Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №08 за 2010 год

Но в природе встречаются электромагнитные волны в миллиарды раз длиннее и в триллионы раз короче волн видимого света. И для большей части этого излучения наша атмосфера не прозрачнее бетонной стены. Чтобы увидеть Вселенную во всей красе, нам, как и рыбам, надо выбраться из привычной среды обитания туда, где нечем дышать, но зато и нет препятствий, чтобы смотреть. Или не выбираться самим, а послать туда «глаза»: спутники с телескопами.

Утраченные приоритеты

На сегодня безоговорочное лидерство в области космических обсерваторий принадлежит NASA, но первой солнечной обсерваторией был «Спутник-2», выведенный на орбиту в Советском Союзе 3 ноября 1957 года, который регистрировал излучение в нескольких участках спектра — от жесткого ультрафиолета до мягкого рентгена. Изображений этот примитивный «телескоп» не давал, но тогда для дальнейшего развития космической техники достаточно было просто знать уровень жесткого излучения на орбите. Американцы запустили свои солнечные обсерватории «Пионер-5» и SOLRAD I только в 1960 году. А первая общеастрономическая обсерватория OAO-1 (Orbital Astronomical Observatory) была выведена ими на орбиту 8 апреля 1966 года. Сразу после запуска на ее борту возникли проблемы с электропитанием, и спутник вышел из строя, так и не приступив к наблюдениям. Вторую попытку NASA предприняло лишь в конце 1968 года, уже после того, как стартовал советский спутник «Космос-215», несущий восемь небольших 70-миллиметровых ультрафиолетовых телескопов и детектор рентгеновского излучения. Основной его задачей было изучение горячих звезд спектральных классов O и В, чье излучение по большей части приходится на ультрафиолетовый диапазон. Аппарат был устроен предельно просто: в полете он стабилизировался вращением и потому не мог получать изображения звезд, а лишь измерял их блеск в разных спектральных диапазонах. Этот запуск закрепил приоритет в области космического телескопостроения за Советcким Союзом, но детекторы излучения для этого спутника разрабатывались в Эстонии, что дает ей некоторые основания претендовать на соучастие в этом приоритете. «Космос-215» проработал всего полтора месяца, насколько хватило заряда батарей, после чего СССР на 15 лет утратил интерес к орбитальной астрономии (за исключением исследований Солнца, которыми занимались несколько спутников по программе «Интеркосмос»).

Лишь в 1980-х годах Советский Союз вновь вернулся к орбитальной астрономии. Были запущены обсерватории «Астрон», «Гранат» и «Гамма» для исследований в рентгеновском и гамма-диапазонах, а к станции «Мир» пристыкован астрофизический модуль «Квант» с обсерваторией «Рентген», которая, правда, использовалась довольно мало. С распадом СССР почти все астрономические проекты в космосе были вновь заморожены (за исключением солнечных обсерваторий «Коронас»).

Экстремальные кванты

Из более чем сотни обсерваторий, запущенных в космос за полвека, большинство вели наблюдения в рентгеновском диапазоне. Рентгеновское излучение испускается веществом с температурой в миллионы градусов. Такое бывает, например, когда газ падает на сверхплотный объект — нейтронную звезду или черную дыру, закручиваясь в диск и разогреваясь динамическим трением. Другой случай — солнечная корона. Здесь магнитные поля, питаемые энергией из глубин светила, нагревают крайне разреженное вещество до миллиона градусов и выше. А иногда на Солнце появляются активные области, рентгеновское излучение которых намного превосходит обычный фоновый уровень. Наконец, встречается и нетепловое, так называемое синхротронное рентгеновское излучение, возникающее, когда поток быстрых электронов попадает в сильное магнитное поле, например, молодой нейтронной звезды, закручивается под его влиянием и начинает тратить энергию на излучение.

Таким образом, в рентгеновском диапазоне можно наблюдать за веществом в самых экстремальных состояниях. Но и сами рентгеновские кванты — весьма экстремальны. Их энергии достаточно, чтобы оторвать от атома практически любой электрон, разрушить любую молекулу, а жесткий рентген может даже возбуждать атомные ядра. Обычным зеркалом фокусировать рентгеновское излучение можно с тем же успехом, что и поток автоматных пуль. Если мягкое рентгеновское излучение еще может отражаться от полированного металла при скользящем падении под углом менее одного градуса, то жесткий рентген и гамма-кванты регистрируются иначе. Для выбора направления используют узкие трубки, отсекающие кванты, приходящие сбоку, а приемником служит сцинтиллятор, в котором энергичные кванты ионизируют атомы. Вновь объединяясь с электронами, атомы испускают видимое или ультра фиолетовое излучение, которое регистрируют при помощи фотоэлектронных умножителей. По сути, в таких телескопах ведется подсчет отдельных квантов излучения и уже потом при помощи компьютера формируется изображение.

Изображение Солнца в рентгеновском диапазоне с новой орбитальной обсерватории SDO (Solar Dynamics Observatory). Большинство специализированных космических обсерваторий занимаются изучением Солнца. Некоторые из них, например SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), работают в точке Лагранжа L1 и никогда не попадают в земную тень. Но поскольку SDO должна передавать огромный поток данных, она помещена ближе к Земле — на геостационарную орбиту. Фото: NASA; NASA, ESA AND THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STSCI/AURA)

Тепло и холод

Интерес астрономов к рентгеновскому и окружающим его ультрафиолетовому и гамма-диапазонам был столь велик, что за первые 15 лет развития космической астрономии не было запущено ни одной обсерватории для наблюдений в других диапазонах. Только в 1983 году NASA отправило на орбиту инфракрасную обсерваторию IRAS, которая за 10 месяцев построила первую в мире тепловую карту неба.

Впрочем, основная причина такой задержки, конечно, не в недостатке интереса. На самом деле создать инфракрасный телескоп сложнее, чем рентгеновский. Да, здесь нет квантов с разрушительной энергией, и зеркала прекрасно отражают инфракрасное излучение. Вот только вдобавок эти зеркала сами его испускают. Если не принимать специальных мер, температура спутника на околоземной орбите составляет 200–300 градусов Кельвина, а значит, все его детали интенсивно светят как раз в том самом инфракрасном диапазоне, в котором планируется вести наблюдения.

Представьте, что линзы вашего фотоаппарата стали светиться, как лампы дневного света. Ясно, что ничего хорошего в кадре не получится. Поэтому всю оптику и детекторы орбитальных инфракрасных телескопов приходится охлаждать жидким гелием, запас которого привозится с Земли в сосуде Дьюара. И как только гелий заканчивается, телескоп выходит из строя. Поэтому раньше инфракрасные обсерватории обычно не работали больше двух лет. Но в последние годы благодаря совершенствованию криогенной техники срок работы обсерваторий удалось продлить. Новая европейская инфракрасная обсерватория «Гершель» рассчитана на три года эксплуатации. Столько же должна проработать микроволновая обсерватория «Планк», требования к охлаждению телескопа которой еще более жесткие.