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

Освоение космоса человеком открыло новую страницу в исследовании Вселенной. Во-первых, появилась возможность наблюдения в диапазонах, для которых земная атмосфера непрозрачна. Во-вторых, стало реальным непосредственно изучать тела Солнечной системы и условия в ней с помощью космических аппаратов, а иногда даже возвращать на Землю образцы для более детального анализа в лабораториях. Пилотируемая космонавтика также внесла свой вклад в космические исследования: это и ремонт космического телескопа Hubble, и исследования Луны, и создание больших долгосрочных космических станций с хорошим энергообеспечением и относительно низкой стоимостью вывода аппаратуры на орбиту, и исследования Земли из космоса. Кроме прикладных задач в ходе такой работы решаются и фундаментальные (в том числе имеющие отношение к астрофизике).

Есть несколько важных причин, делающих необходимыми астрономические наблюдения из космоса, несмотря на их высокую стоимость и связанные с этим риски. Первая состоит в том, что земная атмосфера непрозрачна для жесткой коротковолновой части спектра (гамма-лучи, рентгеновское излучение и жесткий ультрафиолет), а также для части инфракрасного и микроволнового диапазонов. Кстати, сюда же можно отнести наблюдения космических лучей из космоса, от которых до поверхности доходят лишь или вторичные частицы, или излучение широких атмосферных ливней. Вторая причина связана с тем, что земная атмосфера «портит картинку» (даже в той части спектра, для которой она прозрачна): за счет атмосферной турбулентности изображение «дрожит» (что не позволяет добиться высокого углового разрешения) и «мерцает» (что ограничивает точность фотометрических измерений). Наконец, третья причина связана с созданием установок, для которых на Земле просто недостаточно места: это могут быть радиоинтерферометры с очень большой базой («Радиоастрон») или гравитационно-волновые детекторы, предназначенные для регистрации волн большой длины (eLISA).

Наблюдения в некоторых диапазонах спектра возможны только за пределами атмосферы.

Формально эра астрономических наблюдений из космоса началась 5 августа 1948 г., когда на трофейной ракете V-2 был запущен рентгеновский детектор, зафиксировавший излучение Солнца. С помощью детекторов на ракетах было сделано еще несколько важных открытий, включая обнаружение источника Скорпион Х-1 (Sco X-1) – двойной системы с аккрецирующей нейтронной звездой. Однако поток научных результатов резко возрос с появлением астрономических спутников, позволяющих проводить длительные многократные наблюдения.

Уже в апреле 1961 г. на борту спутника Explorer 11 был запущен первый гамма-телескоп. Более серьезный инструмент, работающий в самом жестком диапазоне спектра, был выведен на орбиту в 1967 г. на спутнике OSO-3 (Orbiting Solar Observatory, Орбитальная солнечная обсерватория), и с его помощью удалось идентифицировать первые индивидуальные гамма-источники. Кроме того, рентгеновский детектор на его борту стал первым рентгеновским телескопом, установленным на спутнике, и с помощью этого инструмента впервые удалось наблюдать излучение источника Sco X-1 в течение достаточно долгого времени. Следующим большим шагом вперед в космической гамма-астрономии стал спутник Cos-B, который был разработан Европейским космическим агентством и запущен в 1975 г.

Внеатмосферные наблюдения позволяют получать более высокое качество оптических изображений.

Среди множества гамма-спутников второй половины XX в. выделяется гамма-обсерватория Compton Gamma Ray Observatory, CGRO («Комптон»), выведенная на орбиту в 1991 г. При массе в 17 т это самый тяжелый астрофизический спутник в истории, и этот рекорд, по всей видимости, продержится очень долго.

Рентгеновские наблюдения позволили открыть аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры.

Ввиду важности наблюдений в гамма-диапазоне в космосе постоянно работает несколько соответствующих инструментов. Иногда это небольшие детекторы, выполняющие роль дополнительной нагрузки (как приборы эксперимента «Конус» на спутнике Wind («Ветер», поскольку аппарат изучает солнечный ветер)), иногда – большие установки на специализированных спутниках (таких как Fermi и Swift («Быстрый», поскольку аппарат способен быстро разворачиваться в сторону гамма-всплесков)). Также продолжаются разработки новых инструментов.

Процессы, приводящие к генерации гамма-излучения, не являются тепловыми. Они связаны или с существованием частиц, ускоренных до высоких энергий, или с ядерными процессами. А вот рентгеновское излучение может быть и тепловым, и нетепловым. В природе реализуется очень много сценариев, приводящих к испусканию рентгеновских лучей, поэтому неудивительно, что рентгеновские источники весьма многочисленны, и развитие этой ветви наблюдательной астрономии принесло (и продолжает приносить) много новой информации, востребованной как астрономами, так и физиками.

Первой специализированной рентгеновской обсерваторией стал запущенный в декабре 1970 г. аппарат Uhuru. К настоящему моменту на орбите побывало огромное количество аппаратов, проводивших наблюдения в этом диапазоне, – как крупные спутники, созданные ведущими космическими агентствами, так и небольшие приборы, разработанные и созданные в Японии, Индии и Китае, выведенные на орбиты с помощью собственных носителей со своих космодромов. Относительная доступность работы в этом диапазоне отчасти объясняется востребованностью мониторинга отдельных источников или участков неба значительной площади даже с помощью небольших инструментов.

Космические гамма-всплески около 30 лет оставались самой жгучей загадкой в астрофизике.

Важными этапами в развитии рентгеновской астрономии становилось появление новых спутников, позволяющих проводить обзоры неба на новом, значительно более высоком уровне чувствительности, или рентгеновских телескопов с рекордными характеристиками для изучения отдельных источников. К обзорным спутникам, сыгравшим большую роль, следует отнести ROSAT, который в 1990-е гг. представил полный обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне, и RXTE (Rossi X-ray Timing Explorer, Обсерватория для изучения временных характеристик ренгтеновских источников им. Росси), проводивший в течение 15 лет мониторинг рентгеновских источников по всему небу, измеряя их временные и спектральные характеристики.

Особо стоит выделить инструменты, которые были установлены на орбитальных космических станциях. С одной стороны, использование комплекса станции является достоинством: ниже стоимость вывода на орбиту, снижаются риски, есть возможность использовать энергетические ресурсы и средства связи станции. С другой стороны, трудно проводить высокоточные наблюдения, поскольку станции трудно или невозможно с достаточной точностью стабилизировать (на них работают люди, функционируют системы жизнеобеспечения и другое оборудование). Оптические, рентгеновские и ультрафиолетовые телескопы (в основном предназначенные для наблюдения за Солнцем) присутствовали уже на станции Skylab, а позднее важным шагом стал запуск астрофизического модуля «Квант», пристыкованного к станции «Мир» в 1987 г. Модуль содержал несколько инструментов, позволивших, в частности, получить рентгеновские спектры сверхновой SN 1987А. Сейчас на Международной космической станции работает рентгеновский детектор MAXI (Monitor of All-sky X-ray Image), созданный японским космическим агентством (JAXA), а недавно там начал свою работу прибор NICER, в основном предназначенный для изучения нейтронных звезд.