Радиоастрономии мы обязаны подтверждением базовых гипотез о строении и возникновении Вселенной: именно с помощью первых радиотелескопов (пока еще наземных) было открыто реликтовое излучение - 'эхо' Большого Взрыва, одного из ключевых пунктов современной космогонии. Однако дальнейшие его исследования были затруднены, как и в случае оптической астрономии, 'вмешательством' земной атмосферы. Для более точного картирования распределения энергии этого излучения по небесной сфере необходимо было поместить приемную антенну как можно дальше от Земли, в идеале - за пределами радиационных поясов, задерживающих основную часть радиоволн, приходящих из космоса. Первым таким аппаратом стал американский зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), отправленный 30 июня 2001 г. в окрестности точки Лагранжа L2 системы 'Солнце-Земля'. В октябре 2010 г. его сопровождение было прекращено, после чего аппарат перешел на самостоятельную гелиоцентрическую орбиту, близкую к земной.


    Достойным продолжателем миссии WMAP стала микроволновая обсерватория Европейского космического агентства (ESA), созданная для детального изучения неоднородностей микроволнового фона и названная в честь выдающегося немецкого физика Макса Планка (Max Planck) - основоположника квантовой теории, нобелевского лауреата. Аппарат Planck был запущен 14 мая 2009 г., одновременно с инфракрасным телескопом Herschel, и также выведен в точку Лагранжа L2, расположенную примерно в полутора миллионах километров от нашей планеты на продолжении прямой, проходящей через Солнце и Землю.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛЕСКОПА PLANK     > Масса при запуске 1950 кг     > Размеры: высота - 4,2 м, максимальный диаметр - 4,2 м     > Общая стоимость миссии - более 700 млн. евро     ОСНОВНАЯ ЗАДАЧА     > измерение вариаций температуры реликтового микроволнового фона с чувствительностью и угловым разрешением, позволяющими поновому увидеть нашу Вселенную в возрасте около 380 тыс. лет.     ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ:     > Исследования распределения интенсивности и поляризации реликтового излучения с высоким разрешением;     > Создание каталога скоплений галактик с использованием эффекта Сюняева-Зельдовича;     > Наблюдения ярких галактических (пылевые облака) и внегалактических (активные ядра галактик) источников радиоволн и инфракрасного излучения;     > Наблюдения Млечного Пути, в том числе местной среды, изучение распределения эго излучения и измерение галактического поля;     > Исследования Солнечной системы (планет, астероидов, комет и зодиакального света).     НАУЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ:     > внеосевой телескоп системы Грегори с эллиптическим главным зеркалом (1,9х1,5 м). Зеркало наклонено по отношению ко входящему пучку, поэтому апертура телескопа равна 1,5 м. Вторичное зеркало размером 1,1x1,0 м фокусирует собранное излучение на два прибора:     НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ПРИЕМНИК (LFI), представляющий собой массив из 22 микроволновых радиоприемников, чувствительных к излучению частотой 30-70 ГГц (длина волны 4-10 мм) и функционирующих при температуре 20 К (-253њС);     ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ПРИЕМНИК (HFI) - массив из 54 болометрических детекторов, которые преобразуют принятое излучение в тепло. Они работают практически в условиях абсолютного нуля - при температуре -273,1њС. Необходимость столь глубокого охлаждения вызвана тем обстоятельством, что средняя температура реликтового излучения не превышает 2,7 К (-270,45њС). Приемник регистрирует электромагнитное излучение с частотой 100-857 ГГц, что соответствует длине волны примерно 0,35-1 мм. В январе 2012 г. работа HFI была завершена после исчерпания запасов охладителя (жидкого гелия). Оба прибора могут измерять общую интенсивность и поляризацию фотонов.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Перед установкой на ракету-носитель космический телескоп Planck был тщательно очищен специальным пылесосом. После этого специалисты произвели его осмотр в ультрафиолетовых лучах с целью проверки качества очистки.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

Детекторы LFI и HFI космического телескопа Planck, установленные в главной фокальной плоскости.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Объект, помещенный в точку L2, находится в состоянии неустойчивого равновесия. Тем не менее, существуют такие 'квазипериодические' орбиты в ее окрестностях, по которым тело сравнительно малой массы может двигаться достаточно долго, оставаясь относительно недалеко от нашей планеты и участвуя вместе с ней во вращении вокруг Солнца. В проекции на небесную сферу такое тело описывает кривые, называемые 'фигурами Аиссажу'. Конкретно в случае обсерватории Planck максимальный размер этой фигуры при наблюдении с Земли равен 15 градусам. Периодически аппарат включает свои бортовые двигатели для коррекции траектории.

'Разворачивание' сферы в равновеликую эллиптическую псевдоцилиндрическую проекцию Мольвейде.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Первая фаза наблюдений длилась 15 месяцев и завершилась 26 ноября 2010 г. В ходе нее были проведены два полных обзора неба. Точность измерений составила одну пятимиллионную долю градуса Цельсия. По данным этих измерений можно значительно уточнить кривизну пространства-времени, а также вклад темной энергии, темной материи и 'нормального' вещества в распределение массы и энергии Вселенной. Сейчас Planck работает в рамках расширенной миссии, которая закончится после полного исчерпания бортовых запасов охлаждающего вещества.
    Научные достижения телескопа Planck

    'МИКРОВОЛНОВОЕ НЕБО'

    Уже первый полный обзор небесной сферы на частотах от 30 до 857 ГГц, составленный по данным, полученным в период с августа 2009 г. по июнь 2010 г., показал исключительные возможности нового инструмента. 'Пестрая' структура реликтового микроволнового фона с хорошо заметными крошечными температурными колебаниями демонстрирует изначальные вариации плотности излучения - благодаря этим неоднородностям и возникло в дальнейшем все нынешнее разнообразие космических объектов. Особенно отчетливо она просматривается на высоких галактических широтах, где ее не 'перекрывает' излучение нашей Галактики. На большей части изображения преобладают диффузные выбросы газа и пыли.

Так выглядит небесная сфера в диапазоне электромагнитного излучения, в котором ведет наблюдения телескоп Planck (от 30 до 857 ГГц). Изображение получено по данным 12 месяцев работы обсерватории. Вблизи галактических полюсов (в верхней и нижней части изображения) хорошо заметна 'зернистая' структура реликтового микроволнового фона, вызванная вариациями его температуры. Значительную часть неба 'укрывают' облака холодной пыли и газа, принадлежащие нашей Галактике. Больше всего их сконцентрировано в главной галактической плоскости. Несмотря на то, что их излучение накладывается на микроволновый фон, практически во всех случаях его можно 'отфильтровать', используя методики обработки изображений, специально разработанные группой сопровождения миссии Planck.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    'УГАРНАЯ КАРТА' МЛЕЧНОГО ПУТИ

    В актив телескопа Planck следует зачислить составление карты распределения угарного газа (моноксида углерода СО) в нашей звездной системе. Этот газ является самым распространенным химическим соединением в космосе, и к тому же он активно 'светится' в радиодиапазоне. Поскольку холодный водород (Н2) излучает довольно слабо, ученые могут исследовать лишь такие области звездообразования, где его концентрация достаточно высока. Поэтому астрономы пытаются искать другие 'маркеры' межзвездных молекулярных облаков с более высокой излучательной способностью. Самым эффективным из них оказался угарный газ, излучающий большое количество линий в частотном диапазоне, доступном прибору High Frequency Instrument (HFI). Эмиссионные линии в диапазоне, в котором работают детекторы телескопа, очень малочисленны - как правило, они наблюдаются с использованием спектрографа. Но линии СО настолько мощны, что составляют значительную часть всего излучения, принимаемого телескопом. Исследование распределения холодных молекулярных облаков способствует обнаружению существующих и потенциальных областей звездообразования, изучению физических и химических условий процессов формирования новых поколений звезд, а также выявлению 'виновников' инициации этих процессов.

Этот снимок всей небесной сферы показывает распределение интенсивности линий излучения моноксида углерода (СО) - газа, служащего астрономам в качестве 'маркера' при поисках межзвездных молекулярных облаков. На врезках представлены увеличенные фрагменты, охватывающие три индивидуальных региона, в которых концентрация СО особенно сильно отличается от средней - они расположены в созвездиях Цефея, Тельца и Пегаса.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Картографирование холодных молекулярных облаков, содержащих угарный газ, проведено телескопом практически для всех хорошо изученных регионов звездообразования. Для каждого из них характерны некоторые отличия (местный 'газовый ландшафт'), определяемые в основном их пространственным расположением - в первую очередь удаленностью от галактического экватора.

    РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КЛАСТЕРОВ

    Открытые телескопом Planck огромные скопления (кластеры) галактик, удаленные от нас на миллиарды световых лет, являются самыми большими структурами Вселенной. Теперь их известно около 200, но ученые считают, что это только вершина айсберга - реально их число может быть на порядок больше. Каждый такой кластер, удерживаемый от 'разлетания' силами гравитации, может включать несколько сотен галактик с сотнями миллиардов звезд в каждой.

Синие точки на схеме соответствуют SZE-кластерам, отождествленным с уже известными объектами, зеленые относятся к объектам, подтверждение которых проведено с использованием рентгеновской обсерватории XMM-Newton, красным цветом отмечены кандидаты, статус которых пока не подтвержден. Голубая полоса вдоль главной галактической плоскости отражает тот факт, что все определения для галактической широты менее 14њ, где очень сильно проявляется излучение Млечного Пути, не включены в каталог, поскольку он содержит только наиболее реальные определения, проведенные телескопом во время первого обзора.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Примером исследования подобных скоплений могут быть совместные с телескопом XMM-Newton наблюдения суперкластера PLCK G214.6+37.0. На изображении, полученном в ультрафиолетовом диапазоне, четко просматриваются три отдельных группы галактик, имеющих красное смещение Z=0,45. Снимок обсерватории Planck не столь выразительно демонстрирует их наличие, но в целом его подтверждает.
    Возможность наблюдения идентичных структур в удаленных участках спектра - в ультрафиолетовом и микроволновом - связана с эффектом Сюняева-Зельдовича, о котором будет сказано ниже.

На этом изображении показано сверхскопление галактик, открытое по данным телескопа Planck с использованием эффекта Сюняева-Зельдовича (SZE) и получившее обозначение PLCK G214.6-37.0 (позже открытие было подтверждено спутником XMM-Newton, проводившим съемку в рентгеновских лучах).

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Planck был использован для составления предварительного Полного каталога скоплений галактик (и кандидатов в кластеры). Сейчас этот список состоит из 189 скоплений, распределенных по всему небу. Их массы заключены в весьма широких пределах (1-15*10¹⁴ солнечных масс), диапазон красных смещений - 0,0-0,45.

    МЕЖГАЛАКТИЧЕСКИМ МОСТ

    Рассказ о наблюдениях скоплений галактик Abell 399 и Abell 401 немного выбивается из повествования о 'способностях' телескопа Planck. После анализа результатов наблюдений был сделан вывод, что эти скопления связаны перемычкой из раскаленного газа с температурой порядка 80 млн. кельвинов. Протяженность перемычки - 10 млн. световых лет. Это означает, что свет с одного конца такого 'межгалактического моста' достигнет его противоположного конца через 10 млн. лет. Расстояние до 'моста' превышает миллиард световых лет. Эта гигантская структура вместе с газовыми 'коконами', окружающими скопления, хорошо видна на снимке, сделанном в оптическом диапазоне с помощью наземных инструментов, на который наложена информация о распределении межгалактического вещества, полученная после расшифровки данных обсерватории Planck (избыток горячего газа обозначен условным желтым цветом). Яркие объекты с четырьмя дифракционными лучами - звезды 'ближнего плана', принадлежащие нашей Галактике.

Скоплений галактик Abell 399 и Abell 401

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Ценность этих наблюдений заключается в том, что телескоп, работающий в микроволновом диапазоне спектра, смог зарегистрировать излучение объекта (газовой 'перемычки'), разогретого до сверхвысоких температур, при которых максимум излучения приходится на рентгеновский диапазон, недоступный обсерватории Planck. Это противоречие объясняется хорошо известным в физике эффектом Сюняева-Зельдовича. Он заключается в изменении 'цвета' микроволнового излучения, проходящего сквозь раскаленный газ: его фотоны получают прибавку к своей энергии. Таким образом, реликтовое излучение, пройдя через 'межгалактический мост', изменило свою частоту, что однозначно отметил Planck. В результате на том месте, где должны быть скопления, на сравнительно ровном фоне микроволновой 'засветки' появилось специфическое пятно, позволившее обнаружить необычную структуру.

    'МИКРОВОЛНОВАЯ ДЫМКА' И 'ПУЗЫРЬ ФЕРМИ'

    Интересное явление было замечено при сравнении наблюдений в микроволновом и гамма-диапазонах, проводившихся телескопами Planck и Fermi. Два 'светлых' региона, зарегистрированные обоими инструментами в противоположных концах спектра, пространственно совпадают друг с другом, наводя на мысль о том, что они действительно могут быть связаны с одним и тем же поколением электронов, проявляющимся в разных механизмах излучения.

Данные телескопа Planck (нанесены условным красным и желтым цветом) показывают распределение 'микроволновой дымки' вблизи галактического центра. Излучение в диапазоне энергий 10-100 ГэВ, зарегистрированное телескопом Fermi (голубой цвет), проявляется в форме двух пузыреобразных эмиссионных структур, простирающихся от галактического центра.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

    Обсерватория Planck подтвердила существование таинственного ореола микроволнового излучения вокруг центра нашей Галактики, открытого космическим телескопом WMAP в 2004 г. Правда, однозначный ответ на вопрос о происхождении этого ореола дать пока не удалось. Изначально астрономы предполагали, что он является результатом аннигиляции частиц темной материи, концентрирующей в центральных областях галактик: этот процесс порождает электроны и позитроны, которые увлекаются магнитным полем Млечного Пути и начинают двигаться вокруг его центра по спирали, и испуская радиоизлучение, видимое со стороны как 'дымка' в галактическом ядре. Однако в самом существовании этой дымки многие сомневались, считая ее результатом ошибки, возникшей при анализе данных зонда WMAP: сигнал был слишком слабым и вполне мог оказаться 'шумом'. Planck не только однозначно зарегистрировал наличие дымки, но и 'разглядел' ее с недостижимым ранее разрешением. Но именно здесь ученых и поджидал сюрприз - выяснилось, что микроволновое гало имеет не сферическую (как предсказывает гипотеза 'с участием' темной материи), а сильно удлиненную форму. Особенно заинтересовал исследователей южный край гало: он оказался слишком резко очерченным, чтобы возникнуть в результате какого-то протяженного во времени процесса. Так или иначе, природа этого явления все еще остается необъясненной.

    ГАЛАКТИЧЕСКАЯ 'ПАУТИНА' ХОЛОДНОЙ ПЫЛИ

    Способность обсерватории Planck измерять температуру наиболее холодных пылевых частиц создает хорошие предпосылки для регистрации физических процессов, играющих важную роль в межзвездной среде и в областях звездообразования. На изображении, составленном по результатам съемки протяженного участка неба в двух частотных каналах телескопа Planck и более ранних наблюдений спутника IRAS, хорошо просматривается температурная дифференциация излучения пыли: красные тона соответствуют температуре около 12њ выше абсолютного ноля, белесые тона - температуре порядка нескольких десятков кельвинов. Изображение показывает местные пылевые структуры, расположенные в пределах пятисот световых лет от Солнца.

Приведенное изображение демонстрирует участок неба шириной около 55њ. На нем совмещены снимки, сделанные в двух наиболее коротковолновых диапазонах, доступных телескопу Planck (540 и 350 мкм, соответствующие частотам 545 и 857 ГГц), и снимок обсерватории IRAS вблизи линии 100 мкм. Хорошо заметны пылевые облака с различной температурой; красноватые тона соответствуют веществу, нагретому на 12њ выше абсолютного нуля, белесые тона - более теплым областям (десятки градусов выше абсолютного нуля), которые предположительно содержат формирующиеся массивные звезды. В целом изображение показывает распределение пыли в пределах 500 световых лет от Солнца.

КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛЕСКОПЫ

---