25 грудня 2021 року без перебільшення стало одним із найважливіших днів в історії сучасної науки. Цього дня з космодрому Куру у Французькій Гвіані відбувся запуск космічного телескопа James Webb, який має розпочати новий розділ у вивченні Всесвіту.
З нагоди цієї грандіозної події ми вирішили присвятити нарис космічним очам людства — обсерваторіям, що дозволяють відкривати таємниці нашої світобудови. І спочатку поговоримо про виникнення перших обсерваторій, їхню еволюцію та ранні спроби відправити телескопи в космос.
Коротка історія наземних обсерваторій
Ніхто не знає, та найімовірніше, вже ніколи не дізнається, де та коли була побудована перша в історії обсерваторія. Але можна напевно стверджувати, що ця подія була пов’язана з практичними потребами людей. Спостереження за небесними тілами та положенням Місяця й Сонця дозволяли в давнину правильно визначати зміну пір року і настання періодів сівби та збору врожаю, що в ту епоху насправді було питанням життя та смерті.
Відомо, що у стародавньому Вавилоні, Ассирії, Єгипті, Китаї, Індії та Греції були свої обсерваторії. Існує популярна (хоча й спірна) теорія, що Стоунхендж теж призначався для астрономічних спостережень.
Як місце розташування перших обсерваторій зазвичай використовувалися височини, навколо яких на лінії горизонту виставлялися орієнтири (кам’яні портали, вежі). За їхньою допомогою спостерігачі могли визначати момент настання тієї або іншої астрономічної події. Пізніше, з появою перших вимірювальних приладів, обсерваторії перетворилися на купольні споруди, що захищали інструменти від негоди, а їхні вікна слугували проєкційними отворами для сонячного світла.
Звичайно, з погляду наших днів можливості астрономів старовини були вкрай обмеженими. Вони могли розраховувати лише на очі та інструменти на кшталт гномона і квадранта, які дозволяли визначати становище і висоту небесних тіл. Тим не менш, навіть у таких умовах античні вчені зуміли чимало домогтися, визначивши особливості руху Сонця, Місяця та планет, а також уклавши перші каталоги зоряного неба. На їх основі були створені розрахункові таблиці, що дозволяли передбачати становище небесних тіл та різні астрономічні події (наприклад, затемнення) на будь-яку дату. Квінтесенцією античної астрономії стала робота Клавдія Птолемея, відома під назвою “Альмагест”. Вона містила всі зібрані вченими Греції та Близького Сходу знання про небесні тіла та обґрунтовувала геоцентричну систему світу, в якій Земля перебувала в центрі Всесвіту. Протягом тринадцяти сторіч “Альмагест” залишався головною астрономічною книгою для всього світу.
Монополія Птолемея була зруйнована лише у XVI столітті, коли Микола Коперник опублікував свою революційну працю “Про навернення небесних сфер”. У ній він доводив, що геоцентрична система є хибною, і насправді це Земля обертається навколо Сонця, а не навпаки. Якийсь час обидва підходи конкурували — однак винахід на початку XVII століття телескопа розставив всі крапки над i. Вже перші виконані Галілеєм спостереження забили останній цвях у кришку труни геоцентричної системи. Земля була остаточно скинута з п’єдесталу центру світобудови.
Поява телескопів, звісно, призвела до зміни вигляду обсерваторій. Щоб стежити за об’єктами на небі, тепер їм був потрібен крутний купол із отвором для спостережень. Тож із середини XVII століття в Європі почали з’являтися перші обсерваторії сучасного типу, всередині яких розміщувалися великі телескопи. Зазвичай вони створювалися при університетах або будувалися за указом царюючих монархів.
Винахід фотографії у ХІХ столітті став наступною важливою віхою в історії астрономії. Якщо до цього вчені могли лише у міру здібностей замальовувати побачене в окулярі, то тепер вони отримали у своє розпорядження революційний інструмент, який змінив усе. По-перше, фотографія дала астрономам можливість робити позбавлені суб’єктивізму точні зображення потрібних ділянок неба. По-друге, під час зйомки з великою витримкою фотопластинки могли накопичувати світло, завдяки чому на них виходили зображення об’єктів надзвичайно низької яскравості, які фізично просто неможливо було побачити людським оком.
Приблизно одночасно відбулася й інша важлива для розвитку астрономії подія — винахід методу спектрального аналізу, за допомогою якого вчені визначають хімічний склад небесних тіл, аналізуючи довжину хвилі світла, яке вони випромінюють і відбивають.
Проте технічний прогрес мав і зворотний бік. Винахід електрики, поява централізованого освітлення та забруднення атмосфери промисловими викидами спочатку значно ускладнили, а згодом фактично унеможливили проведення будь-яких професійних спостережень неба у межах міст. Усе це спровокувало “велике астрономічне переселення”: з кінця ХІХ століття практично всі нові обсерваторії будувалися далеко від великих населених пунктів. Перевага віддавалася місцям з більшим відсотком ясних ночей у році, розташованим на великій висоті щодо рівня моря. Зараз найкращими регіонами нашої планети для розміщення обсерваторій є Гавайські та Канарські острови, пустеля Атакама, ділянки деяких гірських систем, а також Антарктида.
Радіоастрономія
Незважаючи на всі технічні досягнення, аж до 1930-х років базова суть астрономії залишалася незмінною: вчені працювали лише з видимим світлом, яке випромінювали небесні тіла. Ситуація почала поступово змінюватися після експериментів Карла Янського, якому було поставлено завдання визначити природу загадкових перешкод, що заважали роботі трансатлантичного радіотелефона. Згодом йому вдалося встановити, що їхнє джерело розташоване на небі та збігається із положенням центру Чумацького Шляху.
Це відкриття спровокувало створення перших антен, які призначалися для вивчення неба у радіодіапазоні. Піонерам нової галузі вдалося підтвердити висновки Янського, а також зафіксувати радіовипромінювання інших небесних тіл, разом із Сонцем та Юпітером.
Утім, по-справжньому бурхливе зростання радіоастрономії розпочалося після Другої світової війни, чому чимало сприяли досягнення в галузі створення радіолокаторів. Передусім у Великій Британії, а згодом і в інших країнах заходилися будувати телескопи з антенами діаметром у десятки метрів — спочатку нерухомими, а потім і поворотними. На світ з’являлися й антенні решітки: системи з кількох зв’язаних радіотелескопів, що працюють у режимі єдиного інструмента (радіоінтерферометри).
Відкриття не змусили на себе довго чекати. Астрономам вдалося виявити безліч радіоджерел, після чого почався процес їхнього співвіднесення з відомими космічними об’єктами. Деякі виявилися залишками наднових, інші — галактиками, ще якісь — хмарами міжзоряного газу. Були знайдені й раніше невідомі тіла. Перша гучна сенсація сталася 1963 року, коли було відкрито радіоджерело 3C 273. Спостереження у видимому діапазоні дозволили ототожнити його із зореподібним об’єктом. Спочатку астрономи вважали, що 3C 273 розташований десь на околиці Чумацького Шляху, але виміри червоного усунення дали змогу встановити, що він перебуває на відстані кілька мільярдів світлових років. Так були відкриті квазари — одні з найяскравіших і найдальших об’єктів у Всесвіті. Зараз вважається, що вони є галактиками, в центрах яких розміщені чорні діри, що активно поглинають навколишню речовину.
1965 року астрономи Арно Пензіас і Роберт Вільсон, які займалися радіоекспериментами, зуміли виявити реліктове випромінювання, що залишилося з часів Великого вибуху, за що пізніше були удостоєні Нобелівської премії. Ще через два роки відбулося не менш сенсаційне відкриття. Астрономи Джоселін Белл і Ентоні Г’юїш виявили радіоімпульси, що повторювалися з певною періодичністю. Їхнім джерелом був об’єкт, розташований далеко за межами Сонячної системи. Якийсь час астрономи навіть розглядали можливість, що його сигнали можуть мати штучне походження, тож зрештою невідомий об’єкт отримав позначення LGM-1 (скорочення від little green men — буквально “маленькі зелені чоловічки”). Однак незабаром було зафіксовано й інші джерела подібних імпульсів. Стало зрозуміло, що йдеться про абсолютно новий клас тіл — нейтронні зорі, які швидко обертаються, з потужними магнітними полями. Їх назвали пульсарами. Виявлення пульсарів стало однією з найважливіших подій в історії сучасної астрономії та було відзначено Нобелівською премією.
Але застосування радіотелескопів не обмежилося вивченням об’єктів далекого космосу. За їхньою допомогою, зокрема, вдалося визначити періоди обертання Меркурія та Венери, знайти сліди водяного льоду на деяких тілах Сонячної системи, визначити форму та характеристики багатьох навколоземних астероїдів.
Як і у випадку з традиційними оптичними телескопами, радіообсерваторії теж намагаються розміщувати подалі від населених пунктів, щоб уникнути впливу на них перешкод від земної техніки. Здебільшого їх будують або у незаселених куточках нашої планети, або на великій висоті. Наприклад, комплекс ALMA, що складається з 66 мобільних антен, розміщений у чилійській пустелі Атакама на висоті 5000 м над рівнем моря.
Для радіообсерваторій добре підходять і долини або вирви природного походження, що дозволяють екранувати електромагнітне випромінювання. Як приклад можна згадати знаменитий Аресібо, який розташовувався у природній карстовій вирві. На жаль, телескоп зруйнувався 2020 року. Китайський FAST, що нині має звання найбільшого у світі радіотелескопа із заповненою апертурою, також розміщений у карстовій вирві.
Телескопи йдуть у небо
Не секрет, що багато астрономів сприймають атмосферу нашої планети як “ворога”. І справа не лише в поганій погоді та турбулентності. Проблема в тому, що газова оболонка Землі є непрозорою для значної частини електромагнітного випромінювання. Через неї не проходить гама та рентгенівське випромінювання, як і більшість інфрачервоних та ультрафіолетових хвиль.
Тож не дивно, що ще 1923 року піонер ракетобудування Герман Оберт висловив ідею встановити телескоп на ракеті. У 1940-х проєкт космічної обсерваторії отримав теоретичне обґрунтування. Було продемонстровано, що винесений за межі земної атмосфери оптичний телескоп зможе вести спостереження не лише у видимому, а й у інфрачервоному та ультрафіолетовому діапазоні, а його кутовий дозвіл буде обмежено лише дифракцією.
Утім, перші спроби створити позаземну обсерваторію пов’язані не з ракетами, а з повітряними кулями. У 1950-х науково-дослідний центр ВМС США ініціював програму з розміщення телескопів на висотних аеростатах. У її межах було проведено перші пробні спостереження Сонця та Венери.
Наступним кроком стало розміщення наукових інструментів на геофізичних ракетах, що здійснювали політ суборбітальними траєкторіями і на кілька хвилин залишали земну атмосферу. За їхньою допомогою астрономи зуміли виявити рентгенівські джерела, розташовані далеко за межами Сонячної системи, зокрема й знаменитий Лебідь X-1, який став першим кандидатом у чорні діри. Цей об’єкт навіть спричинив відому наукову суперечку між Стівеном Гокінґом та Кіпом Торном. Торн ставив на те, що Лебідь Х-1 є чорною дірою, його опонент дотримувався іншої думки. Врешті Гокінґ визнав свою поразку.
Нову віху було пройдено в 1968 році, коли NASA запустило супутник OAO-2, на борту якого було встановлено ультрафіолетовий телескоп. Саме він зараз вважається першою в історії справжньою космічною обсерваторією.
джерело: www.nasa.gov
Варто зазначити, що астрономічні спостереження виконували і космонавти. Так, на борту запущеної 1971 року орбітальної станції “Салют-1” було встановлено ультрафіолетовий телескоп. Екіпаж експедиції Apollo 16, що стартувала 1972 року, також взяв із собою ультрафіолетовий телескоп з приєднаною до нього фотокамерою. Після посадки астронавти розгорнули інструмент, створивши першу в історії обсерваторію на поверхні іншого небесного тіла. Під час перебування на Місяці учасники експедиції зробили низку знімків зір, Землі та Венери.
Можна згадати і запущену 1973 року орбітальну станцію Skylab. Вона мала окремий відсік, у якому було встановлено кілька телескопів. Зняті ними касети з плівкою діставалися астронавтами під час виходів у відкритий космос і згодом поверталися на Землю для вивчення. Основною метою обсерваторії Skylab було Сонце: спостереження дозволили підтвердити існування корональних дір. Було отримано знімки комети Когоутека.
Безумовно, зібрані під час тих ранніх місій дані були дуже важливими. Але все ж таки досить швидко стало зрозуміло, що майбутнє позаземної астрономії — не за людьми, а за автоматами, здатними значно ефективніше виконувати покладені на них завдання. Успіх місії OAO-2 наочно продемонстрував можливості такого апарата. Так що на початку 1970-х NASA розпочало реалізацію проєкту великої космічної обсерваторії, оснащеної 3-метровим дзеркалом. Воно мало забезпечити її можливістю робити зображення з дозволом, недосяжним для наземних аналогів.
Спочатку проєкт мав нехитру назву Large Space Telescope (тобто Великий космічний телескоп). Через деякий час апарат отримав більш звичне нам ім’я Hubble. Телескоп назвали на честь видатного астронома Едвіна Габбла, який свого часу в буквальному сенсі зумів розсунути межі світобудови, довівши, що Всесвіт простягається далі Чумацького Шляху. Аналогічні сподівання покладалася на нову обсерваторію.
