Десять найважливіших відкриттів «Хаббла»

Перший ремонт «Хаббла» в грудні 1993 року. Астронавти Сторі Масгрейв (Story Musgrave, на маніпуляторі), Джефрі Хоффман (Jeffrey Hoffman, у вантажному відсіку) та інші члени команди шатла усувають недоліки головного дзеркала (фото © NASA з сайту hubblesite.org)

Деякі телескопи можуть похвалитися таким вагомим внеском в астрономічні дослідження, як космічний телескоп «Хаббл».

Завдяки космічному телескопу ми розширили наші уявлення, переглянули попередні теорії і побудували нові, детальніше пояснюючі астрономічні явища.

У квітні 2006 року виповнилося 16 років з тих пір, як «Хаббл» знаходиться в космосі, але поки NASA бореться за відновлення польотів шатлів, телескоп продовжує дряхліти. Якщо астронавти не зможуть його відремонтувати, то до середини 2008 року він остаточно вийде з ладу.

За допомогою «Хаббла» було скоєно 10 найважливіших відкриттів в астрономії. За останні роки, разом з іншими обсерваторіями, «Хаббл» виявив два нових супутники Плутона, несподівано (і парадоксально) — обширну галактику в дуже молодому Всесвіті, а також супутник з масою планети у коричневого карлика, що важить ненабагато більше самої планети. Нам вдалося уточнити характеристики Всесвіту, які раніше існували лише в нашій уяві.

1. Зіткнення з кометою

Вісім місць зіткнень (темні плями, деякі наклалися один на одного і ледь різні), що пошкодили південну півкулю Юпітера, видно на зображенні, отриманому 22 липня 1994 року. На нижньому знімку: викид, схожий на ядерний гриб, над лімбом планети через 6 хвилин після зіткнення 16 липня (фото © Hubble Space Telescope Comet Team and NASA з сайту hubblesite.org)

За космічними масштабами зіткнення комети Шумейкерів-Леві 9 з Юпітером було рядовою подією: усіяні кратерами поверхні планет і їх супутників показують, що Сонячна система — справжній тир. Але в масштабі життя людини з такою подією можна зіткнутися лише одного разу: в середньому комета врізається в планету раз на тисячу років.

За рік до загибелі комети Шумейкерів-Леві 9 отримані «Хабблом» зображення показали, що вона розкололася на дві дюжини фрагментів, які розтягнулися в ланцюжок. Перший з них врізався в атмосферу Юпітера 16 липня 1994 року, а за ним протягом тижня впали й інші. На зображеннях видно викиди, схожі на гриб ядерного вибуху, що піднімаються над горизонтом Юпітера, а потім осідають і розсмоктуються через 10 хвилин після зіткнення. Але наслідки вибуху спостерігалися ще протягом декількох місяців.

Сліди зіткнень допомагають з’ясувати склад газового гіганта. Від кожного з них хвилі розбігалися зі швидкістю 450 м/с. Судячи з усього, це «важкі» хвилі, пружність в яких створюється силою плавучості. Характер поширення хвиль вказує, що ставлення кисню до водню в атмосфері Юпітера може бути в 10 разів більше, ніж на Сонці. Однак якщо Юпітер сформувався в результаті гравітаційної нестійкості первинного газопилового диска, то його склад повинен бути таким же, як у диска, тобто відповідати хімічному складу Сонця. Це протиріччя так і залишається нерозгаданим.

2. Позасовні планети

У 2001 році Американське астрономічне товариство звернулося з проханням до фахівців вибрати найбільш значуще, з їх точки зору, відкриття останнього десятиліття. На думку більшості, ним стало виявлення планет поза Сонячної системи. Сьогодні відомо близько 180 таких об’єктів. Значна їх частина знайдена за допомогою наземних телескопів по невеликих коливаннях зірки, викликаних гравітаційним впливом обертається навколо неї планети. Поки такі спостереження дають мінімум інформації: тільки розмір і еліптичність орбіти планети, а також нижня межа її маси.

Дослідники зосередилися на тих планетах, орбітальні площини яких орієнтовані вздовж нашого променя зору. Спостереження «Хабблом» першого з виявлених проходжень супутника зірки HD 209458 дало найбільш повну інформацію про планету поза Сонячної системи. Вона на 30% легше Юпітера, але при цьому на стільки ж більше його в діаметрі, можливо, тому, що випромінювання близької зірки змусило її роздягнутися. Дані «Хаббла» досить точні, щоб виявити широкі кільця і масивні супутники, але їх не виявилося. «Хаббл» вперше визначив хімічний склад планети поблизу іншої зірки. У її атмосфері містяться натрій, вуглець і кисень, а водень випаровується в простір, створюючи кометоподібний хвіст. Ці спостереження — передтеча пошуків хімічних ознак життя в далеких куточках Галактики.

3. Агонія зірок

Коли ударна хвиля від Наднової 1987A досягла газового кільця, що раніше існував, запилали гарячі плями. Зображення, отримане «Хабблом» (фото © Dr. Christopher Burrows, ESA/STScI and NASA с сайта hubblesite.org)

Згідно з теорією, зірка з масою від 8 до 25 мас Сонця завершує своє життя вибухом надновою. Вичерпавши запаси палива, вона різко втрачає здатність утримувати власну вагу. Її ядро колапсує, перетворюючись на нейтронну зірку — масивний, надщільний об’єкт, а зовнішні шари газу викидаються в простір зі швидкістю 5% від швидкості світла. Але перевірити цю теорію нелегко, оскільки в нашій Галактиці наднові не вибухали з 1680 року. Однак 23 лютого 1987 року астрономам посміхнулася удача: стався вибух наднової в сусідній галактиці, супутнику Чумацького Шляху, — Великій Магеллановій хмарі. У цей момент «Хаббл» ще не був запущений, але через 3 роки він почав відстежувати процес і незабаром відкрив три кільця, що оточують зірку. Центральне видно на місці вузької перемички біля газової хмари, що має форму пісочного годинника, а великі кільця — краю двох чашеобразних порожнин, мабуть утворених зіркою за кілька десятків тисяч років до вибуху. У 1994 році «Хаббл» почав помічати яскраві плями, що виникають одну за одною на центральному кільці: це в нього врізався викид надновий. Спостереження за агонією зірки тривають.

Туманність Котяче Око — одна з найскладніших серед відомих планетарних туманностей, які утворюються вмираючими зірками типу Сонця. Фото © NASA, ESA, HEIC, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) с сайта hubblesite.org

На відміну від своїх більш масивних побратимів, зірки типу Сонця вмирають більш елегантно, скидаючи свої зовнішні газові шари поступово, без вибуху. Це триває близько 10 тис. років. Коли гаряче центральне ядро зірки оголюється, воно своїм випромінюванням іонізує вивергнутий газ, змушуючи його світитися яскраво-зеленим (іонізований кисень) і червоним (іонізований водень). В результаті виникає планетарна туманність. Сьогодні їх відомо близько 2 тис. «Хаббл» показав їх надзвичайно складні форми в найтонших деталях. У деяких туманностях спостерігається кілька концентричних кіл, схожих на бичине око, що свідчить про епізодичний, а не безперервний викид газу. Причому передбачуваний час між двома викидами становить приблизно 500 років, що занадто довго для динамічних пульсацій (при яких зірка стискається і розширюється в результаті протиборства гравітації і газового тиску) і занадто швидко для теплових пульсацій (при яких зірка виходить з рівноважного стану). Справжня ж природа спостережуваних кілець залишається неясною.

4. Космічне народження

Пилові диски, схожі на потворних амеб, оточують зірки, що формуються, в туманності Оріона. Площа кожного зображення — 2040 ^о.е.2 Фото NASA, J.Bally (University of Colorado, Boulder, CO), H.Throop (Southwest Research Institute, Boulder, CO), C.R.O’Dell (Vanderbility, Univility,

Встановлено, що вузькі та швидкі струмені газу свідчать про народження зірки. Формуючись, вона може вивергнути два тонкі струмені довжиною в кілька світлових років. Згідно з однією з гіпотез, великомасштабне магнітне поле пронизує газопильовий диск, що оточує молоду зірку. Іонізована речовина, вимушена теча вздовж магнітних силових ліній, нагадує намистини на нитці, що обертається. Спостереження «Хаббла» підтвердили теоретичний прогноз, згідно з яким струмені народжуються в центрі диска.

Водночас дані, отримані «Хабблом», спростували інше припущення, що стосувалося навколозвїзних дисків. Вважалося, що вони сидять так глибоко в батьківській хмарі, що побачити їх неможливо. «Хаббл» же виявив з дюжину протопланетних дисків — проплідів, часто помітних у вигляді силуету на тлі туманності. Принаймні половина вивчених молодих зірок володіє такими дисками, що свідчать про те, що сировини для формування планет в Галактиці достатньо.

5. Галактична археологія

Дивні молоді зірки на околиці Туманності Андромеди можуть бути «осколками» зіткнення галактик. Фото © NASA, ESA and T.M.Brown (STScI) з сайту hubblesite.org

Астрономи вважають, що великі галактики, такі як Чумацький Шлях і наша сусідка Туманність Андромеди, виросли, поглинаючи дрібні галактики. Ознаки «галактичного канібалізму» повинні бути помітні за розташуванням, віком, складом і швидкостями зірок, що входять в них. Завдяки спостереженням «Хаббла» за зоряною гало (слабкою сферичною хмарою зірок і зіркових скупчень навколо основного галактичного диска) Туманності Андромеди, дослідники виявили, що в гало входять зірки, що різняться за віком: у найстаріших вік сягає 11-13,5 млрд років, а у наймолодших — 6-8 млрд років. Останні, мабуть, випадково забрели сюди з якоїсь молодої галактики (наприклад, з поглиненої галактики-супутника) або ж з більш ранньої області самої Андромеди (наприклад, з диска, якщо частина його зруйнувалася при близькому проходженні невеликої галактики або зіткненні з нею). У гало нашої галактики немає помітного числа відносно молодих зірок. Так що при всій схожості форми Туманності Андромеди і Чумацького Шляху, як показують спостереження «Хаббла», історії двох галактик значно відрізняються один від одного.

6. Надмасивні чорні діри

Плазмовий струмінь, що б’є з галактики М 87, мабуть, генерується акреціюючою чорною дірою масою в 3 млрд мас Сонця. Фото © NASA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA) з сайту hubblesite.org

З 1960-х років астрономи отримали докази того, що джерелом енергії квазарів та інших активних ядер галактик служать гігантські чорні діри, що захоплюють навколишню їхню речовину. Спостереження «Хаббла» підтверджують цю теорію. Майже кожна детально спостерігалася галактика знайшлася вказівки на заховану в її центрі чорну діру. Особливо важливими виявилися дві обставини. По-перше, зображення квазарів, отримані з високою кутовою роздільною здатністю, показали, що вони розташовуються в яскравих еліптичних або взаємодіючих галактиках. Це говорить про те, що потрібні особливі умови, щоб живити центральну чорну діру. По-друге, маса гігантської чорної діри тісно корелює з масою сферичного зоряного балджа (згущення), що оточує галактичний центр. Кореляція свідчить про те, що формування та еволюція галактики та її чорної діри тісно пов’язані.

7. Найпотужніші вибухи

Гамма-сплески — короткі спалахи гамма-випромінювання, що тривають від декількох мілісекунд до десятків хвилин. Їх поділяють на два типи залежно від їх тривалості. Кордоном вважаються приблизно 2 секунди; у більш тривалих спалахах утворюються менш енергійні фотони, ніж у більш коротких. Спостереження, проведені Комптонівською гамма-обсерваторією, рентгенівським супутником BeppoSAX і наземними обсерваторіями, дозволили припустити, що тривалі спалахи виникають при колапсі ядер масивних короткоживучих зірок, іншими словами, — зірок типу надновий. Але чому тільки мала частка наднових дає гамма-сплески?

Галактика, в якій спостерігався гамма-сплеск 971214, виглядає як невелика пляма (вказано стрілкою). Фото © S.R.Kulkarni and S.G.Djorgovski (Caltech), the Caltech GRB Team, and NASA с сайта hubblesite.org

«Хаббл» виявив: незважаючи на те, що у всіх областях зіроутворення в галактиках спалахують наднові, тривалі гамма-сплески сконцентровані в найбільш яскравих областях, якраз там, де зосереджені наймасивніші зірки. Більш того, тривалі гамма-сплески найчастіше виникають в невеликих, неправильних, бідних важкими елементами галактиках. І це важливо, оскільки дефіцит важких елементів у масивних зірках робить їх зоряний вітер менш потужним, ніж у зірок, багатих важкими елементами. Тому протягом життя бідні важкими елементами зірки зберігають більшу частину своєї маси і, коли приходить час вибухати, вони виявляються більш масивними. Колапс їх ядер призводить до утворення не нейтронної зірки, а чорної діри. Астрономи вважають, що тривалі гамма-сплески викликані тонкими струменями, викинутими чорними дірами, що швидко обертаються. Вирішальними факторами для того, щоб колапс ядра зірки викликав потужний гамма-сплеск, є маса і швидкість обертання зірки в момент її смерті.

Ототожнення коротких гамма-сплесків виявилося більш складним. Тільки в останні роки кілька таких подій сталося завдяки супутникам HETE 2 і Swift. «Хаббл» і рентгенівська обсерваторія «Чандра» встановили, що енергія таких спалахів слабша, ніж тривалих, і виникають вони в абсолютно різних типах галактик, включаючи і еліптичні галактики, де зірки зараз майже не формуються. Схоже, що короткі спалахи пов’язані не з масивними, короткоживучими зірками, а з залишками їх еволюції. Згідно з найбільш популярною гіпотезою, короткі гамма-сплески виникають при злитті двох нейтронних зірок.

8. Край всесвіту

Далекі галактики, в мільярди разів слабші, ніж може побачити неозброєне око, розкидані на надглибоких знімках «Хаббла». Фото © NASA, ESA, S.Beckwith (STScI) and the HUDF Team з сайту hubblesite.org

Одне з фундаментальних завдань астрономії — дослідити розвиток галактик і їх предків у часовому інтервалі, максимально наближеному до моменту Великого вибуху. Щоб зрозуміти, як виглядав колись наш Чумацький Шлях, дослідники вирішили отримати зображення галактик різного віку — від наймолодших до найстаріших. З цією метою, щоб відобразити найбільш далекі (а значить, найдавніші) галактики, «Хаббл» спільно з іншими обсерваторіями отримав з тривалими експозиціями зображення декількох маленьких ділянок неба: глибокі знімки «Хаббла», надглибокий знімок «Хаббла» і глибокий огляд великих обсерваторій «Походження».

Надчутливі знімки показують галактики у Всесвіті, коли їй було лише кілька сотень мільйонів років, що становить всього 5% від її нинішнього віку. Тоді галактики були менше розміром і мали менш правильну форму, ніж тепер, що і слід було очікувати, якщо сучасні галактики утворювалися шляхом злиття маленьких галактик (а не шляхом розпаду більш великих). Створюваний зараз космічний телескоп «Джеймс Вебб», спадкоємець «Хаббла», зможе проникнути в ще більш далекі епохи.

Глибокі знімки дозволяють також простежити, як змінювалася інтенсивність зіроутворення у Всесвіті від епохи до епохи. Схоже, що вона досягла свого піку приблизно 7 млрд років тому, а потім поступово ослабла приблизно в десять разів. У молодості Всесвіту (тобто у віці 1 млрд років) швидкість зіроутворення вже була велика і становила 1/3 її максимального значення.

9. Вік Всесвіту

Спостереження Едвіна Хаббла і його колег у 1920-ті роки показали, що ми живемо в Всесвіті, що розширюється. Галактики розбігаються одна від одної так, ніби простір Всесвіту рівномірно розтягується. Постійна Хаббла (H₀), що вказує сучасну швидкість розширення, дозволяє визначити вік Всесвіту. Пояснення просте: постійна Хаббла — це швидкість розбігання галактик, тому, якщо знехтувати прискоренням і гальмуванням, величина, зворотна H₀, дає час, коли всі галактики були поруч. Крім того, значення постійної Хаббла відіграє визначальну роль для зростання галактик, формування легких елементів і встановлення тривалості фаз космічної еволюції. Не дивно, що точний вимір постійної Хаббла був з самого початку основною метою однойменного телескопа.

На практиці для визначення даної величини потрібно виміряти відстані до найближчих галактик, а це набагато більш важке завдання, ніж вважалося в XX столітті. «Хаббл» детально досліджував цефеїди — зірки з характерними пульсаціями, періоди яких вказують на їх справжній блиск, а значить, і на відстань до них, — в 31 галактиці. Точність отриманого значення постійної Хаббла склала близько 10%. У сукупності з результатами вимірювань реліктового випромінювання це визначає вік Всесвіту — 13,7 млрд років.

10. Всесвіт, який прискорюється

У 1998 році дві незалежні групи дослідників дійшли вражаючого висновку: розширення Всесвіту прискорюється. Зазвичай астрономи вважали, що Всесвіт гальмується, оскільки тяжіння галактик один до одного має уповільнювати їх розбігання. Найскладніша загадка сучасної фізики — питання про те, що викликає прискорення. Згідно з робочою гіпотезою, у Всесвіті міститься невидима складова, яка називається «темною енергією». Сукупність спостережень «Хаббла», наземних телескопів і вимірювань реліктового випромінювання вказують, що в цій темній енергії міститься 3/4 повної щільності енергії Всесвіту.

Співставлення різних за часом знімків призвело не тільки до виявлення далекого наднового, але і до виявлення прискореного розширення Всесвіту. Фото © NASA and J.Blakeslee (JHU) з сайту hubblesite.org

Прискорене розширення почалося приблизно 5 млрд років тому, а до того моменту воно гальмувалося. У 2004 році «Хаббл» виявив 16 далеких наднових, які тоді спалахнули. Дані спостереження накладають ґрунтовні обмеження на теорії про те, чим може бути темна енергія. Найпростіша (і найбільш загадкова) можливість полягає в тому, що енергія належить самому простору, навіть якщо він абсолютно порожній. Сьогодні спостереження далеких наднових залишається найкращим методом вивчення темної енергії. Роль «Хаббла» у вивченні темної енергії величезна, тому астрономи будуть вдячні NASA, якщо телескоп буде збережений.

Статті про відкриття «Хаббла» в Scientific American:

1. Comet Shoemaker-Levy 9 Meets Jupiter. David H. Levy, Eugene M. Shoemaker and Carolyn S. Shoemaker. August 1995.

2. Searching for Shadows of Other Earths. Laurance R. Doyle, Hans-Jörg Deeg and Timothy M. Brown. September 2000.

3. The Extraordinary Deaths of Ordinary Stars. Bruce Balick and Adam Frank. July 2004 (Незвичайна смерть звичайних зірок//ВМН, № 9, 2004) .4

. Fountains of Youth: Early Days in the Life of a Star. Thomas P. Ray. August 2000.6

. The Galactic Odd Couple. Kimberly Weaver. July 2003 (Дивне галактичне подружжя//ВМН, № 10, 2003) .7.

The Brightest Explosions in the Universe. Neil Gehrels, Luigi Piro and Peter J. T. Leonard. December 2002 (Яскраві вибухи у Всесвіті//ВМН, № 4, 2003) .8.

Galaxies in the Young Universe. F. Duccio Macchetto and Mark Dickinson. May 1997.9.

The Expansion Rate and Size of the Universe. Wendy L. Freedman. November 1992.10.

From Slowdown to Speedup. Adam G. Riess and Michael S. Turner. February 2004 (від уповільнення до прискорення//ВМН, № 5, 2004).