Наші помічники - ІЧ-телескопи

На зміну «Великим обсерваторіям» NASA в найближчому майбутньому прийде дуже велика. У 2013 році планується вивести на орбіту телескоп «Джеймс Веб» з 6,5-метровим дзеркалом.

Космічний телескоп «Джеймс Веб» (JWST) повинен стати першим позаземним астрономічним інструментом з дзеркалом, розмір якого лише трохи поступається апертурі рефлекторів найбільших наземних телескопів. Подвійний телескоп «Кек» гавайської обсерваторії має діаметр 10 м, телескоп «Хобі-Еберлі» техаської обсерваторії Мак Доналда - 9,2 м, телескоп «Субару» Національної астрономічної обсерваторії Японії - 8,3 м, четвірка найпотужніших телескопів Південної європейської обсерваторії, встановлених на вершині гори Серро Параналь на півночі Чилі, - 8,2 м, ідентичні Північний (Гаваї) і Південний (Чилі) телескопи міжнародної обсерваторії «Джеміні» - 8,1 м, а діаметр дзеркала JWST становить 6,5 м. «Хабл» в порівнянні з ним - просто карлик: діаметр його головного дзеркала всього лише 2,4 м.

Проте основна відмінність між «Хаблом» і JWST - зовсім не в розмірі. Прилади «Хабла» збирають інформацію в інфрачервоних променях, у видимому світлі і в ультрафіолеті, а «Уеб» буде працювати лише в інфрачервоному діапазоні. Тому правильніше вважати його наступником «Спітцера», найбільшої в світі інфрачервоної обсерваторії космічного базування, яка ось вже 2,5 роки трудиться в космосі на славу науки. Рішення NASA відправити в космос гігантський інфрачервоний телескоп свідчить про явне зростання престижу інфрачервоної астрономії, яка досі не могла похвалитися такими масштабними позаземними апаратами.

Хоча відкриття інфрачервоного випромінювання зазвичай відносять до заслуг фізики, зробив його один із найзнаменитіших астрономів. У 1800 році першовідкривач планети Уран і визнаний батько зоряної астрономії сер Вільям Гершель зауважив, що сонячне світло, пройшовши через кольоровий фільтр, змінює свою нагрівну здатність. Він розклав сонячні промені в спектр за допомогою скляної призми і помістив у кожну колірну зону однакові термометри. Стовпчик термометра, освітленого червоними променями, піднявся вище за інших, а найнижчими виявилися покази термометра, освітленого фіолетовим світлом. Для контролю Гершель поставив термометри і по обидві сторони кордонів видимого світлового поля. До його здивування, максимально нагрівся термометр в темній зоні поблизу червоної ділянки. Гершель зрозумів, що виявив невидимі оку промені, і незабаром встановив, що вони відображаються і заломлюються подібно до видимого світла. Він назвав це випромінювання калорифічним, тобто тепловим; пізніше його перейменували в інфрачервоне (infra з латині означає «нижче»).

Засновником ІЧ-астрономії вважається британський вчений Чарльз Піаці Сміт, який в 1856 році за допомогою термопари зареєстрував теплове випромінювання Місяця. Він також вперше помітив, що земна атмосфера не пропускає деякі частоти ІЧ-діапазону. У 1878 році американський астроном і фізик Семюел Ленглі винайшов болометр - тепловий детектор, що сприймає зміни електричного опору термочутливого елементу, на який падає випромінювання. Болометр Ленглі розрізняв перепади температур близько стотисячної частки градуса і тому швидко знайшов застосування в науці про небесні явища. За його допомогою астрономи виміряли теплове випромінювання Сонця, Юпітера і Сатурну, а потім і найяскравіших зірок - Веги і Арктура. Втім, термоелектричні сенсори теж не залишилися без діла. У 1915 році співробітник американського Національного бюро стандартів Вільям Коблентц настільки підвищив їх чутливість, що зміг детектувати ІЧ-випромінювання більш ніж сотні світил нашої Галактики. Пізніше він заклав основи ІЧ-спектроскопії, яка з часом перетворилася на найпотужнішу зброя астрономії. І нарешті, в 1920-і роки американські астрономи, перш за все Сет Ніколсон і Едісон Петіт, приступили до першого систематичного інфрачервоного моніторингу нічного неба.

І все ж досягнення ІЧ-астрономії на початку її першого століття були вельми скромні. Основна причина цього - атмосферні перешкоди. Азот і кисень розсіюють інфрачервоне випромінювання. А ось вуглекислий газ, озон і особливо пари води його ще й поглинають, причому дуже активно. У ближній ІЧ-області є три атмосферних «вікна», які прозорі для хвиль з довжинами 1,2, 1,6 і 2,2 мкм, тому в цьому діапазоні можна без особливих проблем вести астрономічні спостереження з поверхні Землі. «Вікна» є і в середній ІЧ-зоні (наприклад, 5 і 10 мкм), але «відкриваються» вони лише в розрідженому сухому повітрі. Невипадково світовими центрами ІЧ-астрономії стали високогірна гавайська обсерваторія Мауна Кеа і розташована на 2800-метровій позначці обсерваторія Маунт Леммон в Арізоні. Далекий ІЧ-діапазон для наземних спостережень взагалі недоступний: для нього залишаються лише стратосфера і космос.

Прогрес ІЧ-астрономії довго стримувався і відсутністю ефективних детекторів випромінювання. Звичайні болометри і термопари добрі для грубих вимірів, але для реєстрації надслабкого тепла далеких зірок і туманностей вони недостатньо чутливі. До того ж вони не володіють спектральною селективністю (їх свідчення залежать від дози поглиненої теплової енергії випромінювання, але не від його спектру). Правда, вже в 1980-і роки з'явилися фотоемульсії, що допускають зйомку в ІЧ-променях, але тільки з довжиною хвилі не менше 1,2 мкм (близько верхньої межі діапазону).

Як це нерідко буває, астрономам допомогли військові. Після Другої світової війни з'явилися напівпровідникові детектори ІЧ-випромінювань, в основі яких лежав ефект фотопровідності кристалів сульфіду свинцю PbS. Ними оснащували боєголовки американських ракет «повітря-повітря» з тепловим наведенням, випробування яких почалися в 1953 році. А вже до середини 1950-х ці прилади стали доступні астрономам, які для підвищення чутливості охолоджували їх рідким азотом. Але справжня революція в цій галузі звершилася в 1961 році, коли професор астрономії університету Арізони Френк Лоу винайшов високочутливий напівпровідниковий болометр, що реєстрував далеке ІЧ-випромінювання на всіх довжинах хвиль. Цей прилад може працювати лише при глибокому охолодженні рідким воднем (а ще краще - гелієм). Новим детектором почали оснащувати наземні телескопи, а з середини 1960-х - інструменти, встановлені на стратостатах та геофізичних ракетах. Пізніше з'явилися спектрально-селективні фотоелектричні приймачі ІЧ-випромінювання на основі антимоніду індію та силіциду платини на кремнієвій основі. І вже в 1980-ті роки були створені матричні ІЧ-детектори, що складаються з тисяч фоточутливих комірок, інформація з яких оброблялася мікропроцесорами.

Нова апаратура та висотні платформи для її розміщення привели до швидкого прогресу ІЧ-астрономії, який триває уже чотири десятиліття. У другій половині 1960-х Роберт Лейтон і Джеррі Нейгебауер провели перший детальний моніторинг більшої частини північного небосхилу в ближньому ІЧ-діапазоні і виявили більше 20 000 джерел. У 1967-1975 роках американські астрономи в рамках проекту Hi Star обстежили космос в середній ІЧ-області за допомогою телескопів, розміщених на висотних ракетах. Наприкінці 1974 приступила до двадцятирічної вахти літаюча обсерваторія «Койпер» - 36-дюймовий інфрачервоний телескоп, розміщений на борту переобладнаного військово-транспортного літака С-141А. Учасники цього проекту зробили чимало відкриттів, зокрема виявили кільця у Урана і водяні пари в атмосфері Юпітера й Сатурна, а також отримали інформацію про синтез важких ядер під час вибуху наднової 1987А. На зміну їй прийшла SOFIA, американо-німецька аерообсерваторія з 270-см ІЧ-телескопом.

Позаземна ІЧ-астрономія досить молода, її вік відраховується від 23 січня 1986 року. У цей день ракета-носій Delta доставила на 900-кілометрову орбіту супутник IRAS (Infrared Astronomical Satellite), результат співпраці США, Нідерландів і Великобританії. За його допомогою вдалося відкрити кілька комет і астероїдів і обстежити небосхил на чотирьох частотах середнього і далекого ІЧ-діапазону - 12, 25, 60 і 100 мкм. Цей моніторинг дозволив виявити близько трьохсот тисяч раніше невідомих джерел інфрачервоного випромінювання, відкрити раніше невідомий клас дуже старих «холодних» галактик і переконливо підтвердити існування балджа - «здуття» в центрі нашої Галактики.

Станція IRAS пропрацювала лише десять місяців, на більше не вистачило запасів рідкого гелію, який знижував температуру її 60-сантиметрового телескопа до 30 Кельвінів. Цікаво, що це був перший вдалий експеримент з виводом в космос кріогенної апаратури. Якщо вірити непідтвердженим, але впертими чутками, Пентагон і до цього намагався запускати супутники-шпигуни з ІЧ-телескопами на гелієвому охолодженні, але успіху не добився. 18 листопада 1989 року NASA відправило в космос 2,3-тонний Cosmic Background Explorer (COBE), який збирав інформацію в мікрохвильовому і інфрачервоному діапазонах. Один з його приладів, абсолютний спектрометр далекої ІЧ-зони, вимагав надглибокого охолодження і тому відключився після вичерпання запасу гелію у вересні 1990 року, інші ж функціонували ще більше двох років. Цьому супутнику астрофізика і космологія зобов'язані воістину епохальним відкриттям температурних флуктуацій реліктового мікрохвильового випромінювання.

У листопаді 1995 року Європейське космічне агентство вивело на орбіту космічну інфрачервону обсерваторію ISO (Infrared Space Observatory), яка два з половиною роки вела спостереження в діапазоні довжин хвиль від 2,5 мкм до 200 мкм.

У березні того ж року Японія запустила 15-сантиметровий ІЧ-телескоп IRTS, який пропрацював лише 4 тижні, але зате зміг засікти космічні фотони з довжиною хвилі до 700 мкм. Двома роками пізніше американські астронавти встановили на «Хаблі» апаратний комплекс NICMOS, який робить фотозйомку та спектральний аналіз в ближній ІЧ-області.

Останнє слово космічної ІЧ-астрономії - 850-кілограмова обсерваторія «Спітцер» (названа на честь піонера орбітальних обсерваторій, американського фізика й астронома Лаймана Спітцера), що стартувала з мису Канаверал 25 серпня 2003 року. Вона оснащена телескопом з 85-сантиметровим берилієвим дзеркалом, яке забезпечує роздільну здатність до однієї кутової секунди. З ним суміщені три системи: фотометрична відеокамера, спектроскоп і спектрофотометр (перша збирає інформацію в діапазоні 3-180 мкм, друга - 5-40 мкм, а третя - 50-100 мкм), які працюють при 5,50 Кельвіна. Охолодження апаратури проводиться рідким гелієм, запас якого на борту «Спітцера» спочатку становив 360 л (приблизно 50 кг). Весь проект обійшовся платникам податків в $ 720 млн.

«Спітцер» став першою інфрачервоної обсерваторією, виведеною не на геоцентричну (навколо Землі), а на геліоцентричну (навколо Сонця) траєкторію. Її вибрали тому, що глибокий космос набагато «холодніший» від навколоземного простору. Інфрачервоне випромінювання нашої планети може нагріти супутник до гарного зимового морозцю (вище 250 Кельвінів, тобто до -200 за Цельсієм), у той час як на віддалі від неї супутники остигають до 30-40 Кельвінів (саме це і дає можливість економити гелій і подовжити термін функціонування станції). «Спітцер» рухається по навколосонячній орбіті слідом за Землею, але кожен рік відстає від неї приблизно на 0,1 астрономічної одиниці (15 млн. кілометрів).

Перелік досягнень «Спітцера» вельми вражає. Він вперше безпосередньо розгледів (природно, в інфрачервоних променях) дві поза сонячні планети, що раніше було не під силу жодному інструменту. Його апаратура дозволила відкрити кілька надмасивних чорних дір і гігантські пилові хмари, що оточують деякі зірки. Зовсім недавно вона виявила органічні речовини в газовому оточенні зірки IRS 46, віддаленій на 375 світлових років від нашого Сонця. Більше двох сотень доповідей, заслуханих в січні на останній сесії Американського астрономічного товариства, містили інформацію, отриману із «Спітцера».

«Спітцер» - остання з чотирьох «Великих обсерваторій» космічного базування, запроектованих NASA ще в 1970-1980-і роки. Коли перша з них, орбітальний телескоп «Хабл», вже п'ять років перебувала на орбіті, там почали замислюватися про її наступника. Влітку 1996 року комітет, до якого увійшли провідні астрономи і астрофізики, виступив з проектом космічного телескопа нового покоління (Next Generation Space Telescope, NGST). Мова йшла про гігантський інфрачервоний інструменті з 8-метровим дзеркалом. Передбачалося, що його створення обійдеться всього в півмільярда доларів, тобто втричі дешевше, ніж «Хабл». Пізніше цей проект зазнав ряд модифікацій - зокрема, дзеркало зменшили до 6,5 м. 10 вересня 2002 року директор NASA Шон О’Кіф заявив, що новий телескоп буде носити ім'я одного з колишніх керівників NASA - Джеймса Уеба. «Джеймс Веб» повинен буде працювати без штучного охолодження, тому біля Землі йому робити нічого, але вимоги до його навколосонячної орбіти набагато жорсткіші, ніж до орбіти «Спітцера». Останній може не ховатися в земну тінь, його прилади надійно захищені від сонячних променів кріогенними екранами. А ось «Уебу» доведеться весь час знаходитися в земній тіні, поблизу другої точки Лагранжа L2, віддаленій від нашої планети на 1,5 млн. км. Щоб не вийти із зони радіаційної безпеки, станції доведеться час від часу включати коригувальні двигуни, тому вічно вона працювати не зможе - адже запас пального обмежений.

Чому експерти NASA висловилися на користь інфрачервоної, а не оптичної обсерваторії? «Новий телескоп задуманий перш за все для пошуку найбільш віддалених і, отже, найдревніших об'єктів Всесвіту, які фізично неможливо виявити в оптичному діапазоні. У результаті космологічного розширення простору їх спектри сильно зсуваються вліво, у бік зменшення частот. Коли світло найдавніших зірок і квазарів досягає Землі, довжини його хвиль через червоний зсув зростають у десять і більше разів, так що максимум його інтенсивності потрапляє в діапазон 1-3 мікрометра. До того ж видиме світло, яке проходить дуже великі дистанції, практично повністю поглинається міжзоряним воднем.

Загалом, потрібен телескоп з піком саме на кордоні ближнього і середнього ІЧ-діапазонів, - розповідає відомий астрофізик, професор університету Арізони Марсія Ріці, керівник групи розробки фотокамери ближнього ІЧ-діапазону, однієї з трьох систем «Уеба». - Звичайно, необхідно реєструвати також і фотони за межами цієї зони, в іншому випадку постраждає точність вимірювань. Тому "Джеймс Уеб" оптимізований для досить вузької ділянки спектру, 1-5 мкм, але його робоча область знаходиться в межах від 0,6 мкм до 28 мкм. Вона не так широка, як у "Спітцера", але для наших цілей більш ніж достатня. Оскільки ми збираємося працювати лише з короткохвильовими ІЧ-фотонами і користуватися більш досконалим дзеркалом, роздільна здатність "Уеба" буде в десять разів кращою, ніж у "Спітцера", - 0,1 кутової секунди. Для спостережень в далекій ІЧ-області довелося б охолоджувати детектори рідким гелієм, а це небажано і з технічних, і з наукових причин. Оскільки «Уеб» не потрібна кріогенна апаратура, мінімальний час його роботи складає 5 років, але ми сподіваємося, що він прослужить не менше десяти. Орієнтовна вартість проекту вже наближається до $ 4 млрд., тому нам доводиться бути економними».

Дата добавления: 2015-05-24