«Холодні» і «теплі» підсумки роботи телескопа «Спітцер»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 60

Ріс. 1. Комп’ютерна модель телескопа «Спітцер» на тлі інфрачервоного знімка Чумацького Шляху. Малюнок з сайту nasa.gov

30 січня 2020 року завершив свою роботу «Спітцер» — космічний телескоп, який справив справжню революцію в інфрачервоній астрономії. «Спітцер» був запущений 25 серпня 2003 року, і спочатку передбачалося, що його місія триватиме максимум п’ять років, проте інструмент пропрацював набагато довше. Перші п’ять з половиною років, поки не скінчився рідкий гелій, охолоджувальний наукові прилади, прийнято називати «холодним періодом» місії, далі почався «теплий період». За роки своєї роботи «Спітцер» багато в чому змінив уявлення людства про космос, дозволивши побачити найбільш далекі і холодні об’єкти у Всесвіті і зробити безліч інших важливих відкриттів. Тепер одна з «великих обсерваторій» NASA переведена в режим постійної гібернації і дрейфує навколо Сонця слідом за Землею, все більше відстаючи і поступово віддаляючись від нашої планети.

Ідея створення інфрачервоної обсерваторії, яка працюватиме в космосі, народилася ще наприкінці 70-х років XX століття. До того моменту дослідники вже експериментували з виведенням телескопів за межі нижніх шарів атмосфери, прив’язуючи їх до гігантських повітряних куль і встановлюючи на борту зондуючих ракет, завдяки чому навіть вдалося провести перший інфрачервоний огляд всього неба (S. D. Price, T. L. Murdock, 1983. The Revised Air Force Geophysical Laboratory Infrared Sky Survey). Однак рівень атмосферного шуму, що впливає на якість даних, все одно залишався більшим, тому вчені почали думати, як відправити інструменти ще вище — туди, де рух повітря і недостатня прозорість земної оболонки не заважали б астрономічним спостереженням. Закономірним рішенням цієї проблеми стали космічні шатли, що поклали початок проекту Shuttle Infrared Telescope Facility (SIRTF), який пізніше зазнає сильних змін і буде перейменований в «Спітцер».

У той час NASA планувало, що «човники» будуть здійснювати польоти щотижня, тому в більшості первинних проектів пропонувалося встановити обсерваторію прямо на борту шатла. У 1983 році космічне агентство оголосило про прийом пропозицій щодо створення приладів для великої інфрачервоної обсерваторії, яка буде літати в космос кілька разів на рік і проходити техобслуговування в перервах між польотами. Майже одночасно з цим на навколоземну орбіту був виведений перший інфрачервоний телескоп InfraRed Astronomical Satellite (IRAS), який провів майже повний огляд неба (він вивчив 96% небесної сфери) на чотирьох довжинах хвиль — 12, 25, 60 і 100 мікрометрів — і виявив понад 350 тисяч нових інфрачервоних джерел, включаючи галактики з активною зіркоутворюванням і газоноси. Крім того, IRAS вперше відобразив центр Чумацького Шляху в інфрачервоному діапазоні, а також допоміг астрономам відкрити протопланетний диск навколо Веги — другий за яскравістю зірки в Північній півкулі. Настільки вражаючі результати природним чином підігріли інтерес до створення SIRTF.

Ріс. 2. Ліворуч: знімок неба, зроблений телескопом IRAS. У середині зображення — центральна частина Чумацького Шляху. Синім кольором показані зірки головної послідовності, а жовтим і зеленим — галактики і молоді, оточені пилом зірки. Фото зі статті H. J. Walker, 2000. A brief history of infrared astronomy. Праворуч: центр Чумацького Шляху, сфотографований «Спітцером». Блакитні точки — окремі зірки нашої Галактики, зеленим показано випромінювання від поліциклічних ароматичних вуглеводнів. Фото з сайту apod.nasa.gov

У 1984 році NASA вибрало команду інженерів і астрономів для створення приладів і визначення наукової програми майбутньої місії. На той момент було прийнято рішення про будівництво самостійної космічної обсерваторії, яке, як з’ясувалося згодом, виявилося вірним, оскільки від шатлів виходило значне «забруднення» у вигляді парів, дрібних частинок і теплових перешкод. Обсерваторія була перейменована з Shuttle Infrared Telescope Facility в Space Infrared Telescope Facility, і вже на початку наступного десятиліття проект отримав вищий пріоритет.

SIRTF у варіанті початку 1990-х років являв собою телескоп масої 5,7 тонни, який повинен був працювати на високій навколоземній орбіті (High Earth orbit) з радіусом 100 тисяч кілометрів. Вартість інструменту оцінювали в 2,2 мільярда доларів, а вартість запуску, який після катастрофи шатла «Челленджер» 28 січня 1986 року мала здійснити ракета Titan IV з розгінними блоками Centaur, — у 500 мільйонів доларів. Однак після втрати автоматичної міжпланетної станції Mars Observer і виявлення проблем з дзеркалом «Хаббла» (див. Hubble’s Mirror Flaw) бюджет всього проекту скоротили в кілька разів, що призвело до заміни пускової ракети на більш дешеву Delta II і проектування сучасної версії обсерваторії, яку назвали на честь американського астрофізика Лаймана Спітцера.

Ріс. 3. Ліворуч: порівняння двох проектів інфрачервоної обсерваторії — варіанту SIRTF початку 1990-х років і остаточного проекту «Спітцера». Праворуч: схема розташування наукових і допоміжних приладів «Спітцера», а також фотографія телескопа в складальному цеху. Малюнки з сайтів irsa.ipac.caltech.edu і americanscientist.org

Телескоп «Спітцер» у підсумку виявився в шість разів легшим за попередній варіант, SIRTF, але при цьому мав той самий діаметр дзеркала (85 сантиметрів) і номінальну кріогенну тривалість життя (5 років). Знизити вагу телескопа багато в чому вдалося за рахунок зміни його орбіти з геоцентричної на геліоцентричну — це дозволило скоротити теплові перешкоди від Землі і зменшити кількість холодоагенту. Згідно з новим планом, телескоп повинен був звертатися навколо Сонця приблизно на тій же відстані, що і Земля, постійно відстаючи від нашої планети (приблизно на 0,1 а. е. на рік). Також інженери відмовилися від так званого холодного запуску (при виведенні «Спітцера» в космос до наднизьких температур охолоджувалися лише інфрачервоні детектори, а інші наукові прилади остигали вже на орбіті), а при збиранні телескопа використовували легкий метал берилій.

«Спітцер», запущений 2003 року, став останньою з чотирьох «великих обсерваторій» NASA після космічного телескопа «Хаббл», гамма-обсерваторії «Комптон» і рентгенівського телескопа «Чандра». Ці чотири інструменти, приблизно однакові за розміром, досліджували Всесвіт кожен у своїй області електромагнітного спектру.

Ріс. 4. Знімки галактики Вир (М51), виконані «Спітцером» і обсерваторією Кітт-Пік на різних довжинах хвиль. На зображенні (а) галактика показана у видимому світлі (довжини хвиль — 0,4 і 0,7 мікрону). Зображення (b) об’єднує видиме та інфрачервоне випромінювання. Знімки (c) і (d) були створені виключно за допомогою даних «Спітцера» і показують M51 в інфрачервоному діапазоні. Зображення з сайту jpl.nasa.gov

Однією з головних цілей «Спітцера» було спостереження за далекими і холодними об’єктами. Багато з них приховані у видимому діапазоні, але добре видно в інфрачервоному, що пов’язано відразу з кількома факторами. По-перше, міжзоряне середовище заповнене пилом, що складається з мінеральних, органічних і крижаних частинок субміліметрового розміру, який створює серйозну перешкоду для коротких хвиль видимого світла, але при цьому досить прозоре для більш довгохвильового інфрачервоного випромінювання. По-друге, інфрачервоні обсерваторії чутливі до об’єктів з температурою від 3000 до 3 кельвінів (тобто від 2727 до _ 270 градусів Цельсія), що дозволяє, наприклад, досліджувати холодну міжзоряну матерію і протопланетні диски. Крім того, через розширення Всесвіту збільшується довжина хвилі випущеного далекими джерелами випромінювання — цей феномен називається космологічним червоним зміщенням. Тому інфрачервоний діапазон добре підходить для вивчення об’єктів, які сформувалися на ранніх епохах космічної еволюції, а значить, дуже далекі від нас.

Ріс. 5. Біло-блакитний надгігант Каппа Кассіопеї (HD 2905) та інфрачервоне світіння (червона область) ударної хвилі, яку зірка створює приблизно в 4 світлових роках попереду себе. Фронт ударної хвилі формується там, де магнітне поле світила і його зоряний вітер стикаються з розсіяними газом і пилом, які заповнюють простір між зірками. Кольори на цій фотографії штучні: інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль 3,6 і 4,5 мкм показано синім, з довжиною хвилі 8 мкм — зеленим, 24 мкм — червоним; все зображення, таким чином, складено з декількох знімків, зроблених «Спітцером» на різних довжинах хвиль. Фото з сайту nasa.gov

Місія «Спітцера» була розділена на два етапи, холодний і теплий, що пов’язано з технічними обмеженнями. Оскільки телескоп вивчав Всесвіт в інфрачервоному діапазоні (який людське тіло сприймає як тепло), йому самому треба було залишатися холодним, щоб його власне теплове випромінювання не створювало перешкоди. Тому на борту телескопа був встановлений резервуар з рідким гелієм, який допомагав підтримувати температуру наукових приладів на рівні 1,4 кельвіна.

Спочатку планувалося, що холодоагента вистачить на 2,5 роки, однак завдяки тому, що «Спітцер» був захований за термозахисним екраном і знаходився (і досі знаходиться) на геліоцентричній орбіті, де температура середи становить приблизно 35 кельвінів, охолодження його інструментів частково відбувалося природним чином, і інженерам вдалося розтягнути запаси рідкого гелію на 5,5 років. У цей період обсерваторія проводила спостереження Всесвіту на довжинах хвиль від 3 до 160 мікрон. Після спустошення гелієвого резервуара в 2009 році з’ясувалося, що два модулі його основного наукового інструменту IRAC (Infrared Array Camera), які вели спостереження в короткохвильовій частині інфрачервоного діапазону, не втратили свою функціональність, і місія обсерваторії відновилася в рамках «теплої» спостережної програми при температурі обладнання 28 кельвінів.

Ян Хаоцзін (Haojing Yan),

професор астрономії в Університеті Міссурі, колишній постдок у Spitzer Science Center:

Ян Хаоцзін (Haojing Yan). Фото з сайту physics.missouri.edu

«Хоча [інфрачервоні] вікна, через які він спостерігав [Всесвіт], дійсно були доступні його попередникам, можливості» Спітцера «на порядки краще з точки зору чутливості, просторового дозволу і спектрального охоплення. З цієї причини він зробив найважливіший внесок у надзвичайно широке коло наукових тем, включаючи дослідження Сонячної системи (завдяки його системам несидеричного * стеження, які використовувалися для спостереження за, наприклад, кометами), екзопланет, нашої галактики Чумацького Шляху та інших близьких і далеких галактик. Широта і глибина його внеску, безумовно, були далеко за межами найсміливіших фантазій не тільки в 70-ті роки, коли ідея його створення тільки народилася, але навіть перед самим запуском «.

«Спільнота астрономів, що займаються позагалактичними дослідженнями, тільки в найсміливіших мріях могла сподіватися, що SIRTF зможе побачити галактики на червоних зміщеннях до ауд 3 — і те, якщо дуже пощастить. Однак він легко дістався до значення ауд 6 (а деякі говорять і про z ауд 11, хоча я ставлюся до цього з легким скепсисом). Я досі пам’ятаю своє хвилювання, коли ми отримали перші результати. Будучи постдоком, я брав участь у програмі GOODS — Great Observatories Origins Deep Survey, і спостереження «Спітцера» були ключовим компонентом цієї програми. Після того, як ми закінчили обробляти дані, отримані в рамках GOODS, ми виявили абсолютно несподівану річ: чітке зображення галактики з червоним зміщенням 5,83. Я буквально підстрибнув на стільці, коли побачив це на екрані! Це повністю змінило наш погляд на ранній Всесвіт. Сам факт того, що галактика з високим червоним зміщенням виявляється на «спітцерівських» довжинах хвиль, означає дві речі: що в ній має бути величезна кількість зірок, вік яких досягає декількох сотень мільйонів років (Але вік Всесвіту в той час становив лише ауд 1 мільярд років, тобто він був ледь старше самих зірок)і що перша група галактик, що утворилися у Всесвіті, повинна була почати формуватися протягом перших декількох сотень мільйонів років після Великого вибуху — ніхто не міг подумати, що народження галактик починається так рано «.

У число наукових завдань «Спітцера» увійшли вивчення Сонячної системи і холодних навколозвїзних газопильових хмар, пошук невловимих коричневих карликів, продовження раніше розпочатого IRAS дослідження формованих зірок при більш низьких температурах і світності, пошук потужних інфрачервоних галактик і спостереження за відомими на той момент квазарами. До моменту початку його роботи завдяки інфрачервоним спостереженням було зроблено вже чимало важливих відкриттів — наприклад, вчені виявили кільця Урану, молекули води в атмосферах Юпітера і Сатурна, інфрачервоні пір’я (нитевидні космічні структури, що випускають інфрачервоне випромінювання, див. Infrared cirrus). Але результати, отримані «Спітцером», зробили справжню революцію в інфрачервоній астрономії.

Ріс. 6. Молекулярна хмара Персея (див. Perseus molecular cloud). Ця гігантська хмара (її маса оцінюється більш ніж в 10 000 мас Сонця, а її протяжність становить більше 500 св. років) розташована на відстані близько 1000 світлових років від нас в сузір’ї Персея. Воно займає досить велику ділянку неба — «прямокутник» розміром приблизно 6 ст.1 2 градуси (для порівняння: кутовий діаметр Місяця становить всього 0,5 градуса, тобто на площі небосвода, що займається хмаром Персея, можна спокійно розмістити як мінімум 48 місячних дисків), але неозброєним оком його не побачити: наші очі не вміють накопичувати протягом тривалого часу світло від слабких джерел. На зображенні, отриманому телескопом «Спітцер», підписані яскраві зоряні скупчення: IC 348 і NGC 1333. Фото з сайту jpl.nasa.gov

Як і очікувалося, «Спітцер» допоміг значно просунутися в дослідженні молодих галактик. Йому вдалося отримати знімки об’єктів, світло від яких йшло до нас більше 13 мільярдів років, які показали, що масивні галактики існували вже через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, що допомогло скоригувати теорії їх формування.

Крім того, завдяки широкому полю зору (поле огляду камери IRAC становить 5,2 ст.1 5,2 кутових хвилини; для порівняння — кутовий діаметр Марса становить 3,5-25,1 кутових секунди) «Спітцер» зміг отримати 360-градусну панораму нашої власної Галактики (див. рис. 2). Вона була створена на основі двох мільйонів інфрачервоних знімків, які обсерваторія робила протягом десяти років (сумарна витримка, однак, склала тільки 172 дні). За допомогою цієї панорами дослідники змогли уточнити карти спіральної структури Чумацького Шляху, а також вивчити центральний бар — витягнуте утворення в центральній області Галактики з відносно високою щільністю зірок і міжзоряного газу, що лежить в площині галактичного диска (R. A. Benjamin et al., 2005. First GLIMPSE Results on the Stellar Structure of the Galaxy).

Також «Спітцер» показав, що в Чумацькому Шляху набагато більше вуглецю, ніж вважалося раніше, і виявив фуллерени — досить незвичайний клас шароподібних молекул із замкнутою поверхнею, що представляють собою одну з аллотропних форм вуглецю. Фуллерени були відкриті порівняно в 1985 році при дослідженні парів графіту після його лазерного опромінення, а через 25 років «Спітцер» вперше зареєстрував їх у планетарній туманності Tc 1 (J. Cami et al., 2010. Detection of C₆₀ and C₇₀ in a Young Planetary Nebula). Вчені вважають, що, очевидно, фулерени народилися в шарах оболонки, скинутої на останніх стадіях життя зіркою, яка породила цю туманність. Наступні дослідження показали, що вони дійсно досить часто зустрічаються в міжзоряному середовищі (M. A. Cordiner et al., 2019. Confirming Interstellar C₆₀⁺ Using the Hubble Space Telescope).

Ріс. 7. Композитне зображення спіральної галактики NGC 6872, складене на основі знімків, отриманих телескопами VLT, GALEX і «Спітцер». Блакитна пляма лівіше і вище NGC 6872 — нещодавно виявлена астрономами карликова галактика, в якій багато молодих гарячих зірок. Вона видна тільки в ультрафіолетовій частині спектра. NGC 6872 віддалена від нас приблизно на 212 млн св. років. Відстань між кінцями її спіральних рукавів має бути більше 500 000 св. років — тобто вона більше ніж у п’ять разів перевершує за розмірами наш Чумацький Шлях. Прямо над диском NGC 6872 розташована взаємодіюча з нею невелика галактика IC 4790. Недавні дослідження (в тому числі і на основі даних «Спітцера») показали, що взаємодія двох галактик почалася близько 130 млн років тому і призвела до спалахів зіроутворення в обох спіральних рукавах NGC 6872. Яскрава пляма правіше диска NGC 6872 — зірка Чумацького Шляху (навколо неї добре видно дифракційні промені). Фото з сайту jpl.nasa.gov

Ще одним внеском у вивчення хімії космосу стало дослідження «первинного супу» Сонячної системи. «Спітцер» проводив спостереження в той час, коли космічний апарат Deep Impact вперше в історії скинув на комету Темпеля 1 зонд, що протаранив її поверхню. Астрономи виконували цей експеримент, щоб з’ясувати, які з’єднання містяться в більш глибоких шарах небесного тіла: вважається, що комети сформувалися досить далеко від нашого світила і досі зберігають примітивний будівельний матеріал Сонячної системи. Поєднання даних, отриманих Deep Impact, з даними «Спітцера» дозволило виявити з’єднання, які брали участь в утворенні астероїдів, планет та інших небесних тел. Багато ідентифікованих компонентів були відомі раніше, але були знайдені і несподівані «інгредієнти» — наприклад, карбонати, залізовмісні сполуки і ароматичні вуглеводні.

Однак найбільш гучні результати припали на частку екзопланет. Коли ідея створення космічної інфрачервоної обсерваторії ще тільки народилася, вченим не було відомо жодної планети за межами Сонячної системи. Перше достовірне свідчення їх існування було отримано в 1992 році, коли астрономи Олександр Вольщан і Дейл Фрейл (Dale Frail) виявили відразу дві планети навколо пульсара PSR B1257 + 12 (A. Wolszczan & D. A. Frail, 1992.