Космические обсерватории

Когда мы говорим о космосе, в голове сразу всплывают образы красочных туманностей, причудливых газовых облаков, величественных галактик и прочих удивительных объектов. При этом мало кто задумывается, что люди получили возможность наслаждаться этой красотой относительно недавно. И за это в первую очередь стоит поблагодарить орбитальные обсерватории, ставшие настоящими космическими глазами человечества.

ТЕЛЕСКОПЫ ПОДНИМАЮТСЯ В НЕБО

Вильгельм Бер и Иоганн Генрих фон Медлер предложили поместить обсерваторию на Луне почти за сто тридцать лет до первого полёта «Аполлона».

Впервые идею внеземной обсерватории высказали ещё в XIX веке немецкие астрономы Вильгельм Бер и Иоганн Генрих фон Медлер. Хотя по тем временам это звучало как настоящая фантастика, сама по себе концепция была весьма логичной. Гипотетическая обсерватория на Луне всегда бы располагала идеальными условиями для наблюдений, избавив астрономов от их извечного врага — капризной и переменчивой погоды.

Последующие научные открытия сделали идею космических телескопов ещё более привлекательной. Учёные установили, что видимый нами свет составляет лишь крохотную часть электромагнитного спектра. При этом оказалось, что земная атмосфера прозрачна для излучения только в относительно узком диапазоне волн, а также в радиодиапазоне. Что же касается ультрафиолетового и рентгеновского излучения, гамма-лучей и дальней части инфракрасного диапазона, они физически не могут пройти через воздушную оболочку нашей планеты. Образно говоря, мы живём на дне глубокого колодца, через который можно наблюдать лишь маленький клочок неба. Чтобы получить полную картину устройства Вселенной, нужно было подняться наверх.

Stratoscope I, высотный телескоп докосмической эры (1957 год)

Как ни удивительно, проблему удалось частично решить ещё до начала космической эры. Уже в 1920-е годы учёные начали запускать на воздушных шарах приборы, которые собирали информацию о космических лучах и ультрафиолетовом излучении на больших высотах. А в 1957 году на аэростат Stratoscope I впервые в истории установили телескоп. Он сделал ряд изображений Солнца, запечатлев его фотосферу.

Следующая важная веха была пройдена в 1962 году. Тогда в космос отправился спутник Ariel 1 — первый космический аппарат, собиравший данные о солнечном излучении и его влиянии на ионосферу. Спутник был построен Великобританией при поддержке NASA. По иронии судьбы, Ariel 1 вышел из строя уже через несколько недель после запуска из-за проведённого США высотного ядерного взрыва.

Первая Орбитальная астрономическая обсерватория была запущена в 1966 году. Она содержала лишь детекторы ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения. Второй спутник серии уже был оснащён ультрафиолетовым телескопом.

Ещё через шесть лет NASA запустило серию спутников OAO (Orbiting Astronomical Observatory), оснащённых ультрафиолетовыми телескопами. Именно их называют первыми полноценными космическими обсерваториями.

Ультрафиолетовый телескоп на поверхности Луны

(миссия «Аполлон-16»)

На заре космической эры астрономическими наблюдениями в космосе чаще занимались люди, нежели автоматы. Так, в 1972 году экспедиция «Аполлона-16» развернула первую и пока что последнюю в истории астрономическую обсерваторию на поверхности другого небесного тела. Астронавты установили на Луне специальный позолоченный трёхдюймовый телескоп с подсоединённой к нему фотокамерой и сделали ряд ультрафиолетовых изображений звёзд, туманностей, Большого Магелланова облака, а также Земли.

Астрономическими наблюдениями в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах занимались и экипажи орбитальных станций «Салют» и «Скайлэб». Безусловно, для того времени собранные ими данные имели большую ценность. Но всё же идея посадить космонавта за телескоп оказалась тупиковой. Будущее космической астрономии было за автоматическими станциями.

ЭПОХА «ХАББЛА»

«Хаббл» назван в честь Эдвина Хаббла (1889–1953),

одного из наиболее влиятельных космологов XX века

Настоящий переворот в космической астрономии произошёл в 1990 году, когда на орбиту вышел знаменитый телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope), созданный NASA и Европейским космическим агентством (ESA). Конечно, он был уже далеко не первым орбитальным телескопом. Но на фоне своих предшественников он смотрелся так же, как первый «айфон» на фоне Nokia 3310. Благодаря своему 2,4-метровому зеркалу «Хаббл» стал одним из самых мощных оптических телескопов в мире.

Полировка главного зеркала «Хаббла»

Чтобы перечислить все открытия, сделанные благодаря «Хабблу», потребовался бы многотомный справочник. Поэтому просто скажем, что собранные им данные в буквальном смысле изменили представления человечества о мире вокруг нас. Благодаря «Хабблу» астрономы смогли заглянуть в уголки Вселенной, о существовании которых раньше даже и не подозревали. Он по сей день остаётся самой продуктивной космической обсерваторией.

«Хаббл» покидает грузовой отсек «Шаттла»

Но этот успех дорого обошёлся NASA. Создание телескопа оказалась намного более сложной задачей, чем считали специалисты. «Хаббл» отправился в космос на семь лет позже, чем предполагалось, а бюджет проекта на момент запуска вырос в шесть раз — до 2,5 миллиарда долларов.

«Хаббл» на орбите

В довершение всего после первых наблюдений в зеркале обнаружился производственный дефект, из-за которого телескоп не мог достичь необходимой точности. NASA пришлось организовать специальную ремонтную миссию, которая отправилась в космос в 1993 году. Лишь после этого «Хаббл» заработал как надо, и астрономы со всего мира заполучили тот самый инструмент, о котором всегда мечтали.

Снимок галактики M100,

сделанный «Хабблом», до и после корректировки

Нужно отметить, что, хотя «Хаббл» автономен, он создавался с расчётом на человеческое присутствие. В общей сложности NASA шесть раз отправляло к нему космические челноки, экипажи которых ремонтировали телескоп и меняли его научные инструменты на более совершенные. С одной стороны, это позволило серьёзно увеличить возможности «Хаббла» по сравнению с изначальными. С другой — миссии обслуживания оказались весьма дорогостоящими. Как справедливо замечали многие критики, за потраченные на них деньги американскому аэрокосмическому агентству было бы проще построить абсолютно новый телескоп. Как бы то ни было, «Хаббл» останется на орбите до 2030 года.

«Столпы творения», самый знаменитый снимок «Хаббла»

Hubble Ultra Deep Field, 10 тысяч галактик на одном снимке.

Работа над ним заняла 10 лет

ДОРО́ГОЙ «ДЖЕЙМС УЭББ»

«Хаббл» ознаменовал начало новой эпохи в астрономии, а также установил стандарт, на который с тех пор равняются инженеры всех стран. За последующие годы в космос было запущено множество разнообразных космических телескопов. Среди них рентгеновские и инфракрасные телескопы, солнечные обсерватории, охотники за экзопланетами и аппараты, составляющие карту распределения звёзд в нашей галактике.

В ближайшие десятилетия им на смену придут обсерватории нового поколения, которые должны ещё сильнее расширить возможности астрономов. Первое место в списке главных космических телескопов будущего, вне всякого сомнения, должен занять «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope), названный в честь администратора NASA. Эту обсерваторию часто называют преемницей «Хаббла». «Уэбб» действительно во многом напоминает «Хаббл», но в другом смысле: он тоже серьёзно выбился за рамки изначального бюджета, а его запуск уже несколько раз переносили.

Фрагмент зеркала «Джеймса Уэбба»

Причина всех этих проблем кроется в крайне сложной конструкции телескопа, основой которой служит огромное 6,5-метровое зеркало. Благодаря ему «Джеймс Уэбб» станет самым мощным инструментом, который человечество когда-либо запускало в космос. Телескоп сможет уловить свет от первых галактик, возникших после Большого взрыва, рассмотреть во всех деталях процессы звездообразования, будет фотографировать экзопланеты и даже находить их спутники.

Проблема в том, что цельное 6,5-метровое зеркало попросту не влезло бы в ракету-носитель. Поэтому инженеры сделали составное зеркало из восемнадцати сегментов, чтобы собрать его уже на орбите. Там же телескоп развернёт свой теплозащитный экран, который должен защитить его от солнечного излучения.

Зеркало «Джеймса Уэбба»,

состоящее из восемнадцати отдельных фрагментов

Хоть «Уэбб» и именуют преемником «Хаббла», он всё же сильно отличается от самого знаменитого телескопа. «Хаббл» может проводить наблюдения в ультрафиолетовом, видимом и ближней части инфракрасного диапазона. «Уэбб» же будет исследовать Вселенную в ближней и средней части инфракрасного диапазона. Инфракрасное излучение хорошо тем, что не блокируется облаками межзвёздной пыли. Потому «Уэбб», к примеру, сможет заглянуть в самое сердце нашего Млечного пути и внутрь регионов, где прямо сейчас рождаются новые звёзды и планеты. Но у медали есть и обратная сторона: для успешной работы зеркало и инструменты «Уэбба» должны иметь температуру ниже −220 °C. Для этого телескоп оснащён сложной теплозащитной системой. К сожалению, с ней возник ряд проблем, из-за которых запуск «Уэбба» недавно в очередной раз отложили.

«Джеймс Уэбб» отправится в космос в 2020 году

Однако, несмотря на все технические сложности, проект постепенно приближается к решающей стадии. Все ключевые компоненты телескопа уже изготовлены и прошли ряд проверок. Теперь их соберут вместе, после чего подвергнут серии тщательных тестов. Сейчас запуск «Джеймса Уэбба» запланирован на май 2020 года.

КИТАЙСКИЙ ОТВЕТ «ХАББЛУ»

«Уэбб» далеко не единственный телескоп, на который нам стоит обратить внимание в ближайшем будущем. Один из наиболее интересных проектов разрабатывается в Китае. В 2020 году Поднебесная планирует начать сборку своей многомодульной орбитальной станции. Вместе с ней в космос будет отправлен специальный автономный модуль «Сюньтянь», оснащённый телескопом с двухметровым зеркалом. Он сможет делать изображения, сопоставимые по чёткости со снимками «Хаббла», но при этом его поле зрения будет в 300 раз больше.

При необходимости «Сюньтянь» будет стыковаться с китайской станцией, чтобы экипаж мог ремонтировать и менять научные инструменты на более совершенные.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ОБСЕРВАТОРИИ

«Чандра»,

самая известная рентгеновская обсерватория на орбите

Остатки взорвавшейся звезды.

Синий цвет — это рентгеновское излучение,

 снятое обсерваторией «Чандра»

За последние годы рентгеновская астрономия стала одним из наиболее бурно развивающихся разделов астрономии. И это закономерно. Изучение рентгеновского излучения позволяет нам больше узнать о таких экзотических объектах Вселенной, как чёрные дыры, нейтронные звёзды, квазары, сверхновые и так далее. Не стоит забывать и про обычные звёзды, в том числе и наше Солнце. Зачастую они производят мощные рентгеновские вспышки, оказывающие серьёзное влияние на космическую погоду.

«Эвклид» поможет понять природу тёмной материи и энергии

Поскольку земная атмосфера практически не пропускает рентгеновские лучи, космические обсерватории служат единственным инструментом для их наблюдения. В 1999 году NASA запустило до сих пор находящуюся на орбите «Чандру» — главную рентгеновскую обсерваторию современности. При этом каждая космическая держава работает над созданием собственной рентгеновской обсерватории. Если даже часть этих проектов реализуется, следующее десятилетие станет поистине золотым веком рентгеновской астрономии.

Так, на март 2019 года намечен запуск обсерватории «Спектр-РГ» («Спектр-РентгенГамма»). Это совместный проект России и Германии. На аппарате будет установлено два рентгеновских телескопа. «Спектр-РГ» должен будет сделать полный рентгеновский обзор неба с рекордной чувствительностью. Планируется, что за время работы обсерватория обнаружит до 100 тысяч галактических скоплений и до 3 миллионов сверхмассивных чёрных дыр.

Работает над собственной рентгеновской обсерваторией и Япония. В 2016 году национальное аэрокосмическое агентство JAXA запустило аппарат «Хитоми». Он должен был изучать вспышки сверхновых, ядра активных галактик, исследовать искривления пространства, вызванные чёрными дырами. Однако всего через месяц после запуска телескоп был потерян из-за технических неполадок и ошибок программного обеспечения. Чтобы реабилитироваться после такого досадного фиаско, JAXA начало работу над обсерваториейзаменой — XARM (X-ray Astronomy Recovery Mission). Помощь в её создании японскому агентству оказывает NASA. Запуск XARM запланирован на 2021 год.

IXPE выйдет на орбиту в 2021 году

В том же году в космос отправится и новый рентгеновский телескоп NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer). Ещё через четыре года должен состояться запуск китайской обсерватории eXTP (enhanced X-ray Timing and Polarimetry Mission). Она станет самым дорогим научным спутником в истории Поднебесной. Помимо непосредственных научных задач, eXTP будет выполнять ещё одну функцию — она призвана продемонстрировать всему миру мощь китайской науки и её способность оставаться на передовом крае исследований.

И, наконец, в 2028 году в космос должна отправиться европейская обсерватория ATHENA (Advanced Telescope for High Energy Astrophysics). Десять лет — это, конечно, очень большой срок. Но ожидание того стоит. ATHENA должна сделать для рентгеновской астрономии то же, что «Хаббл» для оптической. Эта обсерватория будет иметь в 100 раз большую чувствительность, чем самые мощные из современных рентгеновских телескопов.

ТЁМНАЯ МАТЕРИЯ И ГРАВИТАЦИЯ

Как хорошо известно всем любителям астрономии, видимое вещество Вселенной, которое мы наблюдаем в форме звёзд, планет, светящегося газа, пылевых облаков и галактик, составляет лишь несколько процентов от её массы. Большая часть остального вещества приходится на так называемую тёмную материю. Мы не можем её увидеть. Она не испускает электромагнитного излучения и напрямую с ним не взаимодействует. Её присутствие выдаёт лишь гравитационное воздействие на обычное вещество. Точная природа тёмной материи остаётся одной из главных астрономических тайн современности.

Почти ничего мы не знаем и о тёмной энергии — гипотетическом виде энергии, введённой в математическую модель Вселенной, чтобы объяснить её расширение с нарастающим ускорением. Сейчас множество учёных со всего мира пытаются постичь природу тёмной материи и тёмной энергии. Разгадка их тайн гарантированно принесёт кому-то всемирную известность и Нобелевскую премию.

В 2021 году Европейское космическое агентство сделает в это весомый вклад. ESA планирует запустить инфракрасный телескоп «Евклид» (Euclid). Аппарат будет изучать галактики, находящихся на разном расстоянии от Земли, и исследовать связь их красного смещения и расстояния. Собранные «Евклидом» данные позволят составить карты распределения тёмной материи и энергии во Вселенной. Это, в свою очередь, поможет учёным лучше понять их природу.

Помимо поисков тёмной материи, ESA также планирует перенести в космос исследования гравитационных волн — сейчас их регистрируют с помощью дорогостоящих наземных детекторов. В прошлом году агентство утвердило проект обсерватории LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Она будет состоять из трёх спутников. Аппараты расположатся в космосе в виде треугольника с длиной стороны в 2,5 миллиона километров, фактически образуя гигантский интерферометр. Точное расстояние между спутниками будет постоянно измеряться при помощи лазеров. При прохождении гравитационных волн лучи лазеров будут отклоняться. Регистрируя эти отклонения, учёные смогут определить мощность и источник волн.

В случае успеха LISA сможет произвести настоящую научную революцию. Гравитационный телескоп позволит уточнить значения фундаментальных констант Вселенной, лучше понять механизм взрывов сверхновых и слияния чёрных дыр, найти реликтовые гравитационные волны, возникшие во времена Большого взрыва. Астрономы смогут использовать его данные для определения расстояния до различных удалённых объектов.

LISA Pathfinder, тестовый спутник, доказавший возможность существования гравитационных обсерваторий

В 2015 году агентство успешно запустило демонстратор LISA Pathfinder, доказавший, что проект гравитационного телескопа технически реализуем. В прошлом году руководство ESA официально утвердило LISA в качестве будущей научной миссии. На данный момент её запуск запланирован на 2034 год. Известно, что NASA также планирует принять участие в проекте и оказать помощь европейцам в строительстве телескопа.

ОХОТНИКИ ЗА ЭКЗОПЛАНЕТАМИ

Ещё одна бурно развивающаяся отрасль астрономии — поиск экзопланет. У неё своя специфика, и неудивительно, что существуют отдельные обсерватории, занимающиеся поиском миров у других звёзд.

«Кеплер» помог отыскать несколько тысяч экзопланет

Наиболее известный охотник за экзопланетами — телескоп «Кеплер» (Kepler). За девять лет своей миссии он обнаружил около 2300 тел, вращающихся вокруг других звёзд. Это свыше половины известных на сегодняшний день экзопланет.

TESS, главный охотник за экзопланетами в ближайшие несколько лет

К счастью, вскоре у него появится достойная замена. В апреле NASA запустило преемника «Кеплера» — космический телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Пока что он выполняет серию манёвров, которые должны перевести его на рабочую орбиту. TESS приступит к первым наблюдениям летом этого года. Новый телескоп будет искать миры у нескольких сотен тысяч ближайших к нам и наиболее ярких звёзд. Поиск будет производиться при помощи транзитного метода: по отслеживанию периодического изменения блеска светил, вызванного проходом экзопланет по их диску.

TESS будет искать каменные экзопланеты, находящиеся в обитаемой зоне и удалённые от Земли не более чем на 200 световых лет. В дальнейшем наиболее интересные находки миссии будет исследовать телескоп «Джеймс Уэбб».

CHEOPS, миниатюрный охотник за экзопланетами

В космос отправится ещё один охотник за экзопланетами — европейский телескоп CHEOPS (CHaracterising ExOPlanets Satellite). По характеристикам он, конечно, заметно уступает TESS. Миниатюрный телескоп весом всего 58 килограммов должен продемонстрировать, что даже такие относительно простые и не слишком дорогие инструменты могут внести серьёзный вклад в астрономию. CHEOPS будет искать экзопланеты у ближайших к Солнцу ярких звёзд, а также использоваться для наблюдения и уточнения характеристик уже известных миров.

Во второй половине следующего десятилетия флотилию охотников за экзопланетами должны пополнить два европейских аппарата. Телескоп PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars), запуск которого запланирован на 2026 год, отличается от уже существующих охотников намного более широким полем зрения. Целью аппарата ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey), запуск которого запланирован на 2028 год, станет изучение уже известных миров. Телескоп будет исследовать их атмосферы и попытается определить химический состав.

В середине следующего десятилетия может состояться запуск ещё одного большого телескопа, способного внести очень серьёзный вклад в изучение экзопланет. Речь о аппарате WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope), который разрабатывает NASA. Его предполагается оснастить коронографом — инструментом, позволяющим блокировать свет звёзд. Благодаря нему WFIRST сможет делать прямые снимки экзопланет. Также телескоп сможет наблюдать за крупномасштабными структурами Вселенной и измерять влияние тёмной материи на галактики.

Однако в настоящее время судьба WFIRST находится под большим вопросом. Администрация Дональда Трампа предложила прекратить финансирование проекта. После многочисленных обращений представителей американской научной общественности Конгресс всё же выделил деньги на дальнейшую разработку WFIRST. Однако пока что рано с уверенностью говорить, что телескоп спасён. Многие американские законодатели опасаются, что WFIRST повторит судьбу «Джеймса Уэбба» и выйдет за рамки предполагаемого бюджета.

Как ни парадоксально, основная часть проблем телескопа возникла из-за «халявы». Изначально WFIRST предлагалось оснастить 1,2-метровым зеркалом. Но затем американское управление военно-космической разведки сделало NASA неожиданный подарок в виде пары 2,4-метровых космических телескопов, так и не запущенных в космос из-за модернизации шпионских спутников. В результате конструкция WFIRST была пересмотрена, что привело к существенному удорожанию проекта. Остаётся надеяться, что в NASA найдут компромиссное решение и телескоп всё же отправится в космос.

Во всей этой истории открытым остаётся лишь один вопрос. Если 2,4-метровые космические телескопы (по сути, как тот же «Хаббл») уже считаются устаревшими для американских космических разведчиков, то какими именно технологическими возможностями они располагают на данный момент? И каких открытий мы могли бы добиться, если бы использовали подобную технику и выделяемые на неё ресурсы не для слежки друг за другом, а для того, чтобы смотреть на звёзды?