Энциклопедия Кольера - внеатмосферная астрономия
Внеатмосферная астрономия
НЕОБХОДИМОСТЬ ВНЕАТМОСФЕРНОЙ АСТРОНОМИИ
Астрономические наблюдения из космоса неотъемлемая часть современной астрофизики. Звезды, туманности и галактики излучают не только видимый свет, но и радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, несущие важнейшую информацию об излучающем объекте. Однако к поверхности Земли, кроме видимого света, доходят только радиоволны и коротковолновое (1-4 мкм) инфракрасное излучение; атмосфера непрозрачна для высокоэнергичного излучения (гамма-, рентгеновского и ультрафиолетового) и почти непрозрачна для длинноволнового инфракрасного света. Поэтому астрономы для исследования этих видов излучения поднимают приборы над поглощающими слоями атмосферы.
См. также
Астрономия И Астрофизика;
Электромагнитное Излучение. Внеатмосферная астрономия нужна и для некоторых наблюдений в видимом свете. Проходя сквозь атмосферу, свет рассеивается на пылинках, поглощается молекулами озона и воды и преломляется на неоднородностях плотности, в результате чего изображения дрожат и становятся размытыми. В 1980-х и 1990-х годах была создана техника адаптивной оптики, способная в реальном времени изменять форму оптической поверхности (например, зеркала телескопа) для компенсации атмосферного дрожания и размытия. Это существенно повысило четкость изображений у наземных телескопов до десятых долей угловой секунды. Но лучших результатов достигнуть не удается; к тому же собственное свечение ночной атмосферы и рассеянный в ней свет городских и дорожных огней мешают астрономам изучать объекты низкой поверхностной яркости туманности и галактики, даже находясь на отдаленных горных обсерваториях. У телескопов, работающих на орбите, небо гораздо темнее и изображения намного более четкие. Для первых внеатмосферных астрономических наблюдений использовали баллистические ракеты, которые лишь на несколько минут поднимались над плотными слоями атмосферы. Еще в конце 1940-х годов ученые США измерили ультрафиолетовое излучение Солнца, используя захваченные немецкие ракеты "Фау-2", которые запускали на полигоне Уайт-Сэндс (шт. Нью-Мексико). Однако внеатмосферная астрономия реально встала на ноги, когда кратковременные выходы в космос с помощью высотных ракет были дополнены детальными исследованиями с борта орбитальных обсерваторий.
КОНСТРУКЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
Системы. Астрономические спутники во многом похожи на спутники других типов. Источником электроэнергии служат солнечные батареи, а стабилизация поддерживается либо закруткой спутника, либо гироскопами (трехосная стабилизация), которые позволяют лучше управлять ориентацией. Связь с Землей осуществляется по радио либо напрямую, либо через спутник-ретранслятор на геостационарной орбите. Некоторые спутники имеют ракетные двигатели и могут изменять свою орбиту. Современные астрономические обсерватории (наземные и космические) имеют телескопы для сбора и фокусировки света, а также набор приборов, регистрирующих свойства света в виде цифрового изображения или спектра. К тому же орбитальная обсерватория должна иметь систему наведения и удержания телескопа в нужном направлении, для чего используют несколько оптических датчиков (т.е. вспомогательных телескопов), фиксирующих положение спутника относительно звезд.
Сканирование или наведение. Астрономические спутники обычно работают в одном из двух режимов. Они могут систематически сканировать все небо, проводя его полный обзор, а могут по многу часов быть нацелены на один объект, переходя затем к изучению следующего. В первые годы спутниковой астрономии выбором объектов изучения занимался коллектив, создающий спутник, но с конца 1970-х годов программы наблюдений составляются по конкурирующим заявкам астрономов, как это принято в наземных обсерваториях.
Выбор орбиты. Орбиты большинства спутников проходят либо в нескольких сотнях километров от поверхности Земли, либо на расстоянии в десятки тысяч километров, чтобы избежать самых интенсивных областей радиационных поясов Земли. Поскольку астрономические детекторы чрезвычайно чувствительны к радиационной обстановке, их отключают, когда спутник проходит сквозь области высокой радиации. Для спутников на низких орбитах наибольшую проблему представляет район Южной атлантической аномалии, где радиационный пояс ближе всего подходит к поверхности Земли. Другим фактором при выборе орбиты является удобство наблюдений и обслуживания. Спутником на низкой орбите сложнее управлять, поскольку Земля часто закрывает от него объект наблюдения. С другой стороны, для вывода спутника на высокую орбиту нужна более мощная ракета, и оттуда его нельзя вернуть или отремонтировать с помощью космического челнока.
Контроль наведения. Астрономический спутник, предназначенный для получения изображений с разрешением лучше одной угловой секунды, требует значительно более точного управления наведением, чем большинство других космических аппаратов. Когда, переходя к наблюдению следующей цели, спутник поворачивается вокруг осей ориентации, система контроля должна следить, чтобы в поле зрения телескопа не попали Солнце или Луна, которые могут оказаться слишком яркими для бортовых чувствительных приборов. В то же время панели солнечных батарей должны быть постоянно ориентированы на Солнце. Наконец, в поле зрения оптических датчиков должно попадать достаточно известных звезд, чтобы можно было убедиться в правильности наведения на цель главного телескопа. Выполнение всех этих требований заметно ограничивает периоды времени, когда можно наблюдать тот или иной объект.
Работа типичной космической обсерватории. Спутник ROSAT можно рассматривать как типичную космическую обсерваторию. Этот проект родился в Германии, а позже к нему присоединились США и Великобритания. На спутнике был установлен рентгеновский телескоп с тремя детекторами и экспериментальный ультрафиолетовый телескоп жесткого диапазона. Один из рентгеновских детекторов, сделанный в США, давал четкое изображение наблюдаемого источника, а два других, разработанные в Германии, давали менее четкую картину, но зато фиксировали распределение энергии в излучении. Британский ультрафиолетовый телескоп впервые наблюдал небо в экстремально жестком диапазоне этого излучения. ROSAT был запущен 1 июня 1990 с мыса Канаверал (шт. Флорида) ракетой Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США "Дельта-2" на круговую орбиту высотой 570 км. Это достаточно высоко, чтобы обеспечить существование спутника в течение 10 лет, но и достаточно низко, чтобы влияние радиационных поясов земной магнитосферы не смогло повредить его чувствительные приборы. Несколько недель длился обычный этап проверки, когда наблюдались либо хорошо изученные источники для настройки и калибровки аппаратуры, либо объекты, представляющие исключительный интерес на тот случай, если спутник преждевременно выйдет из строя. Затем ROSAT перешел к этапу приглашенных наблюдателей, имеющему годичный цикл. Перед началом каждого цикла астрономы присылают руководству проекта заявки, в которых описывают, какие наблюдения они хотели бы провести и какие результаты при этом ожидают получить. После отбора наиболее интересных заявок специальная компьютерная программа составляет расписание наблюдений с учетом ограничений по положению и ориентации спутника на орбите. Сами астрономы получают по почте данные на магнитной ленте после того, как наблюдения проведены и результаты их предварительно обработаны специалистами из центра управления космическим телескопом. Такая организация позволяет тем астрономам, кто не является узким специалистом по внеатмосферным наблюдениям, использовать данные различных космических обсерваторий, не вникая подолгу в технические детали наблюдений. Через год после того, как астроном получил свои данные, их помещают в архив для всеобщего использования, откуда любой ученый может взять изображения и спектры, исследовать их и опубликовать то новое, что ему удалось обнаружить.
НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ
Оптическая и ультрафиолетовая астрономия. IUE. Расцвет ультрафиолетовой астрономии, исследующей излучение в диапазоне от 100 до 3000 , начался с запуска 26 января 1978 спутника IUE (International Ultraviolet Explorer), созданного НАСА, Европейским космическим агентством (EКA) и Великобританией. Спутник имел телескоп с диаметром зеркала 45 см и четыре ультрафиолетовых спектрографа и мог изучать объекты до 16-й звездной величины. Близкая к геостационарной орбита IUE обеспечивала сканирование Атлантики; до 1995 управление спутником 16 ч в сутки шло из Годдардского космического центра в Гринбелте (шт. Мэриленд, США), а оставшиеся 8 ч с радиоастрономической станции EКA под Мадридом (Испания). 1 октября 1995 управление полностью перешло к EКA. Поскольку имелся постоянный контакт со спутником, астрономы могли управлять наблюдениями в реальном времени, выбирать время экспозиции и порядок наблюдения объектов. Такой гибкости обычно не бывает при работе со спутниками на низких орбитах, для которых требуется заранее составлять программу наблюдений. IUE предназначался для работы в течение шести месяцев, но успешно функционировал более 18 лет, до 30 сентября 1996, когда был отключен из-за финансовых проблем EКA. Спутник провел около 100 тыс. наблюдений 9300 объектов, архив которых доступен по компьютерным сетям всем астрономам мира. Среди важнейших результатов IUE изучение хромосфер горячих звезд, измерение скорости потери вещества массивными звездами, определение температуры белых карликов, изучение квазаров и скорости звездообразования в галактиках.
"Хаббл". Когда IUE еще только был запущен, НАСА и EКA уже готовили ему значительно более мощного преемника космический телескоп им. Хаббла. Имея зеркало диаметром 2,4 м, он должен был получать изображения объектов и проводить их спектральные измерения. Запланированный на 1983 запуск был отложен на 7 лет, вначале из-за задержки проекта, а затем из-за катастрофы космического корабля "Челленджер" в 1986. Вскоре после того, как 25 апреля 1990 КК "Дискавери" был выведен на орбиту, астрономы выяснили, что зеркалу телескопа придана неправильная форма, что оно имеет сильную сферическую аберрацию и дает размытые изображения. Были и другие серьезные проблемы. Неверно спроектированные солнечные батареи каждый раз при переходе спутника с теневого участка орбиты на солнечный начинали вибрировать, вызывая дрожания телескопа, которые система его наведения не могла компенсировать. От большинства запланированных для "Хаббла" программ пришлось отказаться или урезать их. Спектральные измерения требовали времени в несколько раз больше расчетного. Четкость некоторых изображений удавалось доводить до расчетной в 0,1 угловой секунды, но только после сложной компьютерной обработки. Способность "Хаббла" получать изображения слабых звезд в других галактиках была под сомнением. Во время ремонтной экспедиции 2-13 декабря 1993 четверо астронавтов заменили панели солнечных батарей и установили новую камеру и корректирующие линзы.
См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ". После этого телескоп стал получать данные, недоступные любому другому инструменту. До 1997 на "Хаббле" использовались широкоугольная (планетная) камера и камера слабых объектов (FOC), а также спектрограф слабых объектов и Годдардовский спектрограф высокого разрешения (GHRS). Камера FOC получает ультрафиолетовые изображения, а прибор GHRS спектры сверхвысокого разрешения. Во время второго полета к телескопу (11-21 февраля 1997) астронавты "Дискавери" взамен спектрографа слабых объектов и GHRS установили инфракрасную камеру с многообъектным спектрометром и полевой спектрограф, работающий в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Следующий полет к "Хабблу" для установки на нем нового оборудования планируется в районе 2000, чтобы обеспечить ему лидирующее положение и в 21 в.
Другие проекты. Наблюдения с корабля "Аполлон", участвовавшего в программе "Аполлон Союз" (15-24 июля 1975), и с корабля "Колумбия" (12-18 января 1986) дали противоречивые сведения об ультрафиолетовом фоновом излучении: либо чрезвычайно темное ультрафиолетовое небо со слабым вкладом от далеких галактик, либо на нем есть яркие пятна из-за рассеянного пылинками излучения звезд Галактики. Запущенный 8 августа 1989 астрометрический спутник EКA "Гиппарх" при отсутствии атмосферного размытия изображений смог чрезвычайно точно измерить положения, движения, расстояния и яркость сотен тысяч звезд. Анализ этих данных дает астрофизике твердый фундамент, ибо наши знания о далеких звездах основаны на сравнении с их близкими аналогами. Два полета обсерватории ASTRO на борту кораблей "Колумбия" (2-11 декабря 1990) и "Индевор" (2-18 мая 1995) позволили провести ультрафиолетовые наблюдения в более коротковолновом диапазоне, чем на космическом телескопе им. Хаббла, и получить широкоформатные изображения неба в дополнение к маленьким областям, детально изученным с "Хаббла". Ультрафиолетовые спектрометры межпланетных зондов "Вояджер" работали с высокой чувствительностью на краю Солнечной системы, в отсутствие рассеянного солнечного света. Запущенный 7 июня 1992 спутник EUE провел обзор неба в диапазоне короче 900 , где Галактика непрозрачна и можно видеть только ближайшие источники. Однако в области короче 100 межзвездный газ вновь становится прозрачным и сквозь него можно наблюдать некоторые внегалактические источники. Еще более короткие волны это мир рентгеновской астрономии.
Рентгеновская астрономия. Рентгеновская астрономия исследует излучение объектов в диапазоне от 0,1 до нескольких сотен кэВ. В мягком рентгеновском диапазоне (0,1-2 кэВ) излучение еще заметно поглощается межзвездным газом, а в более жестком диапазоне (2-200 кэВ) поглощение несущественно.
Первые обзоры. Первые рентгеновские спутники имели пропорциональные счетчики для регистрации жесткого рентгеновского излучения из космоса, но у них не было фокусирующих телескопов. Поэтому астрономы лишь приблизительно могли определять направление на яркие источники. Первые обзоры неба, показавшие, что главными рентгеновскими источниками служат двойные звезды, ядра активных галактик и скопления галактик, провели спутники "Ухуру" (создан НАСА и запущен 12 декабря 1970), "Ариель-5" (Великобритания, 15 октября 1974) и более мощный HEAO-1 (НАСА, 12 августа 1977).
"Эйнштейн". Спутник HEAO-2, известный как обсерватория "Эйнштейн" (НАСА, 13 ноября 1978), имел первый фокусирующий рентгеновский телескоп для исследования объектов вне Солнечной системы. Излучение фокусировалось при косом падении на зеркало, составленное из гиперболоидов и параболоидов. Сфокусированное ими излучение в большинстве наблюдений направлялось на изображающий пропорциональный счетчик (IPC), имевший проволочную сетку. Попавший в счетчик рентгеновский квант рождал облачко электронов, положение и мощность которого определялись по току в сетке. На "Эйнштейне" был и другой детектор изображений, а также спектрометры, но высокая чувствительность IPC сделала его самым полезным прибором. "Эйнштейн" исследовал структуру обнаруженных до него скоплений галактик и остатков сверхновых, а также открыл значительно более слабые рентгеновские источники, например, обычные звезды. Благодаря "Эйнштейну", получившему более 4000 изображений источников, рентгеновская астрономия стала зрелой наукой.
Другие проекты. Вслед за успешно поработавшим "Эйнштейном" летали европейский EXOSAT (запущен 26 мая 1983), японский "Дзинга" (запущен 5 февраля 1987) и описанный выше ROSAT, завершившие обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне. Японский аппарат ASCA, запущенный 20 февраля 1993, впервые оснащен рентгеновской ПЗС-камерой, способной определять энергию фотонов, создающих изображение.
РЕНТГЕНОВСКИЙ СПУТНИК AXAF (Advanced X-ray Astrophysics Facility), запущенный в 1998.Рентгеновский телескоп спутника AXAF, запущенного в конце 1998, имеет разрешение менее одной угловой секунды, что не хуже, чем у большинства наземных оптических телескопов. На спутнике установлены современные фотокамеры и спектрографы. В 1999 ЕКА вывело на орбиту обсерваторию XMM для изучения спектров слабых источников. Описанные выше рентгеновские спутники наблюдают излучение в диапазоне от 0,1 до 10 кэВ. Для получения изображений в диапазоне от 10 до 1000 кэВ используются телескопы с так называемой кодированной маской. Один из наиболее удачных французский прибор SIGMA, основной инструмент российской обсерватории "Гранат" (запущена 1 декабря 1989), получивший в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах изображения интереснейших источников, включая источник в центре Галактики, излучение которого вызвано аннигиляцией электронов и позитронов.
Гамма-астрономия. Гамма-излучение состоит из фотонов с большей энергией, чем рентгеновское. Детекторами гамма-лучей, как правило, служат либо сцинтилляторы (в которых вещество поглощает гамма-кванты, испуская оптические фотоны), либо искровые камеры (в которых высокое напряжение вызывает искровые пробои в тех местах, где гамма-квант взаимодействует с заполняющим камеру газом). Гамма-астрономия низких энергий (от 200 кэВ до 10 МэВ) в основном изучает источники гамма-вспышек (продолжительностью несколько секунд). Эти источники были открыты спутниками "Вела" США, запущенными в 1963-1970 для контроля за Договором по ограничению ядерных испытаний (1963) и обнаружения незаконных ядерных взрывов. В 1990-х годах эксперимент BATSE на обсерватории "Комптон" (см. ниже) выявил сотни таких вспышек и показал, что они наблюдаются в произвольных местах по всему небу и, по-видимому, никогда не повторяются. Это очень затрудняет их исследование.
См. также Военно-космическая Деятельность.
Сначала астрономы думали, что причиной этих вспышек служат взрывы на поверхности близких нейтронных звезд, но это предположение не подтвердилось. К 1995 мнения разделились: одни считают, что вспышки связаны с нейтронными звездами неизвестной ранее популяции протяженного галактического гало, простирающегося почти до галактики в Андромеде, а другие полагают, что это катастрофические события во внегалактических объектах на больших красных смещениях. Гамма-астрономия высоких энергий (выше 10 МэВ) в основном изучает долгоживущие точечные источники и диффузное излучение. Немало таких источников открыл спутник EКA "Cos-B" (запущен 9 августа 1975), а более глубокие исследования в этой области начались после запуска 7 апреля 1991 с помощью КК "Атлантис" обсерватории "Комптон" с четырьмя комплексами приборов: BATSE, OSSE, COMPTEL и EGRET. Приборы OSSE и COMPTEL наблюдают гамма-лучи средней энергии (МэВ). Эксперимент EGRET показал, что в области энергий около 100 МэВ многие источники связаны с радиояркими квазарами, которые выбрасывают двойные струи вещества почти со скоростью света. Особенно мощными источниками жестких гамма-лучей являются квазары, выбрасывающие свои струи почти точно в направлении Земли. Точечными гамма-источниками служат также одиночные нейтронные звезды.
См. также Гамма-астрономия.
ГАММА-ОБСЕРВАТОРИЯ "КОМПТОН" (GRO, Gamma-ray observatory) в полете 4 ноября 1991 над Калифорнией.Инфракрасная астрономия. Инфракрасное излучение испускают холодный газ и космическая пыль при температуре от 1000 К и ниже, вплоть до нескольких градусов над абсолютным нулем. Поэтому отличительной чертой ИК-телескопов является то, что сам телескоп и его детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры, часто лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это достигается применением пассивного охлаждения в дюарах с жидким гелием. Продолжительность работы астрономического ИК-спутника сейчас достигает года, максимум двух лет, поскольку жидкий гелий испаряется.
УЧАСТОК МЛЕЧНОГО ПУТИ, сфотографированный наземным оптическим телескопом (вверху) и инфракрасным телескопом спутника IRAS (внизу).Первый полный обзор инфракрасного неба провел астрономический ИК-спутник IRAS (запущен NASA 26 января 1983), получивший изображения неба, по которым был составлен каталог нескольких сотен тысяч инфракрасных источников. Яркость этих источников была измерена на волнах 12, 25, 60 и 100 мкм. Хотя IRAS работал недолго, его влияние на астрономию оказалось огромным, а архив его наблюдений до сих пор служит важнейшим источником данных. До IRAS инфракрасные наблюдения в основном проводили с высотных ракет, запускавшихся Геофизической лабораторией ВВС США на полигоне Уайт-Сэндс. С помощью этих наблюдений были обнаружены области звездообразования и яркие звезды нашей Галактики. Каталог точечных источников IRAS включает десятки тысяч нормальных звезд и тысячи близких спиральных галактик. Преемником IRAS стала "Инфракрасная космическая обсерватория" (ISO), запущенная ESA 17 ноября 1995 и проработавшая до апреля 1998, когда полностью исчерпался запас жидкого гелия. Этот спутник изучал отдельные источники в диапазоне от 3 до 200 мкм с более высокими чувствительностью и угловым разрешением, чем IRAS. Охлаждаемый жидким гелием спутник для исследования космического фона COBE (запущен 18 ноября 1989) изучал все небо с низким угловым разрешением, но очень высокой чувствительностью и точностью. Он измерил уровень фонового излучения во всех направлениях в диапазоне волн от 2 мкм до нескольких миллиметров. COBE определил температуру микроволнового фонового излучения и подтвердил его чернотельный спектр, предсказанный космологической теорией Большого взрыва (см. ниже Результаты наблюдений).
Космическая радиоинтерферометрия. Быстрый прогресс радиоастрономии начался после Второй мировой войны, когда радары были обращены к небу. Но для получения изображений длинноволновых радиоисточников с высоким угловым разрешением требовались гигантские радиотелескопы. Астрономы Кембриджского университета в 1950-х и 1960-х годах разработали метод апертурного синтеза, позволяющий объединить сигналы от нескольких удаленных друг от друга радиотелескопов и получить разрешающую силу как у одного огромного инструмента. К 1980-м годам телескопы разных частей света объединились в единую систему размером с Землю, работая по принципу интерферометра с очень большой базой (VLBI). Разрешение можно еще повысить, добавив к этой системе телескопы на высоких околоземных орбитах или на орбите вокруг Солнца. Первые эксперименты по космической радиоинтерферометрии VLBI проводились в 1980-х годах на советской орбитальной станции "Салют-6" и с помощью американского спутника связи TDRS-1. Первым полноценным телескопом для космической радиоинтерферометрии стал японский "Харука" (HALCA) диаметром 8 м. Он выведен на орбиту 12 февраля 1997 и используется для проведения интерферометрических наблюдений, база которых превышает диаметр Земли в 2,5 раза. Спутники используются также для изучения очень длинных радиоволн, излучаемых Солнцем, магнитосферами планет-гигантов и межзвездной средой. Поверхности Земли эти волны не достигают, поскольку отражаются от ионосферы. Поэтому "Эксплорер-49" с аппаратурой для регистрации сверхдлинных волн был запущен 10 июня 1973 на орбиту вокруг Луны. Чтобы укрыться от помех, возможно, вскоре вся радиоастрономия переместится на обратную сторону Луны и будет использовать наш естественный спутник как экран от земных радиопередатчиков.
См. также Радиоастрономия.
Наблюдения Солнца. Солнце настолько ярче любого другого астрономического объекта, что от него ослепнет любой детектор у описанных выше спутников. Поэтому солнечные обсерватории используют телескопы меньшего диаметра и сильнее расщепляют свет для получения более высокого спектрального разрешения. Внеатмосферные наблюдения ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца позволяют изучать структуру его верхней атмосферы и энергетическую активность короны. Часто на метеорологических спутниках устанавливают небольшие рентгеновские детекторы для регистрации солнечных вспышек, которые могут выбрасывать плазму в потоки солнечного ветра и влиять на земную ионосферу.
См. также Метеорология И Климатология. Первые внеатмосферные эксперименты НАСА по научному изучению Солнца, а не просто для регистрации его вспышек, проводились на восьми Солнечных орбитальных обсерваториях OSO. Орбитальная станция "Скайлэб" имела несколько солнечных телескопов, среди которых были первые инструменты для получения рентгеновских изображений. OSO-7 и "Скайлэб" обнаружили выбросы вещества из короны, часто связанные с солнечными вспышками, когда десятки миллиардов тонн солнечной плазмы впрыскиваются в межпланетную плазму. Спутник ВМС США P78-1 наблюдал солнечную корону, пока не был уничтожен Военно-воздушными силами США в 1985 при испытании противоспутникового оружия. Спутник НАСА SMM изучал Солнце в период его максимальной активности, но испортился всего через год после запуска. Экспедиция на КК "Челленджер" починила его, и он исправно работал до следующего солнечного максимума. Эстафету от SMM принял японский "Йоко" ("солнечный луч"), который ежедневно передавал четкие рентгеновские изображения, показывающие вспышки и горячие пятна в короне.
См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ". Наблюдения ультрафиолетового излучения высокоширотных областей солнечной короны проводились маленьким спутником "Спартан-201" в те дни, когда межпланетный зонд EКA "Улисс" пролетал над южным и северным полюсами Солнца. См. также КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД. Объединенными усилиями EКA и НАСА создана самая мощная из космических солнечных обсерваторий автоматическая станция SOHO (запущена 2 декабря 1995). Она работает в районе точки Лагранжа L1 системы Солнце Земля, т.е. в том месте прямой, соединяющей Солнцу и Землю, где под действием их противоположно направленных притяжений станция оборачивается вокруг Солнца синхронно с Землей. Она ежедневно передает на Землю десятки высококачественных изображений Солнца в широком диапазоне спектра.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Наблюдения наземных и космических обсерваторий дополняют друг друга и, как правило, совместно обеспечивают успех в каждой конкретной области астрономии. Ниже рассказано о некоторых достижениях, для которых внеатмосферные наблюдения были особенно важны.
Космология. Космология исследует Вселенную как целое.
См. также Космология.
Фоновое излучение. Одним из важнейших результатов в космологии 1990-х годов стало исследование спутником COBE фонового микроволнового излучения. Его открыли в 1960-х годах и считали излучением, свободно распространяющимся по Вселенной с того времени, как вещество после Большого взрыва остыло и стало прозрачным (эпоха разделения вещества и излучения). Теория предсказывает, что распределение энергии этого реликтового излучения по длинам волн должно быть представлено кривой, описывающей излучение абсолютно черного тела. К тому же это излучение должно иметь одинаковую интенсивность во всех направлениях на небе, если не считать мелких флуктуаций в сотые доли процента, которые должны наблюдаться в тех местах, где в эпоху разделения уже образовались уплотнения вещества, ставшие в дальнейшем галактиками и скоплениями галактик. COBE впервые показал с высокой точностью, что спектр реликтового излучения действительно чернотельный в широком диапазоне длин волн и что небольшие флуктуации, по-видимому, существуют, как и предсказывает теория Большого взрыва. Основные свойства Вселенной и шкала космических расстояний. Измеряя расстояния до объектов, чей свет добирался до нас большую часть жизни Вселенной, и применяя космологическую модель Фридмана Робертсона Уолкера, входящую в теорию Большого взрыва, астрономы рассчитывают измерить возраст Вселенной и среднюю плотность ее вещества. В 1960-х годах, когда разворачивалась работа, решение этой классической проблемы космологии казалось в принципе простым. Но на практике оно потребовало глубоких знаний о природе тех объектов, расстояние до которых измерялось. Сначала астрономы надеялись, что космический телескоп "Хаббл" позволит быстро решить проблему, но к середине 1990-х годов выяснилось, что для окончательного решения потребуется много дополнительной работы. Тем не менее после починки в 1993 "Хаббл" позволяет очень точно измерять расстояния до близких галактик, решая таким образом важную промежуточную задачу.
Межгалактическое вещество. Исследование поглощения света далеких квазаров (см. ниже) в газе, встречающемся по пути от квазара до Земли, стало важной областью космологии. Так, обнаружилось существование небольших облаков водорода, вероятно, находящихся в гало молодых галактик. Эти облака, принадлежащие далеким галактикам, можно наблюдать с помощью наземных телескопов, поскольку их ультрафиолетовые линии поглощения из-за красного смещения попадают в оптическую область спектра. Но менее далекие облака можно наблюдать только с орбиты; изучить их очень важно, поскольку у близких облаков легче заметить некоторые сопутствующие проявления, такие, как слабые оптические линии излучения. Поглощение в спектре далекого квазара, измеренное "Хабблом", и другого квазара, измеренное ультрафиолетовым телескопом во время полета обсерватории "Астро-2" на КК "Индевор" 2-18 марта 1995, указывает на существование межгалактического вещества, которое астрономы уже давно искали, ибо подозревали, что чистый водородо-гелиевый газ остался с эпохи Большого взрыва и сейчас равномерно заполняет Вселенную.
Квазары и активные ядра галактик. У некоторых галактик есть компактный и мощный источник излучения в самом центре в ядре; по своей природе он отличается от звезд, звездных скоплений и туманностей, составляющих основную часть галактики. Эти источники, названные активными галактическими ядрами (АГЯ), светят нетепловым излучением в широком диапазоне энергий, а их спектр указывает, что движение газа в них происходит со скоростью в несколько процентов от скорости света. Существует много типов АГЯ, свойства которых различаются в деталях. У сейфертовских галактик АГЯ могут излучать столько же энергии, сколько вся остальная галактика. Другие АГЯ, называемые квазарами, могут быть такими мощными, что родительская галактика почти неразличима в ярком свете ее активного ядра. Наблюдения, проведенные в 1970-х годах рентгеновскими спутниками "Ариель-5", HEAO-1 и "Эйнштейн", показали, что сейфертовские галактики и квазары являются также мощными переменными рентгеновскими источниками. Наблюдения IUE позволили изучить быстро движущийся газ вблизи АГЯ, а IRAS установил, что квазары еще и яркие инфракрасные источники. Только при помощи внеатмосферных наблюдений удалось обнаружить, в каком широком диапазоне энергий излучают активные ядра галактик, и измерить распределение их энергии вдоль этого диапазона. Рентгеновские наблюдения позволили обнаружить многие ранее не известные АГЯ. Данные IRAS указали, что инфракрасное излучение квазаров испускает теплая межзвездная пыль, окружающая ядро. Внимательное наблюдение за вариациями ультрафиолетового излучения позволило понять, что светящиеся газовые облака, окружающие активные ядра, имеют меньший размер и более сложную структуру, чем казалось вначале. На изображениях близких АГЯ, полученных "Хабблом", центральный источник окружен диском, вдоль оси которого видны конусы излучения. Изображения и спектры радиогалактики М 87, переданные "Хабблом", показали, что из вращающегося диска, как и ожидали теоретики, с большой скоростью выбрасывается струя вещества джет. Все это укрепляет мнение, что удивительное разнообразие наблюдаемых проявлений у АГЯ и квазаров отчасти объясняется различием в углах наклона их дисков по отношению к земному наблюдателю. Квазары, у которых джет и диск повернуты прямо на наблюдателя, выглядят иначе, чем те, у которых диск виден с ребра. Это различие отчетливо проявляется в гамма-диапазоне: открытые "Комптоном" источники, по-видимому, развернуты точно на нас и поэтому особенно ярки из-за релятивистских эффектов. Таким образом, результаты внеатмосферных наблюдений подтверждают, хотя и не доказывают пока широко распространенную теорию, что квазары и активные галактические ядра черпают энергию из аккреции вещества на гигантскую черную дыру, масса которой может в миллиарды раз превосходить массу Солнца.
См. также Черная Дыра; Квазар.
Галактики. IRAS обнаружил сверхъяркие инфракрасные галактики, испытывающие грандиозные вспышки звездообразования, какие прежде не наблюдались. Это заставило вообще по-новому взглянуть на эволюцию галактик. Полученные "Хабблом" изображения галактик с большим красным смещением демонстрируют, что несколько миллиардов лет назад многие из галактик, вероятно, все еще находились в процессе формирования.
ЛОБОВОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ В КОСМОСЕ ПРИВОДИТ К РОЖДЕНИЮ ЗВЕЗД. Редкое и захватывающее лобовое столкновение двух галактик запечатлел на цветном снимке (справа) космический телескоп им. Хаббла. Объект, расположенный на расстоянии 500 млн. световых лет в направлении созвездия Скульптор, называют Тележное Колесо. Яркое кольцо возникло в результате пролета маленькой галактики одной из двух, находящихся справа. Столкновение привело к гигантскому выделению энергии и заставило газ и пыль раздвигаться со скоростью 320 тыс. км/час. Эта расширяющаяся волна стимулировала рождение звезд. В кольце содержится несколько миллиардов новорожденных звезд. На снимке (слева вверху) в кольце видны уплотнения, представляющие крупные скопления молодых звезд. На изображении центра галактики (слева внизу) видно огромное количество пыли и областей звездообразования. Яркие точки это огромные звездные скопления.Но все же важнейший вклад внеатмосферной астрономии во внегалактические исследования состоит в неожиданном открытии того факта, что скопления галактик заполнены разреженным газом с температурой в миллионы градусов. Этот газ излучает рентгеновские лучи, что впервые обнаружил "Ухуру". Наблюдения показали, что в некоторых скоплениях этот газ холоднее в центре, в области максимального гравитационного потенциала, куда оседают потоки остывающего газа, из которого там, возможно, формируются звезды. Последние исследования указывают, что газ в скоплениях часто неоднороден, а значит, скопления все еще не достигли равновесного состояния. Эти открытия не только помогают понять природу скоплений галактик, но прежде всего демонстрируют само их существование как самостоятельных физических объектов, что далеко не просто было сделать только на основании наземных оптических фотографий. Рентгеновский газ часто, но не всегда, концентрируется вокруг отдельной массивной галактики, расположенной в центре гравитационного потенциала скопления. Рентгеновские спутники обнаружили также горячую межзвездную среду в отдельных эллиптических галактиках, изменив этим представление о них как о старых, застывших системах. Составленные по данным IRAS каталоги нормальных спиральных галактик позволили лучше узнать распределение в них газа и пыли, понять роль звездообразования и провести их перепись, не искаженную поглощением света в Млечном Пути. См. также Галактики.
ОБЛАСТЬ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ В ТУМАННОСТИ 30 DORADUS (слева), которая окружает плотное звездное скопление R 136 (вверху справа). Эта туманность расположена в соседней галактике Большое Магелланово Облако на расстоянии около 160 тыс. св. лет от нашей Галактики. Такие облака называют областями H II, поскольку они в основном состоят из водорода, ионизованного ультрафиолетовым излучением горячих звезд. Левая картинка представляет мозаику из изображений, полученных широкоугольной и планетной камерой (WFPC-2), установленной на космическом телескопе им. Хаббла. Исследование скопления R 136 показало, что наряду с массивными звездами там сформировались и звезды с массой меньше солнечной; это подтверждает, что рождение скопления носило характер вспышки звездообразования.Формирование звезд и планет. IRAS исследовал самые внутренние части областей звездообразования и обнаружил там множество новых источников. На полученных им в далеком инфракрасном диапазоне картах видны молекулярные облака и горячие уплотнения в них, где формируются массивные звезды. Молодые звезды малой массы, такие, как T Тельца, также являются инфракрасными источниками, но IRAS обнаружил еще более молодые звезды, которые пока окружены пылевыми коконами и не видны в оптике. На переданных "Хабблом" изображениях туманности Ориона у некоторых недавно сформировавшихся звезд обнаружены диски, возможно, протопланетные системы. Подобные же диски были замечены наземными телескопами у звезд, которые, по данным спутника IRAS, имеют избыточную инфракрасную светимость по сравнению с нормальными звездами того же типа. На основе этих данных была развита новая картина формирования звезд, согласно которой некоторые протозвезды окружены веществом в виде экваториального диска и выбрасывают потоки газа из полярных областей. Это совсем не похоже на прежние представления о простом сферическом коллапсе; новая теория подчеркивает важную роль момента импульса в процессе звездообразования.
См. также
Солнечная Система;
Звезды.
Межзвездная среда. В мягком рентгеновском и далеком ультрафиолетовом диапазонах изучают близкую межзвездную среду, в которой горячий разреженный газ неравномерно перемешан с более плотным и холодным. Ультрафиолетовая спектроскопия позволяет определить химический состав и состояние ионизации межзвездного газа. IUE обнаружил высокоионизованный газ в галактическом гало; будущие исследования должны объяснить, как диск и гало Галактики обмениваются веществом. Наблюдения в инфракрасном диапазоне дают информацию о плотном и холодном межзвездном газе, с которым связано формирование звезд. На инфракрасной карте неба доминирует полоса Млечного Пути. Однако в диапазоне 100 мкм небо покрыто инфракрасными циррусами сетью клочковатых облаков, открытых спутником IRAS. Млечный Путь также четко выделяется при наблюдении в гамма-диапазоне; полагают, что диффузное галактическое гамма-излучение вызвано взаимодействием с космическими лучами.
См. также Межзвездное Вещество.
Нормальные звезды. Ультрафиолетовая астрономия позволила детально изучить массивные звезды, более горячие, чем Солнце, многие из которых испускают с поверхности мощный звездный ветер потоки ионизованного газа. IUE исследовал это явление у звезд различного спектрального класса и возраста. Потеря массы играет важную роль в эволюции звезд; именно внеатмосферная астрономия дала основные наблюдательные данные в этой области. Данные IUE дополнили наблюдения спутника IRAS, обнаружившего много звезд, так интенсивно теряющих вещество, что сами они совершенно не видны за сброшенными пылевыми оболочками. IRAS обнаружил окруженные плотной пылью звезды асимптотической ветви гигантов вероятных предков планетарных туманностей. IRAS также зарегистрировал излучение остатков этой пыли у тысячи планетарных туманностей, а IUE обнаружил, что их центральные звезды все еще выбрасывают звездный ветер. Оказалось, что у звезд менее массивных, чем Солнце, в короне происходят мощные рентгеновские вспышки. Некоторые звезды, похожие на Солнце, гораздо сильнее его излучают в рентгеновском диапазоне, т.е. обладают активными коронами, чего трудно было ожидать по их оптическим свойствам.
См. также Звезды.
Компактные объекты и остатки звезд. Когда термоядерные реакции в звезде заканчиваются, ее ядро под действием силы тяжести сжимается, а внешние слои обычно сбрасываются. Это может произойти относительно медленно и спокойно с образованием белого карлика, окруженного планетарной туманностью, но может случиться и в виде взрыва, как у сверхновых II типа, дав в результате нейтронную звезду или черную дыру. Для изучения белых карликов, имеющих температуру поверхности порядка 100 000 К, требуются наблюдения в ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах. Когда белый карлик находится в тесной двойной системе с нормальной звездой, ее вещество может перетекать на него, либо формируя аккреционный диск вокруг белого карлика, либо падая на его поверхность в области магнитных полюсов. Поскольку такие системы могут неожиданно увеличивать светимость во много раз, их называют катаклизмическими переменными или, когда аккрецией управляет магнитное поле, полярами. Аккреционный диск в основном излучает ультрафиолет, а газ, падающий на компактную звезду, светится в рентгеновском диапазоне. Часто сама звезда слишком слаба, чтобы можно было заметить ее оптическое излучение. Белые карлики в двойных системах, вероятно, являются предками сверхновых I типа, взрыв которых происходит, когда белый карлик захватывает слишком много вещества, становится неустойчивым и детонирует. Важным открытием первых рентгеновских спутников стали рентгеновские двойные звезды, у которых компактным компаньоном является нейтронная звезда или черная дыра. Их более сильное притяжение вызывает разогрев газа до более высоких температур и его интенсивное излучение в жестком рентгене. (Первым рентгеновским источником, обнаруженным за пределом Солнечной системы, был Скорпион X-1, рентгеновская двойная система.) Эти объекты делят на два класса: массивные рентгеновские двойные, где в паре с компактной звездой движется нормальная звезда спектрального класса O или B, и маломассивные рентгеновские двойные, где компаньоном является маленькая звезда класса K или M. Массивные двойные излучают жесткий рентген и обладают сильными магнитными полями. В некоторых из них нейтронные звезды излучают пульсирующий рентгеновский поток. В других, таких, как Cyg X-1 и LMC X-3, компактным объектом является, вероятно, черная дыра. Теоретически доказано, что нейтронная звезда не может превосходить по массе Солнце более чем в три раза. Поэтому тщательно определяют массы компактных объектов в двойных системах и для дальнейшего исследования отбирают такие, как Cyg X-1, масса у которых более чем втрое превосходит солнечную. У маломассивных двойных спектр мягче, магнитное поле слабее, и в них нет рентгеновских пульсаров. Звезда-компаньон часто не видна, поскольку над ее оптическим излучением доминирует преобразованный рентгеновский поток от аккрецирующего вещества. У некоторых из них рентгеновское излучение демонстрирует квазипериодические колебания, вызванные неустойчивостью процесса аккреции. Эволюция рентгеновских двойных сложна, поскольку две звезды часто обмениваются столь значительной массой, что более массивный компаньон после этого становится менее массивным. Скорость эволюции звезды сильно зависит от массы (чем выше масса, тем быстрее эволюция), и у тесных двойных звезд эволюция протекает совсем не так, как у одиночных звезд или компонентов широких двойных систем. Изолированные нейтронные звезды обычно излучают радиоволны в результате процессов в их магнитосферах; в этом случае они наблюдаются как пульсары. Недавно выяснилось, что изолированные нейтронные звезды могут быть также источниками высокоэнергичного гамма-излучения. ROSAT зарегистрировал сверхмягкие рентгеновские источники, которые также считают связанными с нейтронными звездами. Особое внимание астрономы уделяют рентгеновскому излучению разреженного газа, окружающего места взрывов сверхновых. В этих старых остатках взрыва содержатся тяжелые элементы, образовавшиеся в процессе взрыва сверхновой. Исследования состава и физического состояния выброшенного сверхновой вещества очень важны для понимания того, как рождаются химические элементы и эволюционирует Галактика. Многие ранее неизвестные остатки сверхновых были обнаружены с помощью рентгеновских наблюдений.
См. также
Черная Дыра;
Нейтронная Звезда;
Нуклеосинтез;
Пульсар;
Сверхновая Звезда;
Переменные Звезды. В число наиболее экзотических объектов, изучаемых рентгеновской астрономией, входят галактические двойные системы со сверхсветовым движением. Первая такая система, открытая "Гранатом", демонстрировала расширение со скоростью больше световой: это оптическая иллюзия, связанная с релятивистским выбросом джета, случайно направленного почти точно в сторону Земли.
ЛИТЕРАТУРА
Москаленко Е.И. Методы внеатмосферной астрономии. М., 1984
Вопрос-ответ:
