Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://jet.sao.ru/hq/lrk/ALMA.html
Дата изменения: Unknown Дата индексирования: Sun Apr 10 00:12:55 2016 Кодировка: koi8-r Поисковые слова: внешние планеты |
Скоро в чилийских Андах вступит в строй ALMA. Этот огромный интерферометр для субмиллиметрового диапазона волн - совместный проект европейских, северо-американских и японских ученых. Он откроет совершенно новые возможности для исследования "происхождения" нашего мира: рождения планетных систем и первых фаз развития галактик.
Огромная собирающая площадь, огромное пространственное
разрешение и ошеломляющий прогресс в технологии детекторов делают
большую миллиметровую решетку ALMA в пустыне Атакама уникальным
инструментом: она позволяет наблюдать в миллиметровом и субмиллиметровом
диапазонах волн с чувствительностью на много порядков лучшей, чем прежде.
И разрешение ее сравнимо с разрешением самых больших, работающих
на дифракционном пределе оптических и ИК телескопов.
Более 20 лет астрономы всего мира мечтали об интерферометре нового
поколения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. В США в этом
направлении активизировались работы в начале 80-х годов по проекту
"миллиметровой решетки", опираясь на большой успех двух интерферометров,
действовавших в Калифорнии и разработанных Калифорнийским технологическим
институтом и Калифорнийским университетом в Беркли.
Обычные звезды излучают свою энергию большей частью в видимой части
спектра и близком ИК диапазоне. Теплая межзвездная пыль с температурами между
30 и несколькими сотнями градусов Кельвина излучает в далеком ИК диапазоне с
длинами волн от 30 до 200 мкм, холодная же пыль с температурами ниже 20К
излучает прежде всего на субмиллиметрах с длинами волн более 200 микрон.
Из-за сильной зависимости излучения от длины волны и роста поглощения в земной
атмосфере на более коротких волнах для наземных инструментов диапазон волн
от 1.5 до 0.8 мм является самым оптимальным для исследования межзвездной пыли.
ALMA строится в настоящее время в пустыне Атакама. Это одно из самых сухих мест на Земле и поэтому идеально подходит для субмиллиметровой радиоастрономии. Только царящая там предельно низкая влажность делает атмосферу прозрачной для субмиллиметрового излучения. Великолепное пространное место в Llano de Chajnantor, вблизи Сан Педро де Атакама (на карте справа внизу) позволяет проводить наблюдения на субмиллиметрах в любое время года, и антенны можно оптимально разместить на площади более 100 кв. км. Возможны и более длинные базы, до 20 км, если использовать прилегающие территории. Ввод в строй проекта ALMA в этом месте произведет настоящую революцию в субмиллиметровой астрономии, откроет совершенно новые области в частотном перекрытии каналов, пространственном разрешении, чувствительности и качества изображения. Широкий набор частично конкурирующих требований по высокой чувствительности и угловому разрешению достигается тем, что отдельные антенны можно располагать в самых различных конфигурациях. Передвигаться антенны будут с помощью специальных транспортеров. Пример относительно компактного расположения антенн показан на рис.1 .
Ниже мы опишем важнейшие аспекты техники наблюдений, с одной стороны,
мы покажем ограничения, имеющие место на современных интерферометрах,
с другой стороны, приведем новые возможности проекта ALMA.
Наряду с непосредственным месторасположением телескопа на плато Chajnantor, так называемым Array Operation Site (AOS, см. рис. 3), где расположены телескопы и техническое здание с коррелятором, проект ALMA включает и другие важные компоненты. Чтобы сократить до минимума работы на высокогорном плато, на высоте 2900 м, построен базовый лагерь, так называемый Operation Support Facility (OSF), где антенны собираются, тестируются и регулярно обслуживаются. Для доставки антенн из базового лагеря на плато и обратно проложена 43-километровая гравийная автострада, по которой движутся огромные специальные трейлеры (см. рис.4 ). Из нижнего лагеря проводятся и наблюдения. Здесь же организуются и научные работы, непосредственно связанные с наблюдательным процессом. После наблюдений все данные передаются в офисы ALMA в Сантьяго де Чили, где наряду с администрацией располагается также архив с данными. Связующим звеном между проектом ALMA и астрономами Европы, Северной Америки и Дальнего Востока служат так называемые региональные центры ALMA (ARCs). В Европе такой центр запланирован при ESO (Garching), он будет усилен филиалами в шести других европейских странах.
Прежде, чем перейти к описанию возможностей ALMA, мы хотели бы представить
APEX (Atacama Pathfinder Experiment). На этом 12-метровом телескопе для
наблюдений в субмиллиметровом диапазоне уже сегодня можно проводить
исследования, которые можно затем продолжить и уточнить с высоким
пространственным разрешением на ALMA.
Наблюдения теплового излучения холодной пыли в континууме представляют
оптимальный вариант изучения самых ранних стадий звездообразования в Млечном
пути. Хотя в последние годы и наблюдались отдельные молекулярные облака с
помощью новых болометров и болометрических камер, но пока нет полных карт
холодной пыли. Рис. 6. Этот фрагмент из карты Млечного пути, полученной телескопом APEX, показывает эмиссию холодной пыли над плоскостью Галактики (около 4 градусов) в направлении нормального спирального рукава. Фрагмент из уже полученной карты Млечного пути показан на рисунке 6. Наряду с многочисленными компактными источниками различной яркости видны и более слабые протяженные эмиссионные области, а также ряд пятен размерами до нескольких градусов. Отдельные компактные источники - это уплотнения в молекулярных облаках, в которых или уже возникли звезды, или есть сырой материал, из которого в будущем образуются звезды и звездные скопления. Эти сгустки обычно размерами в несколько световых лет, а их массы в среднем несколько сотен солнечных масс. Часто эти сгустки, связанные пятнами, образуют более протяженные области. Полный обзор будет содержать порядка нескольких десятков тысяч холодных пылевых источников и дать богатый статистический материал для изучения возникновения массивных звезд и звездных скоплений. Многие из этих новых источников станут интересными объектами для последующего исследования их с большим разрешением на интерферометре ALMA.
Одним из интереснейших открытий субмиллиметровой астрономии было
несомненное доказательство субмиллиметрового реликтового излучения, которое,
в свою очередь, аналогично рентгеновскому фону, сводится к дискретным
источникам на больших космологических расстояниях.
Это излучение дат огромные массы теплой пыли. Так как пыль разогревается
горячими массивными и потому короткоживущими звездами, ее тепловое излучение
является прямым показателем активности зарождения звезд в источнике.
Наблюдение статистически существенного числа таких источников показало,
что все оценки коэффициента звездообразования в ранней Вселенной,
основывавшиеся только на оптических данных, например Hubble Deep Field (HDF),
оказались сильно заниженными.
Обладая великолепными чувствительностью и разрешением, ALMA сможет
провести новаторские исследования практически во всех областях астрофизики.
Максимальная научная достоверность наблюдения достигается в случае, когда
на всех длинах волн, которые излучает изучаемый объект, можно получить еще и
сравнимое пространственное разрешение.
На субмиллиметрах по разрешению ALMA приближается к большим оптическим
телескопам, поэтому комплексное использование ALMA и оптического телескопа VLT,
расположенного всего в нескольких сотнях километров на Cerro Paranal
(см. рис. 2), будет иметь решающее значение. Некоторое время назад по результатам новых наземных наблюдений кардинально изменились наши взгляды на систему Плутон-Харон. В атмосфере Плутона обнаружен метан (СН4) и другие тяжелые газы, как, например, азот. Кроме того, удалось составить карты альбедо системы с пространственным разрешением (рис. 7). Эти карты получены по результатам, снятым во время обоюдных затмений системы Плутон-Харон. Прямые наблюдения с космического телескопа Хаббла позволили позже определить диаметр обоих тел и подтвердить распределение структур альбедо.
В диапазоне миллиметровых волн систему Плутон-Харон исследовал ранее
Wilhelm Altenhoff с помощью 30-метрового телескопа IRAM. Эти наблюдения
показали поразительно низкие яркостные температуры, вблизи равновесных.
Фактическое же значение температуры важно для всех моделей атмосферы Плутона,
так как температуры сублимации известных ее составных частей
(CH4, N2 и CO)
находятся под вопросом. Для прямых наблюдений планет вне Солнечной системы в видимом диапазоне самым большим препятствием является огромный контраст яркости между звездой и и планетой. Этот перепад яркостей в субмиллиметровом диапазоне существенно ниже. И разрешение инструмента ALMA достаточно, чтобы отделить ближайшие планеты, аналогичные "горячему" Юпитеру, от их звезд. Проблема опять-таки в крохотной яркости этих планет. Поэтому для близлежащих систем время наблюдений растягивается на много дней. Обещают успех наблюдения планет во время их возникновения в протозвездных аккреционных дисках.
Наблюдения на космическом телескопе Хаббла дали в последние годы
сенсационные снимки аккреционных дисков, у молодых, только что образовавшихся
звезд. Но чтобы точно представлять, как в этих дисках частички пыли вырастают
до образования так называемых планетозималей (это твердые тела размерами до
нескольких километров), необходимы измерения на субмиллиметрах с высоким
пространственным разрешением, которые можно провести только на интерферометре
ALMA. Рис. 8. Цифровая симуляция наблюдений ALMA показывает околозвездный аккреционный диск, в котором образуется юпитероподобная планета массой в пять масс Юпитера. Картинка показывает диск на расстоянии 150 миллионов световых лет.
Звезды образуются посредством коллапса молекулярных облаков под влиянием
гравитации. Во время такого сжатия уже небольшой начальный вращательный импульс
приводит к уплощению ядра молекулярного облака и образованию вращающегося
аккреционного диска в экваториальной плоскости системы. Из-за трения в плотном
диске вращательный импульс передается наружу, так что новая материя проникает
внутрь ядра и собирается на растущей протозвезде. Рис. 9. На этой карте, полученной с помощью интерферометра IRAM на Плато де Бур, показаны эмиссионные линии биполярного молекулярного потока молодой звезды, причем на левом снимке представлен медленный, на правом - быстрый компонент. Видно, что быстрый газ сильнее коллимирует к полярной оси, чем медленный. Красные контуры показывают излучение околозвездного пылевого диска.
На поздних стадиях развития звезды, подобные Солнцу, становятся Красными
гигантами. Так как ускорение свободного падения на поверхности Красного
гиганта мало, он непрерывно теряет вещество, а из-за низких температур
(от 2000 до 3000К) в этом "звездном ветре" тотчас же образуются
простые молекулы. На большом расстоянии, когда температура падает ниже 1500 К,
молекулы конденсируются на пылевых сгустках. Последние из-за большого давления
излучения Красного гиганта ускоряются и захватывают с собой посредством
трения несконденсированные молекулы. Рис. 10. Интерферометр IRAM на Плато де Бур снял карту молекулярной оболочки звезды TT Cigni. В свете спектральной линии окиси углерода в сечении появляется тонкая оболочка, образованная эпизодически меняющейся потерей массы.
Последние результаты такого высокого качества, что весьма интересно сравнить
их с современными химическими моделями, учитывающими наряду с начальными
условиями, определяемыми звездными атмосферами, еще и заметное влияние
ультрафиолетовых межзвездных полей излучения.
Высокое пространственное разрешение и отличная чувствительность инструмента
ALMA позволят детально изучить внутренние области околозвездных оболочек.
На нем можно также разрешить субмиллиметровые фотосферы ближайших звезд и
измерить их температурное распределение. Посредством наблюдения сильно
возбужденных спектральных линий многих молекул можно определить профили
распределения температур по всей горячей Рис. 11. Так устроена самая внутренняя оболочка Красного гиганта: если здесь однажды образуется пыль, то она под давлением излучения звезды ускоряется наружу и захватывает с собой молекулы. Такие околозвездные оболочки из пыли и молекул в сто раз больше, чем показано на рисунке. Учтено, что максимальное разрешение ALMA соответствует примерно половине радиуса звезды! ALMA будет поставлять прямую информацию с таких пространственных масштабов, на которых рефрактерные молекулы конденсируются в сгустки пыли, и тем самым позволит получить новые фундаментальные знания об обеднении элементов и процессах возникновения пыли.
При описании научных направлений APEXa мы уже дискутировали о значении
поиска галактик в ранней Вселенной по их субмиллиметровому излучению.
Большие болометрические камеры на отдельных телескопах хотя и не проигрывают
в чувствительности интерферометру ALMA, но их относительно слабое
пространственное разрешение имеет решающий недостаток: в субмиллиметровом
диапазоне быстро достигается граница "путаницы" (Confusion).
Это значит, что галактики так плотно расположены на небе, что больше
не разрешаются на отдельные источники. Здесь ALMA поможет ответить на важные
вопросы по звездообразованию в ранней Вселенной.
Наблюдения на интерферометре ALMA могут дополнить результаты целого ряда
других, будущих обсерваторий:
В 2009 году успешно стартовала европейская миссия ГЕРШЕЛЬ
(см. ПЛАНК и ГЕРШЕЛЬ). Со своим зеркалом диаметром в 3.5 м Гершель стал самым
большим телескопом, работающим в космосе. Кроме того, это единственный
телескоп, работающий в диапазонах от субмиллиметрового до далекого инфракрасного.
Он может исследовать молекулы, трудно наблюдаемые с Земли, например, воды.
Тем не менее, пространственное разрешение ГЕРШЕЛЯ ограничено в лучшем случае
4 секундами дуги. Тогда ALMA может исследовать внутренние структуры объектов,
наблюдавшихся ГЕРШЕЛЕМ. В последние годы проект ALMA сделал огромные шаги вперед, так что первые наблюдения на этом инструменте возвращаются в обозримое будущее. Прототипы антенн "ALMA Test Facility" в Нью-Мехико проверены и уже дают первые интерферометрические спектры (рис.12). Рис. 12. Прототипы антенн ALMA в Нью-Мехико сняли этот первый интерферометрический спектр. На нем показаны линии сложных молекул в массивной области звездообразования туманности Ориона.
Готовые антенны поставляются: Северо-американские и европейские партнеры
поставили 25 антенн от Vertex RSI и европейского консорциума AEM и заключили
договоры на дальнейшие 32. Многие антенны от Vertex уже доставлены, первая
была передана в декабре 2008 года официально для проекта ALMA.
И японцы поставили свою часть антенн: четыре 12- метровые антенны уже в Чили
и там тестируются.
|