24.04.2012

Телескоп «Хаббл» проработал на орбите ровно 22 года

Уникальный телескоп «Хаббл» празднует 22 года на орбите. Какие же открытия удалось сделать астрономам с помощью обсерватории, ставшей для многих нарицательным именем космического телескопа?

Двадцать два года, прошедшие с момента запуска, – это время, которое «Хаббл» лишь находится на орбите. К нему стоило бы добавить десять лет, ушедшие на проектирование, и еще столько же на воплощение «в металле» самого телескопа. (Сюда входят и всевозможные задержки, возникавшие из-за уникальности задач, которые приходилось решать инженерам.) Так что проект «Хаббл» на самом деле в два раза старше своего полетного возраста.

А саму идею строительства космической обсерватории американский астрофизик Лайман Спитцер высказал еще в 1946 году. Основные преимущества такой обсерватории заключаются в том, что, находясь за пределами земной атмосферы, телескоп может, во-первых, наблюдать в более широком диапазоне длин волн, а во-вторых, с гораздо лучшим разрешением.

А значит, космический телескоп в состоянии «рассмотреть» наиболее удаленные объекты особенно подробно.

Телескоп им. Хаббла, оснащенный зеркалом диаметром 2,4 метра и целым набором приемной аппаратуры, регистрирующей свет от звезд, по своим возможностям превосходил (а отчасти и превосходит по сей день) многие наземные телескопы.

За двадцать два года своего полета он получил более миллиона снимков в разных спектральных диапазонах. По результатам анализа этих наблюдений были опубликованы несколько тысяч статей. Причем ученый мир их цитирует в среднем в два раза чаще, чем «обычные» астрономические работы. А значит, появление именно такого космического телескопа позволило достаточно серьезно продвинуть наше знание о Вселенной и (как и должно быть) породить новые направления исследований.

Однако не исключено, что свой юбилей в четверть века телескоп уже не встретит.

После четвертой сервисной миссии в 2009 году его работа была продлена до 2014 года. А в конце десятых годов ожидается запуск космического телескопа имени Дж. Уэбба, который должен сменить на орбитальной вахте телескоп им. Хаббла. Потому, например, список наиболее важных на сегодня результатов, полученных при помощи «Хаббла», уже вряд ли изменится.

Но что именно особенно ценно для земной науки из того, что позволил узнать «Хаббл»? Какие его открытия войдут в учебники в качестве основополагающих?

«Хаббл», будучи особо «зорким» телескопом, во многом предназначался для решения вопросов космологии, которые требовали наблюдения за особо удаленными объектами, а именно, далекими галактиками и квазарами.

Измерение постоянной Хаббла

Вообще, американский астроном Эдвин Хаббл, именем которого назван космический телескоп, известен в первую очередь тем, что в двадцатых годах прошлого столетия измерил расстояния до других галактик и сопоставил их со скоростями убегания этих же галактик от нас. Расстояния в данном случае определяются из сравнения видимой яркости звезды в другой галактике с ее светимостью, вычисленной из хорошо проверенных физических теорий. (Понятно, что для этого подойдет не каждая звезда.) А скорости Хаббл определял по доплеровскому смещению линий в спектрах галактик.

Оказалось, что чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется.

В похожей ситуации находятся, например, точки, нарисованные на поверхности надуваемого шарика: они будут удаляться друг от друга тем быстрее, чем больше расстояние между ними. Таким образом Эдвин Хаббл открыл расширение Вселенной. Это одно из важнейших открытий в естествознании двадцатого века. Коэффициент, связывающий скорость удаления галактики и расстояние до нее, получил название постоянной (или параметра) Хаббла. Он обозначается буквой H.

В космологии от величины H зависит оценка возраста Вселенной, то есть времени, прошедшего с момента Большого взрыва.

Сам Эдвин Хаббл, правда, измерил параметр своего имени не очень хорошо. Как мы сегодня понимаем, он ошибся почти в десять раз. Но и после него на протяжении десятилетий погрешность измерений H не удавалось уменьшить до удовлетворительных величин, и о возрасте Вселенной мы могли сказать лишь, что ей где-то 10–20 млрд лет.

В свою очередь, телескоп им. Хаббла, обладая более «острым зрением», сумел разрешить на звезды и измерить расстояния до множества относительно близких галактик с гораздо лучшей точностью. В результате мы теперь имеем существенно улучшенное знание параметра Хаббла. И знаем, что расширение Вселенной началось 13,8 млрд плюс-минус несколько сотен миллионов лет.

Однако если Хаббл-человек сумел установить факт расширения Вселенной, то «Хаббл»-телескоп помог выявить еще и то, что наша

Вселенная расширяется с ускорением

Для этого было необходимо измерить расстояния уже не до «близких», а довольно далеких галактик. Но в них даже «Хаббл» уже не может разглядеть отдельные звезды. На таком расстоянии они слишком слабы.

Однако может так повезти, что в далекой галактике вспыхнет сверхновая звезда. Ее яркость порой может быть сравнима с яркостью всей галактики, а значит, ее гораздо легче заметить.

Но для измерения расстояний годятся не любые сверхновые, а только типа Ia («один-а»). Они обладают тем замечательным свойством, что их светимость всегда приблизительно одна и та же. Про такие объекты говорят, что они являются «стандартными свечами»: измеряя их наблюдаемую яркость, можно проверить, остается ли скорость удаления галактик, в которых их вспыхнули, пропорциональной расстояниям до них? То есть выполняется ли закон Хаббла?

Такие наблюдения велись сразу на многих (в том числе и наземных) телескопах. И большой вклад в них внес телескоп им. Хаббла. Оказалось, что в прошлом Вселенная расширялась несколько медленнее, чем сегодня. А значит, в ней присутствует что-то, что заставляет ее расширяться с ускорением. Пока это «что-то» получило название темной энергии, но ее природа еще остается загадкой.

Этот результат оказался, пожалуй, самым важным за годы работы космического телескопа. Стоит только сказать, что работа Адама Рисса с коллегами, основанная на результатах наблюдений на «Хаббле» сверхновых типа Ia и опубликованная в 2004 году в The Astrophysical Journal, является наиболее цитируемой среди других «хаббловских» статей (более 2300 цитирований). А в прошлом году Риссу совместно с Солом Перлмуттером и Брайаном Шмидтом за открытие ускоренного расширения Вселенной была присуждена Нобелевская премия по физике.

Однако вспышки сверхновых еще не самые яркие (во всех смыслах) события во Вселенной. Еще более яркими (и, к слову, гораздо более загадочными) для астрофизиков являются

Космические гамма-всплески

Это непредсказуемые, длительностью до нескольких десятков секунд вспышки гамма-излучения (очень коротковолнового, каждый квант которого несет еще больше энергии, чем рентгеновские лучи).

Они были открыты в конце шестидесятых годов американскими военными спутниками, запущенными следить за советскими ядерными испытаниями: во время таковых также образуется гамма-излучение.

Природа гамма-всплесков по сей день остается до конца непонятной.

Хотя наиболее обоснованной и принятой является модель, в которой эти события связаны с коллапсом ядра очень массивной звезды, в результате которого рождается черная дыра.

Гамма-всплески происходят в очень далеких галактиках, и некоторые из тех вспышек, которые мы регистрируем сегодня, в действительности произошли миллиарды лет назад.

Чем же помог «Хаббл» в раскрытии загадки космических гамма-всплесков? С его помощью в тех областях неба, откуда приходили потоки гамма-излучения, удалось, во-первых, увидеть их родительские галактики, а во-вторых, установить, что существенная доля всплесков рождается в галактиках, в которых активно идет звездообразование. А значит, в них много молодых массивных звезд. Но именно такие звезды, умирая, вполне могут породить черную дыру, что будет сопровождаться вспышкой гамма-излучения.

Так была подтверждена гипотеза о связи загадочных гамма-всплесков и смерти очень массивных звезд.

Родительские галактики гамма-всплесков, галактики, в которых наблюдались вспышки сверхновых звезд, очень далеки. И может показаться, что это тот предел, до которого может «дотянуться» человеческое зрение, пусть даже вооруженное таким сложным прибором, как телескоп им. Хаббла. В действительности же этим возможности данного телескопа еще не исчерпываются. И астрономы не преминули попытаться заглянуть с его помощью так далеко, как это только было возможно.

Так у ученых появились

Хаббловские глубокие обзоры

Глубокие обзоры (Hubble Deep Fields) – это снимки очень малых площадок неба с очень большой экспозицией. На них ученые смогли увидеть настолько слабые объекты, какие никогда не были доступны земной астрономии.

Первый и, пожалуй, самый известный из глубоких обзоров был сделан в 1995 году. Тогда участок созвездия Большой Медведицы площадью всего лишь в одну двадцатимиллионную площади всего неба телескоп «рассматривал» на протяжении 10 суток. Остальные три снимка были сделаны в 1998, 2004 и 2009 годах. Причем в последних двух случаях (ультраглубокий обзор) наблюдения одной площадки велись не только в оптическом (2004), но и в инфракрасном диапазонах (2009).

Площадки для глубоких обзоров выбирались специально так, чтобы на них не оказалось звезд нашей галактики. Зато можно было бы разглядеть большое количество слабых галактик – от самых далеких, от которых свет шел к нам миллиарды лет, до более близких.

В результате глубокие обзоры «Хаббла» – это данные о тысячах галактик разного типа, размеров, светимостей и возрастов.

Это и самые старые объекты, которые только готовятся стать привычными нам галактиками, и уже вполне сформировавшиеся звездные системы. Глубокие обзоры – это взгляд сразу сквозь миллиарды лет жизни нашей Вселенной. «Хаббл» впервые показал нам видимую Вселенную через всего миллиард (а может, и меньше) лет после Большого взрыва.

Однако ученых, работавших с «Хабблом», интересовали не только события, происходящие «на краю Вселенной». В нашей галактике тоже было немало загадок, в разгадывание которых телескоп им. Хаббла внес определяющий вклад.

Так, с его помощью удалось исследовать не только смерть звезд, но и рождение звезд и планет.

Звезды рождаются из облаков газа и пыли, сжимающихся под действием собственной гравитации. Во время этого процесса образуются струйные выбросы вещества (джеты), достигающие в длину триллионы километров. На сегодня нет окончательной теории, объясняющей их образование, хотя, по-видимому, они обязаны своим существованием магнитному полю зарождающейся звезды.

Кроме того, новорожденную звезду должен окружать диск из плотного газа и пыли – именно из него потом могут образоваться планеты.

До «Хаббла» астрономы могли наблюдать только джеты, но протопланетные диски увидеть не удавалось. А в 1995 году «Хаббл» получил первые детальные снимки как джетов, так и протопланетных дисков вокруг протозвезд, расположенных в Туманности Ориона.

Тем самым, ни много ни мало, «Хаббл» предоставил астрономам необходимое промежуточное звено в проверке наблюдениями существующих теорий образования звезд и планет.

Кроме того, при помощи «Хаббла» наблюдались и вполне уже сформировавшиеся планетные системы. А точнее –

Внесолнечные планеты

Благодаря большой чувствительности своих детекторов и отсутствию влияния земной атмосферы «Хаббл» способен зарегистрировать очень слабое изменение блеска наблюдаемой звезды. Поэтому если перед ней проходит одна из ее планет, то произойдет пусть маленькое, но все же затмение звезды. Заметив это и аккуратно измерив кривую блеска звезды в этом событии, можно говорить о характеристиках планеты, «затмившей» звезду.

«Хаббл» сделал одни из первых наблюдений затмения звезд своими планетами. И, более того, в некоторых случаях он сумел оценить химический состав атмосфер экзопланет, обнаружив там натрий, углерод, кислород.

И даже впервые обнаружил органическую молекулу (метана) в атмосфере одной планеты-гиганта. А это уже является серьезным шагом на пути к обнаружению внеземной жизни.

Кроме того, «Хаббл» позволил астрономам впервые разглядеть (уже в прямом смысле этого слова) планету рядом со звездой: рядом с изображением Фомальгаута удалось увидеть слабый объект, который является планетой-гигантом (в три раза больше Юпитера) и который, вероятно, окружен ярким диском из газа и пыли.

Ну и, конечно, говоря об исследованиях планет на телескопе им. Хаббла, нельзя не сказать об его

Исследованиях Солнечной системы

Именно этот телескоп передал на Землю снимки как больших, так и малых планет нашей системы недостижимого прежде качества. С его помощью впервые удалось построить карту распределения яркости по поверхности Весты (один из крупнейших астероидов), Эриды (малая планета в поясе Койпера), Плутона. А у последнего были открыты еще три спутника в дополнение к Харону.

Кроме того, «Хаббл» позволил в деталях наблюдать за падением кометы Шумейкера-Леви 9 на Юпитер в 1994 году. Такое астрономам также было доступно впервые.

Список научных достижений, которые вряд ли были возможны в наши дни без телескопа им. Хаббла, можно продолжать и дальше. Это и многочисленные наблюдения галактик – их внутренней структуры, кинематики и даже картины падения друг на друга. Это доказательство, что в центре многих галактик находится сверхмассивная черная дыра, и способ измерить ее массу. Это и множество объектов нашей галактики, такие как планетарные туманности и остатки вспышек сверхновых (в том числе вспыхнувшей в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке).

Всего «Хаббл» пронаблюдал более двадцати тысяч объектов, за каждым из которых стоит своя научная задача. Свой когда-то нерешенный вопрос.

Однако кроме собственно научных задач «Хаббл» решил еще одну не вполне научную задачу. Которая, возможно, от этого не становится менее важной.

После запуска телескопа двадцать два года назад человечество впервые смогло посмотреть на Вселенную совершенно другими глазами. Нам открылась красота Вселенной в таких подробностях, в каких человеку, надевшему очки, открывается красота земной природы. Наш мир стал другим. И то, что изображения явлений природы, переданные «Хабблом», стремятся получить не только ученые для своего анализа, но и люди, далекие от науки, просто для любования ими, быть может, является не меньшим достижением поколения астрономов и инженеров, создавших телескоп им. Эдвина Хаббла. Это еще одно его открытие – открытие красоты нашей Вселенной.

Антон Бирюков

Источники:

1. Газета.Ru