инструменты, которые были установлены на орбитальных космических станциях. С одной стороны, использование комплекса станции является достоинством: ниже стоимость вывода на орбиту, снижаются риски, есть возможность использовать энергетические ресурсы и средства связи станции. С другой стороны, трудно проводить высокоточные наблюдения, поскольку станции трудно или невозможно с достаточной точностью стабилизировать (на них работают люди, функционируют системы жизнеобеспечения и другое оборудование). Оптические, рентгеновские и ультрафиолетовые телескопы (в основном предназначенные для наблюдения за Солнцем) присутствовали уже на станции Skylab, а позднее важным шагом стал запуск астрофизического модуля «Квант», пристыкованного к станции «Мир» в 1987 г. Модуль содержал несколько инструментов, позволивших, в частности, получить рентгеновские спектры сверхновой SN 1987А. Сейчас на Международной космической станции работает рентгеновский детектор MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image), созданный японским космическим агентством (JAXA), а недавно там начал свою работу прибор NICER, в основном предназначенный для изучения нейтронных звезд.

Наблюдения в ультрафиолете с поверхности Земли также невозможны. Первым крупным проектом (не предназначенным для изучения Солнца) стал спутник IUE (International Ultraviolet Explorer, Международный телескоп УФ-диапазона), выведенный на орбиту в 1978 г. и проработавший почти 20 лет. Хотя это был всего лишь 45-сантиметровый телескоп (небольшой по земным меркам), он впервые смог получить огромное количество ультрафиолетовых спектров самых разных небесных объектов в хорошем разрешении; среди прочего были получены важные результаты по звездным ветрам и межзвездной среде.

Примером эффективной миссии с четкой задачей является ультрафиолетовый спутник GALEX (Galaxy Evolution Explorer, Аппарат для изучения эволюции галактик) с телескопом диаметром 50 см, предназначенный для изучения звездообразования в галактиках. За почти 10 лет работы были получены данные по сотням тысяч галактик, что оказалось крайне востребовано во внегалактической астрономии.

Земная атмосфера непрозрачна и с другой стороны видимой части спектра – в инфракрасном диапазоне. Это излучение характерно для относительно холодных объектов: молодых звезд, молекулярного газа, пыли, протопланетных дисков, так что изучение неба в инфракрасных лучах нужно прежде всего для изучения звездообразования.

В 1983 г. на орбиту была выведена орбитальная обсерватория IRAS (InfraRed Astronomical Satellite, Международный инфракрасный астрономический спутник), задачей которой стало создание первого полного инфракрасного обзора неба. Для этого аппарат был укомплектован 60-сантиметровым телескопом и запасом жидкого гелия (особенностью работы в ИК-диапазоне является необходимость охлаждать детекторы, а иногда и само зеркало до криогенных температур). Именно запас хладагента обычно является лимитирующим фактором для продолжительности подобных миссий. IRAS проработал около года, но долгое время именно его обзор был лучшим в своей области.

Инфракрасные наблюдения позволяют изучать рождение звезд и планет.

В 2010 г. спутник WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer, Аппарат для обзорных съемок в ИК-диапазоне) провел обзор неба в ИК-диапазоне на новом уровне. Хотя он также был оснащен небольшим телескопом диаметром 40 см, однако развитие технологий позволило выйти на совершенно другой уровень результатов без увеличения размеров, массы или стоимости аппарата.

Для изучения отдельных источников в инфракрасном диапазоне уже в XXI в. в космос были выведены космические телескопы Spitzer («Спитцер») и Herschel («Гершель»), которые существенно обогатили наше понимание того, как образуются звезды и планеты. Herschel оснащен цельным зеркалом рекордного (для астрономических космических зеркал) диаметра 3,5 м. Этот рекорд, видимо, будет побит с запуском телескопа James Webb, зеркало которого, впрочем, будет составным, т. е. многосегментным (и раскладным).

Качество изображений, получаемых телескопом Hubble, недоступно наземным инструментам.

Наблюдения из космоса актуальны и для оптического диапазона, поскольку отсутствие атмосферы позволяет получать изображения очень высокого качества. Идеальным примером этого утверждения является работа космического телескопа Hubble. Этот инструмент оснащен 2,4-метровым зеркалом, совсем небольшим по земным меркам, однако по целому ряду параметров телескоп существенно превосходит наземные 10-метровые гиганты. Кроме того, Hubble проводит наблюдения в ближнем УФ- и ближнем ИК-диапазонах, что расширяет его возможности. Возможность ремонтировать и модернизировать инструмент во время специализированных миссий шаттлов позволила достичь очень большой продолжительности научной программы телескопа, что сделало Hubble одним из самых эффективных телескопов в истории. Правда, и самым дорогим (причем с большим отрывом).

Астрометрический спутник Gaia впервые позволит построить трехмерную карту половины нашей Галактики.

Качество изображений важно и для решения астрометрических задач – определения точного положения звезд и их изменений. Первым астрометрическим спутником был Hipparcos который позволил с помощью параллактического метода точно измерить расстояния до большого числа звезд в пределах примерно 1000 световых лет от Солнца. Новый космический аппарат Gaia должен решить эту задачу уже для половины Галактики – вплоть до расстояний почти 30 000 световых лет.

Массовое открытие экзопланет стало возможным благодаря работе спутника Kepler.

Отсутствие атмосферных мерцаний позволяет очень точно измерять блеск звезд и его вариации. Это стало ключевым моментом для обнаружения транзитных экзопланет и астросейсмологических исследований. Первым специализированным аппаратом для этих целей был европейский CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits – Конвекция, вращение и транзиты планет), а еще более эффективным является космический телескоп Kepler, который совершил настоящий прорыв, открыв более 1000 экзопланет и представив около 20 000 кандидатов для дальнейшего подтверждения и изучения.

Для решения некоторых задач требуется относительно быстрый доступ сразу ко всему небу. Хорошим примером такой задачи является изучение реликтового излучения: при наземных наблюдениях доступным оказывается лишь относительно небольшой участок неба, а для проведения полноценного анализа необходимо получить данные со всей небесной сферы. Поэтому именно серия спутников – COBE (Cosmic Background Explorer), WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и Planck – позволила получить важнейшие для космологии результаты.

Наконец, существуют типы установок, которым на Земле просто не хватит места, в первую очередь это актуально для инструментов, работающих в радиодиапазоне. Первой попыткой в этой области был японский проект VSOP (VLBI Space Observatory Programme), в котором спутник с радиотелескопом на борту находился на относительно низкой орбите, работая «в связке» с наземными инструментами. Вторым стал российский проект «Радиоастрон», в котором удалось создать интерферометр с базой более 300 000 км, достигнув рекордного углового разрешения.

Большие установки потребуются и для регистрации гравитационных волн низкой частоты. На 2032–2034 гг. намечен запуск европейской миссии eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) – это космический лазерный интерферометр (подобный LIGO или Virgo, см. раздел 13.9 «Детекторы гравитационных волн»), расстояние между спутниками которого составит около миллиона километров. В частности, этот проект позволит зарегистрировать гравитационное излучение от двойных сверхмассивных черных дыр[19].

Вывод аппаратов в космос позволяет создавать астрономические установки больших размеров.

Астрономические наблюдения из космоса, как правило, очень дороги. Стоимость даже небольших аппаратов обычно превосходит $100 млн, а крупнейшие проекты обходятся в миллиарды долларов. Примером таких проектов являются так называемые великие обсерватории (Great Observatories) NASA, к которым относятся Hubble, Compton, Spitzer и Chandra – самые совершенные космические телескопы для четырех основных диапазонов (видимый, гамма-, ИК- и рентгеновский). Однако при тщательном подходе к выбору методов, наблюдательных программ, а также при качественной обработке данных (включая предоставление открытого доступа к архивам и жесткий конкурс на наблюдательное время) удается получать очень большой научный выход, что с лихвой оправдывает высокие затраты. Кроме того, в ходе создания таких проектов разрабатываются новые технологии, которые затем коммерциализируются (в том числе позволяя в дальнейшем создавать менее дорогие, но очень эффективные космические миссии).

Стоит отметить, что огромный вклад в астрономию внесли не только (а часто и не столько) очень большие космические обсерватории, но и небольшие и относительно недорогие проекты, такие как спутники серии Explorer, к которым относятся GALEX, Swift, Uhuru, WMAP, COBE, RXTE и NuSTAR, или такие проекты, как CoRoT и совсем небольшой (53 кг) канадский аппарат MOST (Microvariability and Oscillations of Stars, Микровариативность и колебания звезд).