 |
Астронет: Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ Телескоп Гершель - прорыв в новую реальность. http://variable-stars.ru/db/msg/1233419 |
Телескоп Гершель - прорыв в новую реальность.20.02.2009 20:20 | Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ, Москва
16 апреля 2009 года на орбиту будет выведен космический телескоп Гершель, созданный Европейским космическим агентством для изучения Вселенной в широком диапазоне волн инфракрасного и субмиллиметрового диапазонов. Этот телескоп с диаметром зеркала 3.5 м станет самым большим зеркальным телескопом в космосе, перекрыв 2.4 метровый телескоп Хаббла.
Европейское космическое агентство (ЕSА), безусловно, очень гордится своей новой обсерваторией. Подготовка к запуску длилась более 20 лет. Первые наметки и технологические требования к намечаемой миссии датируются началом 1980 года. В 1983 году был запущен инфракрасный спутник IRAS, в качестве итога работы которого было получено 250 тысяч изображений инфракрасных источников. В 1995 году ESA запустил спутник ISO, позволивший существенно улучшить качество получаемой информации об объектах в ИК-области излучения. В августе 2003 года в работу был введен Spitzer Space Telescope, а в феврале 2006 года - AKARI. Оба этих спутника функционируют до сих пор.
Четвертая миссия ESA - телескоп Гершель - был спланирован как следующий прогрессивный этап в исследовании Вселенной в инфракрасном диапазоне длин волн: самый большой телескоп когда-либо выведенный на орбиту и с таким широким охватом по диапазону волн - от далекого ик-излучения до субмиллиметровых волн. 10 стран, включая США, принимали участие в разработке и реализации проекта. Предполагаемое время работы обсерватории на орбите - 3 года.
Почему же "Гершель" (Herschel)? Изначально предполагалось назвать телескоп FIRST ("Far InfraRed and Submillimetre Telescope"). Затем было принято решение присвоить ему имя Herschel, в честь великого английского ученого Уильяма Гершеля, который в 1800 году открыл, что кроме видимого света существует и инфракрасное излучение. Гершель обнаружил повышение температуры термометра, размещенного за красной полосой видимого спектра, когда проводил эксперимент по изучению расщепления солнечного света призмой, чем был весьма шокирован. Дальнейшие эксперименты привели его к выводу, что должен существовать невидимый свет вне полосы привычного видимого света, который и ответственнен за повышение температуры.
Рисунок 1. Зеркало телескопа Гершель диаметром 3.5 метра, изготовленное из карбида кремния. Зеркальная поверхность имеет отклонения от идеальной не более, чем один микрон. (Изображение: ESA)
Herschel Space Observatory имеет размеры примерно 9 метров на 4.3 метра, массу в 3.25 тонн. На борту расположен инфракрасный телескоп диаметром 3.5 м системы Ричи-Кретьен, настроенный на длину волны в 10 мкм. Зеркало изготовлено из карбида кремния, легкого керамического материала, который устойчив к нагрузкам и экстремальным температурам. Поверхность отполирована настолько идеально, что очень похожа на стеклянную (отклонения от идеальной поверхности не более одного микрона, чтобы избежать искажения изображений).
Рисунок 2. Доставка Обсерватории Гершель на самолете АНТ-124 из Европы на космодром Куру во Французской Гвиане. (Изображение: ESA)
ЕSА запускает две крупные научные миссии с помощью одной ракеты. Кроме обсерватории Гершель другим пассажиром на ракете Ариан-5 будет телескоп Планк, который предназначен для исследования космоса на еще больших длинах волны - в микроволновом диапазоне спектра. Одной из причин для такого совместного старта явилось то, что оба телескопы были спроектированы для работы в так называемой точке Лагранжа-2, одной из гравитационно "оптимальных" точек пространства, где тело может находиться неподвижно относительно Земли и Солнца.
Спутник Гершель займет точку примерно на расстоянии в 1.5 миллионах километров от Земли, при этом расстояние будет меняться от 1,2 до 1,8 млн. км. Каждый месяц будут проводиться малые коррекции орбиты, чтобы компенсировать снос спутника с орбиты. Все время работы спутник будет направлен в противоположную сторону от Земли, Луны и Солнца, чтобы чувствительные приборы станции были защищены от сильного инфракрасного излучения этих объектов.
Еще одна причина совместного запуска обеих обсерваторий состоит в том, что оба прибора были изготовлены вместе, по единой технологии и в одни сроки, что естественно сказалось положительно с экономической точки зрения. И даже несмотря на это, общая стоимость обсерваторий Гершель и Планк составляет около 1.7 млрд. евро. Поэтому можно хорошо представить, насколько рискованна такая стратегия - запуск двух обсерваторий одной ракетой.
Научная аппаратура.
Обсерватория Herschel Space Observatory была создала усилиями ученых 10 стран и более чем 40 научных центров под эгидой Европейского космического агентства. На телескопе установлено 3 научных прибора для исследования излучения в выбраной области инфракрасного спектра.
The Photodetector Array Camera and Spectrometer (PACS) - фотометр и спектрометр среднего разрешения на длинах волн от 60 до 210 микрон, т.е. в диапазоне, который является оптимальным для изучения молодых, удаленных, содержащих много пыли галактик с бурным формированием звезд, т.к. их линии излучения и максимум непрерывного спектра смещены в красную сторону спектра.
The Spectral and Photometric Imaging REceiver (SPIRE) - фотометр и спектрометр среднего разрешения на длинах волн 194-672 мкм. Он предназначен для изучения очень далеких галактик и ранних стадий формирования звезд - когда протозвезда окружена плотной пылевой и газовой оболочкой. Кроме того, для изучения образования и ранней эволюции активных ядер галактик и квазаров, а также для изучения крупномасштабной структуры Вселенной в ранние эпохи.
The Heterodyne Instrument for the Far Infrared (HIFI) - гетеродинного спектрометр высокого разрешения для дальней инфракрасной области спектра. Он покрывает диапазон в 480-1250 и 1410-1910 ГГц (что соответствует 157-625 мкм). Основная задача инструмента - изучение химического состава наблюдаемых объектов: движения, температур и других характеристик атомов и молекул вещества в них.
С учетом всех инструментов, обсерватория может проводить наблюдения в широком диапазоне длин волн, в том числе и тех, что до сих пор не наблюдались орбитальными телескопами - в диапазоне длин волн в 60-670 микрон. Они сконструированы таким образом, чтобы дополнять возможности друг друга. SPIRE и PACS представляют собой спектрометры, дающие пространственное распределение изучаемых объектов, в то время как HIFI дает очень высокое спектральное разрешение в линии.
Излучение объектов в выбранном диапазоне спектра означает то, что эти самые объекты находятся при низких температурах, иногда при очень низких (в пределах от 5 до 50K или -268° до -223°C), а для этого требуется специальное охлаждение для приемной аппаратуры. Инструменты будут погружены в гигантский криостат, заполненный более чем 2000 литрами жидкого гелия. Технология изготовления и использования такого криостата была отработана для спутника ISO; она даст возможность охлаждать инструменты до температур -271°С и даже ниже, т.е. практически приближаясь к абсолютному нулю. Например, болометры на приборах PACS and SPIRE будут охлаждаться до -273.3°С, т.е. всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля.
Основные цели запуска телескопа Гершель.
Человечество с момента своего возникновения смотрело на небо. После того, как в 1609 году (ровно четыреста лет тому назад) был изобретен телескоп и впервые направлен в небеса, возможности узнавать тайны Вселенной возросли многократно. Правда, все это происходило только в видимом свете, в оптическом диапазоне. И только в последней половине прошлого века появились возможности изучать космос в инфракрасном свете. Первый ИК-обзор был опубликован в 1965 году: это было 10 объектов, которые нельзя было разглядеть в оптике. В 1969 году таких объектов стало известно уже больше тысячи. Из последних открытий инфракрасной астрономии: Юпитер, Сатурн и Нептун имеют внутренние источники тепла; обнаружены сотни тысяч красных гигантов в центральном балдже нашей Галактики; молекулы воды, метана, диоксида углерода, формальдегида, оксида углерода в межзвездной среде. Старые, хорошо известные объекты, оказываются видимыми совершенно в другом свете, если наблюдать их в инфракрасной области.
Рисунок 3. Классические "Столпы созидания", большие колонны-столбы газа и пыли. Если рассматривать области формирования звезд на все более длинных волнах, то постепенно проявляются все новые детали: (A) видимый свет: виден отраженный свет от туманности (0.5 мкм); (B) ближня ИК-область: туманность внезапно становится прозрачной (1-2мкм); (C) длина волн больше: можно уже увидеть выбросы из туманности (7 мкм); (D) еще более длинные волны: становятся видны различные структуры (50 мкм). (Изображение: ESA)
Почему изучение инфракрасного излучения так важно для астрономов?
Потому что большая часть излучения во Вселенной происходит на длинах волн больше оптических. Потому что тела, ответственные за это излучение, имеют температуру ниже, чем требуется для излучения в оптике и более коротких волнах. Чтобы понимать, как формировались и эволюционировали звезды, нам надо исследовать атомы и молекулы в межзвездном пространстве. А это как раз тот диапазон, на который настроены приборы телескопа Гершель. Анализируя полученные спектры, можно получить информацию о температуре, плотности, светимости, составе, магнитных полях, динамике и химсоставе межзвездной среды. В нашей Солнечной системе холодные объекты такие как кометы, астероиды, да и сами планеты излучают в инфракрасном диапазоне.
Коричневые карлики, протозвезды, пылевые диски вокруг молодых звезд, экзопланеты достаточно холодные, и поэтому тоже излучают на длинных волнах. Кроме того, очень много объектов, которые действительно интересны ученым, очень часто скрыты облаками пыли или газа. Звезды и планеты на ранних стадиях формирования, мощные активные ядра галактик, центр нашей Галактики, объекты ранней Вселенной, удаленные от нас, скрыты веществом в пространстве между нами и этими объектами.
Пыль блокирует видимый свет, потому что размеры гранул пыли такого же порядка, что и длины волн в оптике, около 1 микрона и меньше, и поэтому отражают или поглощают свет. Но длинные инфракрасные волны успешно их огибают. Видимый свет и ультрафиолетовое излучение нагревают пыль, она в свою очередь переизлучает энергию в инфракрасном диапазоне. Таким образом, к ИК-излучению, которое проходит сквозь пыль, добавляется излучение самой пыли, которая сама излучает в этом же диапазоне. Анализируя излучение, можно получить информацию о тех источниках, которые лежат за пылевыми облаками.
Рисунок 4. Межзвездные облака пыли и газа свободно пропускают излучение с длиной волны больше 1 микрона (1); поглощают излучение на более коротких длинах волн (2) и переизлучают в инфракрасном диапазоне (3); пыль сама излучает в ИК и субмиллиметровой областях спектра (4). (Изображение: ESA).
Вода также излучает в тех полосах в дальней инфракрасной и субмиллиметровой областях, на которые настроены датчики телескопа Гершель. Вода имеет две особенности, которые делают ее обнаружение весьма ценной для астрономов: она широко распространена в космосе, и по изучению ее спектральных линий можно получить информацию об окружающей среде.
Одной из приоритетных целей миссии Гершеля является изучение так называемых "Темных веков" Вселенной, когда первые галактики только начали формироваться. Свет из этой ранней эпохи шел до нас 8,5 млрд. лет и из-за космологического расширения Вселенной спектр его излучения сместился в красную область, как раз в тот диапазон длин волн, на который настроены приборы обсерватории Гершель.
Спектрометр Гершеля с ультравысоким разрешением (HIFI) обладает уникальными возможностями для определения химического состава межзвездной среды, а также атмосфер комет и планет в нашей Солнечной системе. Он поможет ученым понять химическую историю нашей Галактики и Солнечной системы. Более 130 химических элементов и соединений обнаружено в межзвездной среде, и большинство имеют спектральные линии, вызванные вращательными переходами в молекулярных уровнях, а максимумы таких линий приходятся как раз на миллиметровый диапазон.
Исследуя Вселенную на разных длинах волн, можно узнать многие ее тайны. Уникальность телескопа Гершель состоит в том, что с помощью него можно будет увидеть такие объекты в дальней инфракрасной и субмиллиметровой частях спектра, которые до этого еще никогда не наблюдались. Ожидание неожиданных и сенсационных открытий - самая большая надежда, возлагаемая на эту миссию.