Начало 1970-х в астрономии прошло под знаком ожидания скорой революции. В те годы NASA приступило к разработке проекта большой космической обсерватории, оснащенной зеркалом диаметром в 3 м. Она должна была предоставить ученым беспрецедентные возможности по изучению далеких уголков нашей Вселенной. Однако, немного забегая наперед, все оказалось не так уж и просто. Ученым пришлось немало попотеть, сражаясь за возможность начать новую главу в истории астрономии.
Hubble: великий и ужасный
Утвержденный NASA предварительный план космической обсерватории предусматривал создание двух аппаратов: технологического демонстратора с 1,5-метровым зеркалом и основного аппарата — с 3-метровым. Их собирались запустить уже к концу десятилетия. С самого начала проект разрабатывался в связке с программой по созданию нового космического корабля многоразового использования. Планировалось, что с его помощью телескоп будут периодически доставлять на Землю для обслуживания и ремонта, а затем вновь возвращать на орбиту.
Однако финансовые соображения не замедлили стать препятствием. Уже первые расчеты показали, что создание космической обсерватории обойдется в весьма внушительную сумму. А последовавшее по завершении лунной гонки тотальное сокращение бюджетов поставило крест на большинстве программ NASA. В какой-то момент под угрозой оказался и большой космический телескоп. В 1974 году американский Конгресс принял решение лишить его финансирования.
Тогда в дело вмешались астрономы. Они развернули активную кампанию в прессе, настаивая на важности создания такой обсерватории, и описывая грандиозные открытия, которые она сможет совершить. Эти усилия привели к возрождению проекта, спустя некоторое время получившего официальное обозначение Hubble.
Правда, NASA пришлось пойти на ряд уступок, чтобы снизить его стоимость. Аэрокосмическое агентство отказалось от идеи создания малого телескопа-демонстратора, в то время как диаметр зеркала основного аппарата был уменьшен до 2,4 м. NASA также вынуждено было забыть про идею периодически возвращать обсерваторию на Землю для ремонта. Вместо этого решили, что ее обслуживание будут проводить экипажи шаттлов прямо на орбите. Кроме того, с целью снижения затрат к проекту было подключено Европейское космическое агентство. Оно взяло на себя создание некоторых инструментов телескопа, взамен получив 15% от его наблюдательного времени.
Изначально Hubble должен был отправиться в космос в 1983 году. Но вследствие различных технических сложностей эта дата неоднократно сдвигалась. В итоге его запуск был назначен на сентябрь 1986 года. Однако из-за катастрофы шаттла Challenger крылатые корабли прекратили полеты на несколько лет. В результате Hubble провел три дополнительных года в ангаре в ожидании запуска. В конце концов он отправился в космос в апреле 1990 года.
Триумф NASA оказался недолгим. Уже после первых переданных на Землю снимков стало понятно, что у зеркала телескопа имелся дефект. Из-за этого его разрешение было значительно хуже ожидаемого. Большая часть запланированной программы исследований оказалась под угрозой срыва.
источник: itc.ua
Поскольку конструкция Hubble предусматривала возможность его обслуживания в космосе, NASA приступило к поиску вариантов его спасения. Заменить главное зеркало на орбите была невозможно, а возвращение телескопа для ремонта на Землю сочли слишком дорогостоящим. Так что было решено оборудовать его блоком корректирующей аппаратуры, которая компенсировала бы дефект зеркала.
В декабре 1993 года к Hubble отправилась ремонтная экспедиция. В ходе пяти выходов в открытый космос астронавты успешно установили корректирующий блок и заменили некоторые приборы телескопа. Благодаря этому астрономы, наконец, получили тот самый революционный инструмент, о котором так долго мечтали.
Даже сухое перечисление основных открытий Hubble займет немало страниц. Так что ограничимся лишь наиболее важными вехами. Благодаря телескопу астрономы сумели вычислить возраст Вселенной и определить, что ее расширение происходит с ускорением. Сфотографировали последствия столкновения кометы Шумейкера-Леви с Юпитером. Подтвердили наличие черных дыр в центрах большинства галактик. Обнаружили древние галактики, существовавшие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Увидели сезонные изменения на планетах-гигантах Солнечной системы. Открыли целый ряд внесолнечных миров и определили некоторые характеристики их атмосфер. Провели коренную переоценку общего количества галактик во Вселенной.
Данные Hubble помогли раскрыть множество давних научных загадок, но одновременно поставили немало дополнительных вопросов, потребовавших создания принципиально новых теорий. Фактически, телескоп стал крестным отцом всей современной космологии. По состоянию на 2018 год на основе собранных космической обсерваторией данных было написано свыше 15 000 прошедших рецензию научных статей. Вот уже много лет Hubble удерживает безоговорочное лидерство по этому показателю, оставаясь наиболее продуктивным телескопом в мире.
источник: media.npr.org
Заложенная при строительстве обсерватории возможность ремонта в космосе сослужила ей добрую службу. В последующие годы шаттлы еще четыре раза летали с миссиями обслуживания к Hubble. В ходе этих экспедиций научная аппаратура телескопа несколько раз менялась на более современную, а его функциональные возможности заметно возросли в сравнении с первоначальными. В итоге, несмотря на свой весьма почтенный возраст, телескоп по-прежнему сохраняет функциональность и все еще остается на передовом крае научных исследований. Сейчас в NASA надеются, что он сумеет проработать до 2026 года.
Цифровая революция
Запуск Hubble совпал по времени с другим событием, точнее говоря, с цепочкой событий, которые также навсегда изменили облик астрономии. Речь о цифровой революции. Появившиеся в конце 1980-х — начале 1990-х новые технологии существенно расширили потенциал наземных обсерваторий, дав им множество возможностей, которые еще десятилетие назад считались попросту недостижимыми.
Одной из революционных новинок стала технология адаптивной оптики. Ее суть заключается в использовании лазеров для подсветки слоя атомарного натрия в верхних слоях земной атмосферы. В результате в небе возникают «искусственные звезды». Далее компьютер сравнивает их изображения с эталоном (видом звезд в идеальных условиях без искажений), и на основании этого определяет параметры атмосферной турбулентности. Потом управляющая система вносит изменения в форму вторичного зеркала телескопа. Это позволяет компенсировать влияние атмосферных искажений, давая наземным обсерваториям возможность достигнуть теоретического предела четкости изображений.
Другим важным нововведением стал отказ от аналоговой фотографии в пользу цифровой съемки и переход на анализ изображений с использованием специализированного программного обеспечения. Раньше во время поисков новых объектов Солнечной системы астрономам приходилось вручную сравнивать фотопластинки для выявления сместившихся точек. Это был довольно длительный и не самый эффективный процесс. Нередко искомые объекты оказывались слишком тусклыми, из-за чего астрономы попросту их не замечали. Компьютеры же дали возможность полностью автоматизировать процесс поисков, что не только радикально ускорило всю процедуру, но и сократило влияние человеческого фактора на интерпретацию результатов.
Конечно, позитивные изменения не заставили себя ждать. С начала 1990-х астрономы начали находить все больше и больше ледяных объектов за орбитой Нептуна, подтвердив теорию о существовании пояса Койпера. Некоторые из вновь открытых тел по размеру оказались сопоставимы с Плутоном, что и привело к принятию в 2006 году Международным астрономическим союзом решения о «разжаловании» его из ранга планет.
Другим следствием цифровой революции стало широкое распространение автоматизированных обзоров неба, позволивших на порядки увеличить число открытых астероидов. Если в 1989 году астрономам было известно всего о 10 000 астероидов, то в 2005 году эта цифра возросла до 100 000, а в 2020-м — перевалила за отметку в 1 млн.
Столь значительный скачок возможностей наземных телескопов не мог не спровоцировать строительство целого ряда новых обсерваторий, оснащенных по последнему слову техники и получивших инструменты, значительно превосходящие по мощности своих предшественников. Так, в середине 1990-х на вершине гавайской горы Мауна-Кеа завершилось возведение двух 10-метровых телескопов обсерватории Кека. Через несколько лет к ним присоединился 8,2-метровый телескоп «Субару». В конце того же десятилетия свет увидел расположенный в пустыне Атакама Очень Большой телескоп — комплекс, состоящий из четырех 8,2-метровых основных и четырех 1,8-метровых вспомогательных телескопов. В 2005 году заработал 11-метровый Большой Южноафриканский телескоп. Еще спустя два года в строй был введен 10,4-метровый Большой Канарский телескоп.
источник: wikimedia.org
Цифровая революция дала путевку в жизнь и абсолютно новой отрасли астрономии — поискам экзопланет. Если почитать написанную еще в начале 1980-х научную литературу, несложно заметить, что ее авторы зачастую весьма осторожно оценивали перспективы того, что человечество когда-либо сумеет найти миры у других звезд.
И, тем не менее, первая экзопланета у солнцеподобной звезды была открыта уже в 1995 году. А по состоянию на начало 2022-го общее количество подтвержденных внесолнечных миров вплотную приблизилось к отметке в 5 000. Астрономам даже удалось найти экзопланету у ближайшей к Солнцу звезды. Подобные достижения были бы практически невозможны без высокоточных измерительных инструментов и компьютеров, способных проанализировать массивы наблюдательных данных и вычленить даже самые незначительные отклонения в яркости и/или скорости звезд, вызванные обращающимися вокруг них экзопланетами.
По стопам Hubble
Но, хотя за последние десятилетия наземные обсерватории и сделали внушительный шаг вперед, некоторые вещи все равно остаются за пределами их возможностей — а именно, наблюдения в тех частях электромагнитного диапазона, которые блокируются земной атмосферой. Единственным выходом для желающих их изучать астрономов по-прежнему остается выведение инструментов в космос.
К счастью, успехи телескопа Hubble наглядно продемонстрировали возможности космических обсерваторий. В последующие годы в космос отправилась целая флотилия специализированных аппаратов, предназначенных для ведения наблюдений в различных диапазонах электромагнитного спектра. Одним из них стал запущенный в 1999 году телескоп Chandra. В рентгеновской астрономии этот аппарат занимает примерно то же место, что и Hubble — в оптической. Он изучает остатки сверхновых, черные дыры, темную материю. А недавно даже сумел найти следы экзопланеты, расположенной в другой галактике. При этом, несмотря на свой почтенный возраст и отсутствие миссий обслуживания, Chandra все еще в строю и продолжает совершать открытия.
Впрочем, при всех его достижениях, Chandra — далеко не единственный рентгеновский телескоп в мире. Компанию ему составляют XMM-Newton (запущенный в 1999 году), NuSTAR (2012-й), «Спектр-РГ» (2019-й) и IXPE (2021 год). В сфере инфракрасной астрономии наибольшими достижениями пока что отметились космические телескопы Spitzer (2003-й), Herschel (2009-й) и WISE (2009-й). Что касается гамма-сегмента, то стоит выделить аппараты INTEGRAL (2002-й), Swift (2004-й) и Fermi (2008-й).
В 2009 году NASA начало новую главу в истории космической астрономии, запустив Kepler — первый специализированный аппарат, предназначавшийся для поиска экзопланет. За девять лет службы он обнаружил свыше 2 600 миров у других звезд. Еще несколько тысяч пока числятся в списках кандидатов. Kepler уже завершил работу, но на смену ему пришли новые охотники за внесолнечными мирами — аппараты TESS и CHEOPS.
Еще одним важным направлением космической астрономии стало Солнце. В 1995 году NASA и ESA запустили обсерваторию SOHO, предназначенную для изучения нашего светила. К своему удивлению, астрономы вскоре обнаружили, что аппарат преподнес им неожиданный бонус. Дело в том, что SOHO оказался на редкость эффективным охотником за околосолнечными кометами — малыми ледяными телами, приближающимися к Солнцу на крайне небольшие дистанции. За четверть века работы обсерватория обнаружила свыше 4 000 комет. А поскольку SOHO все еще продолжает наблюдения, по всей видимости, это далеко не предел.
источник: universemagazine.com
Другими важными солнечными миссиями стали SDO (2010-й) и STEREO (2006-й). Первая ведет постоянную съемку поверхности нашей звезды в 12 волновых диапазонах. Вторая состояла из двух идентичных аппаратов, одновременно наблюдавших Солнце с разных орбитальных позиций. Это позволяло получать трехмерные изображения структур и явлений на нашем светиле при помощи стереоскопического эффекта. Один из зондов STEREO уже вышел из строя, но другой все еще продолжает работу.
Если окинуть беспристрастным взором список запущенных за последние десятилетия космических телескопов, легко заметить, что несмотря на все многообразие, по большей части они представляют собой узкоспециализированные аппараты так называемого малого и среднего ценового сегмента. По-настоящему флагманские миссии калибра Hubble, обладающие достаточной мощностью, чтобы совершать этапные открытия, все еще можно пересчитать по пальцам одной руки. И это связано не с отсутствием у ученых желания заполучить в свое распоряжение новые телескопы, а со значительной дороговизной и сложностью подобных проектов, существенно замедляющей процесс их одобрения и получения финансирования. Но в самом конце 2021 года эта ситуация наконец-то начала меняться в лучшую сторону.
