Сергей Попов - Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

Совершенно особое место в наблюдательной астрономии занимает Hubble Space Telescope («Хаббл»). Этот 2,4-метровый телескоп системы Ричи – Кретьена был выведен на орбиту шаттлом Discovery («Дискавери») в 1990 г. С тех пор оборудование на нем несколько раз обновляли, что позволило в течение десятилетий поддерживать работоспособность и научную конкурентоспособность инструмента. Благодаря работе телескопа вне пределов атмосферы на нем можно не только получать изображения высокой четкости, но и работать в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Существуют планы по созданию еще более крупных инструментов: следующее поколение наземных оптических телескопов будет иметь диаметр главного зеркала 25–40 м. Сейчас детально проработано три проекта, два из них находятся в стадии активного строительства. Эти большие телескопы должны начать научные наблюдения в 2020-е гг.

Первым новым крупным наземным инструментом, вероятно, станет Giant Magellan Telescope (GMT, Гигантский Магелланов телескоп). Его зеркало будет состоять из семи сегментов, каждый размером по 8,4 м. GMT будет установлен в Чили, в обсерватории Лас-Кампанас, и по плану войдет в строй в первой половине 2020-х гг.

Самый крупный инструмент следующего поколения – European Extremely Large Telescope (E-ELT, Экстремально Большой Европейский телескоп) Европейской южной обсерватории, который будет построен рядом с обсерваторией Паранал в Чили и введен в строй в середине 2020-х гг. Его сегментированное почти 40-метровое зеркало будет состоять из сотен отдельных управляемых элементов.

В 2020-е гг. будут введены в строй несколько телескопов диаметром 25–40 м.

Наконец, существует проект Thirty Meters Telescope (TMT, Тридцатиметровый телескоп), который планируется установить в 2020-х гг. в обсерватории Мауна-Кеа на Гавайях. Стоимость телескопов нового поколения составит около $1 млрд (за каждый).

Следующим большим космическим проектом должен стать James Webb Space Telescope (JWST). Его запуск намечен на 2019 г. JWST имеет раскладывающееся сегментированное зеркало диаметром 6,5 м и в первую очередь предназначен для работы в красной части видимого спектра и ИК-диапазоне. Стоимость таких космических проектов, как телескопы Hubble и James Webb, очень велика (с учетом многолетней эксплуатации – порядка $10 млрд), однако их научная отдача оправдывает вложенные средства.

Все эти новые инструменты позволят решить ряд важных вопросов, включая происхождение первых галактик и определение состава атмосфер экзопланет земной массы.

Астрономические объекты являются источниками радиоизлучения. В космосе существует множество процессов, приводящих к испусканию радиоволн: движение электронов в магнитном поле (циклотронное и синхротронное излучение), рассеяние электронов на ионах в плазме (тормозное излучение), переходы электронов в атомах и молекулах на более низкие уровни энергии (излучение в спектральных линиях), испускание электромагнитных волн холодными объектами (излучение пыли и пр.). Кроме того, в радиодиапазон из-за космологического красного смещения попадает субмиллиметровое и инфракрасное излучение очень далеких объектов.

Астрономические радионаблюдения начались в 1930-е гг., а бурное развитие этой области – после Второй мировой войны.

Попытки наблюдать небесные источники с помощью радиоволн проводились с начала XX в. Впервые обнаружить радиоизлучение от астрономического объекта удалось Карлу Янскому (Karl Jansky) еще в 1931 г. Он зарегистрировал постоянный радиосигнал, приходящий от центральных частей нашей Галактики. В 1930-е гг. проводились и другие работы в этом направлении, однако активное развитие радиоастрономии началось только после Второй мировой войны.

Наблюдения в радиодиапазоне позволили получить такие важные результаты, как обнаружение реликтового излучения (1965 г.), открытие квазаров (конец 1950-х гг.) и пульсаров (1967 г.), обнаружение радиоизлучения нейтрального водорода, а также сложных органических молекул и воды в межзвездной среде (1960–1970-е гг.), и многие другие.

Астрономические радионаблюдения проводятся в диапазонах длин волн от долей миллиметра (более короткие волны поглощаются молекулами воды и азота в атмосфере) до 30 м (для более длинных волн ионосфера Земли непрозрачна) [17] В описании астрономических радионаблюдений вместо длин волн часто используют частоту. Эти величины связаны между собой простой формулой ν = с/λ, где ν – частота, λ – длина волны, а c – скорость света. Например, частота 300 МГц соответствует длине волны 1 м. А известная длина волны излучения нейтрального водорода 21 см соответствует частоте 1,4 ГГц. . Это так называемое окно прозрачности атмосферы Земли в радиодиапазоне.

Радионаблюдения проводятся на длинах волн от примерно 0,3 мм до 30 м.

Наблюдения в радиодиапазоне имеют свою специфику, связанную с низкой энергией и большой длиной волны. В результате доминируют не квантовые, а волновые свойства принимаемого излучения.

Радиотелескопы можно разделить на два основных типа. Первый тип по своему принципу работы является аналогом оптических телескопов-рефлекторов: поверхность антенны имеет параболическую или сферическую форму для фокусировки радиоизлучения. Второй тип антенн не фокусирует сигнал, а вместо этого использует очень большое количество отдельных принимающих элементов. Кстати, в быту мы используем оба этих типа антенн: «тарелки» для приема программ спутниковых телепрограмм и разнообразные вибраторные антенны (примером которых являются «рожки» у приемников и телевизионные антенны на крышах).

Астрономические радиоисточники обычно очень слабые, поэтому для их регистрации требуется создание установок с большой собирающей площадью. Размеры современных радиотелескопов поражают: в течение долгого времени самую большую фокусирующую поверхность в радиоастрономии (да и в астрономии вообще) имел 305-метровый телескоп в Аресибо, а теперь рекорд принадлежит 500-метровому телескопу FAST (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope, Сферический телескоп с пятисотметровой апертурой) в Китае [18] Формально радиотелескоп РАТАН-600 Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (станица Зеленчукская, Карачаево-Черкесия) имеет бóльший размер (его диаметр 576 м), однако он является кольцевым рефлектором (отражатель имеет форму узкого кольца). . Эти гигантские антенны не поворачиваются, но перемещение вторичных узлов (где расположены вторичные отражатели или приемники сигналов) установки позволяет наблюдать различные небесные объекты. Самые большие полноповоротные антенны имеют размер около 100 м, примерами являются телескоп в Эффелсберге (Германия) и телескоп в Грин-Бэнк (США).