Початок 1970-х в астрономії минув під знаком очікування швидкої революції. У ті роки NASA розпочало розробку проєкту великої космічної обсерваторії, оснащеної дзеркалом діаметром 3 м. Вона мала надати вченим безпрецедентні можливості для вивчення далеких куточків нашого Всесвіту. Проте, дещо забігаючи наперед, все виявилося не так уже й просто. Вченим довелося чимало попітніти, борючись за можливість розпочати новий розділ історії астрономії.

Hubble: великий та могутній

Затверджений NASA попередній план космічної обсерваторії передбачав створення двох апаратів: технологічного демонстратора з 1,5-метровим дзеркалом та основного апарата — із 3-метровим. Їх збиралися запустити до кінця десятиліття. Від початку проєкт розроблявся у зв’язку з програмою створення нового космічного корабля багаторазового використання. Планувалося, що за його допомогою телескоп періодично доставлятимуть на Землю для обслуговування та ремонту, а потім знову повертатимуть на орбіту.

Але незабаром на перешкоді встали фінансові міркування. Вже перші розрахунки показали, що створення космічної обсерваторії коштуватиме значних грошей. А тотальне скорочення бюджетів, що відбулося після завершення місячних перегонів, поставило хрест на більшості програм NASA. Якоїсь миті під загрозою опинився і великий космічний телескоп. 1974 року американський Конгрес вирішив позбавити його фінансування.

Тоді у справу втрутилися астрономи. Вони розгорнули дуже активну кампанію в пресі, наполягаючи на важливості створення такої обсерваторії, та описуючи грандіозні відкриття, які вона зможе зробити. Ці зусилля призвели до відродження проєкту, який за деякий час отримав офіційне позначення Hubble.

Щоправда, NASA довелося погодитися на кілька поступок, щоб знизити його вартість. Аерокосмічне агентство відмовилося від ідеї створення малого телескопа-демонстратора, тоді як діаметр дзеркала основного апарата було зменшено до 2,4 м. NASA також змусили забути про ідею періодично повертати обсерваторію на Землю для ремонту. Натомість вирішили, що її обслуговування проводитимуть екіпажі шатлів прямо на орбіті. Крім того, з метою зниження витрат на проєкт було залучено Європейське космічне агентство. Воно взяло на себе створення деяких інструментів телескопа, за що отримало 15% від його спостережного часу.

Спочатку Hubble мав вирушити в космос у 1983 році. Але через різні технічні складнощі ця дата неодноразово зрушувалася. Згодом його запуск було призначено на вересень 1986 року. Однак через катастрофу шатла Challenger крилаті кораблі припинили польоти на кілька років. В результаті Hubble провів три додаткові роки в ангарі, де очікував на запуск. Зрештою він вирушив у космос у квітні 1990 року.

Тріумф NASA виявився недовгим. Вже після перших переданих на Землю знімків стало зрозуміло, що у дзеркала телескопа був дефект. Через це його дозвіл був значно гірший за очікуваний. Більшість запланованої програми досліджень опинилася під загрозою зриву.

основне дзеркало Hubble
Поліровка основного дзеркала Hubble на заводі Perkin-Elmer, 1979 р.
джерело: itc.ua

Оскільки конструкція Hubble передбачала можливість обслуговування в космосі, NASA заходилося шукати варіанти його порятунку. Замінити головне дзеркало на орбіті було неможливо, а повернення телескопа для ремонту на Землю вважали надто дорогим. Так що було вирішено обладнати його блоком коригувальної апаратури, яка компенсувала б дефект дзеркала.

У грудні 1993 року до Hubble вирушила ремонтна експедиція. За п’ять виходів у відкритий космос астронавти успішно встановили коригувальний блок та замінили деякі прилади телескопа. Завдяки цьому астрономи нарешті отримали той самий революційний інструмент, про який так довго мріяли.

Навіть сухий перелік основних відкриттів Hubble займе чимало сторінок. Тож обмежимося лише найважливішими віхами. Завдяки телескопу астрономи зуміли обчислити вік Всесвіту та визначити, що його розширення відбувається з прискоренням. Сфотографували наслідки зіткнення комети Шумейкера-Леві з Юпітером. Підтвердили наявність чорних дір у центрах більшості галактик. Виявили стародавні галактики, що існували лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Побачили сезонні зміни на планетах-гігантах Сонячної системи. Відкрили цілу низку позасонячних світів та визначили деякі характеристики їхніх атмосфер. Провели докорінну переоцінку загальної кількості галактик у Всесвіті.

Дані Hubble допомогли розкрити безліч давніх наукових загадок, але водночас поставили багато додаткових запитань, які вимагали створення принципово нових теорій. Фактично телескоп став хрещеним батьком усієї сучасної космології. Станом на 2018 рік на основі зібраних космічною обсерваторією даних було написано понад 15 000 наукових статей, що пройшли рецензію. Ось уже багато років Hubble утримує беззаперечне лідерство за цим показником, залишаючись найпродуктивнішим телескопом у світі.

туманність Орла у видимому та інфрачервоному спектрі
Зображення туманності Орла демонструють здатність космічного телескопа Hubble робити знімки як у видимому (ліворуч), так і в інфрачервоному (праворуч) спектрі. Фото NASA
джерело: media.npr.org

Закладена при будівництві обсерваторії можливість ремонту у космосі послужила їй добру службу. У наступні роки шатли ще чотири рази літали з місіями обслуговування Hubble. Під час цих експедицій наукова апаратура телескопа кілька разів змінювалася на більш сучасну, а його функціональні можливості помітно зросли проти початкових. Тож, попри свій поважний вік, телескоп, як і раніше, зберігає функціональність і все ще залишається на передовому краї наукових досліджень. Тепер у NASA сподіваються, що він зможе пропрацювати до 2026 року.

Цифрова революція

Запуск Hubble збігся за часом з іншою подією, точніше кажучи, з ланцюжком подій, які теж назавжди змінили вигляд астрономії. Йдеться про цифрову революцію. Нові технології, що з’явилися наприкінці 1980-х — на початку 1990-х, суттєво розширили потенціал наземних обсерваторій, давши їм безліч можливостей, які ще десятиліття тому вважалися просто недосяжними.

Однією із революційних новинок стала технологія адаптивної оптики. Її суть полягає у використанні лазерів для підсвічування шару атомарного натрію у верхніх шарах земної атмосфери. Врешті в небі з’являються “штучні зорі”. Далі комп’ютер порівнює їхні зображення з еталоном (видом зір в ідеальних умовах без спотворень), і спираючись на це, визначає параметри атмосферної турбулентності. Після цього система, що управляє, вносить зміни у форму вторинного дзеркала телескопа. Це дозволяє компенсувати вплив атмосферних спотворень, даючи наземним обсерваторіям можливість досягти теоретичної межі чіткості зображень.

Іншим важливим нововведенням стала відмова від аналогової фотографії на користь цифрового знімання та перехід на аналіз зображень за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення. Раніше під час пошуків нових об’єктів Сонячної системи астрономам доводилося вручну порівнювати фотопластинки, аби знайти точки, що змістилися. Це був досить тривалий та не найефективніший процес. Нерідко розшукувані об’єкти виявлялися занадто тьмяними, астрономи просто їх не помічали. Комп’ютери ж дали можливість повністю автоматизувати процес пошуків, що не лише радикально прискорило всю процедуру, а й скоротило вплив людського чинника на інтерпретацію результатів.

Звісно, позитивні зрушення не забарилися. З початку 1990-х астрономи почали знаходити дедалі більше крижаних об’єктів за орбітою Нептуна, підтвердивши теорію існування поясу Койпера. Деякі із новостворених тіл за розміром виявилися порівнянними з Плутоном, що й призвело до прийняття в 2006 році Міжнародним астрономічним союзом рішення щодо виключення його зі списку планет.

Іншим наслідком цифрової революції стало широке поширення автоматизованих оглядів неба, що дозволило на порядки збільшити кількість відкритих астероїдів. Якщо 1989 року астрономам було відомо лише про 10 000 астероїдів, то 2005 року ця цифра зросла до 100 000, а 2020-го — перевалила за позначку 1 млн.

Настільки значний стрибок можливостей наземних телескопів не міг не спровокувати будівництво цілої низки нових обсерваторій, оснащених за останнім словом техніки, які отримали інструменти, що значно перевершували за потужністю своїх попередників. Так, у середині 1990-х на вершині гавайської гори Мауна-Кеа завершилося будівництво двох 10-метрових телескопів обсерваторії Кека. За кілька років до них приєднався 8,2-метровий телескоп “Субару”. Наприкінці того ж десятиліття світ побачив розташований у пустелі Атакама Дуже Великий телескоп — комплекс, що складається з чотирьох 8,2-метрових основних та чотирьох 1,8-метрових допоміжних телескопів. 2005 року запрацював 11-метровий Великий Південноафриканський телескоп. Ще через два роки в дію було введено 10,4-метровий Великий Канарський телескоп.

Обсерваторія Кека
Обсерваторія Кека. Фото wikipedia.org
джерело: wikimedia.org

Цифрова революція дала путівку в життя й абсолютно новій галузі астрономії — пошукам екзопланет. Якщо почитати написану ще на початку 1980-х наукову літературу, легко помітити, що її автори дуже обережно оцінювали перспективи того, що людство коли-небудь зуміє знайти світи поблизу інших зір.

Проте перша екзопланета біля сонцеподібної зорі була відкрита вже 1995 року. А станом на початок 2022-го загальна кількість підтверджених позасонячних світів наблизилася до позначки в 5 000. Астрономам навіть вдалося знайти екзопланету біля найближчої до Сонця зорі. Подібні досягнення були б практично неможливі без високоточних вимірювальних інструментів і комп’ютерів, здатних проаналізувати масиви спостережних даних і вичленувати навіть найменші відхилення в яскравості та/або швидкості зір, спричинені екзопланетами, що обертаються навколо них.

Стопами Hubble

Але, хоча за останні десятиліття наземні обсерваторії і зробили значний крок уперед, деякі речі все одно залишаються за межами їхніх можливостей — а саме спостереження в тих частинах електромагнітного діапазону, які блокуються земною атмосферою. Єдиним виходом для астрономів, що бажають їх вивчати, як і раніше, залишається виведення інструментів у космос.

На щастя, успіхи телескопа Hubble продемонстрували можливості космічних обсерваторій. Тому в наступні роки до космосу вирушила ціла флотилія спеціалізованих апаратів, призначених для ведення спостережень у різних діапазонах електромагнітного спектра. Одним із них став запущений 1999 року телескоп Chandra. У рентгенівській астрономії цей апарат займає приблизно те саме місце, що і Hubble — в оптичній. Він вивчає залишки наднових, чорні діри, темну матерію. А нещодавно навіть зумів знайти сліди екзопланети, розташованої в іншій галактиці. До того ж, попри свій поважний вік та відсутність місій обслуговування, Chandra все ще працює та продовжує відкриття.

Утім, зі всіма його здобутками, Chandra — далеко не єдиний рентгенівський телескоп у світі. Компанію йому складають XMM-Newton (запущений 1999 року), NuSTAR (2012-й), “Спектр-РГ” (2019-й) та IXPE (2021 рік). У сфері інфрачервоної астрономії найбільшими досягненнями наразі відзначилися космічні телескопи Spitzer (2003-й), Herschel (2009-й) та WISE (2009-й). Що стосується гамма-сегмента, варто виділити апарати INTEGRAL (2002-й), Swift (2004-й) та Fermi (2008-й).

У 2009 році NASA розпочало новий розділ в історії космічної астрономії, запустивши Kepler — перший спеціалізований апарат, який призначався для пошуку екзопланет. За дев’ять років служби він виявив понад 2 600 світів інших зір. Ще кілька тисяч поки що перебувають у списках кандидатів. Kepler вже завершив роботу, але на зміну йому прийшли нові мисливці за позасонячними світами — апарати TESS та CHEOPS.

Ще одним важливим напрямком космічної астрономії стало Сонце. 1995 року NASA та ESA запустили обсерваторію SOHO, призначену для вивчення нашого світила. На власний подив, астрономи незабаром виявили, що апарат надав їм несподіваний бонус. Річ у тім, що SOHO виявився надзвичайно ефективним мисливцем за навколосонячними кометами — малими крижаними тілами, які наближаються до Сонця на вкрай невеликі дистанції. За чверть століття обсерваторія виявила понад 4 000 комет. А оскільки SOHO все ще продовжує спостереження, напевне, це далеко не межа.

Обсерваторія SOHO
Обсерваторія SOHO в обробці художника. Джерело: ESA/ATG medialab; Sun: SOHO (ESA & NASA)
джерело: universemagazine.com

Іншими важливими сонячними місіями стали SDO (2010-й) та STEREO (2006-й). Перша веде постійне знімання поверхні нашої зорі у 12 хвильових діапазонах. Друга складалася з двох ідентичних апаратів, які одночасно спостерігали Сонце з різних орбітальних позицій. Це дозволяло отримувати тривимірні зображення структур та явищ на нашому світилі за допомогою стереоскопічного ефекту. Один із зондів STEREO вже вийшов з ладу, але інший все ще продовжує роботу.

Якщо об’єктивно поглянути на перелік запущених за останні десятиліття космічних телескопів, легко помітити, що попри все різноманіття, здебільшого вони є вузькоспеціалізованими апаратами так званого малого та середнього цінового сегмента. По-справжньому флагманські місії калібру Hubble, достатньо потужні, щоб робити етапні відкриття, все ще можна перерахувати на пальцях однієї руки. І це пов’язано не з відсутністю у вчених бажання мати у своєму розпорядженні нові телескопи, а зі значною дорожнечею та складністю подібних проєктів, що істотно уповільнює процес їхнього схвалення та отримання фінансування. Але наприкінці 2021 року ця ситуація нарешті почала змінюватися на краще.