265 тысяч галактик на одном снимке

Как отмечается в пресс-релизе Европейского космического агентства (ЕКА), фотография состоит более чем из 7500 снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл» примерно за 16 лет работы. Если бы съемка проводилась безостановочно, на это ушло бы около 250 дней.

«Ни одно изображение не превзойдет это, пока не будут запущены космические телескопы, такие как “Джеймс Уэбб”», — говорит Гарт Иллингворт из Калифорнийского университета (США), руководитель группы, которая подготовила изображение.

Фотография была получена в ходе продолжающегося проекта Hubble Legacy Field. Его идея в том, чтобы использовать невероятную разрешающую способность космического телескопа для наблюдения за небольшим участком ночного неба в течение многих лет, чтобы создать самый детализированный снимок очень глубокого космоса. Исследователи считают, что таким образом они смогут лучше понять, как работает Вселенная. Все фотографии имеют свой ID, по которому легко находятся на сайте «Хаббла».

«Нам удалось собрать гораздо больше отдаленных галактик в одном большом наборе данных, чем когда-либо ранее», — добавляет Гарт Иллингворт.

На наблюдение за этим небольшим участком космоса телескоп потратил больше времени, чем на любые другие исследования. Диапазон длин волн простирается от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного света, раскрывая все особенности запечатленных галактик. При этом яркость самых тусклых и далеких из них в десять миллиардов раз слабее, чем может видеть человеческий глаз.

«Имея изображения на стольких частотах, мы можем разделить вклад активных ядер и старых, и молодых звезд в галактический свет. Подобные данные о многочисленных галактиках в высоком разрешении позволяют нам проводить широкий спектр внегалактических исследований», — говорит Кэтрин Уитакер из Университета Коннектикута (США), возглавляющая команду по переписи галактик из данных телескопа «Хаббл».

Снимки «Хаббла» — это не совсем фотографии в привычном понимании. Очень много информации недоступно в оптическом диапазоне. Многие космические объекты активно излучают в других диапазонах. «Хаббл» оборудован множеством устройств с разнообразными фильтрами, что позволяет уловить данные, которые позже астрономы обрабатывают и могут свести в наглядное изображение. Богатство цветов обеспечивают разные диапазоны излучения звезд и ионизированных ими частиц, а также их отраженный свет.

Фотографию Hubble Legacy Field (при печати ее полный размер составит 2,16 метра), где каждая светлая точка представляет собой галактику, можно рассмотреть в деталях.

Размещение телескопа в космосе дает возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна, в первую очередь в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7–10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

Мессье 104 — величественная галактика, которую как будто придумали и нарисовали в Голливуде. Но нет, прекрасная сто-четвертая находится на южной окраине созвездия Девы. И она настолько яркая, что видна даже в домашние телескопы. «Хабблу» эта красавица позировала в 2004-м году

spacetelescope.org

Роль «Хаббла» в науке бесценна. За 16 лет работы на околоземной орбите он получил более миллиона изображений небесных объектов — звезд, туманностей, галактик, планет. Невозможно составить полный список открытий в астрономии и смежных направлениях, совершенных благодаря снимкам телескопа, настолько много работ ссылаются на полученную им информацию. Тем не менее официальная статистика говорит о почти 15 тысячах публикаций.

«Хаббл» сделал полный переворот в астрофизике, астрономии и вообще в наших представлениях о том, как устроена Вселенная. «Этот инструмент ни с чем нельзя сопоставить, достижение совершенно выдающееся, — рассказал “Стимулу” ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт. — То, что не было видно, “Хаббл” смог показать. Его фотографии стали просто произведениями искусства. Такого никто никогда не видел и даже не надеялся увидеть. Здесь, конечно, в значительной мере сбылись предсказания теоретиков, они были счастливы. Но было и много неожиданностей. Целая серия открытий, которые поставили астрофизику, наши представления о мире совсем на иной уровень».

По словам ученого, сейчас прогресс наблюдается и в наземной астрономии. Построены наземные телескопы, которые дают практически те же результаты, что и «Хаббл». Но это случилось более чем через двадцать лет. И в значительной мере эти достижения стали возможны благодаря «Хабблу». Исследователи поняли, что нужно делать с наземными телескопами, чтобы достичь того же уровня.

Хаббл запечатлел звездообразовательный регион S106 в созвездии Лебедя. Красивая структура получилась благодаря выбросам молодой звезды, что окутана пылью в форме пончика в центре. Эта пылевая завеса имеет бреши сверху и снизу, через которые вещество звезды вырывается активнее, образуя форму, напоминающую известную оптическую иллюзию. Снимок сделан в конце 2011-го года

spacetelescope.org

Мечты астрономов стали реальностью

Идея разместить телескоп на орбите возникла почти сто лет назад. Научное обоснование важности постройки такого телескопа опубликовал астрофизик Лайман Спитцер в 1946 году. В 1965-м его сделали главой комитета Академии наук США, которая определила задачи такого проекта.

Удалось провести несколько успешных запусков и доставить на орбиту более простые устройства, и в 1968 году NASA дало зеленый свет предтече «Хаббла» — аппарату LST (Large Space Telescope, Большой космический телескоп), с более крупным диаметром зеркала — три метра против хаббловских 2,4. Была поставлена амбициозная задача запустить его уже в 1972 году с помощью находившегося тогда в разработке космического шаттла. Но расчетная проектная смета вышла слишком дорогой, с деньгами возникали трудности, а в 1974-м финансирование и вовсе прекратили. Активное лоббирование проекта астрономами, привлечение Европейского космического агентства и упрощение характеристик приблизительно до хаббловских позволили в 1978 году получить первоначальное финансирование от Конгресса США в размере 36 млн долларов, что на сегодняшний день равно примерно 137 млн.

Тогда же будущий телескоп назвали в честь астронома и космолога Эдвина Хаббла. Он подтвердил существование других галактик, создал теорию расширения Вселенной и дал свое имя не только телескопу, но еще научному закону и величине.

Телескоп разрабатывали несколько компаний, отвечающих за разные элементы, самые сложные из них — оптическая система, которой занималась корпорация PerkinElmer, и космический аппарат, который создавала Lockheed. Бюджет вырос уже до 400 млн долларов.

Lockheed затянула создание аппарата на три месяца и превысила свой бюджет на 30%. Если посмотреть на истории строительства похожих по сложности аппаратов, то это нормальная ситуация. Основными требованиями были защита оборудования от постоянных перепадов температур при нагреве от прямого солнечного освещения и охлаждения в тени Земли и особо точное ориентирование телескопа. Телескоп смонтирован внутри легкой алюминиевой капсулы, которая покрыта многослойной термоизоляцией, обеспечивающей стабильную температуру. Жесткость капсулы и крепление приборов обеспечивает внутренняя пространственная рама из углепластика.

У PerkinElmer все было значительно хуже. Компания полировала зеркало по инновационной технологии до конца 1981 года, сильно превысив бюджет и испортив отношения с NASA. Интересно, что болванку зеркала сделала компания Corning, которая сегодня выпускает стекла Gorilla Glass, активно используемые в телефонах. Кстати, Kodak получил контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, если с полировкой основного зеркала возникнут проблемы. Задержки с созданием остальных компонентов тормозили процесс еще сильнее, графики работ NASA назвало «неопределенными и ежедневно меняющимися».

Запуск стал возможен лишь к 1986 году, но из-за катастрофы «Челленджера» старты шаттлов приостановили на время доработок. «Хаббл» по частям положили на хранение в специальные продуваемые азотом камеры, это обходилось в шесть миллионов долларов в месяц.

Старт шаттла «Дискавери» с телескопом «Хаббл» на борту

Wikipedia

В итоге 24 апреля 1990 года шаттл «Дискавери» стартовал с телескопом на орбиту. К этому моменту на «Хаббл» потратили 2,5 млрд долларов. Сегодня общие затраты подбираются к десяти миллиардам.

Со времени запуска с участием «Хаббла» произошло несколько драматических событий, но главное случилось в самом начале.

Когда после вывода на орбиту телескоп начал свою работу, оказалось, что его резкость на порядок ниже запланированной. Вместо десятой доли угловой секунды получалась целая секунда. После нескольких проверок выяснилось, что зеркало слишком плоское по краям. Несовпадение по размерам — целых два микрометра. Аберрация вследствие этого в буквальном смысле микроскопического дефекта делала большинство планируемых исследований невозможными.

Была собрана комиссия, члены которой нашли причину: зеркало невероятно точно рассчитали по размерам, но неправильно отшлифовали. Более того, еще до запуска такие же отклонения показывала используемая в тестах пара нуль-корректоров — устройств, которые отвечали за нужную кривизну поверхности. Но тогда этим показаниям не стали доверять, положившись на показания главного нуль-корректора, который показывал правильные результаты и по которому производили шлифовку. Как оказалось, одна из его линз была неправильно установлена.

Смонтировать новое зеркало прямо на орбите было технически невозможно, а возвращать телескоп на Землю и затем снова отправлять в космос — слишком дорого.

Решение нашли. Зеркало сделали неправильно, но с очень высокой точностью. Искажение было известно, и его оставалось лишь компенсировать, для чего разработали специальную систему корректировки COSTAR. Установить ее решили в рамках первой экспедиции по обслуживанию телескопа. Такая экспедиция — это сложная десятидневная операция с выходами астронавтов в открытый космос. Второго декабря 1993 года шаттл «Индевор», для которого это был пятый полет, доставил астронавтов к телескопу. Те установили COSTAR и заменили камеру. Всего экспедиций за время работы телескопа было четыре, с двумя вылетами в рамках третьей.

COSTAR скорректировала сферическую аберрацию зеркала. Система оптической коррекции выполняла свою задачу до 2009 года, когда нужда в ней отпала в связи с использованием во всех новых приборах собственной корректирующей оптики. Она уступила драгоценное место в телескопе спектрографу и заняла почетное место в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики после демонтажа в рамках четвертой экспедиции по обслуживанию «Хаббла» в 2009 году.

Хаббл поработает и на тебя

Управляется и контролируется телескоп из центра управления в городе Гринбелт в штате Мэриленд. Задачи центра делятся на два вида: технические (обслуживание, управление и мониторинг состояния) и научные (выбор объектов, подготовка задач и непосредственно сбор данных). Еженедельно «Хаббл» получает с Земли более ста тысяч разных команд — корректирующие орбиту инструкции и задания на съемку космических объектов.

«Хаббл» работает в очень плотном графике, и все же к нему за помощью может обратиться любой астроном, даже непрофессиональный. Ежегодно в Институт исследований космоса с помощью космического телескопа поступает по тысяче заявок на бронирование времени от астрономов из разных стран. Около 20% заявок получают одобрение экспертной комиссии и, по данным NASA, благодаря международным запросам проводится около 20 тысяч наблюдений ежегодно. Все эти заявки стыкуются, программируются и отправляются «Хабблу» из все того же центра в Мэриленде.

Основная оптика «Хаббла» сделана по системе Ричи—Кретьена. Система состоит из круглого, гиперболически изогнутого зеркала диаметром 2,4 метра с отверстием в центре. Это зеркало отражает на вторичное зеркало, тоже гиперболической формы, которое отражает в центральное отверстие первичного пригодный к оцифровке пучок. Для отсеивания лишних частей спектра и выделения нужных диапазонов используются всевозможные фильтры.

В таких телескопах используют именно систему зеркал, а не линз, как в фотокамерах. Тому много причин: перепады температур, допуски полировки, общие размеры и отсутствие потерь пучка внутри самой линзы.

Основная оптика на «Хаббле» не менялась с самого начала. А набор разнообразных инструментов, ее использующих, полностью сменили за несколько обслуживающих экспедиций. «Хабблу» обновляли инструментарий, и за время его существования там работало тринадцать разных инструментов. Сегодня он несет шесть, один из которых в гибернации.

«Джеймс Уэбб» будет обладать составным зеркалом 6,5 метров в диаметре с площадью собирающей поверхности 25 м², скрытым от инфракрасного излучения со стороны Солнца и Земли тепловым экраном

Wikipedia

«Джеймс Уэбб» идет на смену

Идея строительства нового мощного космического телескопа возникла более двадцати лет назад, в 1996 году, когда американские астрономы выпустили доклад HST and Beyond, в котором обсуждался вопрос, куда должна двигаться астрономия дальше. Незадолго до этого, в 1995 году, была открыта первая экзопланета рядом со звездой, похожей на наше Солнце. И исследователи попросили NASA построить телескоп, который будет пригоден в том числе для поиска и изучения экзопланет. Именно здесь берет начало история «Джеймса Уэбба».

Если «Хаббл» исследует Вселенную преимущественно в оптическом диапазоне, захватывая лишь ближний инфракрасный и ультрафиолетовый, которые граничат с видимым излучением, то «Джеймс Уэбб» сконцентрируется на инфракрасной части спектра, где видно более древние и более холодные объекты. Кроме того, в телескопе будут использоваться более современные технологии и инженерные решения.

Пожалуй, самое нестандартное и сложное из них — главное зеркало «Джеймса Уэбба» диаметром 6,5 метра. Ученые не стали создавать увеличенную версию зеркала «Хаббла», потому что оно весило бы слишком много, и придумали изящный выход из ситуации: они решили собрать зеркало из 18 отдельных сегментов. Для них использовался легкий и прочный металл бериллий, на который был нанесен тонкий слой золота. В итоге зеркало весит 705 килограммов, притом что его площадь составляет 25 квадратных метров. Зеркало «Хаббла» весит 828 килограммов при площади 4,5 квадратных метра.

Зеркала «Хаббла» и «Уэбба» в одном масштабе

Wikipedia

Другой важный компонент телескопа, который в последнее время доставляет инженерам немало хлопот, — развертываемый теплозащитный экран, необходимый для защиты приборов «Джеймса Уэбба» от перегрева. По размеру он сравним с теннисным кортом — 21 × 14 метров. На околоземной орбите под прямыми лучами Солнца предметы могут разогреваться до 121 °С. Приборы «Джеймса Уэбба» предназначены для работы в условиях довольно низких температур, поэтому и понадобился теплозащитный экран, закрывающий их от Солнца.

Внешняя сторона экрана, где находится антенна, бортовой компьютер, гироскопы и солнечная панель, разогреется, как ожидают ученые, до 85 °С. Зато на «ночной» стороне, где находятся основные научные приборы, будет морозно: около −233 °С. Обеспечивать теплоизоляцию будут пять слоев — каждый холоднее предыдущего.

Какие же научные приборы требуется так тщательно укрывать от Солнца? Всего их четыре: камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam, прибор для работы в среднем ИК-диапазоне MIRI, спектрограф ближнего ИК-диапазона NIRSpec и система FGS/NIRISS. С помощью этих приборов ученые надеются ответить на многие фундаментальные вопросы. В первую очередь, они касаются экзопланет.

Несмотря на то что на сегодняшний день телескоп «Кеплер» открыл более 2500 экзопланет, оценки плотности существуют лишь для нескольких сотен. Между тем эти оценки позволяют нам понять, к какому типу принадлежит планета. Если у нее низкая плотность — перед нами газовый гигант. Если же небесное тело имеет высокую плотность, то, скорее всего, это каменистая планета, напоминающая Землю или Марс. Астрономы надеются, что «Джеймс Уэбб» поможет собрать больше данных о массах и диаметрах планет, что поможет вычислить их плотность и определить их тип.

Другой важный вопрос касается атмосферы экзопланет. «Хаббл» и «Спитцер» собрали данные о газовых оболочках примерно ста планет. Инструменты «Джеймса Уэбба» позволят увеличить это число как минимум в три раза. Благодаря научным приборам и разным режимам наблюдений астрономы смогут определить присутствие огромного числа веществ, в том числе воды, метана и углекислого газа, причем не только на крупных планетах, но и на планетах земного типа. Одной из наблюдательных целей станет система TRAPPIST-1, где находится сразу семь землеподобных планет.

Больше всего результатов ожидается для молодых, только сформировавшихся юпитеров, которые все еще излучают в инфракрасном диапазоне. В частности, в Солнечной системе по мере уменьшения массы газовых гигантов содержание в них металлов (элементов тяжелее водорода и гелия) возрастает. «Хаббл» в свое время показал, что не все планетные системы подчиняются этому закону, однако статистически достоверной выборки пока нет — ее получит «Джеймс Уэбб». Кроме того, ожидается, что телескоп также изучит субнептуны и суперземли.

Согласно последним данным, «Уэбб» отправится в космос не ранее марта 2021 года. А прекратить работу с «Хабблом» ученые планируют не ранее 2030-х годов.