Общественно-политическая газета Иркутской области
Выходит по понедельникам

Телескопы улетают в космос

04 апреля, 2022

Мы привыкли к тому, что при помощи телескопов астрономы изучают космос. На очередной лекции проекта «Научные weekend'ы» доктор физико-математических наук, директор астрономической обсерватории Иркутского госуниверситета, профессор Сергей Язев рассказал о том, как телескопы работают в космосе.

1.jpg

Передний край науки

– Космические телескопы – это самое передовое, что есть у науки на сегодня. Какие-то телескопы мы не могли отправить в космос 20 лет назад, какие-то 10 лет назад, но как только появляются необходимые технологии, телескопы немедленно выводят в космос для исследования космического пространства, – начал свой рассказ Сергей Язев.

Глаза человека – это уже сама по себе очень хорошая оптическая система, которая за четыре миллиарда лет эволюции была приведена, по оценке Сергея Язева, «практически к идеальному состоянию». Человек с хорошим зрением видит практически все, что ему нужно. Бывает, конечно, зрение и более острое: с высоты 100 метров человек не сможет увидеть мышь в траве, а хищные птицы делают это без особого труда. Тем не менее для повседневной жизни человеку хватает того, что его бинокулярное зрение позволяет оценивать расстояние до предмета, а вот рассматривать небесные объекты человеку не было никакой необходимости. Поэтому для научного изучения космоса возможностей человеческого глаза недостаточно, и пришлось разрабатывать устройства, компенсирующие эти недостатки.

Звездное небо, несомненно, всегда привлекало внимание людей, однако рассмотреть, например, отдельные звезды в Млечном Пути люди не могут. Самый далекий объект, который можно рассмотреть невооруженным глазом, – это ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды, которая находится на расстоянии около двух с половиной миллионов световых лет от Солнечной системы. Чтобы было проще осознать это расстояние: если мы сегодня видим фотографии Туманности, то это означает, что свет, отраженный на фотобумаге или экране компьютера, вышел из своего источника два с половиной миллиона лет назад.

2.jpg

Без приборов-усилителей, невооруженным глазом, при идеальных обстоятельствах (то есть при условии, что ночь очень темная и ничто не засвечивает небо) человек боковым зрением может увидеть Туманность как некую светлую полоску – и не более. Понятно, что существует огромное количество объектов, которые находятся еще дальше, чья яркость еще меньше. Решая эту задачу, Галилео Галилей в 1609 году создал первый телескоп. Внешне это был очень красивый предмет, украшенный резьбой и инкрустациями, но с точки зрения современных специалистов как научный инструмент он был слабоват – линзы плохо обработаны, а сама конструкция слишком примитивная.

Гонки на телескопах

Тем не менее Галилей в первую же зиму использования телескопа в 1609–1610 годах увеличил радиус наблюдаемого человеком космоса (ученые называют это пространство Метагалактикой) в шесть тысяч раз. В частности, именно в это время он открыл горы на Луне, обнаружил, что Млечный Путь состоит из отдельных звезд, а также увидел четыре спутника Юпитера. Постепенно, с развитием оптики как науки, ученые поняли, что чем больше диаметр телескопа, тем больше света он собирает от удаленного объекта, тем более слабые (или удаленные) объекты и более мелкие детали могут рассмотреть астрономы.

Светящаяся полоса Млечного Пути при изучении в телескоп распалась на отдельные звезды, и сегодня астрономы оценивают их количество в 400 миллиардов. Если вокруг звезды видно голубое сияние – значит, вокруг нее есть облако газа или пыли, отражающее свет звезды. Можно рассмотреть и шаровые звездные скопления, состоящие из сотен тысяч звезд, расположенных на расстоянии меньшем, чем в среднем в галактике, а без телескопа на этом месте видно просто светлое пятно. Звезды имеют разный цвет, хотя простым глазом мы этого не видим, а кое-где во Вселенной есть и огромные туманности, поражающие своим видом всякое воображение. Современные телескопы могут зафиксировать и планетарные туманности – обломки взорвавшихся звезд, разлетающиеся в разные стороны и образующие удивительные по красоте объекты. Часть объектов, обнаруженных в объективах телескопов, оказались галактиками, находящимися на невообразимом расстоянии от Земли. Изучение планет и спутников Солнечной системы позволило рассмотреть Луну в мельчайших деталях, атмосферные вихри на Юпитере и даже не видимые обычным глазом Уран и Нептун.

Для того чтобы это стало возможным, телескопам и их конструкторам пришлось пройти длинный путь проб и ошибок, выстраивания оптических схем и обработки различных элементов. В Иркутском государственном университете хранится телескоп, изготовленный в 1910 году специально для иркутских ученых и много лет работавший как основной инструмент наших астрономов. В обсерватории в Пулково долгое время работал рефрактор с диаметром зеркала 65 сантиметров. Этот прибор заменил отечественный рефрактор, уничтоженный во время войны, а новый был доставлен из Италии: в свое время фирма Цейсс изготовила его как подарок от нацистской Германии дружественной фашистской Италии. Однако самым большим в мире телескопом-рефрактором так и остался Йеркский рефрактор (США), изготовленный в 1897 году, Его диаметр составлял 102 см.

3.jpg

Новое слово в разработке телескопов удалось сказать Исааку Ньютону, который изобрел схему, в которой свет от различных объектов сначала попадает в зеркало-объектив, отражается во вторичное зеркало, а через него – в линзу и далее в глаз наблюдателя. Телескоп-рефлектор Ньютона позволил создавать огромные телескопы с диаметром зеркала более метра, например телескоп лорда Росса (1845 год) с зеркалом 183 см. Вершиной развития этой линии стали телескоп Хейла обсерватории Манут-Паломар (США) с диаметром зеркала 5,08 метра и телескоп Специальной астрономической лаборатории СССР с зеркалом диаметром 6 м.

Уже в XXI веке на Канарских островах был построен телескоп с зеркалом, рабочий диаметр которого составляет 10 м, и ведется строительство еще нескольких, сопоставимых по размерам. К такому телескопу нужна и соответствующая фотокамера. Одна из них имеет 3200 мегапикселей при диаметре 60 см, в ней собраны 189 сенсоров по 16 мегапикселей каждый. Для демонстрации одного кадра потребовалось бы 378 телеэкранов с разрешением 4К, а на фотографии можно было бы рассмотреть мяч для гольфа с расстояния 25 км.

Пределы роста и выход за пределы атмосферы

Для наземных телескопов существует ограничение, связанное с самим местоположением. Как бы там ни было, но телескоп смотрит на звезды через призму земной атмосферы, а она никогда не остается в полном покое. Даже на самой высокой горе этот фактор будет размывать картинку, и чем больше телескоп, тем сильнее искажение мелких деталей. Для больших телескопов создана система адаптивной оптики, которая изгибает зеркало (с очень высокой скоростью) в противоположном направлении, но нужно знать, как именно нужно гнуть зеркало, подстраиваясь под движение атмосферных потоков. Одним из таких зеркал управляет система, состоящая из 150 домкратов, которые давят на зеркало в разных точках, изгибая тонкое зеркало для получения качественного изображения. Существует биморфное стекло, состоящее из двух слоев с разными свойствами: они изгибаются под действием электрического разряда. Чтобы понимать, как именно гнуть зеркала, специальные сверхмощные лазеры светят в небо на высоту 90 км. Там под действием луча начинает светиться натрий, и отражение этой искусственной «звезды» позволяет рассчитывать параметры колебаний зеркал.

Несмотря на то что на Земле уже построены составные телескопы, площадь зеркал которых превышает площадь баскетбольных площадок и теннисных кортов, есть пределы, которые им никогда не удастся преодолеть. Мы видим свет с длиной волны от 380 до 760 нанометров, но не видим гамма-излучение, рентгеновское и радиоволны – то есть очень узкий фрагмент из спектра волн, известных человечеству. Проблема не только в нашем глазу: многие виды излучения просто не проходят через атмосферу Земли – и это очень хорошо, потому что многие из них вредны для человека да и для остальной жизни на планете. Но в космосе есть объекты, которые излучают в невидимом и недоступном на Земле диапазоне. Поучается, что мы постоянно носим некие специфические очки, которые не дают нам возможности узнать о самом существовании таких объектов.

4.jpg

Увидеть Вселенную в новом диапазоне позволили специальные спутники, созданные для изучения различных видов излучений. В 1972–1985 годах на орбите работали гамма-телескопы COS-B, в 1991–2000-м – CGRO и «Гамма», сейчас работает гамма-телескоп «Ферми». Они видят Вселенную в самых коротких лучах, которые проницают любые объекты. На более длинных рентгеновских волнах работает телескоп «Чандра» (США): в его длинной «трубе» расположены специальные зеркала, на которые излучение попадает по касательной, – только так можно зафиксировать их след и изучить.

Большим успехом стал запуск совместного российско-германского телескопа «Спектр РГ» (то есть «рентген-гамма»), способного работать сразу в двух диапазонах. Новый взгляд на Метавселенную позволил сразу сделать несколько крупных открытий и обнаружить космические объекты, о существовании которых никто и не догадывался. К сожалению, в настоящее время работа установки приостановлена, и Сергей Язев выразил надежду на возобновление исследований хотя бы в будущем.

В 1983 году СССР запустил на орбиту ультрафиолетовый телескоп «Астрон», разработанный на базе межпланетных установок, которые запускали к Венере. Интересно, что часть деталей к нему изготовили в Иркутске, в Институте солнечно-земной физики, где до сих пор хранится модель телескопа. В 1992 и 2003 годах были запущены международные установки, продолжается работа над международной обсерваторией «Спектр-УФ», который может полететь не ранее 2026 года.

Самым знаменитым (и вполне заслуженно) считается орбитальный телескоп «Хаббл», работающий в космосе с 1992 года. Диаметр его зеркала невелик по земным меркам – всего 2,4 м, длина 13 м, вес – 12 тонн. Его несколько раз ремонтировали, для чего астронавтам США приходилось загружать телескоп на борт кораблей системы «Шаттл», в том числе исправляли ошибку, допущенную при изготовлении. Несмотря на огромные расходы на создание, вывод на орбиту и обслуживание, вклад «Хаббла» в астрономию крайне велик, и с определенными оговорками он работает до сих пор. Считается, что еще одной крупной поломки будет достаточно, чтобы телескоп вышел из строя: шаттлы больше не летают, ремонтировать будет нечем.

5.jpg

Будущее уже рядом

В 2021 году на смену «Хабблу» пришел новый телескоп «Джеймс Уэбб» с диаметром зеркала 6,5 м. Аппарат проектировали в США при участии Европейского Союза и Канады, работы затянулись на 20 лет, а временами финансирование и вовсе останавливали. Причины станут понятны, если знать, что «щит», которым телескоп заслоняется от Солнца, имеет размер теннисного корта и каждый элемент зеркала изготовлен из бериллия. А бериллий настолько редок, что сделать такие же элементы из золота вышло бы дешевле. Телескоп работает в видимом и инфракрасном диапазоне, поэтому защита от теплового излучения – отдельная и особенно трудная задача. «Уэбб» отправили в одну из точек Лагранжа, то есть такую точку между Землей и другим космическим объектом, где спутник небольшого размера остается неподвижным относительно двух выбранных тел. Это означает, что любая неисправность станет фатальной – отправить ремонтников просто не на чем.

Никто не знал, что увидит в космосе «Хаббл», и точно так же можно только догадываться, что откроет «Уэбб». Ракета Ariane 5 с телескопом стартовала с космодрома Куру 25 декабря 2021 года. 5 января 2022 года телескоп раскрыл тепловой щит, 9 января – развернул все системы и перешел в рабочее состояние. А 24 января успешно вышел на гало-орбиту в точке Лагранжа L2 системы Солнце – Земля в полутора миллионах километров от нашей планеты.

– Это самые сложные технологии, которые на сегодня существуют, – подчеркнул Сергей Язев. – Все очень переживали при запуске: бывает, что ракеты падают, а тут огромные средства и труд множества ученых на протяжении 20 лет. Буквально несколько дней тому назад был опубликован, как говорят астрономы, «первый свет», первые снимки. Наводили на самую далекую звезду, а оказалось, что их там восемнадцать. Машина работает, но все еще идет настройка.

Вероятно, первые изображения появятся к лету, и ученые надеются, что «Уэбб» будет работать много лет, снабжая ученых информацией. Ученые уже работают над телескопом, который придет ему на смену: проект называется «Атлас», и диаметр его зеркала превысит 16 метров.

6.jpg

Тем временем продолжается работа над телескопами для инфракрасного и радиодиапазона. Много лет в космосе летал телескоп «Спитцер», все оборудование которого постоянно охлаждалось жидким гелием. Со временем запасы гелия исчерпались, телескоп работает до сих пор, но не в том режиме. Российский радиотелескоп «Спектр-Р» можно назвать уникальным: диаметр его тарелки, выведенной на орбиту в 2011 году, превышал 10 метров. Телескоп, который мог работать в паре с наземными объектами, мог удаляться от Земли на 170 тысяч километров, что увеличивало «базу» наблюдений и давало фантастическую точность наблюдения. «Спектр» превысил расчетный срок работы, но уже вышел из строя.

В работе по строительству космических телескопов участвует консорциум из 14 европейских стран, обладающий общим бюджетом; активно изучает этот вопрос и Япония. Не менее активен Китай, который запустил орбитальную станцию, а через два года китайцы готовятся запустить телескоп с зеркалом диаметром два метра, сопоставимый по возможностям с «Хабблом». Он будет летать по той же орбите, что и станция, поэтому при необходимости телескоп можно состыковать со станцией и провести необходимые работы. Это, конечно, более экономичное решение, чем система «телескоп плюс пилотируемый корабль», поэтому Сергей Язев уверен, что у Китая все получится.

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести»

 

 

Поделитесь новостью с друзьями:

Комментарии