ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ: НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ

ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ: НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ
ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ: НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ К статье ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ Оптическая и ультрафиолетовая астрономия. IUE. Расцвет ультрафиолетовой астрономии, исследующей излучение в диапазоне от 100 до 3000 , начался с запуска 26 января 1978 спутника IUE (International Ultraviolet Explorer), созданного НАСА, Европейским космическим агентством (EКA) и Великобританией. Спутник имел телескоп с диаметром зеркала 45 см и четыре ультрафиолетовых спектрографа и мог изучать объекты до 16-й звездной величины. Близкая к геостационарной орбита IUE обеспечивала сканирование Атлантики; до 1995 управление спутником 16 ч в сутки шло из Годдардского космического центра в Гринбелте (шт. Мэриленд, США), а оставшиеся 8 ч - с радиоастрономической станции EКA под Мадридом (Испания). 1 октября 1995 управление полностью перешло к EКA. Поскольку имелся постоянный контакт со спутником, астрономы могли управлять наблюдениями в реальном времени, выбирать время экспозиции и порядок наблюдения объектов. Такой гибкости обычно не бывает при работе со спутниками на низких орбитах, для которых требуется заранее составлять программу наблюдений. IUE предназначался для работы в течение шести месяцев, но успешно функционировал более 18 лет, до 30 сентября 1996, когда был отключен из-за финансовых проблем EКA. Спутник провел около 100 тыс. наблюдений 9300 объектов, архив которых доступен по компьютерным сетям всем астрономам мира. Среди важнейших результатов IUE - изучение хромосфер горячих звезд, измерение скорости потери вещества массивными звездами, определение температуры белых карликов, изучение квазаров и скорости звездообразования в галактиках. "Хаббл". Когда IUE еще только был запущен, НАСА и EКA уже готовили ему значительно более мощного преемника - космический телескоп им. Хаббла. Имея зеркало диаметром 2,4 м, он должен был получать изображения объектов и проводить их спектральные измерения. Запланированный на 1983 запуск был отложен на 7 лет, вначале из-за задержки проекта, а затем из-за катастрофы космического корабля "Челленджер" в 1986. Вскоре после того, как 25 апреля 1990 КК "Дискавери" был выведен на орбиту, астрономы выяснили, что зеркалу телескопа придана неправильная форма, что оно имеет сильную сферическую аберрацию и дает размытые изображения. Были и другие серьезные проблемы. Неверно спроектированные солнечные батареи каждый раз при переходе спутника с теневого участка орбиты на солнечный начинали вибрировать, вызывая дрожания телескопа, которые система его наведения не могла компенсировать. От большинства запланированных для "Хаббла" программ пришлось отказаться или урезать их. Спектральные измерения требовали времени в несколько раз больше расчетного. Четкость некоторых изображений удавалось доводить до расчетной в 0,1 угловой секунды, но только после сложной компьютерной обработки. Способность "Хаббла" получать изображения слабых звезд в других галактиках была под сомнением. Во время ремонтной экспедиции 2-13 декабря 1993 четверо астронавтов заменили панели солнечных батарей и установили новую камеру и корректирующие линзы. См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ ШАТТЛ. После этого телескоп стал получать данные, недоступные любому другому инструменту. До 1997 на "Хаббле" использовались широкоугольная (планетная) камера и камера слабых объектов (FOC), а также спектрограф слабых объектов и Годдардовский спектрограф высокого разрешения (GHRS). Камера FOC получает ультрафиолетовые изображения, а прибор GHRS - спектры сверхвысокого разрешения. Во время второго полета к телескопу (11-21 февраля 1997) астронавты "Дискавери" взамен спектрографа слабых объектов и GHRS установили инфракрасную камеру с многообъектным спектрометром и полевой спектрограф, работающий в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Следующий полет к "Хабблу" для установки на нем нового оборудования планируется в районе 2000, чтобы обеспечить ему лидирующее положение и в 21 в. Другие проекты. Наблюдения с корабля "Аполлон", участвовавшего в программе "Аполлон - Союз" (15-24 июля 1975), и с корабля "Колумбия" (12-18 января 1986) дали противоречивые сведения об ультрафиолетовом фоновом излучении: либо чрезвычайно темное ультрафиолетовое небо со слабым вкладом от далеких галактик, либо на нем есть яркие пятна из-за рассеянного пылинками излучения звезд Галактики. Запущенный 8 августа 1989 астрометрический спутник EКA "Гиппарх" при отсутствии атмосферного размытия изображений смог чрезвычайно точно измерить положения, движения, расстояния и яркость сотен тысяч звезд. Анализ этих данных дает астрофизике твердый фундамент, ибо наши знания о далеких звездах основаны на сравнении с их близкими аналогами. Два полета обсерватории ASTRO на борту кораблей "Колумбия" (2-11 декабря 1990) и "Индевор" (2-18 мая 1995) позволили провести ультрафиолетовые наблюдения в более коротковолновом диапазоне, чем на космическом телескопе им. Хаббла, и получить широкоформатные изображения неба в дополнение к маленьким областям, детально изученным с "Хаббла". Ультрафиолетовые спектрометры межпланетных зондов "Вояджер" работали с высокой чувствительностью на краю Солнечной системы, в отсутствие рассеянного солнечного света. Запущенный 7 июня 1992 спутник EUE провел обзор неба в диапазоне короче 900 , где Галактика непрозрачна и можно видеть только ближайшие источники. Однако в области короче 100 межзвездный газ вновь становится прозрачным и сквозь него можно наблюдать некоторые внегалактические источники. Еще более короткие волны - это мир рентгеновской астрономии. Рентгеновская астрономия. Рентгеновская астрономия исследует излучение объектов в диапазоне от 0,1 до нескольких сотен кэВ. В мягком рентгеновском диапазоне (0,1-2 кэВ) излучение еще заметно поглощается межзвездным газом, а в более жестком диапазоне (2-200 кэВ) поглощение несущественно. Первые обзоры. Первые рентгеновские спутники имели пропорциональные счетчики для регистрации жесткого рентгеновского излучения из космоса, но у них не было фокусирующих телескопов. Поэтому астрономы лишь приблизительно могли определять направление на яркие источники. Первые обзоры неба, показавшие, что главными рентгеновскими источниками служат двойные звезды, ядра активных галактик и скопления галактик, провели спутники "Ухуру" (создан НАСА и запущен 12 декабря 1970), "Ариель-5" (Великобритания, 15 октября 1974) и более мощный HEAO-1 (НАСА, 12 августа 1977). "Эйнштейн". Спутник HEAO-2, известный как обсерватория "Эйнштейн" (НАСА, 13 ноября 1978), имел первый фокусирующий рентгеновский телескоп для исследования объектов вне Солнечной системы. Излучение фокусировалось при косом падении на зеркало, составленное из гиперболоидов и параболоидов. Сфокусированное ими излучение в большинстве наблюдений направлялось на изображающий пропорциональный счетчик (IPC), имевший проволочную сетку. Попавший в счетчик рентгеновский квант рождал облачко электронов, положение и мощность которого определялись по току в сетке. На "Эйнштейне" был и другой детектор изображений, а также спектрометры, но высокая чувствительность IPC сделала его самым полезным прибором. "Эйнштейн" исследовал структуру обнаруженных до него скоплений галактик и остатков сверхновых, а также открыл значительно более слабые рентгеновские источники, например, обычные звезды. Благодаря "Эйнштейну", получившему более 4000 изображений источников, рентгеновская астрономия стала зрелой наукой. Другие проекты. Вслед за успешно поработавшим "Эйнштейном" летали европейский EXOSAT (запущен 26 мая 1983), японский "Дзинга" (запущен 5 февраля 1987) и описанный выше ROSAT, завершившие обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне. Японский аппарат ASCA, запущенный 20 февраля 1993, впервые оснащен рентгеновской ПЗС-камерой, способной определять энергию фотонов, создающих изображение. Рентгеновский телескоп спутника AXAF, запущенного в конце 1998, имеет разрешение менее одной угловой секунды, что не хуже, чем у большинства наземных оптических телескопов. На спутнике установлены современные фотокамеры и спектрографы. В 1999 ЕКА вывело на орбиту обсерваторию XMM для изучения спектров слабых источников. Описанные выше рентгеновские спутники наблюдают излучение в диапазоне от 0,1 до 10 кэВ. Для получения изображений в диапазоне от 10 до 1000 кэВ используются телескопы с так называемой кодированной маской. Один из наиболее удачных - французский прибор SIGMA, основной инструмент российской обсерватории "Гранат" (запущена 1 декабря 1989), получивший в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах изображения интереснейших источников, включая источник в центре Галактики, излучение которого вызвано аннигиляцией электронов и позитронов. Гамма-астрономия. Гамма-излучение состоит из фотонов с большей энергией, чем рентгеновское. Детекторами гамма-лучей, как правило, служат либо сцинтилляторы (в которых вещество поглощает гамма-кванты, испуская оптические фотоны), либо искровые камеры (в которых высокое напряжение вызывает искровые пробои в тех местах, где гамма-квант взаимодействует с заполняющим камеру газом). Гамма-астрономия низких энергий (от 200 кэВ до 10 МэВ) в основном изучает источники гамма-вспышек (продолжительностью несколько секунд). Эти источники были открыты спутниками "Вела" США, запущенными в 1963-1970 для контроля за Договором по ограничению ядерных испытаний (1963) и обнаружения незаконных ядерных взрывов. В 1990-х годах эксперимент BATSE на обсерватории "Комптон" (см. ниже) выявил сотни таких вспышек и показал, что они наблюдаются в произвольных местах по всему небу и, по-видимому, никогда не повторяются. Это очень затрудняет их исследование. См. также ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ. Сначала астрономы думали, что причиной этих вспышек служат взрывы на поверхности близких нейтронных звезд, но это предположение не подтвердилось. К 1995 мнения разделились: одни считают, что вспышки связаны с нейтронными звездами неизвестной ранее популяции протяженного галактического гало, простирающегося почти до галактики в Андромеде, а другие полагают, что это катастрофические события во внегалактических объектах на больших красных смещениях. Гамма-астрономия высоких энергий (выше 10 МэВ) в основном изучает долгоживущие точечные источники и диффузное излучение. Немало таких источников открыл спутник EКA "Cos-B" (запущен 9 августа 1975), а более глубокие исследования в этой области начались после запуска 7 апреля 1991 с помощью КК "Атлантис" обсерватории "Комптон" с четырьмя комплексами приборов: BATSE, OSSE, COMPTEL и EGRET. Приборы OSSE и COMPTEL наблюдают гамма-лучи средней энергии (МэВ). Эксперимент EGRET показал, что в области энергий около 100 МэВ многие источники связаны с радиояркими квазарами, которые выбрасывают двойные струи вещества почти со скоростью света. Особенно мощными источниками жестких гамма-лучей являются квазары, выбрасывающие свои струи почти точно в направлении Земли. Точечными гамма-источниками служат также одиночные нейтронные звезды. См. также ГАММА-АСТРОНОМИЯ. Инфракрасная астрономия. Инфракрасное излучение испускают холодный газ и космическая пыль при температуре от 1000 К и ниже, вплоть до нескольких градусов над абсолютным нулем. Поэтому отличительной чертой ИК-телескопов является то, что сам телескоп и его детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры, часто лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это достигается применением пассивного охлаждения в дюарах с жидким гелием. Продолжительность работы астрономического ИК-спутника сейчас достигает года, максимум - двух лет, поскольку жидкий гелий испаряется. Первый полный обзор инфракрасного неба провел астрономический ИК-спутник IRAS (запущен NASA 26 января 1983), получивший изображения неба, по которым был составлен каталог нескольких сотен тысяч инфракрасных источников. Яркость этих источников была измерена на волнах 12, 25, 60 и 100 мкм. Хотя IRAS работал недолго, его влияние на астрономию оказалось огромным, а архив его наблюдений до сих пор служит важнейшим источником данных. До IRAS инфракрасные наблюдения в основном проводили с высотных ракет, запускавшихся Геофизической лабораторией ВВС США на полигоне Уайт-Сэндс. С помощью этих наблюдений были обнаружены области звездообразования и яркие звезды нашей Галактики. Каталог точечных источников IRAS включает десятки тысяч нормальных звезд и тысячи близких спиральных галактик. Преемником IRAS стала "Инфракрасная космическая обсерватория" (ISO), запущенная ESA 17 ноября 1995 и проработавшая до апреля 1998, когда полностью исчерпался запас жидкого гелия. Этот спутник изучал отдельные источники в диапазоне от 3 до 200 мкм с более высокими чувствительностью и угловым разрешением, чем IRAS. Охлаждаемый жидким гелием спутник для исследования космического фона COBE (запущен 18 ноября 1989) изучал все небо с низким угловым разрешением, но очень высокой чувствительностью и точностью. Он измерил уровень фонового излучения во всех направлениях в диапазоне волн от 2 мкм до нескольких миллиметров. COBE определил температуру микроволнового фонового излучения и подтвердил его чернотельный спектр, предсказанный космологической теорией Большого взрыва (см. ниже Результаты наблюдений). Космическая радиоинтерферометрия. Быстрый прогресс радиоастрономии начался после Второй мировой войны, когда радары были обращены к небу. Но для получения изображений длинноволновых радиоисточников с высоким угловым разрешением требовались гигантские радиотелескопы. Астрономы Кембриджского университета в 1950-х и 1960-х годах разработали метод апертурного синтеза, позволяющий объединить сигналы от нескольких удаленных друг от друга радиотелескопов и получить разрешающую силу как у одного огромного инструмента. К 1980-м годам телескопы разных частей света объединились в единую систему размером с Землю, работая по принципу интерферометра с очень большой базой (VLBI). Разрешение можно еще повысить, добавив к этой системе телескопы на высоких околоземных орбитах или на орбите вокруг Солнца. Первые эксперименты по космической радиоинтерферометрии VLBI проводились в 1980-х годах на советской орбитальной станции "Салют-6" и с помощью американского спутника связи TDRS-1. Первым полноценным телескопом для космической радиоинтерферометрии стал японский "Харука" (HALCA) диаметром 8 м. Он выведен на орбиту 12 февраля 1997 и используется для проведения интерферометрических наблюдений, база которых превышает диаметр Земли в 2,5 раза. Спутники используются также для изучения очень длинных радиоволн, излучаемых Солнцем, магнитосферами планет-гигантов и межзвездной средой. Поверхности Земли эти волны не достигают, поскольку отражаются от ионосферы. Поэтому "Эксплорер-49" с аппаратурой для регистрации сверхдлинных волн был запущен 10 июня 1973 на орбиту вокруг Луны. Чтобы укрыться от помех, возможно, вскоре вся радиоастрономия переместится на обратную сторону Луны и будет использовать наш естественный спутник как экран от земных радиопередатчиков. См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ. Наблюдения Солнца. Солнце настолько ярче любого другого астрономического объекта, что от него ослепнет любой детектор у описанных выше спутников. Поэтому солнечные обсерватории используют телескопы меньшего диаметра и сильнее расщепляют свет для получения более высокого спектрального разрешения. Внеатмосферные наблюдения ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца позволяют изучать структуру его верхней атмосферы и энергетическую активность короны. Часто на метеорологических спутниках устанавливают небольшие рентгеновские детекторы для регистрации солнечных вспышек, которые могут выбрасывать плазму в потоки солнечного ветра и влиять на земную ионосферу. См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ. Первые внеатмосферные эксперименты НАСА по научному изучению Солнца, а не просто для регистрации его вспышек, проводились на восьми Солнечных орбитальных обсерваториях OSO. Орбитальная станция "Скайлэб" имела несколько солнечных телескопов, среди которых были первые инструменты для получения рентгеновских изображений. OSO-7 и "Скайлэб" обнаружили выбросы вещества из короны, часто связанные с солнечными вспышками, когда десятки миллиардов тонн солнечной плазмы впрыскиваются в межпланетную плазму. Спутник ВМС США P78-1 наблюдал солнечную корону, пока не был уничтожен Военно-воздушными силами США в 1985 при испытании противоспутникового оружия. Спутник НАСА SMM изучал Солнце в период его максимальной активности, но испортился всего через год после запуска. Экспедиция на КК "Челленджер" починила его, и он исправно работал до следующего солнечного максимума. Эстафету от SMM принял японский "Йоко" ("солнечный луч"), который ежедневно передавал четкие рентгеновские изображения, показывающие вспышки и горячие пятна в короне. См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ ШАТТЛ. Наблюдения ультрафиолетового излучения высокоширотных областей солнечной короны проводились маленьким спутником "Спартан-201" в те дни, когда межпланетный зонд EКA "Улисс" пролетал над южным и северным полюсами Солнца. См. также КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД. Объединенными усилиями EКA и НАСА создана самая мощная из космических солнечных обсерваторий - автоматическая станция SOHO (запущена 2 декабря 1995). Она работает в районе точки Лагранжа L1 системы Солнце - Земля, т.е. в том месте прямой, соединяющей Солнцу и Землю, где под действием их противоположно направленных притяжений станция оборачивается вокруг Солнца синхронно с Землей. Она ежедневно передает на Землю десятки высококачественных изображений Солнца в широком диапазоне спектра.