Космический телескоп Kepler (NASA) - единственный астрономический инструмент видимого диапазона, работающий не на околоземной, а на околосолнечной орбите. Этот вариант размещения был выбран потому, что он облегчает постоянную ориентацию аппарата на один и тот же участок неба, на котором телескоп непрерывно и с высокой точностью измеряет блеск попавших в его поле зрения объектов (вести такие измерения с Земли технически невозможно из-за влияния атмосферы).
    Телескоп, запущенный 7 марта 2009 г. с мыса Канаверал ракетой-носителем Delta II, носит имя немецкого математика и астронома Иоганна Кеплера, открывшего законы движения планет, и создан специально для поисков планетоподобных спутников других звезд. Проект осуществляется в рамках программы Discovery.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ МИССИИ:     > Оценка общего количества-экзопланет и их типизация;     > Определение количества землеподобных планет в 'зонах обитаемости';     > Определение диапазона размеров и форм экзопланетных орбит;     > Оценка количества планет в системах двойных и кратных звезд;     > Обнаружение дополнительных спутников в каждой найденной планетной системе с использованием других методик (поиск возможных экзолун);     > Детальное изучение свойств родительских звезд;     > Исследование химического состава атмосфер экзопланет;     > Обнаружение планет, похожих на Землю по размеру, массе и составу;     > Предварительные оценки превалирующего типа экзопланет в исследуемой области и экстраполяция результатов на более широкие масштабы.     ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНСТРУМЕНТА:     > Спектральный диапазон -400-865 нм     > Динамический диапазон - 9т-И6т     > Орбита - гелиоцентрическая, близкая к земной (период обращения 372,5 дней)     > Габариты аппарата: диаметр - 2,7 м, длина - 4,7 м     > Общая масса - 1052,4 кг (фотометр - 478 кг; гидразиновое топливо для бортовых двигателей - 1,7 кг)

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Конструктивно космический аппарат Kepler представляет собой модификацию телескопа Шмидта. Через коррекционную линзу особого профиля диаметром 95 см свет поступает на главное зеркало телескопа размером 1,3 м. Отраженный от зеркала свет собирается в главном фокусе, где расположена мозаика из 21 пары специально созданных астрономических ПЗС-матриц, способных зарегистрировать почти каждый падающий на них фотон (чувствительность человеческого глаза в этом диапазоне на порядок меньше). Вся мозаика имеет размер примерно 30x30 см и состоит из 95 мегапикселей. Это крупнейшая ПЗС-матрица из всех когда-либо отправленных в космос.
    На матрице фокусируется свет свыше 4 млн. звезд, расположенных на площадке размером 105 квадратных градусов вблизи границы созвездий Лебедя и Лиры. Большинство этих звезд относится к рукаву Ориона нашей Галактики. В течение первого года работы был произведен отбор 156 тыс. объектов с достаточно существенными изменениями яркости. Далее телескоп 'переключился' на мониторинг тех из них, у которых в колебаниях блеска прослеживается четкий период ('непериодические' колебания могут возникать, например, из-за появления пятен на поверхности светила или его вспышек). Используемый способ наблюдений - метод транзитов19 - требует для уверенного отождествления экзопланеты зафиксировать не менее трех ее прохождений по диску 'родительской' звезды.

Область пространства, исследуемая телескопом Kepler, простирается примерно на 3 тыс. световых лет параллельно галактическому рукаву Ориона. Она 'заселена' достаточно большим количеством звезд и в то же время почти не заслонена от нас темными облаками космической пыли.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Весьма специфичную форму имеет рабочая орбита телескопа. Kepler следует в нескольких миллионах километров позади Земли по чуть более вытянутой орбите, удаляясь от нашей планеты примерно на 40 тыс. км в сутки. Он постоянно освещается Солнцем, что обеспечивает его стабильную температуру и бесперебойную работу солнечных батарей. Вдобавок исключается влияние земных и лунных приливов на ориентацию аппарата в пространстве.

На этом снимке, сделанном Картером Робертсом (Carter Roberts, Oakland, California), виден участок Млечного Пути, на который постоянно направлен космический телескоп Kepler. Каждый квадрат соответствует полю зрения пары элементов ПЗС-матрицы; всего в фокальной плоскости телескопа установлена 21 такая пара.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Научные достижения телескопа Kepler. 7 января 2013 г. на 221-м съезде Американского астрономического общества были представлены результаты наблюдений космического телескопа Kepler с мая 2009 г. по март 2011 г. Общее число найденных им 'экзопланетных кандидатов' достигло 2740. Размеры 351 из них сравнимы с размером нашей планеты (менее 1,25 земного диаметра), поперечник 816-ти находится в диапазоне от 1,25 до 2 диаметра Земли, 1290-от 2 до 6 диаметра Земли, 202 - от 6 до 15 диаметра Земли, а 81 объект оказался еще крупнее. 1171 'кандидат' входит в состав систем с более чем одной планетой. В последнее время среди обнаруженных объектов наблюдается преимущественный рост числа экзопланет, по размерам превышающих Землю не более чем вдвое.

С момента публикации в феврале 2012 г. последнего списка 'кандидатов в экзопланеты', обнаруженных поданным обсерватории Kepler, их количество возросло на 20% и сейчас составляет 2740 объектов, обращающихся вокруг 2036 звезд. Наибольшее увеличение (на 43%) коснулось числа землеподобных планет.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Руководители программы с гордостью рапортовали о завершении основной ее части и анонсировали начало нового этапа, рассчитанного еще на 4 года. С учетом опыта основной миссии и полученных в ходе нее результатов теперь перед телескопом поставлено более конкретное задание: он должен будет искать реальные землеподобные тела, массы которых сравнимы с массой Земли, а периоды обращения вокруг центральной звезды - с земным годом. Задача поиска экзопланет в 'зонах обитаемости' (где температурный режим допускает существование на их поверхности жидкой воды) прямым текстом не озвучена, поскольку среди уже найденных объектов таковых оказалось крайне мало.
    Что касается выполнения 'плановых показателей' (обнаружения порядка тысячи новых планет), здесь приходится сделать небольшую оговорку: реальных экзопланет - подтвержденных в ходе независимых наблюдений на наземных телескопах - к началу 2013 г. в активе рабочей группы миссии Kepler набралось чуть больше сотни. Среди этих объектов основную часть составляют 'горячие Нептуны' и 'горячие Юпитеры'.
    Многопланетные системы демонстрируют поразительное многообразие: уже известна звезда минимум с шестью транзитными планетами, в состав одной трехпланетной системы входит 'горячая супер-Земля' и 'горячий Нептун', маленький тусклый красный карлик имеет систему из трех планет, одна из которых немного крупнее Марса... Оказались реальностью экзопланеты, вращающиеся вокруг двойных звезд. Обнаружена также первая 'супер-Земля', условия на которой действительно могут напоминать земные, и планета размером с Юпитер, вращающаяся с периодом 282,5 дня в 'зоне обитаемости' солнцеподобной звезды.
    В самом начале миссии (еще в ходе 10-дневного тестирования) Kepler заявил о своих возможностях, открыв атмосферу у экзопланеты - гиганта НАТ-Р-7Ь. Телескоп оказался способен заметить прохождение планеты не только перед звездой, но и за ней: на кривой блеска четко прослеживался небольшой вторичный минимум. Эта информация позволила сделать вывод о существовании у НАТ-Р-7Ь газовой оболочки, температура которой на дневной стороне превышает 2700 К, благодаря чему она интенсивно излучает в видимом диапазоне. На ночной стороне планеты должно быть заметно холоднее. Из 'показаний' космической обсерватории астрономы также заключили, что этот объект обращается вокруг центральной звезды по круговой орбите.
    Проведенные специалистами расчеты показали, что в определенных условиях Kepler может искать не только экзопланеты, но и их спутники (экзолуны) - по отклонениям интервала между началами последовательных транзитов от точного периода или по изменению длительности транзита. Наиболее пригодными для обнаружения экзолун являются планеты, похожие на Сатурн - газовые гиганты с относительно небольшой массой. С одной стороны, такие гиганты закрывают значительную часть звездного диска, а с другой - гравитационное воздействие спутников будет достаточно сильно отклонять их от среднего положения при вращении вокруг общего центра масс. Согласно предварительным оценкам, таким способом удастся выявить экзолуны, сравнимые по массе с Марсом; 'действенность' метода ограничена расстоянием порядка 500 световых лет.


    Орбитальный телескоп COROT (COnvection, Rotation, Transits planеtaires - конвекция, вращение, планетные транзиты), созданный усилиями Национального центра космических исследований Франции (CNES) при участии Европейского Космического Агентства (ESA)28 и запущенный 27 декабря 2006 г. с космодрома Байконур российской ракетой 'Союз-2.1б', начал свою работу раньше телескопа Kepler. Он стал первым внеатмосферным инструментом, 'специализирующимся' на сверхточных измерениях блеска звезд, и он же впервые использовал принцип долговременного слежения за одним и тем же участком небесной сферы с постоянной регистрацией яркости всех попавших в поле зрения объектов. Поиск экзопланет методом транзитов - 'хит' современной астрономии - в случае миссии COROT не значился в качестве основной задачи: французский телескоп должен был в первую очередь следить за быстрой переменностью звезд, связанной с происходящими в их недрах процессами, которые вызывают колебания звездной поверхности (такими наблюдениями занимается новая отрасль науки, получившая название 'астросейсмологии'). В этой части программы использованы методы, уже апробированные при наблюдениях Солнца космическим аппаратом SOHO и модифицированные для звезд, отличающихся от нашего светила по своему эволюционному статусу.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:     > Общая масса - 630 кг, полезная нагрузка - 300 кг.     > Размеры: длина - 4,1 м, диаметр - 1,98 м.     > Источники питания - две солнечных батареи (основная и запасная), максимальная генерируемая мощность - 530 Вт.     > Срок активного существования - более 2,5 лет.     > Тип орбиты - полярная (наклонение 90,0њ)     > Период обращения - 102,95 минут     > Апогей - 915 км     > Перигей - 896 км     НАУЧНЫЕ ПРИБОРЫ:     > Афокальный телескоп, состоящий из двух параболических зеркал с фокусным расстоянием 1,1 м (диаметр входного зрачка 27 см); блок корректирующей оптики исправляет геометрические аберрации и 'размывает' изображения звезд до диаметра 760 мкм во избежание пересыщения светочувствительных элементов матрицы.     > Широкоугольная камера: четыре ПЗС-матрицы размером 2048x2048 пикселей (один пиксель соответствует 2,32 угловой секунды), поле зрения - 2,8x2,8њ.     > Бортовой компьютер.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Научное наследие телескопа. К концу 2011 г. COROT подробно исследовал два участка неба: один - в созвездии Единорога, другой включал в себя части созвездий Орла, Щита и Змеи. 'Перенацеливание' с участка на участок осуществлялось в зависимости от расположения Солнца, чтобы исключить повреждение чувствительных детекторов его лучами. На каждую из двух основных 'площадок' телескоп был направлен в течение 150 суток. Предусматривались также 30-дневные интервалы для изучения дополнительных участков, по каким-либо причинам признанных интересными.
    Огромный объем данных, полученных космическим аппаратом, еще предстоит расшифровать и систематизировать. Пока что в его 'активе' числятся 23 открытых экзопланеты, обозначенные индексами от COROT-1 b до COROT-24Ь (исключая коричневый карлик COROT-15Ь), и 5 неподтвержденных 'планетных кандидатов'. Чувствительности телескопа, в принципе, достаточно для регистрации скалистых планет, по размерам и массе похожих на Землю, но среди обнаруженных им объектов критериям 'каменистости' более-менее соответствует только один - COROT-7b.

Первые 15 экзопланет открытые телескопом COROT

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Список открытий начинается с планеты COROT-1b, обнаруженной 3 мая 2007 г (параллельно впервые удалось зарегистрировать астросейсмическую активность ее 'родительской' звезды - солнцеподобного желтого карлика). Как и ожидалось, эта планета была отнесена к классу 'горячих Юпитеров': ее радиус в 1,78 раз превышает юпитерианский, а период обращения равен примерно 1,5 земных суток.
    Система COROT-1 удалена от нас на полторы тысячи световых лет и расположена в созвездии Единорога. Важно то, что ее параметры были определены с ранее недоступной точностью.
    COROT обнаружил существование цикла магнитной активности звезд с периодом всего лишь 120 дней (у Солнца похожий цикл длится 22 года).
    Два сеанса непрерывных измерений блеска двух 'стареющих' звезд класса В, длившиеся 27 и 157 дней, показали, что размеры их конвективных ядер существенно больше предсказанных статической моделью таких объектов, принятой в качестве стандартной. Масса этих звезд почти в 4 раза больше солнечной, а диаметр в 7 раз больше диаметра Солнца. Они чрезвычайно быстро вращаются вокруг своей оси (на один оборот у них уходит около полутора суток, то есть линейная скорость точек их поверхности на экваторе в 140 раз больше, чем на Солнце). Это открытие - одно из наиболее значимых, сделанных в рамках миссии COROT - является очень важным для понимания структуры и эволюции массивных звезд, считающихся главными 'производителями' тяжелых элементов во Вселенной. Скорее всего, несоответствие можно объяснить особенностями внутренней динамики, связанной с конвекцией в звездном ядре, а также потоками, порожденными быстрым вращением внешней оболочки.
    2 ноября 2012 г., через 3 дня после того, как миссия телескопа была в очередной раз продлена, его компьютер перестал получать информацию от планетного фотометра. Еще раньше подобное произошло с астросейсмологическим каналом. Все попытки команды управления 'оживить' COROT оказались неудачными, равно как и предпринятые в декабре меры по реконфигурации бортового оборудования. Члены команды продолжают искать пути спасения аппарата, однако большинство специалистов склонны считать его миссию завершенной. В качестве причины прекращения работы названо разрушение одного или нескольких электрокабелей из-за долговременного воздействия космической радиации.


    Примерно в том же смысле, в каком спутник COROT был предшественником телескопа Kepler, его предшественником можно назвать космический аппарат MOST (Microvariability and Oscillations of Stars - микропеременность и осцилляции звезд). Фактически именно этот аппарат, созданный объединенными усилиями Канадского космического агентства (CSA), фирмы Dynacon Enterprises Limited, Института аэрокосмических исследований университета Торонто и Университета Британской Колумбии, стал первым инструментом, специально предназначенным для астросейсмологических исследований, и первым внеатмосферным телескопом, построенным в Канаде. Диаметр его объектива - всего 15 см. Аппарат MOST был выведен на околоземную орбиту 30 июня 2003 г. российской ракетой 'Рокот', стартовавшей с космодрома Плесецк.
    Небольшие размеры и масса позволяют отнести MOST к разряду микроспутников. Разработчики придумали для него прозвище Humble Space Telescope ('Скромный Космический Телескоп'). На его создание и выведение на орбиту было затрачено около 10 млн. долларов. В конструкции отсутствуют движущиеся части - это повышает надежность аппарата и точность измерений.
    Научные достижения. На первом этапе создания телескопа MOST его главной целью было обнаружение быстрых осцилляций солнцеподобных звезд, исследование которых могло бы способствовать лучшему пониманию процессов в их внутренних слоях. После тестирования созданных для него приборов инженеры поняли, что их высокая чувствительность (до нескольких десятитысячных звездной величины) в отдельных случаях позволит определять свойства света звезд, отраженного их спутниками - газовыми гигантами. На тот момент это был единственный образец инструментов столь высокой чувствительности, и достичь ее удалось не за счет привлечения дополнительных средств, а благодаря созданию специального программного обеспечения. Строго говоря, и сегодня, через девять лет после того, как MOST вышел на орбиту, в распоряжении астрономов едва ли найдется десяток фотометров с подобной чувствительностью.

Телескоп MOST на околоземной орбите.     ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАЧ:     > исследование процессов выброса газа из звезд в космическое пространство;     > исследование турбулентных потоков в массивных звездах на поздних стадиях эволюции (типа Вольф-Райе) для определения масштабов и скоростей истечения газа в межзвездную среду;     > поиск транзитных экзопланет и 'следов' их собственного (или отраженного от них) излучения в системах звезд солнечного типа.     ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА:     > Оптическая система - менисковый телескоп (системы Максутова-Кассегрена) с диаметром основного зеркала 150 мм     > Приемник излучения - ПЗС-матрица размером 1024x1024 пикселя (аналогичная матрица используется для управления ориентацией телескопа) с набором широкополосных фильтров для формирования полос пропускания фотометра и системой микролинз Фабри для проведения сверхточных фотометрических измерений     > Спектральный диапазон - 350-700 нм     > Орбита - околоземная солнечносинхронная (наклонение 98,7њ) высотой 819х832 км, период обращения - 101,4 минуты     > Габариты аппарата - 65x65x30 см, масса - 53 кг

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Первые весомые результаты были получены телескопом уже в самом начале его работы. Точная фотометрия Проциона для определения природы акустических колебаний, проводившаяся в течение 38 дней и скоординированная с измерениями на нескольких наземных инструментах, показала, что динамика атмосфер подобных звезд более сложная, чем считалось ранее, и существенно отличается от наблюдаемой на Солнце. Этот результат заставил астрономов пересмотреть представления о самой природе акустических колебаний. Воодушевленные успехом первых наблюдений, участники рабочей группы телескопа синтезировали из серий записей колебаний, преобразованных в звуковой формат, своеобразную 'ораторию'.
    Довольно необычное и пока единственное в астрономической практике явление наблюдал телескоп в системе звезды τ Волопаса: гигантская экзопланета τ Воо Ь, масса которой всего в сто раз меньше массы 'родительской' звезды, вынуждает внешние слои последней вращаться строго синфазно с движением планеты по своей орбите (расположенной очень близко к самой звезде) - фактически τ Волопаса постоянно повернута к своему спутнику одной стороной.
    Еще одно интересное исследование связано с быстрыми колебаниями блеска сверхгиганта HD 163899 (класс B2lb/ll). На основании анализа наблюдательного материала было заявлено об открытии нового класса переменных звезд - медленно пульсирующих сверхгигантов (slowly pulsating B-supergiants - SPBsg). Правда, в настоящее время этот результат находится в процессе подтверждения другими обсерваториями.
    Определенную научную значимость имеют также непрерывные 17-дневные наблюдения звезды-субкарлика PG 0101+039 в созвездии Андромеды, расположенной на расстоянии тысячи световых лет от Солнца. Вердикт ученых давно известен: она находится на заключительной стадии своей эволюции. По сути, это 'кардиограмма' умирающей звезды в последние мгновения ее активного существования (по меркам возраста Вселенной).
    На ниве 'экзопланетологии' успехи MOST довольно скромные - ни одного нового объекта открыть он пока не смог. Самые значительные заслуги телескопа в этой области связаны с исследованием уже известной планеты 55 Спс е (созвездие Рака): с использованием его данных удалось наиболее точно определить ее физические характеристики, позже подтвержденные другими группами наблюдателей.
    В 'послужном списке' космического аппарата достаточно много уникальных наблюдений, но специфика некоторых программ требует проведения длительных и непрерывных серий измерений с последующей обработкой, поэтому большинство выдающихся результатов миссии наверняка еще впереди.


    Наш обзор внеатмосферных телескопов видимого диапазона открыл самый знаменитый из них и одновременно самый 'долгоживущий', а завершает его другой 'космический долгожитель', на этот раз малоизвестный - шведский космический аппарат Odin, предназначенный для изучения атмосферы (аэрономии), а также исследования химического состава комет, планет, звезд, межзвездных облаков и галактик. Спутник был разработан и изготовлен при участии специалистов из Финляндии, Франции и Канады. Название он получил в честь Одина - верховного божества скандинавского и германского пантеона. Запуск аппарата состоялся 20 февраля 2001 г. с полигона Свободный в Амурской области (Российская Федерация). Предполагаемый срок работы должен был составить два года, однако спутник исправно функционирует до настоящего времени.
    Главная научная задача обсерватории Odin - определение содержания некоторых веществ в атмосфере Земли (главным образом воды, озона, соединений хлора). Эта информация позволяет лучше понять процессы, вызывающие истощение озонового слоя и увеличение средней температуры приповерхностного слоя воздуха (глобальное потепление). Астрономические наблюдения связаны с поиском специфических молекул - прежде всего кислорода и воды - в кометах, планетах, звездах и межзвездных облаках. Высокая концентрация этих веществ в земной атмосфере затрудняет проведение подобных исследований с поверхности Земли.
    В процессе наблюдений используется трехосная стабилизация аппарата - отдельно для аэрономической и астрономической частей программы. В последнем случае требовалось поддерживать ориентацию с точностью 15 угловых секунд на протяжении часа, тогда как при аэрономических наблюдениях вся Земля сканировалась с различными скоростями 40 раз в течение одного орбитального витка, и для этого хватало точности в 12 угловых минут. Астрономическая часть программы была завершена весной 2007 г. С тех пор спутник занимается аэрономией, но может быть снова переориентирован на изучение небесной сферы. В течение первых трех лет полноценного функционирования доступное наблюдательное время было разделено поровну между двумя направлениями.

Шведский телескоп Odin на околоземной орбите.     ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА:     > Орбита - околоземная солнечно-синхронная (наклонение 98,7њ) высотой 600 км.     > Размеры: длина 2 м, размах солнечных батарей 3,8 м. Масса - 250 кг (из них 80 кг - научные приборы).     ОБОРУДОВАНИЕ:     > радиометр высокого разрешения (рабочие диапазоны 486-580 ГГц и 119 ГГц) с 1,1-метровой параболической антенной;     > аппаратный комплекс OSIRIS (Optical Spectrograph and InfraRed Imager), обеспечивающий одновременные наблюдения по ультрафиолетовому/ видимому каналу с полосой пропускания 280-800 нм и инфракрасному каналу с общей полосой пропускания шириной 30 нм, центрированной на длину волны 1,27 мкм.     > Источник питания - солнечные батареи (максимальная мощность 340 Вт).     > Скорость передачи данных - более 720 кб/с.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Научные достижения. В июле 2011 г. с помощью бортового аппаратного комплекса OSIRIS удалось определить содержание атмосферного аэрозоля после извержения вулкана Натро в Эритрее (Африка). Тогда были зарегистрированы наивысшие уровни загрязнения воздуха с момента запуска. С учетом полученной точности определения концентраций загрязняющих агентов OSIRIS признан одним из лучших приборов в своей 'весовой категории'. Теперь на него возлагаются большие надежды в дальнейших исследованиях аэрозолей и озонового слоя.
    Астрономам этот телескоп помог обнаружить молекулярный кислород в межзвездных облаках (где его присутствие давно подозревалось). Открытие было сделано не оптическими инструментами, а в микроволновом диапазоне - по основной линии излучения молекул 02 на частоте 119 ГГц. Она была уверенно зарегистрирована в направлении молекулярного облака р Змееносца. Правда, содержание кислорода оказалось на три порядка меньше ожидаемого, но это только первоначальные оценки, которые, несомненно, будут уточняться. Локализовать источник излучения не удалось из-за сравнительно низкой разрешающей способности бортового оборудования в этом диапазоне. Тем не менее, даже такие скромные результаты наземным телескопам недоступны: наша атмосфера, более чем на 20% состоящая из молекулярного кислорода, полностью 'глушит' его излучение, приходящее из космоса.
    Для оценки научной значимости результатов работы космических телескопов, зачастую обходящихся их создателям в не менее космические суммы (в стоимостном выражении телескоп Hubble попадает в десятку самых дорогих научных приборов), тяжело подобрать адекватные параметры, особенно когда речь идет о фундаментальной науке. Любящие точность статистики подсчитали, что за десятикратное увеличение значимости результатов, выраженной в условных единицах 'количество ссылок на соответствующие публикации', приходится расплачиваться в сто раз большей стоимостью технических средств. Тем не менее, человечество идет на эти затраты - ведь знания в итоге и являются главным богатством нашей цивилизации.

---