25 декабря 2021 года без преувеличения стало одним из важнейших дней в истории современной науки. В этот день с космодрома Куру во Французской Гвиане состоялся запуск космического телескопа James Webb, который призван открыть новую главу в изучении Вселенной.
В связи с этим грандиозным событием мы решили посвятить очерк космическим глазам человечества — обсерваториям, позволяющим приоткрывать тайны нашего мироздания. И сначала поговорим о возникновении первых обсерваторий, их эволюции и ранних попытках отправить телескопы в космос.
Краткая история наземных обсерваторий
Никто не знает, и скорее всего, уже никогда не узнает, где и когда была построена первая в истории обсерватория. Но можно почти наверняка утверждать, что это событие было связано с практическими потребностями людей. Наблюдения за небесными телами и положением Луны и Солнца позволяли в древности правильно определять смену времен года и наступление периодов сева и сбора урожая, что в ту эпоху в прямом смысле слова было вопросом жизни и смерти.
Известно, что в древнем Вавилоне, Ассирии, Египте, Китае, Индии и Греции были свои обсерватории. Существует популярная (хотя и оспариваемая) теория, что Стоунхендж тоже предназначался для проведения астрономических наблюдений.
В качестве места размещения первых обсерваторий обычно использовались возвышенности, вокруг которых по линии горизонта выставлялись ориентиры (каменные порталы, башни). С их помощью наблюдатели могли определять момент наступления того или иного астрономического события. Позднее, с появлением первых измерительных приборов, обсерватории превратились в купольные сооружения, защищавшие инструменты от непогоды, а их оконные проемы служили проекционными отверстиями для солнечного света.
Конечно, с позиции наших дней возможности астрономов древности были крайне ограниченными. Они могли рассчитывать лишь на свои глаза и инструменты вроде гномона и квадранта, позволявшие определять положение и высоту небесных тел. Тем не менее, даже в таких условиях античные ученые сумели добиться немало, определив особенности движения Солнца, Луны и планет, а также составив первые каталоги звездного неба. На их основе были созданы расчетные таблицы, позволявшие предсказывать положение небесных тел и различные астрономические события (например, затмения) на любую дату. Квинтэссенцией античной астрономии стала работа Клавдия Птолемея, известная под названием «Альмагест». Она содержала все собранные учеными Греции и Ближнего Востока знания о небесных телах и обосновывала геоцентрическую систему мира, в которой Земля находилась в центре Вселенной. На протяжении тринадцати столетий «Альмагест» оставался главной астрономической книгой для всего мира.
Монополия Птолемея была разрушена лишь в XVI веке, когда Николай Коперник опубликовал свой революционный труд «Об обращении небесных сфер». В нем он доказывал, что геоцентрическая система ошибочна, и на самом деле это Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Некоторое время оба подхода конкурировали — но изобретение в начале XVII века телескопа расставило все точки над i. Уже первые выполненные Галилеем наблюдения забили последний гвоздь в крышку гроба геоцентрической системы. Земля была окончательно низвергнута с пьедестала центра мироздания.
Появление телескопов не могло не привести к изменению облика обсерваторий. Чтобы следить за объектами на небе, теперь им требовался вращающийся купол с проемом для наблюдений. Так что с середины XVII века в Европе начали появляться первые обсерватории современного типа, внутри которых размещались крупные телескопы. Как правило, они создавались при университетах либо строились по указу царствующих монархов.
Изобретение фотографии в ХІХ веке стало следующей важной вехой в истории астрономии. Если до этого ученые могли лишь в меру способностей зарисовывать увиденное в окуляре, то теперь они получили в свое распоряжение революционный инструмент, изменивший все. Во-первых, фотография дала астрономам возможность делать лишенные субъективизма точные изображения интересующих участков неба. Во-вторых, при съемке с большой выдержкой фотопластинки могли накапливать свет, благодаря чему на них получались изображения объектов чрезвычайно низкой яркости, которые физически было просто невозможно увидеть человеческим глазом.
Примерно в то же время произошло и другое важное для развития астрономии событие — изобретение метода спектрального анализа, с помощью которого ученые определяют химический состав небесных тел, анализируя длины волн света, который они излучают и отражают.
Но у технического прогресса имелась и обратная сторона. Изобретение электричества, появление централизованного освещения и загрязнение атмосферы промышленными выбросами вначале существенно осложнили, а потом фактически сделали невозможным проведение каких-либо профессиональных наблюдений неба в пределах городской черты. Все это спровоцировало «великое астрономическое переселение»: с конца ХІХ века практически все новые обсерватории строились вдали от крупных населенных пунктов. Предпочтение отдавалось местам с большим процентом ясных ночей в году, расположенным на большой высоте относительно уровня моря. Сейчас лучшими регионами нашей планеты для размещения обсерваторий считаются Гавайские и Канарские острова, пустыня Атакама, участки некоторых горных систем, а также Антарктида.
Радиоастрономия
Несмотря на все технические достижения, вплоть до 1930-х годов базовая суть астрономии оставалась прежней: ученые работали лишь с видимым светом, испускаемым небесными телами. Ситуация начала постепенно меняться после экспериментов Карла Янского, которому была поставлена задача определить природу загадочных помех, мешавших работе трансатлантического радиотелефона. Со временем ему удалось установить, что их источник расположен на небе и совпадает с положением центра Млечного Пути.
Это открытие спровоцировало создание первых антенн, предназначавшихся для изучения неба в радиодиапазоне. Пионерам новой отрасли удалось подтвердить выводы Янского, а еще зафиксировать радиоизлучение других небесных тел, включая Солнце и Юпитер.
Но по-настоящему бурный рост радиоастрономии начался после Второй мировой войны, чему немало способствовали достижения в области создания радиолокаторов. Сначала в Великобритании, а потом и в других странах принялись строить телескопы с антеннами диаметром в десятки метров — сперва неподвижными, а затем и поворотными. На свет появлялись и антенные решетки: системы из нескольких связанных радиотелескопов, работающих в режиме единого инструмента (радиоинтерферометры).
Открытия не заставили себя долго ждать. Астрономам удалось обнаружить множество радиоисточников, после чего начался процесс их соотнесения с известными космическими объектами. Некоторые оказались остатками сверхновых, другие — галактиками, а иные — облаками межзвездного газа. Были найдены и ранее неизвестные тела. Первая громкая сенсация грянула в 1963 году, когда был открыт радиоисточник 3C 273. Наблюдения в видимом диапазоне позволили отождествить его со звездообразным объектом. Изначально астрономы полагали, что 3C 273 расположен где-то на окраине Млечного Пути, но измерения красного смещения помогли установить, что он находится на расстоянии в несколько миллиардов световых лет. Так были открыты квазары — одни из самых ярких и далеких объектов во Вселенной. Сейчас считается, что они представляют собой галактики, в центрах которых размещены черные дыры, активно поглощающие окружающее вещество.
В 1965 году занимавшиеся радиоэкспериментами астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон сумели обнаружить реликтовое излучение, оставшееся со времен Большого взрыва, за что позже были удостоены Нобелевской премии. Еще через два года последовало не менее сенсационное открытие. Астрономы Джоселин Белл и Энтони Хьюиш обнаружили радиоимпульсы, повторявшиеся со строго определенной периодичностью. Их источником являлся объект, расположенный далеко за пределами Солнечной системы. Некоторое время астрономы даже рассматривали возможность, что его сигналы могут иметь искусственное происхождение. Это выразилось в том, что неведомый объект получил обозначение LGM-1 (сокращение от little green men — буквально «маленькие зеленые человечки»). Однако вскоре были зафиксированы и другие источники подобных импульсов. Стало понятно, что речь идет о совершенно новом классе тел — быстро вращающихся нейтронных звездах с мощными магнитными полями. Их назвали пульсарами. Обнаружение пульсаров стало одним из важнейших событий в истории современной астрономии и тоже было отмечено Нобелевской премией.
Но применение радиотелескопов не ограничилось изучением объектов дальнего космоса. С их помощью, в частности, удалось определить периоды вращения Меркурия и Венеры, найти следы водяного льда на некоторых телах Солнечной системы, определить форму и характеристики многих околоземных астероидов.
Как и в случае с традиционными оптическими телескопами, радиообсерватории тоже стараются размещать подальше от населенных пунктов во избежание влияния на них помех от земной техники. Как правило, их строят либо в незаселенных уголках нашей планеты, либо на большой высоте. Например, состоящий из 66 мобильных антенн комплекс ALMA размещен в чилийской пустыне Атакама на высоте 5000 м над уровнем моря.
Для радиообсерваторий хорошо подходят и долины или воронки естественного происхождения, позволяющие экранировать электромагнитное излучение. В качестве примера можно привести знаменитый Аресибо, который располагался в естественной карстовой воронке. К сожалению, телескоп разрушился в 2020 году. Китайский FAST, в настоящее время носящий звание самого большого в мире радиотелескопа с заполненной апертурой, также находится в карстовой воронке.
Телескопы уходят в небо
Не секрет, что многие астрономы воспринимают атмосферу нашей планеты в качестве «врага». И дело не только в плохой погоде и турбулентности. Проблема в том, что газовая оболочка Земли непрозрачна для значительной части электромагнитного излучения. Через нее не проходит гамма и рентгеновское излучение, как и большая часть инфракрасных и ультрафиолетовых волн.
Так что неудивительно, что еще в 1923 году пионер ракетостроения Герман Оберт высказал идею установить телескоп на ракете. В 1940-х проект космической обсерватории получил теоретическое обоснование. Было показано, что вынесенный за пределы земной атмосферы оптический телескоп сможет вести наблюдения не только в видимом, но и в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазоне, а его угловое разрешение будет ограничено лишь дифракцией.
Впрочем, первые попытки создать внеземную обсерваторию оказались связаны не с ракетами, а с воздушными шарами. В середине 1950-х научно-исследовательский центр ВМС США инициировал программу по размещению телескопов на высотных аэростатах. В ее рамках были проведены первые пробные наблюдения Солнца и Венеры.
Следующим шагом стало размещение научных инструментов на геофизических ракетах, совершавших полет по суборбитальным траекториям и на несколько минут покидавших земную атмосферу. С их помощью астрономы сумели обнаружить рентгеновские источники, расположенные далеко за пределами Солнечной системы, в том числе и знаменитый Лебедь X-1, ставший первым кандидатом в черные дыры. Этот объект даже спровоцировал известный научный спор между Стивеном Хокингом и Кипом Торном. Торн ставил на то, что Лебедь Х-1 является черной дырой, его оппонент придерживался иного мнения. В итоге Хокинг признал свое поражение.
Новая веха была пройдена в 1968 году, когда NASA запустило спутник OAO-2, на борту которого был установлен ультрафиолетовый телескоп. Именн
источник: www.nasa.gov
Стоит отметить, что астрономические наблюдения выполнялись и космонавтами. Так, на борту запущенной в 1971 году орбитальной станции «Салют-1» был установлен ультрафиолетовый телескоп. Экипаж стартовавшей в 1972 году экспедиции Apollo 16 также взял с собой ультрафиолетовый телескоп с подсоединенной к нему фотокамерой. После посадки астронавты развернули инструмент, создав первую в истории обсерваторию на поверхности другого небесного тела. В ходе пребывания на Луне участники экспедиции сделали ряд снимков звезд, Земли и Венеры.
Можно упомянуть и запущенную в 1973 году орбитальную станцию Skylab. У нее имелся отдельный отсек, в котором было установлено несколько телескопов. Отснятые ними кассеты с пленкой доставались астронавтами во время выходов в открытый космос и впоследствии возвращались на Землю для изучения. Основной целью обсерватории Skylab было Солнце: наблюдения позволили подтвердить существование корональных дыр. Были получены снимки кометы Когоутека.
Безусловно, собранные во время тех ранних миссий данные были весьма важны. Но все же достаточно быстро стало понятно, что будущее внеземной астрономии — не за людьми, а за автоматами, способными значительно эффективнее справляться с возложенными задачами. Успех миссии OAO-2 стал наглядной демонстрацией возможностей такого аппарата. Так что в начале 1970-х NASA приступило к реализации проекта большой космической обсерватории, оснащенной 3-метровым зеркалом. Оно должно было обеспечить ее возможностью делать изображения с разрешением, недосягаемым для наземных аналогов.
Изначально проект носил незамысловатое название Large Space Telescope (то есть Большой космический телескоп). Спустя некоторое время аппарат получил более привычное нам имя — Hubble. Телескоп назвали в честь выдающегося астронома Эдвина Хаббла, в свое время в буквальном смысле сумевшего раздвинуть границы мироздания, доказав, что Вселенная простирается дальше Млечного Пути. Аналогичные надежды возлагалась и на новую обсерваторию.
