Телескопы: в космосе, стратосфере и на Земле

Мы живем на маленькой планете около небольшой звезды в гигантской галактике, которая тем не менее сама теряется на невероятных просторах Вселенной. Практически все, что есть в космосе, от нас очень далеко, а некоторые объекты от нас отделены просто невообразимым расстоянием.

Но мы очень любопытны и хотим знать, что же нас окружает. Нам повезло – Вселенная не безмолвна. Все происходящие в космосе процессы сопровождаются явлениями, последствия которых в различном виде, а прежде всего в виде электромагнитных волн, доходят до нас. Улавливая их, мы познаем суть происходящих во Вселенной событий, узнаем новое о мирах, в которые никогда не сможем попасть. И помогают нам в этом инструменты, которые называются просто – телескопы.

О некоторых из них, показавшихся нам интересными, и о тех, что вы, может быть, не знаете, мы сегодня и расскажем. А на их примере покажем, чем телескопы разных типов отличаются друг от друга. Также вы узнаете о том, какие цели ставят перед ними ученые.

С древних времен люди наблюдают небо. Еще до появления телескопов были составлены первые звездные карты, все неподвижные звезды были объединены в созвездия, а те, что меняли свое положение относительно других звезд, были отмечены как «блуждающие», – так древние астрономы открыли для себя планеты.

Первой планетой, обнаруженной с помощью телескопа, стал Уран. Его открыл английский астроном Уильям Гершель в 1781 году. Хотя порой планета различима и невооруженным глазом, более ранние наблюдатели принимали ее за тусклую звезду. Но Гершель не был первым, направившим телескоп в небо. Впервые использовал телескоп для наблюдения космических объектов итальянский астроном Галилео Галилей в начале XVII века. Открытие четырех спутников Юпитера в 1610 году стало одним из важнейших событий того времени.

С тех пор астрономия стала другой. Млечный Путь распался на отдельные звезды. На небе обнаружилось громадное количество новых звезд. На Луне – горы и кратеры, а на Солнце – пятна. И все это благодаря оптическому телескопу, или телескопу оптического диапазона. Но если еще точнее, то телескопу видимого диапазона, так как большую часть истории астрономии этими устройствами наблюдали только видимый свет. Обнаружение волн инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов тогда еще было недоступно.

В таких телескопах увеличенное изображение небесного тела наблюдается глазом, нашим естественным детектором электромагнитных волн, или фотографируется. Мы и сейчас повсеместно используем оптические телескопы.

Одним из самых больших телескопов на планете считается Very Large Telescope. Его название так и переводится – «Очень большой телескоп». И в самом деле, это даже не один телескоп, а целый комплекс из четырех основных и такого же количества вспомогательных. Расположены эти телескопы в Паранальской обсерватории – одной из самых известных в мире астрономических обсерваторий. Построена она была в самом конце прошлого века и управляется Европейской южной обсерваторией (ESO). Несмотря на то, что обсерватория европейская, находится она в Южной Америке – в Чили. Здесь, на вершине горы Серро-Параналь, в пустыне Атакама, отличные условия для наблюдения неба, высокий показатель прозрачности атмосферы и большое количество ясных дней.

Помимо «семейства» VLT здесь есть еще и обзорные телескопы VISTA и VLT Survey Telescope. А рядом, на горе Армасонес, в 2017 году начато строительство Европейского чрезвычайно большого телескопа (European Extremely Large Telescope, EELT). Диаметр его сегментированного зеркала составит 39,3 метра.

Первый из четырех основных телескопов VLT ввели в эксплуатацию в 1998 году, и он стал крупнейшим в мире по диаметру монолитного зеркала, опередив российский телескоп БТА (Большой телескоп азимутальный), расположенный в поселке Нижний Архыз. Диаметр зеркала самого большого отечественного телескопа и крупнейшего в Евразии – 6 м.

Оставшиеся три телескопа были достроены к 2000 году. Все они имеют одинаковые зеркала диаметром 8,2 метра. В январе 2012 года их впервые удалось объединить в режим интерферометра – так называемый VLTI. Это позволило получить телескоп, эквивалентный по площади телескопу с одиночным зеркалом диаметром 16,4 м.

Еще четыре вспомогательных телескопа имеют диаметры зеркал 1,8 метра. Они могут перемещаться по рельсам вокруг основных телескопов и предназначены для интерферометрических наблюдений. VLT позволяет вести наблюдения в широком спектре электромагнитных волн: как в видимом диапазоне и ближнем ультрафиолетовом, так и в ближнем и среднем инфракрасных. По некоторым показателям Very Large Telescope даже превосходит «Хаббл» – пожалуй, один из самых прославленных телескопов современности.

Телескоп «Хаббл» – совместный американо-европейский проект. Это первая из четырех Больших космических обсерваторий NASA, каждая из которых предназначена для изучения космоса в своей области электромагнитного спектра. «Хаббл» «видит» небо в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном спектрах.

Запущен он был на низкую околоземную орбиту (569 км) в 1990 году челноком «Дискавери». За 27 лет эксплуатации астронавты NASA пять раз посещали обсерваторию для обслуживания. Собственно, на орбиту «Хаббл» уже прибыл с дефектом главного зеркала. Только во время первой миссии обслуживания, в 1993 году, чтобы исправить недостаток зеркала, на телескоп установили систему коррекции сферической аберрации COSTAR. Ради этого пришлось пожертвовать установленным ранее высокоскоростным фотометром. Диаметр основного зеркала «Хаббла» – 2,4 м, фокусное расстояние телескопа – 57,6 м. Сам телескоп представляет собой рефлектор системы Ричи–Кретьена.

Наша страна пока не строит гигантские телескопы и не выводит обсерватории оптического диапазона в космос. Россия сегодня идет несколько другим путем. МГУ имени М. В. Ломоносова с начала 2002 года развивает глобальную сеть роботизированных телескопов МАСТЕР (Мобильная астрономическая система телескопов-роботов). Уже восемь телескопов этой сети работают в России, Аргентине, Южной Африке и Испании (на Канарских островах). В их задачи входит непрерывный обзор неба в автоматическом режиме. Они выявляют новые объекты, многие из которых затем более детально наблюдают в других астрономических обсерваториях мира.

Каждая обсерватория оснащена мощными серверами для обработки данных и имеет специальное программное обеспечение. Все действия, от открытия купола, которое происходит по датчикам облачности, и до обработки полученной информации, проходят в автоматическом режиме. Роботы сами определяют направление обзора неба. Информация по Сети передается в центр данных МГУ.

Телескопы снабжены сверхбыстрыми устройствами наведения и подключены к системе алертных предупреждений. Они могут за несколько десятков секунд повернуться в заданную точку неба после получения целеуказания (алерта).

Разбросанная по разным континентам сеть состоит из небольших двойных телескопов-роботов системы Гамильтона с диаметром зеркала 0,4 метра, фокусным расстоянием 1 метр и полем зрения 4 квадратных градуса. Глобальная сеть МАСТЕР является лидером по ранним наблюдениям оптического излучения гамма-всплесков. Среди ее открытий – потенциально-опасные астероиды, кометы и сверхновые различных типов.

Инфракрасный диапазон

Прошло уже более двухсот лет с того момента, как английский астроном Уильям Гершель в 1800 году открыл невидимое глазу излучение, названное им калорифическим, то есть тепловым (позднее его переименовали в инфракрасное). Разложив солнечный свет на спектр, Гершель обнаружил, что меньше всего в радуге нагрелась зона, освещенная фиолетовым светом, а больше всего – красным. Но темная зона вблизи красного участка нагрелась еще больше.

Однако по-настоящему инфракрасная астрономия начала развиваться с 50-х годов прошлого века, когда после первых успехов, сделанных в радиоастрономии, ученые поняли, что за пределами видимого диапазона волн находится большой объем информации.

Но наблюдения с Земли в инфракрасном диапазоне имеют ряд сложностей. Атмосфера планеты не способствует качественному приему инфракрасного излучения. Азот и кислород его рассеивают, а углекислый газ, озон и в первую очередь пары воды его поглощают. Поэтому инфракрасные обсерватории располагают в высокогорных районах, либо поднимают в стратосферу и на орбиту.
Самый мощный инфракрасный обзорный телескоп в мире, расположенный на высоте 2518 м над уровнем моря, находится в чилийской пустыне Атакама в уже известной нам Паранальской обсерватории. Это телескоп VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy). Работает он в ближней инфракрасной области спектра.

Его главное зеркало имеет диаметр 4,1 метра. И изготовлено оно в России, в Московской области, на Лыткаринском заводе оптического стекла. Для его полировки потребовалось 2 года. Фокусное расстояние телескопа – 12,1 м, угловое разрешение – 0,34 секунды дуги.

Телескоп имеет только один инструмент-детектор – VIRCAM (Vista InfraRed CAMera), трехтонную камеру, содержащую 16 специальных детекторов, чувствительных к инфракрасному свету, с общим разрешением в 67 миллионов пикселей. Этот телескоп, так же как и VLT, управляется Европейской южной обсерваторией. Ее головной офис находится вдали от телескопов, в небольшом немецком научном городке Гархинг в 16 километрах к северу от Мюнхена.

Телескоп принят в эксплуатацию в декабре 2009 года. Его предназначение – систематическое картографирование южного полушария неба. Каждую ночь VISTA генерирует 300 гигабайт информации. Основная его задача – поиск интересных объектов для их дальнейшего, уже более детального, изучения с помощью других телескопов. Например, с помощью расположенного рядом VLT.

Находящийся в атмосфере водяной пар поглощает б?льшую часть инфракрасных волн на их пути к поверхности Земли. Чтобы увидеть небо не только в ближнем ИК-диапазоне, нужно подняться выше. В 50–70-е годы прошлого века в США для таких наблюдений использовали размещенные на воздушных шарах и управляемые по радио телескопы «Стратоскоп-1» и «Стратоскоп-2». Поднимаясь на высоту до 24 километров, они позволяли изучать инфракрасный спектр планет и звезд. Сейчас такие телескопы размещают на самолетах.

Американская стратосферная обсерватория SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) размещена на борту широкофюзеляжного самолета Boeing 747SP. Полеты проходят на высотах 12?14 км. Здесь доступно уже около 85% всего инфракрасного спектра. Это позволяет приблизить качество получаемой «картинки» к уровню космических обсерваторий. Телескоп-рефлектор расположен в задней части фюзеляжа самолета. Его основное зеркало имеет эффективный диаметр 2,5 метра. В распоряжении ученых – семь научных инструментов, в список которых входят камеры, спектрометры и фотометры, работающие в ближнем, среднем и дальнем инфракрасных диапазонах. Одни из них предназначены для наблюдения конкретных явлений, другие – для широкого спектра задач. Проект представляет собой партнерство NASA и Германского аэрокосмического центра (DLR). Воздушная обсерватория базируется в Исследовательском центре Армстронга в Палмдейле, Калифорния (США). Первый свет телескоп SOFIA увидел 26 мая 2010 года.

Несомненным плюсом воздушной обсерватории является то, что самолет может перелететь практически в любую точку планеты, позволяя тем самым вести наблюдения как в северном, так и в южном полушариях неба. Объектом последних наблюдений этого самолета стал астероид пояса Койпера 2014 MU69. Как известно, это новая цель, выбранная NASA для исследования космическим аппаратом New Horizons. Зонд должен пролететь мимо него 1 января 2019 года. Поэтому в агентстве задались целью проверить окрестности астероида, чтобы сделать пролет зонда мимо объекта более безопасным. В этом году выдался удобный случай. Возможный кандидат в карликовые планеты должен пройти по диску далекой звезды. Как показали наблюдения, 2014 MU69, вероятнее всего, является уникальным двойным объектом, а не одиночным, как предполагалось ранее. Для того чтобы наблюдать это явление, SOFIA отправилась в небо над Тихим океаном.

Еще выше, уже на орбите, и отнюдь не околоземной, а гелиоцентрической, плодотворно отработал свои 4 года телескоп «Гершель». Он стал первой космической обсерваторией для полномасштабного изучения инфракрасного излучения на орбите. И, кроме того, самой большой на сегодняшний день инфракрасной обсерваторией, отобрав пальму первенства у четвертой Большой обсерватории NASA – телескопа «Спитцер» с диаметром зеркала 0,85 метра и фокусным расстоянием 10,2 метра.

Аналогичные параметры «Гершеля» куда больше. Его зеркало, «склеенное» из 12 элементов, имеет диаметр 3,5 метра. Фокусное расстояние телескопа – 28,5 метра. По ширине доступного спектра он также опережает предшественника, его волновой диапазон – от 60 до 670 мкм против 3–180 мкм у «Спитцера».

Официально «Гершель» завершил свою научную миссию в июне 2013 года. В течение четырехлетней работы космическая обсерватория находилась в 1,5 миллионах километров от нашей планеты, вблизи второй точки Лагранжа (L2) системы Земля—Солнце.

На борту обсерватории – три научных прибора: фотокамера со спектрометром низкого разрешения (PACS), приемник спектральных и фотометрических изображений (SPIRE) и гетеродинный датчик для обнаружения дальнего инфракрасного излучения (HIFI).

Целью телескопа «Гершель» было изучение инфракрасной части излучения объектов Солнечной системы и Млечного Пути, а также объектов вне нашей Галактики, вплоть до тех, что находятся в миллиардах световых лет от нас.

В октябре следующего года на орбиту, как ожидается, выведут космический телескоп имени Джеймса Уэбба. Он считается сменщиком телескопа «Хаббл», но, в отличие от него, «Уэбб» – в первую очередь космическая обсерватория инфракрасного диапазона. Диаметр главного зеркала новой обсерватории – 6,5 метров. Это минимальный размер зеркала, позволяющий увидеть свет от самых далеких галактик.

Ультрафиолетовый диапазон

Как известно, избыток ультрафиолетового излучения вреден для живых организмов. Ультрафиолетовые лампы применяются для обеззараживания воды, воздуха и различных поверхностей. Но от космического ультрафиолета нас также защищает земная атмосфера. И она же мешает астрономам вести наблюдения в этом диапазоне. Все это в первую очередь благодаря озоновому слою, расположенному на высотах 20–70 км. Поэтому наблюдения в ультрафиолетом диапазоне приходится вести из верхних слоев атмосферы или из космоса.

Ультрафиолетовое излучение за пределами фиолетового края радуги открыл немецкий физик Иоганн Риттер в 1801 г. А история ультрафиолетовой астрономии началась в 1947 году. В США первые наблюдения вели с использованием трофейных немецких ракет ФАУ-2. Продолжились исследования с помощью высотных геофизических ракет.

Начиная с конца 60-х стали применять специализированные искусственные спутники Земли. В 1972 году США запустили космическую обсерваторию «Коперник» (ОАО-3), а в 1983 году полетел отечественный «Астрон» с 80-сантиметровым ультрафиолетовым телескопом на борту. Приборы для съемки и исследования объектов в ультрафиолетовом диапазоне установлены и на телескопе «Хаббл». Благодаря последнему удалось впервые наблюдать ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и его спутнике Ганимеде. Небольшой телескоп дальнего ультрафиолетового диапазона (Far Ultraviolet Camera/Spectrograph, UVC) брали с собой на Луну и астронавты NASA.

Космический аппарат Swift – одна из современных обсерваторий, на которой установлен ультрафиолетовый телескоп UVOT (UltraViolet/Optical Telescope), предназначенный для наблюдений в диапазоне длин волн от 170 до 650 нм и имеющий диаметр зеркала 0,3 м. Это стандартный для космических обсерваторий такого типа телескоп системы Ричи–Кретьена.

Однако запущенная в космос в 2004 году орбитальная обсерватория Swift имеет особое назначение. Оснащенная тремя научными инструментами многоволновая космическая обсерватория предназначена для изучения гамма-всплесков. UVOT – только один из трех ее инструментов, необходимый для обнаружения оптического (ультрафиолетового) послесвечения гамма-всплесков.
Космические гамма-всплески – масштабные краткосрочные выбросы энергии, которые наблюдаются в отдаленных галактиках. За первоначальным всплеском в гамма-диапазоне, как правило, следует долгоживущее «послесвечение», излучаемое на более длинных волнах, в том числе и в УФ-диапазоне. Большинство наблюдаемых гамма-всплесков испускается во время вспышек сверхновых. Благодаря инструментам Swift удалось впервые наблюдать такую вспышку с самого начала. Вспыхнувшая 9 февраля 2008 года сверхновая звезда SN 2008D находится на расстоянии около 88 миллионов световых лет от нас в галактике NGC 2770 (созвездие Рыси).

Одним из самых успешных проектов в области ультрафиолетовой астрономии стал орбитальный ультрафиолетовый космический телескопом GALEX (Galaxy Evolution Explorer), запущенный на орбиту в 2003 году с борта «самолета-космодрома» L-1011 Stargazer с помощью ракеты-носителя Pegasus-XL.

Первоначально предполагалось, что на орбите обсерватория проработает два с половиной года, но на самом деле миссия растянулась на девять лет. Космический аппарат находился на околоземной орбите высотой 697 км. На его борту был установлен телескоп системы Ричи–Кретьена с диаметром зеркала 0,5 метра и фокусным расстоянием 3 метра. Поле зрения телескопа – 1,2 градуса.

Одно из самых удивительных открытий телескопа GALEX – исполинский хвост из пыли и газа, обнаруженный у звезды Мира в созвездии Кита. Эта двойная звезда, расположенная от нас на расстоянии 417 св. лет, внимание астрономов привлекла еще в 1596 году, но до 2007 года никогда не наблюдалась в ультрафиолетовом диапазоне. Длина кометоподобного хвоста составляет 13 световых лет – это в три раза больше, чем расстояние от Солнца до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра.

Рентгеновский диапазон

Недоступны для наблюдения с Земли и источники рентгеновского излучения – квазары, нейтронные звезды, черные дыры. Последние сами рентгеновские лучи не испускают, но заставляют излучать материал, попадающий в них. Самый близкий к нам яркий источник космического рентгеновского излучения – это Солнце.

А так как для рентгеновских лучей земная атмосфера непрозрачна, для первых наблюдений в этом диапазоне рентгеновские детекторы размещали на высотных ракетах и воздушных шарах. Тогда и удалось выяснить, что и Солнце является источником рентгеновского излучения. Правда, оно излучает в рентгеновском диапазоне всего одну миллионную долю всей своей энергии.

Первым космическим аппаратом с рентгеновским детектором на борту стал спутник Uhuru, запущенный США в 1970 году. Необычное название объясняется тем, что запуск был осуществлен 12 декабря, в 7-ю годовщину независимости Кении. А итальянский морской космодром «Сан-Марко», с которого и был отправлен на орбиту спутник, находился у побережья этой страны. На суахили, официальном языке Кении, название спутника означает «свобода». Его проектное название КА X-Ray Explorer. Но как только он оказался на орбите, его сразу переименовали.

Результатом работы спутника стала целая серия фундаментальных открытий в астрофизике. Благодаря обсерватории обнаружили рентгеновские пульсары – источники переменного рентгеновского излучения. Впервые составили карту всего неба в рентгеновском диапазоне. В созданный по результатам работы Uhuru каталог вошли 339 рентгеновских источников.

Но Uhuru сложно назвать в полной мере телескопом. Космический аппарат не обладал оптической системой, предназначенной для сбора и фокусирования излучения, проходящего через апертуру. Здесь нужно понимать, что рентгеновские кванты обладают очень большой энергией. А это значит, что они практически не преломляются в веществе и почти всегда поглощаются им. Создать рентгеновское зеркало очень сложно, линзы – тем более.

Космическая обсерватория «Чандра» – один из наиболее известных рентгеновских телескопов. Третья по счету из четырех Больших обсерваторий NASA. Вместе с разгонным блоком IUS обсерваторию вывели на орбиту в грузовом отсеке шаттла «Колумбия» в 1999 году.

Телескоп является одним из самых отдаленных спутников Земли. Разгонный блок поднял обсерваторию на высокоэллиптическую орбиту с апогеем 134 527,6 км и перигеем 14 307,9 км. Такая орбита позволяет проводить непрерывные наблюдения в течение 55 часов из 65-часового периода обращения космического аппарата. В апогее орбита выходит за пределы орбит геостационарных спутников и радиационных поясов. Названа обсерватория в честь американского ученого индийского происхождения Субрахманьяна Чандрасекара – одного из крупнейших астрофизиков XX века.
Обычные зеркала, и тем более линзы, для ренгеновской астрономии не подходят. Поэтому в рентгеновских телескопах применяют оптические системы, использующие только зеркала косого падения. В них рентгеновский луч «скользит» вдоль поверхности зеркала (система Вольтера). Максимальный диаметр многослойного рентгеновского зеркала «Чандры» – 1,2 м. Угловое разрешение – 0,5 угловой секунды. Фокусное расстояние – 10 метров.

Рентгеновский инструмент также установлен и на борту космической обсерватории Swift. XRT (X-ray Telescope) применяется для измерения потока, спектра и кривых светимости гамма-всплесков, а также их послесвечений в широком динамическом диапазоне. Его диаметр составляет 0,51 метра, а фокусное расстояние – 3,5 метра. Так же как и телескоп обсерватории «Чандра», XRT представляет собой телескоп системы Вольтера.

Гамма-диапазон

Гамма-излучение соседствует с рентгеновским, но гамма-кванты имеют еще большую энергию. Это самая энергичная форма электромагнитного излучения с энергиями фотонов выше 100 кэВ. Излучение ниже 100 кэВ считается рентгеновским и является предметом рентгеновской астрономии. Для испускания гамма-лучей требуется колоссальная энергия, поэтому, как и в рентгеновской, в гамма-астрономии объектами изучения становятся довольно «экзотические» объекты: пульсары, остатки сверхновых звезд, активные ядра галактик и др.

Большинство гамма-лучей, исходящих из космоса, поглощаются земной атмосферой, поэтому гамма-астрономия не могла развиваться, пока не было возможности поднять гамма-детекторы над всей или хотя бы большей частью атмосферы с помощью воздушных шаров и космических аппаратов.

Космическая обсерватория «Комптон» была запущена на орбиту шаттлом «Атлантис» 5 апреля 1991 года и проработала до 4 июня 2000 года. После чего спутник свели с орбиты в контролируемом режиме, и его не сгоревшие в атмосфере остатки упали в Тихий океан.

В отличие от обсерватории «Чандра», «Комптон», чтобы избежать влияния радиационных поясов, разместили на околоземной орбите высотой 450 км. То есть под поясами. Комптоновская обсерватория также была частью серии Больших обсерваторий, вторая после космического телескопа «Хаббл». Названа в честь Артура Холли Комптона, американского ученого, лауреата Нобелевской премии по физике за работы, связанные с физикой гамма-излучения.

Четыре основных инструмента обсерватории покрывали вместе энергетический диапазон от 20 кэВ до 30 ГэВ.

Среди наиболее значимых результатов, которые дала миссия «Комптона», – составление высококачественной карты неба в гамма-лучах с энергией выше 100 МэВ. За период работы телескоп зарегистрировал более 3000 гамма-всплесков. Обнаружены короткие гамма-всплески от грозовых облаков в земной атмосфере.

Космический гамма-телескоп «Ферми» считается одним из преемников «Комптона». Обсерваторию вывели на орбиту 11 июня 2008 года на борту ракеты Delta II 7920-H. Это совместный проект США, Франции, Германии, Италии, Японии и Швеции. Высота орбиты спутника – 550 км. До 26 августа 2008 года аппарат назывался GLAST (Gamma-ray Large Area Space Telescope) и был переименован в честь итальянского физика Энрико Ферми, пионера физики высоких энергий, лауреата Нобелевской премии по физике 1938 года и одного из «отцов» атомной бомбы.

Его основным инструментом является Large Area Telescope (LAT) – гамма-телескоп, предназначенный для наблюдений в диапазоне энергий от нескольких десятков МэВ до сотен ГэВ. В его поле зрения находится около одной пятой части неба. Другой инструмент – Fermi GBM – это прибор для регистрации гамма-всплесков, которые он может обнаруживать по всему небу, за исключением части, закрытой от него нашей планетой.

Одним из самых интересных открытий, сделанных телескопом, стало обнаружение в 2010 году пузырей Ферми – гигантских образований, простирающихся в обе стороны от плоскости диска Млечного Пути на расстояние около 25 тысяч световых лет в каждую сторону. Оба пузыря являются источником высокоэнергетического излучения.

Другое значимое открытие состоялось вскоре после первого обнаружения гравитационных волн обсерваторией LIGO. Астрофизики, работающие с телескопом «Ферми», заявили, что смогли ориентировочно установить участок неба, где находились две черные дыры, слияние которых породило найденные недавно гравитационные волны. Детектор Fermi GBM зафиксировал всплеск высокой энергии, совпадающий со временем регистрации гравитационной волны. Приблизительный район охватывает созвездия Кита и Рыб.

Инструмент для гамма-астрономии установлен и на борту обсерватории Swift. Монитор гамма-всплесков BAT (Burst Alert Telescope) является ее третьим инструментом и предназначен для обнаружения и определения координат гамма-всплесков. Работает он в диапазоне 15–150 кэВ.

Радиодиапазон

Объектами изучения радиоастрономии являются практически все космические объекты. Впервые радиоволны, имеющие астрономическое происхождение, обнаружил американский физик и радиоинженер Карл Янски в 1932 году. Изучая атмосферные радиопомехи в метровом диапазоне волн, ученый зафиксировал постоянный радиошум неизвестного происхождения. Шум коррелировал со звездными сутками, а следовательно, его источник однозначно находился в космосе. Наибольшую интенсивность «звездный шум» имел, когда радиоантенна была направлена на центральную часть нашей Галактики. С того времени на Земле и в космосе появилось множество радиотелескопов как больших, так и малых.

В 2016 году Китай закончил строительство телескопа, который называют самым большим радиотелескопом в мире. FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope), как уже следует из названия, имеет диаметр отражающей поверхности (рефлектора) 500 метров. Только стоит заметить, что радиотелескопы бывают разные. Российский РАТАН-600, расположенный в Карачаево-Черкесии, недалеко от станицы Зеленчукская, имеет диаметр 576 м. Но, в отличие от своего китайского коллеги, это радиотелескоп с незаполненной апертурой. Проще говоря, его антенна представляет собой кольцо. РАТАН-600 – крупнейший кольцевой радиотелескоп с антенной переменного профиля. Ввели в строй его еще в 1974 году.

Собирающая площадь телескопа FAST – 70 000 м2, а фокусное расстояние – 140 м. Он отобрал пальму первенства среди радиотелескопов с заполненной апертурой у американского радиотелескопа, установленного в Аресибо (диаметр 304,8 м). FAST расположен на юге Китая в провинции Гуйчжоу. Построен он в естественном природном углублении. А при его строительстве из прилегающих районов пришлось переселить около 9000 человек.

Рабочий диапазон частот радиотелескопа – от 70 МГц до 3,0 ГГц, что соответствует электромагнитному излучению с длиной волны от 0,10 м до –4,3 м. Благодаря новому гигантскому телескопу можно будет исследовать объекты эпохи реионизации, наблюдать за пульсарами, изучать формирование и эволюцию галактик и решать многие другие научные задачи.

Находящийся сегодня еще в стадии строительства радиотелескоп SKA (Square Kilometre Array) – один из самых амбициозных проектов в радиоастрономии нынешнего века. Название можно перевести как «Квадратный километр собирающей поверхности». Но это, конечно, не значит, что он будет иметь зеркало такой площади и опередит в этом плане FAST. Нет, этот телескоп будет устроен иначе.

SKA представляет собой интерферометр, то есть будет состоять из нескольких радиотелескопов, расположенных на расстоянии друг от друга. А если точнее, то из тысяч небольших радиотелескопов-антенн, расположенных друг от друга на расстоянии от десятков метров до тысяч километров. Более того, этот один из крупнейших в мире радиоинтерферометров будет расположен сразу на двух континентах: в Африке (Южно-Африканская Республика) и Австралии. Австралийская часть при этом частично будет находиться в соседней Новой Зеландии. Штаб-квартира проекта базируется в обсерватории Джодрелл-Бэнк в Великобритании. Выбор Южного полушария и, в частности, указанных стран для размещения антенн телескопа не случаен, поскольку именно в этой части планеты обеспечивается наилучший обзор Галактики, а уровень радиопомех меньше.

Первоначальные наблюдения планируется провести уже к 2020 году, а завершение строительства – к 2030 году. SKA позволит проводить наблюдения в непрерывном диапазоне от 50 МГц до 30 ГГц. Чтобы обеспечить столь широкий диапазон принимаемых радиочастот, в телескопе используют различные типы антенных элементов. Как предполагается, его чувствительность более чем в 50 раз превысит возможности любого другого существующего на сегодняшний день радиотелескопа.

Возможности SKA будут рассчитаны для решения широкого круга вопросов в астрофизике, космологии и астрофизике частиц. Телескоп позволит расширить диапазон наблюдаемой Вселенной. С его помощью, как предполагается, можно будет заглянуть в ее раннее прошлое и получить данные о ней в возрасте всего несколько миллионов лет после Большого взрыва, то есть в момент, когда только начали формироваться первые звезды и галактики.

На орбите также есть телескопы радиодиапазона. Первый в мире космический радиотелескоп установили в июле 1978 г. на советской орбитальной станции «Салют-6». Это был «КРТ-10» (Космический Радиотелескоп с диаметром зеркала антенны 10 метров). Он был доставлен на станцию грузовым космическим кораблем «Прогресс-7» и проработал два месяца.

Сегодня на орбите находится его фактический преемник – космическая обсерватория «Спектр-Р», также известная как «Радиоастрон». Космический аппарат вывела на околоземную орбиту 18 июля 2011 года ракета «Зенит». Он обращается по эллиптической орбите с перигеем 10 651,6 км и апогеем 338 541,5 км. В апогее он практически достигает орбиты Луны и использует ее гравитацию для поворота плоскости своей орбиты.

Диаметр антенны «Спектра-Р» составляет 10 метров, фокусное расстояние – 4,22 м. Что касается разрешения, то проект «Радиоастрон» позволяет получить самое высокое угловое разрешение за всю историю наблюдений Вселенной. Очень высокая угловая разрешающая способность достигается при использовании орбитального радиотелескопа совместно с наземными и применении интерферометрических методов. Вот эти почти 340 000 километров и есть максимальный диаметр условной «тарелки» радиотелескопа, или, как говорят ученые, – база. Сверхдлинная база. В паре с российской космической обсерваторией уже работают многие крупнейшие радиотелескопы планеты. Основная научная задача проекта – изучение астрономических объектов с угловым разрешением до нескольких миллионных долей секунды. Для астрономических наблюдений доступны четыре частотных диапазона: 92 см, 18 см, 6,2 см и 1,19–1,63 см.

Телескоп предназначен для радиоастрофизических наблюдений внегалактических объектов с ультравысоким разрешением, а также для исследования характеристик околоземной и межпланетной плазм.

Нейтринные обсерватории

Получить информацию о процессах, происходящих во Вселенной, можно, регистрируя не только электромагнитные волны. Есть еще один способ. Потоки нейтрино проходят сквозь всю Вселенную, не встречая на своем пути практически никаких преград. Нейтрино – субатомная частица, она электрически нейтральна, и ее масса настолько мала, что лишь недавно удалось установить, что частица все-таки есть. Потоки нейтрино рождаются в ходе ядерных реакций и несут уникальную информацию о физических процессах в недрах звезд. Нейтрино чрезвычайно слабо взаимодействует с веществом и его очень сложно детектировать. Но тем не менее это удается.

Расположенная на Южном полюсе обсерватория IceCube – крупнейшая нейтринная обсерватория в мире. Она находится на американской антарктической станции Амундсен–Скотт. IceCube – это гигантский нейтринный детектор, помещенный глубоко под поверхность. В толще антарктического льда проделали глубокие отверстия, куда на глубину от 1450 до 2450 метров опустили вертикальные гирлянды из прочных тросов с закрепленными на них оптическими детекторами (фотоумножителями). Каждая такая гирлянда состоит из 60 детекторов.

Тысячи датчиков распределены в объеме одного кубического километра прозрачного антарктического льда. И лед в обнаружении нейтрино играет первостепенную роль.

Обнаружить частицу, практически не взаимодействующую с материей, можно только поймав мюоны, – вторичные частицы, которые рождаются при столкновении нейтрино с атомами кислорода в молекуле воды (в данном случае замороженной воды). В свою очередь, мюоны, двигаясь в достаточно плотной среде, рождают фотоны видимого черенковского излучения – вспышки голубого света. Их-то в толще прозрачного арктического льда и регистрируют оптические детекторы IceCube. Несмотря на то, что IceCube и расположен на Южном полюсе, его задача – регистрировать астрофизические нейтрино, пришедшие сквозь Землю со стороны северной полусферы неба.

И хотя считается, что нейтринная астрономия только в начале своего пути, нельзя сказать, что ранее такими исследованиями никто не занимался. Звание старейшей в мире нейтринной обсерватории носит расположенная в Кабардино-Балкарии под склоном горы Андырчи Баксанская нейтринная обсерватория. Работает она с 1970-х годов и находится в ведении Российской академии наук. Но здесь в качестве мишени вместо воды и льда используется около 50 тонн расплавленного металлического галлия, который находится в 7 химических реакторах.

Наличие крупной обсерватории в Южном полушарии потребовало создания нейтринной обсерватории аналогичной мощности и в Северном полушарии. Это позволит наблюдать источники нейтрино высоких энергий по всей небесной сфере. И такая обсерватория будет построена в нашей стране. А самое подходящее для этого место – известное своей прозрачной водой и глубиной озеро Байкал.

С 2015 года на дне Байкала уже заработал глубоководный нейтринный телескоп мультимегатонного масштаба «Дубна». Он является первым кластером создаваемого нейтринного телескопа кубокилометрового масштаба Baikal-GVD (Gigaton Volume Detector).

«Дубна» содержит в своем составе 192 оптических датчика, погруженных в прозрачную воду Байкала на глубину до 1300 метров. На сегодняшний день этот телескоп – уже один из трех самых крупных детекторов нейтрино на планете. Дальнейшим шагом в развитии проекта будет постепенное увеличение объема телескопа за счет добавления новых кластеров. В итоге уже к 2020 г. планируется создать установку, состоящую из 10–12 кластеров общим объемом около 0,5 куб. км.

Гравитационно-волновые обсерватории

В начале этого лета международная коллаборация LIGO-Virgo вновь объявила о регистрации гравитационно-волнового всплеска. И это уже третий раз в истории, когда нам удается поймать такой сигнал. Он возник около трех миллиардов лет назад в результате сближения по спирали и последующего слияния двух черных дыр массой примерно в 19 и 31 солнечных. Они слились в одну большую черную дыру, потеряв при этом около двух солнечных масс. Такое слияние – взрыв грандиозной мощности. Но только вся его энергия уходит не в электромагнитное излучение, не в частицы, а в колебания пространства и времени – гравитационные волны. Процесс слияния занял меньше секунды, а в момент слияния скорость черных дыр достигла 60% от скорости света.
Гравитационно-волновая астрономия является развивающейся отраслью наблюдательной астрономии. И на данный момент мы имеем всего две лаборатории в мире, предназначенные для обнаружения гравитационных волн.

Американский проект LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) включает в себя два одинаковых детектора. Один – на юго-востоке США в Ливингстоне (штат Луизиана), другой – на северо-западе в Ханфорде (штат Вашингтон). Расстояние между детекторами составляет 3002 километра. В силу этого два детектора регистрируют сигнал с небольшим интервалом. А это позволяет определить примерное направление, откуда пришел этот сигнал.

Каждая установка представляет собой L-образную систему, состоящую из двух четырехкилометровых рукавов с высоким вакуумом внутри. Внутри такой системы установлен модифицированный интерферометр Майкельсона.

Есть и другая причина, по которой важно наличие двух детекторов. Только если сигнал будет зарегистрирован всеми детекторами, будет считаться, что он действительно был, а видимый всплеск на мониторе не является ошибкой приборов. А вот когда в строй окончательно вступит франко-итальянский детектор Virgo, тогда оснований сомневаться будет еще меньше, да и точность обнаружения заметно повысится.

Детектор Virgo расположен в Европейской гравитационной обсерватории (EGO) в коммуне Кашина вблизи итальянского города Пиза. Он немного меньше, чем детекторы LIGO: длина каждого из его рукавов составляет 3 километра.

Virgo чувствителен к гравитационным волнам в широком диапазоне частот от 10 до 10 000 Гц. Это должно позволить обнаруживать гравитационные волны, вызванные слиянием двойных систем (звезд, черных дыр, пульсаров), а также волны, которые сопровождают взрывы сверхновых. Причем как в Млечном Пути, так и в других галактиках, например в галактиках ближайшего к нам скопления Девы (Virgo cluster). Отсюда и название проекта.

Гравитационно-волновая астрономия только в начале пути. В скором времени на планете появится еще несколько подобных обсерваторий. Одну из них уже строят в Японии (KAGRA), а в Индии к 2022 году планируют запустить детектор LIGO-India.

И, естественно, рано или поздно гравитационно-волновые инструменты появятся в космосе. 18 июля этого года закончилась миссия спутника LISA Pathfinder. Запущенный ESA в 2015 году космический аппарат тестировал технологии, необходимые для постройки космической гравитационно-волновой обсерватории eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna, eLISA). Ее Европейское космическое агентство планирует запустить к 2034 году.

Проект предполагает отправку в космос трех космических аппаратов, которые будут расположены в вершинах равностороннего треугольника со сторонами длиной 2,5 миллиона километров каждая. Как и наземные гравитационно-волновые обсерватории, eLISA использует метод лазерной интерферометрии. Три его спутника образуют гигантский интерферометр Майкельсона, в котором два зависимых спутника играют роль отражателей, а один, главный спутник, выступает источником лазерного луча и детектором. В то время как гравитационная волна проходит через интерферометр, длины двух плеч eLISA меняются из-за пространственно-временных искажений.

Заключение

Астрономия находится в постоянном развитии. Пройдет несколько десятилетий – и сегодняшние телескопы будут дополнены еще более совершенными инструментами для наблюдения.

Астрономия за время своего существования уже пережила несколько революций. В начале XVII века благодаря Галилею человек впервые посмотрел на небо вооруженным глазом. В прошлом столетии ликвидировали «оптическую монополию», и астрономия стала универсальной – небо «засветилось» во всем спектре электромагнитного излучения. Сегодня мы находимся на пороге новой революции, связанной с нейтрино и гравитационными волнами. И этот рывок будет не последним.

Будущее астрономии обещает быть интересным. Мы найдем ответы на многие загадки Вселенной и, как хорошие ученики, получим от нее порцию новых. И уже будем искать ответы с помощью новых телескопов, принцип работы которых мы сегодня, возможно, даже не можем себе представить.

Источник: m.vk.com