В отличие от телескопов, работающих в оптическом диапазоне, строить специализированные инфракрасные обсерватории на поверхности Земли не имеет смысла - это излучение практически полностью поглощается атмосферой (лишь высоко в горах или с высотных самолетов можно 'поймать' участок инфракрасного спектра, вплотную примыкающий к видимому). Тем не менее, именно в этом диапазоне в основном излучают планетоподобные тела, на которых ученые ожидают найти жизнь, похожую на земную. Поэтому внеатмосферная астрономия в таких исследованиях оказалась просто незаменимой. Уже первые проекты космических телескопов были ориентированы именно на инфракрасный диапазон, однако полноценно реализовать их долго не удавалось, и одним из серьезнейших препятствий оказалось собственное излучение аппаратов.


    История последовательного 'вознесения' детекторов инфракрасного излучения к границе космоса и за ее пределы уже частично освещалась на страницах нашего журнала. Ее 'наивысшей точкой' стал телескоп Spitzer - финальная миссия программы NASA 'Большие обсерватории' (Great Observatories Program) и первый астрономический инструмент, ведущий наблюдения не с околоземной, а с околосолнечной орбиты. Такое его расположение было выбрано из-за того, что этот инструмент исследует небесную сферу в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра, что требует охлаждения системы зеркал и приемников излучения до температур, всего на несколько градусов выше абсолютного нуля (-273њ С). Однако поблизости от Земли поддерживать температуру на этой отметке на протяжении длительного времени было бы невозможно - на это пришлось бы расходовать слишком много хладагента (жидкого гелия), запасы которого на борту космического аппарата ограничивались 360 литрами. От нагрева солнечными лучами защититься значительно проще, установив на телескопе специальные отражающие панели. Благодаря этому даже после исчерпания запасов охладителя Spitzer не нагревается выше, чем 40 К (-233њ С) и может продолжать наблюдения с помощью одного из трех своих научных приборов. В таком 'теплом' режиме он работает с мая 2009 г.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Рабочий диапазон обсерватории - от 3 до 180 мкм, он охватывает практически весь инфракрасный спектр, исключая наиболее длинноволновую его часть. Период обращения телескопа вокруг Солнца на 6 дней больше земного года, поэтому в своем орбитальном движении он постепенно 'отстает' от нашей планеты (примерно на 15 млн. км в год). Его гелиоцентрическое расстояние изменяется в пределах 0,98-1,02 а.е. Плановый срок функционирования исходно составлял 2,5 года, однако Spitzer, запущенный 25 августа 2003 г. с космодрома на мысе Канаверал ракетой Delta II, до сих пор исправно передает научную информацию.
    Основные научные достижения. Уже вскоре после начала выполнения научной программы Spitzer нарушил 'монополию' телескопа Hubble на информативные и живописные снимки космоса. Вдобавок теперь это были снимки того, что никогда не смог бы увидеть человеческий глаз, не имея в своем распоряжении сложных чувствительных приемников излучения.
    В сообществе астрономов популярно стремление открыть и исследовать нечто из разряда 'самое-самое': самую массивную и, наоборот, самую легкую звезду, самую удаленную или самую близкую галактику и т.п. Как правило, 'экстремальный статус' объекта оказывается таковым только на момент его открытия. В особенности это касается внегалактической астрономии, изучающей эпохи, близкие к моменту Большого взрыва. Каждый новый шаг в приближении к этому загадочному 'отправному пункту' в настоящее время измеряется уже в процентах, а то и долях .процента возраста Вселенной.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА SPITZER     > Масса: 950 кг, в т.н.: телескоп - 851,5 кг, крышка - 6,0 кг, жидкий гелий - 50,4 кг, топливо бортовых двигателей - 15,6 кг     НАУЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ     > комплекс криогенного телескопа (Cryogenic Telescope Assembly), включающий собственно телескоп-рефлектор системы Ричи-Кретьена диаметром 0,85 м и три научных прибора:     > инфракрасная камера/спектрометр IRAC (рабочий диапазон 5-40 мкм)     > инфракрасный спектрометр IRS     > три массива инфракрасных детекторов MIPS (3-180 мкм)     ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ НАБЛЮДЕНИЙ:     > Звезды (в т.ч. на поздних стадиях эволюции)     > Протопланетные и околопланетные газово-пылевые диски     > Экзопланеты     > Карлики и звезды малой массы     > Гигантские молекулярные облака     > Галактики (в т.ч. возникшие на ранних этапах эволюции Вселенной)     > Ядра активных галактик     > Сверхмассивные черные дыры

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Сотрудникам рабочей группы телескопа Spitzer удалось принять активное участие в определении статуса 'самой далекой галактики' для объекта MACS0647-JD, поперечник которого не превышает 600 световых лет (размер Большого Магелланова Облака - карликовой галактики-компаньона Млечного Пути - составляет 14 тыс. световых лет). Возможно, и в конкурсе на звание 'самой маленькой' эта галактика имела бы неплохие шансы на победу. Астрономы считают, что она образовалась не позже, чем через 420 млн. лет после Большого взрыва. В рамках существующих теорий образования звездных систем объект MACS0647-JD и полноценной галактикой назвать трудно -это всего лишь 'зародыш' будущей громадной галактики, и на пути к 'полноценности' ему предстоят неоднократные случаи столкновения и слияния со своими 'космическими соседями'. Открыли этот объект на снимках, полученных телескопом Hubble, но специфика его научного оборудования не давала возможности определить спектральные характеристики, необходимые для измерения расстояния. В этом вопросе последнее слово сказал именно Spitzer.

На этой фотографии, сделанной орбитальным телескопом Hubble (NASA), видна гигантская 'гравитационная линза', которая помогла астрономам увидеть самую далекую галактику из известных на данный момент - ей присвоили обозначение MACS0647-JD. Открытие было подтверждено спектральными наблюдениями космического телескопа Spitzer в инфракрасном диапазоне. В настоящее время реализуется специальная программа исследований крупных галактических скоплений, 'концентрирующих' свет намного более удаленных объектов и позволяющих астрономам наблюдать их имеющимися средствами (без эффекта гравилинзирования увидеть их мы бы не смогли). Согласно последним оценкам, на этом снимке MACS0647-JD запечатлена такой, какой она была спустя 420 млн. лет после Большого Взрыва.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Кстати, этому рекорду явно предстоит долгая жизнь, поскольку 'побить' его могут только спектроскопические наблюдения, и пока сложно сказать, хватит ли для этого мощности космического телескопа нового поколения JWST, запуск которого запланирован на 2018 г.
    К первым открытиям телескопа Spitzer следует отнести обнаруженную в ходе исследований планетарной туманности NGC 246 странную структуру оболочки, выброшенной при взрыве центральной звезды. Более ранние исследования этого объекта с помощью телескопов, работающих в оптическом диапазоне, позволили рассмотреть только сияющий газово-пылевой шар, окружающий компактное светило. Spitzer показал его внутреннюю структуру. Оказалось, что по неизвестным для астрономов причинам часть выброшенного вещества собралась в своеобразный бублик. Что могло послужить причиной образования такого странного сгустка, смещенного к тому же относительно центра туманности? В качестве вариантов ответа рассматриваются гравитационное влияние невидимого звездного компаньона, образующего двойную систему, или же гигантской планеты, а возможно - сложная структура магнитного поля или вращение звезд.

На снимке планетарной туманности NGC 246, сделанном космическим телескопом Spitzer, астрономы впервые увидели необычную подробность - огромное газовое кольцо (отмечено условным красным цветом), смещенное относительно центра облака разреженного вещества, выброшенного стареющей звездой (зеленый цвет). Подобные объекты интересуют ученых потому, что они представляют собой финальную стадию эволюции солнцеподобных звезд, наступающую после исчерпания в их недрах водородно-гелиевого термоядерного горючего. Составное изображение получено б декабря 2003 г. в спектральных линиях 3,6 мкм (условный голубой цвет), 4,5 мкм (зеленый), 5,8 мкм (оранжевый) и 8 мкм (красный).

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    С использованием телескопа Spitzer удалось зарегистрировать климатические изменения на весьма удаленном от Солнца коричневом карлике - объекте, масса которого больше планетной, но не достаточна для поддержания термоядерных реакций в его недрах. Температура этого объекта (он имеет обозначение 2MASS J22282889-431026) составляет 600-700њ С, что явно многовато для планеты, не имеющей поблизости иного 'источника тепла'. К удивлению астрономов, выяснилось, что яркость карлика с течением времени меняется, причем периодичность этих изменений зависит от того, на каких длинах волн ведутся наблюдения. По мнению участников исследования, это связано с циркуляцией тех или иных веществ на разных высотах в его атмосфере, причем формирование раздельных активных атмосферных слоев определяется именно резким отличием физических условий (температуры и давления) в этих слоях. В какой-то степени аналогами коричневого карлика могли бы считаться газовые гиганты Солнечной системы Юпитер и Сатурн, однако в данном случае уже чувствуется некая его 'звездная специфика': в отличие от аммиачных облаков на Юпитере, облака на карлике состоят из горячих частиц кварца, мелких капель жидкого железа и других экзотических компонентов.
    Одним из первых научных достижений команды наблюдателей, работающих с телескопом Spitzer, стало обнаружение форстерита (ортосиликат магния Mg₂SiO₄) в атмосферах рождающихся звезд.

Коричневый карлик 2MASSJ22282889-431026 в представлении художника. Результаты его наблюдений с помощью телескопов Hubble и Spitzer позволяют утверждать, что в его атмосфере дуют мощные ветра и присутствуют облака протяженностью до нескольких тысяч километров.     У этого объекта были выявлены регулярные изменения яркости с периодом около 90 минут, что само по себе не является чем-то особенным. Удивительным оказалось то, что амплитуда этих изменений зависела от длины волны, на которой проводились наблюдения. По мнению специалистов, это объясняется тем, что скорости ветров и мощности процессов образования вихревых структур различны в разных слоях атмосферы, подобно тому, что мы наблюдаем в атмосфере Земли во время мощных циклонов и штормов.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Возможное строение атмосферы 2MASSJ22282889-431026. Ее различные слои заметно отличающуюся друг от друга. Подобный вертикальный разрез структуры циклонических процессов на столь далеком объекте удалось сделать благодаря тому, что спектральный диапазон наблюдений был весьма широк. Максимум излучения каждого слоя с увеличением высоты приходится на все большую длину волны, что позволило астрономам, используя инфракрасную обсерваторию, 'проникнуть вглубь' исследуемого объекта.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    К впечатляющим результатам экзопланетных наблюдений можно отнести открытие молекул в атмосфере одной из хорошо исследованных планет WASP-12b. Это было первое такого рода исследование сверхгорячего газового гиганта, обращающегося по орбите малого радиуса, почти 'впритирку' к центральной звезде. Обнаружены молекулы моноксида углерода, метана и воды. Этот факт интересен уже потому, что WASP-126 - первый из планетоподобных объектов за пределами Солнечной системы с высоким содержанием углерода. Результат подтвердила команда Канадско-франко-гавайского телескопа (Canada-France-Hawaii Telescope) на горе Мауна Кеа, где были получены спектры экзопланеты в более коротковолновой части спектра.
    Снимки космического телескопа Spitzer показывают, как эволюционировали со временем остаток сверхновой звезды Кассиопея А. Естественно, отслеживать такие изменения на протяжении всего лишь нескольких лет - задача не из легких, однако астрономы уже научились ее решать. Перед взрывом звезда имела массу в 15-20 раз больше, чем Солнце, и состояла из концентрических оболочек, в каждой из которых были сосредоточены различные химические элементы. Самые легкие - водород и гелий - содержались в основном во внешней оболочке, в то время как тяжелые элементы скапливались ближе к звездному ядру. Примерно в том же порядке они начали разлетаться после вспышки Сверхновой. Это говорит о том, что взрыв звезды не был хаотичным, и ее остатки в ходе него не перемешались в однородную по составу туманность.

Кассиопея А - один из наиболее изученных остатков вспышки Сверхновой, находящийся на расстоянии около 10 тыс. световых лет. Расширяющееся газово-пылевое облако в настоящее время имеет поперечник около 10 световых лет. Изображение составлено из снимков, полученных космическим телескопом Spitzer (красный цвет), Hubble (желтый) и Chandra (зеленый, голубой).

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

На синтезированном изображении радиоисточника Кассиопея А, представленном слева вверху, каждый цвет соответствует линии излучения отдельных компонентов в инфракрасном диапазоне: зеленый - атомам аргона (отдельно показан слева внизу), возникшим в ходе термоядерных реакций и выброшенным при взрыве Сверхновой, красный - протосиликатам, диоксиду кремния и оксиду железа (справа внизу), голубой - газообразному элементному кремнию, сосредоточенному более компактно ближе к центру взрыва. Всего спектрограф телескопа Spitzer получил информацию более чем для 1700 точек в окрестностях остатка вспышки, по которым было построено приведенное изображение. Оно стало одним из наиболее весомых доказательств того, что именно сверхновые являются источником межзвездной пыли, из которой впоследствии сформировались звезды следующих поколений, каменистые планеты и живые организмы.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    На инфракрасном изображении небольшого участка неба размером 60'х7' после 'вычитания' света всех уже известных звезд и галактик зарегистрировано слабое излучение, испускаемое, по мнению астрономов, древнейшими объектами Вселенной. Ученые считают, что эти тусклые объекты могли бы быть первыми сверхмассивными звездами или черными дырами. Они слишком удалены от нас, чтобы их можно было рассмотреть по отдельности, однако Spitzer 'поймал' создаваемый ими совокупный инфракрасный фон, предположения о наличии которого высказывались уже давно.
    Преуспев в поисках 'космической' воды и других химических соединений, важных с точки зрения возможности существования внеземной жизни, телескоп Spitzer одновременно засвидетельствовал отсутствие целого класса органических молекул - полициклических ароматических углеводородов - в некоторых галактиках.
    В частности, речь идет о внешних областях спиральной звездной системы М101. Количество органических молекул постепенно убывает по мере удаления от ее центра, однако вблизи внешнего края происходит резкий спад концентрации органики, сопровождаемый также заметным снижением содержания металлов. Одной из возможных причин такой аномалии может быть мощная радиация, связанная с масштабными областями звездообразования.
    Интересный галактический катаклизм зарегистрировал Spitzer при фотографировании сливающейся пары галактик II Zw 096. Астрономов интересовал не просто их вид, но также проявление в них процессов зарождения молодых звезд, часто активизирующихся в 'переполненных' галактических центрах во время таких столкновений. Очаг звездообразования хорошо заметен в среднем инфракрасном диапазоне. Охваченный им регион имеет 700 световых лет в поперечнике (размер пары II Zw 096 составляет 50 тыс. световых лет), однако он представляет собой самую мощную вспышку звездообразования, когда-либо наблюдавшуюся вне ядра галактики. На основании полученных данных исследователи могут утверждать, что в этой области ежегодно 'зажигаются' новые звезды общей массой более сотни солнечных. Это исключительно большая величина: во всей нашей Галактике интенсивность звездообразования почти на два порядка ниже.

На изображении справа, построенном с учетом данных инфракрасного телескопа Spitzer, хорошо заметны всплески звездообразования (отмечены красным цветом) в системе сталкивающихся галактик II Zw 096. Слева - снимок того же объекта, сделанный орбитальной обсерваторией Hubble в видимом, ближнем ультрафиолетовом и ближнем ИК-диапазонах. На нем 'последствия столкновения' практически незаметны. Наибольшая звездообразовательная активность сконцентрирована в крошечной по вселенским меркам области размером около 700 световых лет - на нее приходится до 80% всего инфракрасного излучения галактик. Наблюдения системы II Zw 096 производились в рамках обзора GOALS (Great Observatories All-Sky LIRG Survey).

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Spitzer использовался также для уточнения знаменитой постоянной Хаббла. С его помощью производились сверхточные измерения блеска цефеид - нестабильных звезд, строго периодически меняющих свою яркость, причем период этих изменений достаточно хорошо коррелирует с их абсолютной светимостью. В инфракрасном диапазоне колебания блеска этих объектов еще более информативны. Для измерений было отобрано в общей сложности около 90 цефеид в Млечном Пути и соседнем Большом Магеллановом Облаке. Благодаря результатам этого исследования неопределенность значения константы Хаббла удалось снизить до 3%.
    В ходе выполнения обзорных программ GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Mid-Plane Survey Extraordinaire) и MIPSGAL (Multiband Imaging Photometer for Spitzer Galactic) к анализу больших массивов однородной информации были привлечены любители астрономии - этот проект получил название Milky Way Project. Около 35 тыс. так называемых 'гражданских ученых' (citizen scientists) приняли участие в поиске новых крупномасштабных структур в нашей Галактике на участке звездного неба длиной 130њ и шириной более 2њ. Обработку столь больших массивов данных невозможно автоматизировать в силу специфики самого процесса - рутинного поиска образований неправильной и непредсказуемой формы. Силами волонтеров на исследованной площадке было обнаружено около пяти тысяч 'пузырей' - огромных газово-пылевых облаков с разрежением в центре. Дальнейшие вычисления подтвердили сложную иерархическую упорядоченность их расположения, которая, в свою очередь, привела к интересному и необычному выводу: частота появления мелких 'пузырей' связана с их положением относительно более 'внушительных' соседей. Складывается впечатление, что расширение громадных газовых облаков является своего рода 'спусковым крючком' для возбуждения волны звездообразования в определенных частях Галактики.

Спиральная галактика Мбб (NGC 3627) расположена в 30 млн. световых лет от Солнца и видна в созвездии Льва. Ее рентгеновское излучение, зарегистрированное космическим телескопом Chandra (показано голубым цветом), свидетельствует о наличии в ее центре сверхмассивной черной дыры. Это подтверждают и данные обсерватории Spitzer (красный цвет). Дальнейшее сопоставление данных этих двух инструментов показало, что активность галактического ядра никак не соотносится с интенсивностью звездообразования в галактике. Результаты съемки в видимом диапазоне (Hubble, VLT ES0) нанесены желтым цветом.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Более детальный анализ наблюдений телескопа Spitzer, проведенный астрономами-теоретиками, позволил немного 'радикализировать' существующие космогонические теории - в частности, заявить о важности астероидных поясов в эволюции планетных систем. Такой вопрос встал на повестке дня после того, как были сняты все сомнения в наличии подобных структур в окрестностях иных звезд. Теперь существование пояса астероидов в Солнечной системе рассматривается не только с точки зрения его генезиса, но и с позиции его роли в возникновении жизни на Земле. В этом же аспекте изучается роль малых тел в других известных планетных системах.
    Ученые склонны считать, что местоположение околосолнечного астероидного пояса не случайно: он проходит очень близко к так называемой 'снежной линии' (snow line), за которой водяной лед может подолгу находиться на поверхности маломассивных тел, не испаряясь и не разрушаясь под воздействием излучения Солнца. Именно на основании анализа данных телескопа Spitzer в 2012 г. была высказана гипотеза о том, что наличием воды на поверхности Земли мы обязаны вовсе не кометам, как это считалось ранее, а крупным объектам из пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера.

---