Орбитальные телескопы

Астрономия — наука фундаментальная; обывателю она может казаться непрактичной с её далекими звездами, галактиками, созвездиями... Тем не менее она вполне прикладная. Многие уже привычные блага появились в нашей жизни именно благодаря астрономии:

• Cистема глобального позиционирования (GPS, GLONASS) работают благодаря синхронизации спутников с астрономическими данными о времени и гравитации Земли.
• Спутниковый интернет (Starlink, OneWeb) использует орбитальные технологии, разработанные для космических наблюдений.
• Томографы (МРТ, КТ) созданы на основе алгоритмов обработки астрономических изображений.
• Солнечные панели и термостойкие материалы разрабатывались для космоса, но теперь применяются в строительстве, энергетике и быту.
• Космические спутники следят за климатом, прогнозируют ураганы и лесные пожары.
• Мониторинг астероидов (как проект NASA DART) защищает Землю от столкновений.

Ну и конечно, в ночное небо мы смотрим не только из-за их красоты. Когда мы смотрим на далекие звезды и галактики, мы можем увидеть в числе прочего различные состояния вещества, которые невозможно получить на земле. Как говорят ученые, астрофизика - лаборатория теоретической физики. Дело в том, что заглядывая в бескрайние просторы космоса, мы можем увидеть эпизоды рождения звезд, угасания, черные дыры, огромные облака газа, и все это — в четырехмерном пространстве, то есть можем заглянуть в прошлое.

Орбитальные телескопы - авангард астрономии

Хорошо, мы выяснили, что астрономия — наука важная и полезная, а что же нужно для наблюдений за звездами? Конечно, хороший телескоп. Еще первобытные люди наблюдали за звездами зорким, но невооруженным глазом. Затем появились телескопы, которые совершенствовались и позволяли увидеть все больше и больше, сначала в солнечной системе, а затем и за ее пределами. 

Телескопы развивались, но всегда видели ограниченную картинку. Почему?
Как известно, телескопы — это оптические приборы и используют зеркала и линзы. Чем больше зеркало, тем лучше картинка. Это верно, однако, есть еще и другие важные нюансы. 

Зачастую астрономические обсерватории строят высоко в горах. Это нужно для минимизации влияния атмосферы. Атмосфера земли поглощает бОльшую часть спектра излучений: она задерживает гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение космических объектов, а также большую часть инфракрасного излучения.  При этом, как раз инфракрасный диапазон и рентгеновский могут дать очень полезную для астрономов и астрофизиков картинку. Благодаря дополнительным диапазонам мы можем заглянуть дальше и глубже, увидеть больше. Например, скопления галактик в силу своей природы (газ) прекрасно видны в рентгене. Вещество во вселенной распределено в виде паутины и узелочков; эти узелочки растут под действием гравитации. Однако, они растут медленнее, чем могли бы из-за наличия темной энергии.

 
Единственный способ обойти влияние толщи атмосферы — это выйти за пределы её засвета, то есть запустить телескоп в космос. Конечно же, с самого начала освоения космоса этой теме уделялось внимание. Прошло не так много времени с запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 году, как уже через 11 лет в космос полетел орбитальный телескоп. Первенство принадлежит Orbiting Astronomical Observatory 2 (OAO-2) «Старгейзер», запущенному NASA 7 декабря 1968 года. Он работал в УФ-диапазоне, проработал 4 года (вместо запланированных 1 года); получил данные об УФ-спектрах 1200 звёзд, включая Вегу и Бетельгейзе; обнаружил кометы в УФ-диапазоне.

В СССР также были успешные запуски. «Орион-1» (1971) — первый космический телескоп советского союза в составе первой в мире орбитальной станции «Салют-1». За 10 дней работы в недоступном для земных телескопов УФ-диапазоне 200-380 нм он получил спектры звезд Вега, Альфа Центавра, и других звезд. Как и "Старгейзер", он доказал возможность работы телескопов в условиях космоса.
В 1983 был запущен «Астрон», который был уже самостоятельным орбитальным телескопом. Более того, вплоть до запуска "Хаббла", он был крупнейшим в мире УФ-телескопом. Проработав на орбите целых 6 лет вместо запланированного 1 года, он совершил ряд важнейших открытий:

• Наблюдая сверхновую в Большом Магеллановом облаке, зафиксировал УФ-вспышку в первые часы после взрыва
• Подтвердил теорию нуклеосинтеза в сверхновых, обнаружив в спектре линии никеля и кобальта.
• Доказал наличие аккреационных дисков вокруг сверхмассивных чёрных дыр.
• Обнаружил «горячий» газ (до 100 000 К) в межзвёздной среде.
• Зарегистрировал выбросы воды и пыли из кометы Галлея (1986).

Пожалуй, самый известный орбитальный телескоп - это «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST), запущенный NASA в 1990. Летая на высоте 547 км по орбите Земли, c 2,5-метровым зеркалом и диапазоном от 115 нм УФ до 2,5 мкм инфракрасного диапазона (включая видимый), он и по сей день продолжает радовать все человечество потрясающе красивыми снимками. Его послужной список научных открытий также весьма впечатляет:

• Установлен точный возраст Вселенной – 13.8 млрд лет (по постоянной Хаббла).
• Открытие (доказательство существования) тёмной энергии – ускоренное расширение Вселенной (Нобелевская премия 2011).
• Подтверждение существования чёрных дыр в центрах галактик.
• Открыто рождение звёзд в туманностях (например, «Столпы Творения»).
• Получены первые спектры атмосфер экзопланет.

После Хаббла, в 1999 году, NASA запустили не менее интересный рентген-телескоп Чандра. Он также летает по сей день на орбитах 16 000 до 133 000 км. Назван в честь нобелевского лауреата по физике С. Чандрасекара, в диапазоне от 0.1 до 10 кэВ он смог обнаружить детальные снимки аккреционных дисков чёрных дыр; выполнить картографирование скоплений галактик и темной материи; изучить остатки сверхновых. Рентген-диапазон позволил внести вклад в изучение релятивистских струй по квазарам и джетам, а также открыть нейтронные звезды и магнетары.

А в 2021 NASA был запущен инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST).
Находясь в точке Лагранжа (1,5 млн км от Земли), он работает в диапазон от 0,6 до 28 мкм (ближний и средний ИК).
Несмотря на пока еще небольшой срок эксплуатации, он уже предоставил немало важных данных для открытий:

• Обнаружил самые далёкие галактики (например, GLASS-z13, возраст ~300 млн лет после Большого Взрыва).
• Позволил глубже изучить формирование самых первых звёзд и галактик.
• Обнаруженил CO₂, воды у экзопланеты (WASP-96 b).
• Получены детальные снимки Столпов Творения, Юпитера.
• Данные с него сейчас активно используют в астрофизике и космологии для объяснения первопричин и природы "Большого взрыва" или "Космического рассвета"

Сравнение изображений, полученных в инфракрасном диапазоне телескопом James Webb (вверху) и в видимом диапазоне телескопом Hubble (внизу).

Серия орбитальных телескопов «Спектр»

В России орбитальные телескопы представлены серией Спектр.  
РадиоАстрон - Первый из четырёх аппаратов серии «Спектр», был запущен 18 июля 2011 года, сошел с орбиты 5 февраля 2019 года. Работал в радио-диапазонах от 92 до 1,3 см. Имел разрешение в рекордные 7 микросекнд дуги (в 1000 раз выше Хаббла в радио-диапазоне!). В основном, его открытия касались джетов сверхмассивных черных дыр ядер галактик, пульсаров. Также, Радиоастрон помог составить карту космических мазеров в областях звездообразования.

Второй телескоп серии — Спектр-РГ (Spektr-RG, SRG). Создан для наблюдения неба в рентген-диапазоне и запущен 13 июля 2019 и находится в точке Лагранжа L₂ (1.5 млн км от Земли). Фактически, на нем установлены сразу два телескопа:

• eROSITA (Германия) – мягкий рентген (0.3–10 кэВ).
• ART-XC (Россия) – жёсткий рентген (4–30 кэВ).

Особенностью Спектр РГ является широкий обзор при высоком качестве картинки. Этот телескоп совершил уже немалое число открытий: 

• Сделал больше миллиона рентгеновских снимков, составив карту всего неба в рентгене (2020):
• Выявлены пузыри горячего газа в Млечном Пути
• Обнаружено свыше 1 млн активных ядер галактик (AGN) и 100 000 скоплений галактик
• Открыты десятки скрытых сверхмассивных чёрных дыр.
• Обнаружены экстремальные магнетары с аномальными вспышками.
• Найдены крупнейшие скопления галактик Вселенной  (например, «Стена SRG»).
• Совершено изучение тёмной материи через гравитационное линзирование.
• Обнаружены рентгеновские двойные звёзды с рекордной светимостью, а также транзиенты – вспыхивающие источники неизвестной природы.

Третий телескоп серии — «Спектр-УФ» (ультрафиолетовый диапазон), Запуск планируется в 2025-2026 годах на геоцентрическую орбиту ~35 000 км. Уникальный для России, первый крупный УФ-телескоп со времён «Астрона» (1983), он заменит и продублирует стареющий Хаббл в УФ-диапазоне. Ожидается, что он поможет изучению экзопланет с помощью анализ атмосфер горячих юпитеров и поиска биомаркеров (озон, вода) в УФ-диапазоне. Благодаря наблюдение за молодыми звёздами и ионизированным газом мы сможем лучше понимать эволюцию галактик. А исследование звёздных ветров и аккреционных дисков чёрных дыр позволит лучше проанализировать космическую плазму.

Четвёртый  телескоп серии — «Спектр-М» (инфракрасный диапазон) планируется к запуску после 2029 года. «Миллиметрон» планируется к запуску после 2030 года в точку Лагранжа L₂ (1.5 млн км от Земли). Это будет аналог «Радиоастрона» (интерферометр с наземными телескопами), но для субмиллиметровых волн. Ожидается, что он поможет с изучением черных дыр: мы сможем получить сверхточные изображения тени горизонта событий. Составим карты темной материи и темной энергии в галактических скоплениях. А также он займется поиском реликтового излучения от первых звёзд.

Шире взгляд!

Как видим, орбитальные телескопы позволяют нам смотреть на вселенную в более широком диапазоне излучения, благодаря чему мы узнаем гораздо больше. Как говорит доцент кафедры физики ИКИ РАН, Буренин Родион Анатольевич, мы живем в эпоху великих космологических открытий, когда мы открываем белые пятна неба. Благодаря орбитальным телескопам мы обязательно найдем все острова (скопления галактик) обозреваемой вселенной! А благодаря расширенному диапазону сможем увидеть свечение галактики во всей его глубине. Орбитальные телескопы позволяют заглянуть максимально далеко, а значит максимально в ранний период времени, в котором мы видим самые ранние скопления. Эти знания нам нужны в числе прочего для вычисления и измерения состояния темной энергии, которая ответственна за расширение и занимает 96% массы вселенной, что, в свою очередь, необходимо для понимания космологической модели вселенной; чтобы ответить на вопросы "Как все началось?" и "Что было раньше?".

Фотографии в статье: Википедия, ИКИ РАН,  NASA, ESA, CSA, STScI, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)