Воскресенье, 26 мая, 2024

16+

Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»

Время на чтение 9 мин.

«Великие обсерватории» — это программа NASA по созданию в космосе группировки из четырех космических телескопов, каждый из которых наблюдает в своем диапазоне: «Хаббл» — в видимом, «Комптон» — в гамма, «Чандра» — в рентгеновском, а «Спитцер» — в инфракрасном.

Начнем с конца, и в этой статье расскажем о последней по времени запущенной обсерватории — инфракрасном аппарате «Спитцер», названном в честь астрофизика Лайама Спитцера, который в середине ХХ века активно продвигал идею размещения телескопов в космосе.

Инфракрасный интерес

Инфракрасное излучение представляет большой интерес для астрономов. Большая длина волны не поглощается облаками пыли и газа, в отличие от более «коротких» видимого, рентгеновского или гамма-излучения. Поэтому инфракрасные обсерватории могут фиксировать объекты, скрытые от нашего взгляда туманностями. А последние — непременные спутники областей звездообразования, изучение которых дает ценные сведения для понимания эволюции звезд и устройства Вселенной.

Однако инфракрасное излучение очень хорошо поглощается земной атмосферой. Кроме того, и сам телескоп, и земная атмосфера, нагреваясь, тоже излучают в инфракрасном спектре. Из-за этих обстоятельств наземные инфракрасные обсерватории могут наблюдать только очень яркие объекты, а качество наблюдений оставляет желать лучшего.

К началу 1970-х годов астрономы заговорили о возможности размещения инфракрасного телескопа на орбите, где «затмевающий эффект» земной атмосферы не будет мешать наблюдениям. В 1979 году в отчете Национального исследовательского совета Национальной академии наук США «Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы» инфракрасный телескоп был назван «одним из двух основных астрофизических объектов для Spacelab» — созданной совместно с ESA исследовательской платформы, размещавшейся в спейс-шаттлах. Отчет также предлагал «изучить и разработать… программу длительных космических полетов инфракрасных телескопов, охлажденных до криогенных температур».

Шаттлы не вариант

В январе 1983 года был запущен Инфракрасный Астрономический Спутник (IRAS), совместно разработанный США, Великобританией и Нидерландами. IRAS стал первым аппаратом, проведшим масштабные наблюдений звездного неба в инфракрасном диапазоне. Ученые убедились, что это открывает им недоступные доселе возможности по исследованию космоса.

Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»
Изображение видимой Вселенной в инфракрасном диапазоне, полученное IRAS. Изображение: NASA

Большинство ранних концепций предполагали повторяющиеся полеты на борту шаттлов. Такой подход был разработан в период, когда предполагалось, что программа «Космическая транспортная система» обеспечит еженедельные полеты продолжительностью до 30 дней. Предполагалось, что инфракрасный телескоп станет полезной нагрузкой космического челнока, чем-то вроде лаборатории, а после выполнения программы наблюдений его вернут на Землю для ремонта перед повторным полетом.

Однако оказалось, что шаттлы плохо подходят для размещения инфракрасных телескопов, поскольку в них невозможно обеспечить подходящую среду для работы без помех. Более того, «Спитцер» стал единственным из Великих обсерваторий, запущенным не с помощью космического челнок, как предполагалось изначально. После катастрофы «Челленджера» в 1986 году прекратилась разработка разгонного блока «Шаттл-Кентавр», который должен был вывести телескоп на орбиту. Кроме того, в 1990-е миссия претерпела ряд изменений, и в результате получился гораздо меньший по размерам аппарат, который смогла вывести на орбиту ракета-носитель среднего класса Delta II.

Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»
Запуск «Спитцера». Фото: spitzer.caltech.edu

Все дело в орбите

Спутники подвергаются большой тепловой нагрузке со стороны Земли (ведь наша планета и излучает собственное тепло, и отражает излучение Солнца). Чтобы это не мешало наблюдениям, инфракрасный телескоп нужно оснастить охлаждающей криогенной установкой. Для ее эффективной работы необходимо большое количество теплоносителя — жидкого гелия температурой около 4 кельвинов. Запасы этого вещества не только составляют основную массу аппарата, но и ограничивают время его жизни. Кончился гелий — кончилась работа.

Команда «Спитцера» придумала разместить аппарат не на гео-, а на гелиоцентрической орбите. По сути, аппарат разместили на траектории орбиты Земли так, чтобы он как бы догонял нашу планету. Такое решение позволило применить инновационное пассивное охлаждение. Солнцезащитный экран защищал «Спитцер» от солнечного тепла, обратная сторона была окрашена в черный цвет для усиления пассивного излучения тепла, а вся техническая начинка была термически изолирована от собственно телескопа. Эти решения резко уменьшили количество необходимого гелия и массу спутника, сохранив прежний диаметр главного зеркала. Правда, для передачи информации на «Спитцер» и обратно пришлось задействовать сеть дальней космической связи NASA.

Новое кольцо Сатурна

В том же году астрономы Александр Кашлинский и Джон Мэзер из Центра космических полетов Годдарда НАСА сообщили, что на одном из изображений, сделанных «Спитцером», возможно, запечатлен свет первых звезд во Вселенной. Ученые обнаружили, что изображение квазара в созвездии Дракона, предназначавшееся только для калибровки телескопа, содержит неизвестный инфракрасный свет, оставшийся после того, как свет известных объектов был удален. Кашлинский и Мазер убеждены, что многочисленные пятна в этом свечении — это свет звезд, образовавшихся лишь через 100 миллионов лет после Большого взрыва и смещенных в красную сторону в результате расширения Вселенной.

В октябре 2009 года с помощью «Спитцера» астрономы обнаружили еще одно кольцо вокруг Сатурна. Кольцо Фебы состоит из крошечных частиц диаметром до 10 сантиметров, которые сдуваются с поверхности Фебы — удаленного спутника газового гиганта. Этот огромный, тонкий диск простирается на 10 миллионов километров на расстоянии от 6 до 16,3 миллиона километров от Сатурна.

В июне и июле 2015 года коричневый карлик был обнаружен совместно «Спитцером» и орбитальной обсерваторией «Свифт». Впервые два космических телескопа наблюдали одно и то же событие гравитационного линзирования (так называется изменение направления электромагнитного излучения из-за гравитации массивного тела). Такое наблюдение стало возможным из-за большого расстояния между двумя космическими аппаратами: «Свифт» находился на низкой околоземной орбите, а «Спитцер» — на расстоянии более одной астрономической единицы от Земли. Это позволило астрономам взглянуть на один и тот же объект с двух разных точек зрения.

Первые экзопланеты

Уже первые опубликованные изображения со «Спитцера» продемонстрировали возможности телескопа. На них запечатлены яркая область звездообразования, вращающаяся пылевую галактику, протопланетный диск и следы органических веществ в далекой Вселенной.

В 2005 году «Спитцер» стал одним из первых телескопов, уловивших излучение экзопланет, а именно «горячих юпитеров» HD 209458 b и TrES-1b. Это был один из первых случаев, когда свет от экзопланет был обнаружен напрямую; более ранние наблюдения были сделаны косвенно, по анализу звезд, вокруг которых вращались планеты.

Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»
Горячий юпитер в представлении художника. Изображение: spitzer.caltech.edu

Вообще, «Спитцер» очень продуктивно открывал экзопланеты, хотя первоначально команда миссии вообще не предполагала подобных исследований. Однако инженерам удалось провести такую настройку оборудования, которая позволила наблюдать экзопланеты методами транзитной фотометрии (когда излучение звезды затемняется из-за проходящего перед ее диском объекта) и описанного выше гравитационного линзирования.

Так, в сентябре-октябре 2016 года «Спитцер» был использован для открытия пяти из семи известных планет вокруг звезды TRAPPIST-1, каждая из которых размером примерно с Землю и, вероятно, состоит из похожих пород. Три из обнаруженных планет расположены в зоне обитаемости, а значит, на их поверхности может быть и вода. Используя транзитный метод, «Спитцер» также помог измерить размеры семи планет и оценить массу и плотность шести из них.

Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»
Система TRAPPIST-1 в представлении художника. Изображение: spitzer.caltech.edu
Великие обсерватории: «Спитцер» — предшественник «Джеймса Уэбба»
Так может выглядеть одна из планет в системе TRAPPIST-1. Изображение: spitzer.caltech.edu

«Теплая миссия»

15 мая 2009 года у «Спитцера» закончился жидкий гелий, что остановило наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне. Инфракрасная камера сохранила работоспособность только в двух более коротких диапазонах длин волн (3,6 и 4,5 микрометра). «Спитцер» продолжил передавать на Землю ценные изображения — теперь в рамках так называемой «Теплой миссии».

К 2016 году расстояние «Спитцера» до Земли и форма его орбиты привели к тому, что аппарат пришлось наклонить под максимальным углом, чтобы его антенна оставалась направленной на Землю. Из-за этого солнечные панели получали мало света, и это привело к недостатку энергии для питания аппарата. Сеансы связи с телескопом могли продолжаться лишь 2,5 часа.

1 октября 2016 года «Спитцер» начал свой 13-й цикл наблюдений, расширенную миссию продолжительностью около двух лет. Одной из ее целей стала подготовка к запуску космического телескопа «Джеймс Уэбб». «Спитцер» искал кандидатов для детальных наблюдений своего более совершенного «коллеги».

Телескоп был выведен из эксплуатации 30 января 2020 года, когда NASA отправило на телескоп сигнал об отключении, предписывающий аппарату перейти в безопасный режим. Получив подтверждение об успешном выполнении команды, руководитель проекта «Спитцер» Джозеф Хант официально заявил, что миссия завершена.

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь